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光电测试技术,哈尔滨工业大学,第3章 激光测试技术,2023/1/9,2,引 言,自从1960年由Maiman研制成功世界上第一台红宝石固体激光器以来，激光技术发展极为迅速，并带动一大批相关学科和技术的发展，其应用遍布几乎所有的领域，如信息、医学、工农业和军事技术等各个部门，是具有里程碑意义的重要技术成就。激光技术的广泛应用使之成为力学、物理、化学、材料科学、光电子以及医学工程之间的一门交叉学科。激光是一种高亮度的定向能束，单色性好，发散角很小，具有优异的相干性，既是光电测试技术中的最佳光源，也是许多测试技术的基准。,2023/1/9,3,31 激光概述,1.激光的基本性质激光的方向性描述方法：发散角：光源发光面所发出光线中，两光线之间的最大角，一般用2表示，单位为rad。立体角：球冠曲面S对光源O所张的空间角，单位为sr，可用下式描述整个球面对球心所张的立体 角是4(sr)。,2023/1/9,4,31 激光概述,1.激光的基本性质激光的方向性激光器的发散角接近该激光器的出射孔径所决定的衍射极限。可以表示为,例：对氦氖激光器，若=0.63m，d=3mm，则光束发散角为2210-4rad。,当发散角较小时，发散角和立体角的关系可简化为,常用激光器的光束方向性能：气体激光器方向性最好，其发散角约为10-310-6rad；固体激光器的方向性较差，一般为10-2rad量级。半导体激光器的方向性最差，一般在（510）10-2rad，且两个方向的发散角不一样。,2023/1/9,5,31 激光概述,1.激光的基本性质激光的高亮度定义：亮度为单位面积的光源在单位时间内向着其法线方向上的单位立体角范围内辐射的能量，可表示为亮度的单位是W/m2 sr；,一般激光器的发光立体角大约为10-6sr，其发光亮度比普通光源大百万倍。正是由于激光能量在空间和时间上的高度集中，才使得激光具有普通光源所达不到的高亮度。,激光的亮度水平：一个普通的调Q红宝石激光器发射的激光，其脉冲功率很容易达到106W的水平，其亮度是太阳的1010倍。目前的超短脉冲激光器能产生短至4.6fs的超短脉冲，光功率密度可高达1020W/cm2，其亮度就更高了。,2023/1/9,6,31 激光概述,1.激光的基本性质激光的单色性单色性是指光强按频率（波长）的分布状况。描述方法：用频谱或波长分布的宽度（线宽）来描述激光的单色性能：单模稳频He-Ne激光器，其发出的谱线的线宽与波长的比值可达。普通光源中，单色性最好的同位素86Kr放电灯在低温下发出波长0.6057m的光，,2023/1/9,7,31 激光概述,1.激光的基本性质激光的时间相干性概念：激光的时间相干性指在一空间点上，由同一光源分割出来的两光波之间位相差与时间无关的性质，即光波的时间延续性。可以理解为，同一光源发出的两列光波经不同的路径，在相隔一定时间c后在空间某点会合，尚能发生干涉，c称为相干时间。概念：在迈克尔逊干涉仪中，当两光路光程差小于光振动波列本身的长度L时，在观察点P处还有一部分干涉，可看到干涉条纹。当光程差大于振动波列本身的长度L时，两列波完全不相干，则看不到干涉条纹。我们把两波列间允许的最大光程差称为光源的相干长度，记作Lc，它等于光振动的波列本身的长度。,2023/1/9,8,31 激光概述,1.激光的基本性质激光的时间相干性经过简单推导有下式成立：,结论：光谱线宽度和越窄，光的相干长度Lc和相干时间c越长，光的时间相干性越好。所以激光的时间相干性比普通光源所发出的光好得多。,例如，用86Kr灯作光源的干涉仪，理论上其相干长度Lc=77cm，这与非受激发射的普通光源相比已是最长的了；但利用稳频He-Ne激光器（0.6328m）作光源，若其频率稳定度为10-11，干涉仪的相干长度可达几千公里。,2023/1/9,9,31 激光概述,1.激光的基本性质激光的空间相干性概念：空间相干性是指同一时间，由空间不同点发出的光波的相干性。如果用单模激光器作光源，由于这种激光光束在其截面不同点上有确定的位相关系，因此可产生干涉条纹，即单模激光光束的空间相干性很好。