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精密激光测量技术与系统

作者：胡鹏程等编著

出版社：科学出版社出版时间：2015-10-01

开本： 16开 页数： 187

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精密激光测量技术与系统版权信息

ISBN：9787030460141
条形码：9787030460141 ; 978-7-03-046014-1
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
工业技术
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精密激光测量技术与系统内容简介

《精密激光测量技术与系统》介绍了几种典型精密激光测量技术的基本原理、关键技术、系统