例如：尺寸为100m的矩形汞弧灯光源，当针孔屏距光源500mm放置时，横向相干长度大约为.25mm，而激光器的横向相干长度可达100mm以上。,2023/1/9,10,31 激光概述,1.激光的基本性质激光的纵模与横模1）激光的纵模光波是一种电磁波，每种光都是具有一定频率的电磁振荡。当谐振腔的光学长度等于半波长的整数倍的那些光波，将形成稳定的振荡，因为这些光波在多次反射中相位完全相同而得到最有效的加强。谐振条件：,所以原则上谐振腔内有无限多个谐振频率。每一种谐振频率的振荡代表一种振荡方式，称为一个“模式”。对于上述沿轴向传播的振动，称为“轴向模式”，或简称为“纵模”。,结论：纵模的频率间隔与谐振腔的光学长度成反比，与纵模的模序数q无关，在频谱上呈现为等间隔的分立谱线，称之为谐振频率。只有那些落在增益曲线范围内，并且增益大于损耗的那些频率才能形成激光。其他频率的光波都不能形成激光振荡。在这里谐振腔起了一种频率选择器的作用，正是由于这种作用，才使激光具有良好的单色性。,2023/1/9,11,31 激光概述,1.激光的基本性质激光的纵模与横模2）激光的横模激光光束的截面形状除对称的圆形光斑以外，还会出现一些形状较为复杂的光斑，如图3-7所示。激光的纵模对应于谐振腔中纵向不同的稳定的光场分布。光场在横向不同的稳定分布，通常称为不同的横模。,在实际应用中，希望激光的横向光强分布越均匀越好，而不希望出现高阶模。,2023/1/9,12,31 激光概述,2高斯光束高斯光束的描述由凹面镜构成的稳定谐振腔产生的激光束既不是均匀平面光波，也不是均匀球面光波，而是一种结构比较特殊的高斯光束，如图所示。,2023/1/9,13,31 激光概述,2高斯光束高斯光束的描述沿z轴方向传播的高斯光束的电矢量表达式为,波数K2/,（z）称为z点的光斑尺寸，它是z的函数，即0是z=0处的光斑尺寸，它是高斯光束的一个特征参量，称为光束的“束腰”；,R(z)是在z处波阵面的曲率半径，它也是z的函数,是与z有关的位相因子,2023/1/9,14,31 激光概述,2高斯光束高斯光束的特性1）z=0的情况将z=0代入电矢量表达式，得出z=0处的电矢量表达式为特点：与x,y有关的位相部分消失，即z=0的平面是等相面，它与平面波的波阵面一样；振幅部分是一指数表达式，这种指数函数叫高斯函数，通常称振幅的这种分布为高斯分布光斑中心最亮，向外逐渐减弱，但无清晰的轮廓。通常以电矢量振幅下降到中心值1/e（光强为中心值的1/e2）处的光斑半径作为光斑大小的量度，称为束腰。,注意：高斯光束在z=0处的波阵面是一平面，这一点与平面波相同，但其光强分布是一种特殊的高斯分布，这一点不同于平面波。也正是由于这一差别，决定了它沿z方向传播时不再保持平面波的特性，而以高斯球面波的特殊形式传播。,2023/1/9,15,31 激光概述,2高斯光束高斯光束的特性2）z=z0 0的情况当z=z0 0时，电矢量E的表达式为,上式的相位部分表示高斯光束在z=z00处的波阵面是一球面，其曲率半径为R（z0），由定义式知 即波阵面的曲率半径R（z0）大于z0，且R随z而异，即作为波阵面的球面的曲率中心不在原点，而且随中心不断变化，如图所示。,2023/1/9,16,31 激光概述,2高斯光束高斯光束的特性2）z=z0 0的情况,电矢量E的振幅值与z=0处相仿，但仍中心最强，同时按高斯函数形式向外逐渐减弱，此时光斑尺寸为从上式可知，在z=0处的光斑尺寸最小，该点的光斑尺寸0为束腰，而(z)随z增大，表示光束逐渐发散。,2023/1/9,17,31 激光概述,2高斯光束高斯光束的特性2）z=z0 0的情况,通常以2来描述光束的发散角，其表达式为当z=0时，20；当 时，；当z时，远场发散角通常称z=0到 的范围为准直距离，在此区间发散角最小。,2023/1/9,18,31 激光概述,2高斯光束高斯光束的特性3）zz0的情况与zz0相似，它的振幅分布在zz0处完全一样，只是 R（z0）R（z0），在z0处是一个沿z方向传播的发散球面波，而在z0处，则是沿z方向传播的会聚球面波，两者曲率半径的绝对值相等。,小结：高斯光束在z0处是沿z方向传播的会聚球面波，当它到达z=0处变成一个平面波，当继续传播时又变成一个发散的球面波。光束各处上的光强分布均为高斯光束。,2023/1/9,19,31 激光概述,2高斯光束高斯光束的变换1）高斯光束的复曲率半径将高斯光束电矢量公式改写为,定义复曲率半径为,参数q（z）将高斯光束的两个基本参数（z）和R（z）统一在一个表达式中，它是表征高斯光束的又一个重要参数。一旦确定光束在某位置处的q（z）值，便可求出该位置处的（z）和R（z）。,2023/1/9,20,31 激光概述,2高斯光束高斯光束的变换1）高斯光束的复曲率半径如果以q0=q(0)表示z=0处的复曲率半径，并注意到R(0)，(0)=0，则按定义式，有,由此得出,将（z）和R（z）的定义式代入q（z）的定义式，经适当运算可得,这就是高斯光束的复曲率半径在自由空间（或均匀各向同性介质)中的传输规律,2023/1/9,21,31 激光概述,2高斯光束高斯光束的变换2）高斯光束通过薄透镜的变换,=,入射球面波M，经过薄透镜后将转变成球面波M，有,强调：高斯光束的复曲率半径q(z)和普通球面波的曲率半径R(z)有一样的形式和作用。,2023/1/9,22,31 激光概述,2高斯光束高斯光束的变换3）高斯光束通过复杂透镜的变换高斯光束通过复杂透镜系统的变换关系，遵循ABCD变换定律，表示为,同理，对复杂光学系统有:,2023/1/9,23,31 激光概述,2高斯光束高斯光束的聚焦为使高斯光束获得良好的聚焦，通常采用短焦距透镜，或者使高斯光束束腰离透镜甚远。,在入射光束的束腰处,在A处,在B处,在出射光束的束腰处,当 l f 时，有,2023/1/9,24,31 激光概述,3激光器的分类和特点气体激光器气体激光器是以气体或蒸汽为工作物质的激光器。气体激光器可分为三大类：原子（如He-Ne）、分子（如CO2）和离子（如Ar+）气体激光器。气体激光器的特点是：谱线的波长分布区域宽，已观察到的上万条谱线，覆盖了从紫外到红外光谱区，目前已向两端扩展到X射线波段和毫米波波段。其激光器输出光束的质量相当高，具有良好的单色性和发散度。目前是连续输出功率最大的激光器，如CO2激光器连续输出量级已达数十万瓦。与其它激光器相比，转换效率高，结构简单，造价低廉。被广泛应用于工农业、国防、医学和其它科研领域中。,2023/1/9,25,31 激光概述,3激光器的分类和特点固体激光器固体激光器是以固体作为激光工作物质的激光器。类型：目前，实现激光振荡的固体工作物质已达百余种，如红宝石（Cr3+:Al2O3）、掺钕钇铝石榴石（Nd3+:YAG）、钕玻璃和掺钛蓝宝石（Ti3+:Al2O3）等。特点：激光谱线数千条。脉冲激光能量从几千焦耳到几十万焦耳，最高峰值功率达1013瓦。随着中小功率固体激光器技术的发展，与之有关光学元件也相应地得到发展，其中包括电光Q开关、声光Q开关、调制器、宽带调谐、倍频以及锁模技术等装置均已成熟，已形成产品系列。结构紧凑、坚固可靠和使用方便等。,1960年由梅曼(Maiman)制成世界上第一台红宝石脉冲激光器，它标志了激光技术的诞生，从此固体激光器技术获得了飞速发展。,2023/1/9,26,31 激光概述,3激光器的分类和特点半导体激光器半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器。半导体激光器主要特点有：（1）超小型、重量轻，激活面积为0.50.5mm2；（2）效率高、微分量子效率大于50，能量转换效率大于30；（3）发射的激光波长范围宽，通常谱宽在0.530m之间；（4）使用寿命长，可达百万小时以上，即使在60的环境温度下工作，寿命也可达20万小时以上；（5）普通的半导体激光器的发射功率在1100mW，但目前大功率半导体激光器的发展极为迅速，一维相干的大功率半导体激光器连续输出已达500mW，二维相干列阵器件的输出功率达1W。部分相干的半导体激光器的最大输出达80W，准连续输出为300W，脉冲输出达1000W以上。,2023/1/9,27,31 激光概述,3激光器的分类和特点半导体激光器半导体激光器的材料主要集中为三大类材料：III族化合物半导体，如GaAs；-族化合物半导体，如CdS；族化合物半导体，如PbSnTe。其中III族化合物半导体材料研制开发最成熟，应用也最广泛。目前，半导体激光器已成为激光器家族中最主要的成员之一，是光通信领域中发展最快和最为重要的光纤通信的光源，并在激光电视唱片、光盘、激光高速印刷术、全息照相、文字记录、数码显示、办公自动化、激光准直、激光防盗及医疗等方面开发了应用。半导体激光器是光信息处理、光储存和光计算机等新领域的主要角色。,2023/1/9,28,31 激光概述,3激光器的分类和特点液体激光器液体激光器有两类，即有机化合物（染料）液体激光器和无机化合物液体激光器。染料激光器输出的激光波长可以在从紫外(340nm)到近红外(1200nm)的范围内连续调谐；激光谱线宽度很窄，目前染料激光器产生的超短光脉冲的时间宽度已压缩到几纳秒，利用锁模技术还可以获得从皮秒（10-12s）到飞秒（10-15s）量级的激光脉冲；染料激光器每个脉冲的能量可达数十焦耳量级，峰值功率达几百兆瓦；激光能量转换效率高达50；已在光化学、光生物学、光谱学、全息照相、光通信、同位素分离、激光医学、大气和电离层光化学等方面获得日益广泛的应用。,2023/1/9,29,31 激光概述,3激光器的分类和特点化学激光器化学激光器是指基于化学反应建立粒子数反转而产生受激辐射的一类激光器。化学激光器的工作物质可以是气体或液体，但大多数是气体，由于化学激光器在激励方式等方面的独特性，通常将其归为一个单独的激光器分支。特点是：1）将化学能直接转换为激光；2）输出的激光波长丰富，从紫外到红外，一直进入微米波段；3）高功率、高能量激光输出，如氟化氢激光器，每公斤氢和氟作用就能产生1.3107焦耳的能量；4)化学激光器在许多领域中具有广阔的应用前景，特别是要求大功率的场合，如同位素分离、激光武器等方面，利用氟化氘(DF)激光器击落靶机已见报道。,2023/1/9,30,31 激光概述,3激光器的分类和特点自由电子激光器自由电子激光器是最近发展起来的一种新型激光器。其工作物质是自由电子束。自由电子激光器具有显著的特点：1)输出的激光波长可在相当宽的范围内连续调谐，原则上可以从厘米波一直调谐到真空紫外，甚至x光的波段，在目前电子加速器可利用的能量范围内，已实现的调谐范围是100nm1mm；2)由于自由电子激光器的工作物质是电子束本身，因而不会出现自聚焦、自击穿等非线性光学损伤现象，只要电子能量足够大，就可以获得极高的光功率输出；3)具有极高的能量转换效率，理论上可高达50，目前实验中已做到10。目前，自由电子激光器仍处于试验阶段，离实际应用尚有相当一段距离。,它和普通激光器的根本区别在于：辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。本质上看，自由电子激光器是一种把相对论电子束的动能转变成相干辐射能的装置。,2023/1/9,31,31 激光概述,3激光器的分类和特点其它激光器除了上面介绍的激光器外，还有很多其它类型的激光器，并且各有自己独特特点，如：1）x射线激光器2）受激喇曼散射激光器3）薄膜激光器4）自电离激光器和离解激光器5）光纤激光器等,2023/1/9,32,3-2 激光准直技术及应用,1激光束的压缩技术在普通应用中，可以把激光束看成平面波，直接作为直线性测量的基准。但是在高准确度应用中，必须考虑激光束的波面既非平面波也不是球面波，而是高斯光束，其发散的形式与球面波是不一样的。所谓激光束的压缩，即要压缩光束的发散角，改善激光束的方向性。用倒置望远镜压缩激光束,当透镜L1为短焦距的薄透镜时,同样，就透镜L2而言,所以,2023/1/9,33,3-2 激光准直技术及应用,1激光束的压缩技术用倒置望远镜压缩激光束而在透镜L2处入射光束的曲率半径为R3，R3f2。则由此可见，高斯光束经过一个倒置望远镜系统后，从透镜L2出射光束的曲率半径为无穷大，即出射光在透镜L2处为一平面波，出射光的束腰位于透镜L2处，其尺寸为,2023/1/9,34,3-2 激光准直技术及应用,1激光束的压缩技术用倒置望远镜压缩激光束所以，出射光的发散角为而入射光的发散角为此时发散角的压缩比,2023/1/9,35,3-2 激光准直技术及应用,1激光束的压缩技术零阶贝赛尔(Bessel)光束高斯光束经过任何线性光学系统的变换仍然是高斯光束，随着光束的传播，高斯光束截面上光强迅速衰减。但是当光源用激光器，经过特殊的会聚元件而形成的零阶贝塞尔光束的光强几乎不随传播距离而衰减，是一条亮而细的光束。零阶贝塞尔光束是波动方程在无界空间的一个特解，其形式为：,由该式可知，这是一个在垂直于传播方向z的横截面上具有相同光强分布J0(r)的光束，即光强分布不随z而变，因而具有无发散传输的性质。必须指出，在有界空间中，零阶贝塞尔光束是波动方程的一个近似解，即在某一传输距离内延缓光束的衍射发散，使横截面上的光强分布近似不变。,2023/1/9,36,3-2 激光准直技术及应用,1激光束的压缩技术零阶贝赛尔(Bessel)光束,2023/1/9,37,3-2 激光准直技术及应用,1激光束的压缩技术产生超细光束的新光源1989年美国密执安大学的科研人员研制出一种可产生超细光束的技术，其光束的直径可以小至1nm。这项技术，包括在一支内径仅100nm或更小的微小滴管的尖头内，生长一颗分子态晶体，通过用激光或其它手段对这颗晶体进行激发，光以分子态激子形式经晶体传播，并激发晶体，在滴管尖端产生细光束。使用不同晶体可产生不同波长的光。这种新装置是一种可产生极细光束的主动光源，而不是以某种形式将光压缩变窄、被动限制地产生细光束，并且由于晶体可以放大信号，因此其亮度要大得多。这项技术最重要的特点是它能实现对极小区域成像（分子成像），预示着它将有重要应用。,2023/1/9,38,3-2 激光准直技术及应用,2激光准直测试技术激光自准直技术激光束的自准直技术是指能实现反射波面与入射波面完全重合的技术。1）平面镜反射的自准直激光束经倒置望远镜后射出，经平面镜反射回来，射在距平面镜一定距离的四象限平面光电接收器或面阵CCD上，垂直光束移动光电接收器，确定了激光斑的位置；若平面镜有小量倾斜，则反射光束的偏角为平面镜倾角的两倍，再移动光电接收器，又一次确定了激光斑中心的位置后，由其移动距离和平面镜到光电接收器的距离，即可求出平面镜的倾角。,2023/1/9,39,3-2 激光准直技术及应用,2激光准直测试技术激光自准直技术2）相位共轭技术实现自准直若光波入射到相位共轭镜上，不论是否垂直入射，都按原路反射回去，而且发散光变成了会聚光，产生的会聚光波称为相位共轭波。相位共轭光束的任意两点间的相位差与原入射光束相同两点之间的相位差大小相等符号相反。改变相位符号的数学运算称为共轭，故称该现象为相位共轭。产生方法：受激布里渊（Brillouin）散射四波混频,一束高强度、高方向性的光束进入光学非线性材料时，只要光束功率大于某一阈值，光束就几乎全部向后反射回来，后向反射光的出现就是产生布里渊散射的结果。,2023/1/9,40,3-2 激光准直技术及应用,2激光准直测试技术激光准直技术现有的激光准直仪按照工作原理可以分为振幅测量法、干涉测量法和偏振测量法等。1）振幅（光强）测量法原理：振幅测量型准直仪以激光束的强度中心作为直线基准，在需要准直的点上用光电探测器接收。探测器输出对中和偏心信号。这种方法比用人眼通过望远镜瞄准方便，瞄准的不确定度上也有一定的提高，但其准直度受到激光束漂移、光束截面上强度分布不对称、探测器灵敏度不对称，以及空气扰动造成的光斑跳动等的影响。,2023/1/9,41,3-2 激光准直技术及应用,2激光准直测试技术激光准直技术1）振幅（光强）测量法提高激光准直仪的对准准确度的方法有：菲涅尔波带片法位相板法双光束准直法,当激光束通过望远系统后，均匀地照射在方形波带片上，并使其充满整个波带片，则在光轴的某一位置出现一个很细的十字亮线。调节望远系统的焦距，则十字亮线就会出现在光轴的不同位置上，这些十字亮线中心点的连线为一直线，这条线可作为基准来进行准直测量。由于十字亮线是干涉的效果，所以具有良好的抗干扰性。同时，还可克服光强分布不对称的影响。,该准直法使用一个复合棱镜将光束分为两束，当激光器的出射光束漂移时，经过棱镜以后的两个光束的漂移方向相反，采用两光束的平分线作为准直基准可以克服激光器的漂移和部分空气扰动影响。,2023/1/9,42,3-2 激光准直技术及应用,2激光准直测试技术激光准直技术2）干涉测量法干涉测量法是在以激光束作为直线基准的基础上，又以光的干涉原理进行读数来进行直线度测量的。,2023/1/9,43,3-2 激光准直技术及应用,2激光准直测试技术提高测试准确度的技术措施激光准直仪大多采用单模（TEM00）输出的He-Ne激光器，其功率约为12mW，波长为0.6328m。由于谐振腔反射镜支架的变形、激光器的发热（一般可达6070）以及周围环境温度的变化引起激光器毛细管弯曲或谐振腔变形，都可能引起光束方向的漂移。减小激光器输出光束的漂移，可以采取以下几种措施:1）热稳定装置2）光束补偿装置3）在激光管周围对称地放置自动温控加热器减小空气扰动的影响比较复杂（机械、光学方法）,前苏联的直线度和平面度国家基准采用实时补偿技术，直线基准的均方差=0.006m/m。,2023/1/9,44,3-2 激光准直技术及应用,3激光准直测试技术的应用大尺寸设备的装配和制造的准直,测量水平：如机翼长度约61m，其所有部件，如机翼前缘的对准标准不确定度小于0.13mm，整个机翼装配合成标准不确定度为0.76mm。可以以0.025mm的不确定度探测激光束的位置。,2023/1/9,45,3-2 激光准直技术及应用,3激光准直测试技术的应用直线度的测试,2023/1/9,46,3-2 激光准直技术及应用,3激光准直测试技术的应用多自由度准直测量,美国Michigan University 0.5m范围内的测试分辨力：线位移为2m，角位移0.05，但滚转角分辨力较低。,2023/1/9,47,3-2 激光准直技术及应用,3激光准直测试技术的应用多自由度准直测量,日本Nihon University和Sophia University,2023/1/9,48,3-3 激光多普勒测速技术,概述1842年奥地利科学家Doppler等人首次发现，任何形式的波传播，波源、接收器、传播介质或散射体的运动会使频率发生变化多普勒效应。1964年，Yeh和Cummins观察到水流中粒子的散射光有频移，首次证实了可用激光多普勒频移技术来确定粒子流动速度。目前，激光多普勒频移技术已广泛地应用到流体力学、空气动力学、燃烧学、生物医学以及工业生产中的速度测量。,2023/1/9,49,3-3 激光多普勒测速技术,3.1 激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应当波源与观测者之间有相对运动时，观测者所接收到的频率不等于波源振动频率，此现象称为多普勒效应。多普勒在其声学理论中指出，在声源、介质、观测者存在相对运动时，观测者接收到的声波频率与声源频率不同的现象就是声学多普勒效应。爱因斯坦在论物体的电动力学中指出，当光源与观测者有相对运动时，观测者接收到的光波频率与光源频率不同，即存在光（电磁波）多普勒效应。,声学多普勒效应与波源及观测者相对于介质运动有关，光学多普勒效应只与光源和观测者之间的相对运动有关，因此，声学（机械波）和光学（电磁波）的多普勒效应有本质区别。,2023/1/9,50,3-3 激光多普勒测速技术,3.1 激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应1）声多普勒效应原理声波是依赖于介质传播的，离开介质就谈不上波的存在。设声源的频率为 f，声波在媒质中的速度为v，波长=v/f声源不动，观测者相对于媒质以速度v1运动设声源相对于介质静止，观测者迎向声源运动，则声波相对于观测者的速度不再是v，而是v+v1，则观测者接收到声波的频率为同理，观测者背离声源有,2023/1/9,51,3-3 激光多普勒测速技术,3.1 激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应1）声多普勒效应原理声源相对于媒质以速度v2运动，观测者静止于媒质中设声源S相对于媒质以速度v2迎着观测者D运动。波源在运动过程中按照自己的频率振动，一个周期内完成一次全振动，在媒质中产生一个完整波形；同时在T内，波源前进了v2T距离，波长变为,则，频率为,同理，声源背离观测者运动有,2023/1/9,52,3-3 激光多普勒测速技术,3.1 激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应1）声多普勒效应原理声源和观测者相对于媒质运动，速度分别为v2和v1综合上述情况，可以得到：,观测者向着声源运动时，取正号；反之取负号,声源向着观测者运动时，取负号；反之取正号,总之当声源和观测者相向运动时，接收频率升高；当声源和观测者背离运动时，接收频率降低；,强调：声学只有纵向多普勒效应，没有横向多普勒效应,2023/1/9,53,3-3 激光多普勒测速技术,3.1 激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应2）光多普勒效应原理对于任何惯性系，光在真空中的传播速度都相同，所以，光源和观测者谁相对于谁运动是等价的，只取决于相对速度的大小。如图示。,K系中静止的光源从K系的t1时刻开始发出一列光波，这个波列的发射截止时间为t2，于是在K系中此波列发射的时间为（t2 t1），在这段时间内发射的波数为N，光源的频率为,2023/1/9,54,3-3 激光多普勒测速技术,3.1 激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应2）光多普勒效应原理在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射始于t1时刻（光源在S1处），接收这个波列的时刻是,在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射截止于t2时刻（光源在S2处）。t2时刻光源发出的光波传到观测者的时刻为,2023/1/9,55,3-3 激光多普勒测速技术,3.1 激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应2）光多普勒效应原理,观测者D收到这N个波共需时,2023/1/9,56,3-3 激光多普勒测速技术,3.1 激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应2）光多普勒效应原理观测者接收光波的频率为,根据时间相对性,这就是光学多普勒效应公式,2023/1/9,57,3-3 激光多普勒测速技术,3.1 激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应2）光多普勒效应原理若相对运动发生在观测者和光源连线上，则cos1（远离时取1，接近时取1）：,纵向多普勒效应,若相对运动发生在观测者和光源连线的垂直方向上，则cos0,横向多普勒效应,同样的v值下，横向多普勒效应比纵向多普勒效应要小很多。,2023/1/9,58,3-3 激光多普勒测速技术,3.1 激光多普勒测速技术基础2.激光多普勒测速原理1）多普勒测速原理如图。由于v/c非常小，只取级数展开的前两项，即,考虑流体中的速度为c/n，将v换成纵向分量,2023/1/9,59,3-3 激光多普勒测速技术,3.1 激光多普勒测速技术基础2.激光多普勒测速原理1）多普勒测速原理探测器接收到的两束光频率之差为（忽略横向效应）,因，若 则得,于是，流速为,测量出探测器上的拍频信号，就可以得到f，也就可以得到v,2023/1/9,60,3-3 激光多普勒测速技术,3.1 激光多普勒测速技术基础2.激光多普勒测速原理2）频移信号的检测光混频技术（外差干涉）：,方式：零差；外差。,2023/1/9,61,3-3 激光多普勒测速技术,3.2 激光多普勒测速技术应用1.管道内水流的测量,2023/1/9,62,3-3 激光多普勒测速技术,3.2 激光多普勒测速技术应用2血液流速测量,2023/1/9,63,3-4 激光测距技术,利用激光进行远距离（几千米）测量的技术，通常有激光相位测距和脉冲激光测距两种。3.4.1 激光相位测距1激光相位测距原理相位测距是通过对光的强度进行调制来实现的。光波从A点传播到B点的相移可表示为若光从A点传到B点所用时间为t，则A、B两点之间的距离,2023/1/9,64,3-4 激光测距技术,3.4.1 激光相位测距1激光相位测距原理只要测出光波相移中周期2的整数m和余数m，便可由公式求出被测距离L。所以，调制光波的波长是相位测距的一把“光尺”。实际上，用一台测距仪直接测量A和B两点光波传播的相移是不可能的。因此，采用在B点设置一个反射器（即测量靶标），使从测距仪发出的光波经靶标反射再返回到测距仪，由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量。,2023/1/9,65,3-4 激光测距技术,3.4.1 激光相位测距1激光相位测距原理相位测量技术只能测量出不足2的相位尾数，即只能确定余数m，而不能确定相位的整周期数m。因此当被测距离L大于Ls 时，用一把光尺是无法测定距离的。为能实现长距高准确度测量可同时使用Ls不同的几把光尺。最短的尺用于保证必要的测距准确度，最长的尺用于保证测距仪的量程。目前，采用的测距技术主要有直接测尺频率和间接测尺频率两种。,2023/1/9,66,3-4 激光测距技术,3.4.1 激光相位测距2激光相位测距技术1）直接测尺频率由测尺量度Ls可得光尺的调制频率这种方法所选的测尺频率fs直接和测尺长度Ls相对应，即测尺长度直接由测尺频率决定。若测距仪测程为100km，要求精确到0.01m。如相位测量系统测量不确定度为1，则需要三把光尺，即Ls1=105m，Ls2=103m，Ls3=10m，相应光调制频率分别为fs1=1.5kHz，fs2=150kHz，fs3=15MHz。显然，要求相位测量系统在这么宽的频带内都保证1的测量不确定度很难做到。所以直接测尺频率一般应用于短程测距，如GaAs半导体激光短程相位测距仪。,2023/1/9,67,3-4 激光测距技术,3.4.1 激光相位测距2激光相位测距技术2）间接测尺频率在实际测量中，由于测程要求较大，大都采用间接测尺频率方式。若用两个频率fs1和fs2调制的光分别测量同一距离L，可得于是,2023/1/9,68,3-4 激光测距技术,3.4.1 激光相位测距2激光相位测距技术2）间接测尺频率其中这样，用fs1和fs2分别测量某一距离时，所得相位尾数之差，与用fs1和fs2的差频频率fs=fs1-fs2测量该距离时的相位尾数相等。即通过fs1和fs2频率的相位尾数并取其差值来间接测定相应的差频频率的相位尾数。通常把fs1和fs2称为间接测尺频率，而把差频频率称为相当测尺频率。,2023/1/9,69,3-4 激光测距技术,3.4.1 激光相位测距2激光相位测距技术2）间接测尺频率间接测尺频率、相当测尺频率及测尺长度,2023/1/9,70,3-4 激光测距技术,3.4.2 脉冲激光测距脉冲激光测距是利用激光脉冲连续时间极短、能量在时间上相对集中、瞬时功率很大（一般可达到兆瓦级）的特点，在有靶标的情况下，脉冲激光测量可达极远的测程。在进行几公里的近程测距时，如果测量不确定度要求不高，即使不用靶标，只利用被测目标对脉冲激光的漫反射取得反射信号，也可以进行测距。目前，脉冲激光测距方法已获得了广泛的应用，如地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪，以及人造卫星、地球到月球距离的测量等。,2023/1/9,71,3-4 激光测距技术,3.4.2 脉冲激光测距基本原理如图所示。,2023/1/9,72,3-4 激光测距技术,3.4.2 脉冲激光测距测距仪的分辨力PL取决于计数脉冲的频率：若要求测距仪的分辨力PL=1 m，则要求计数脉冲的频率为150 MHz。由于计数脉冲的频率不能无限制提高，脉冲测距仪的分辨力一般较低，通常为数米的量级。脉冲测距的合成标准不确定度为：,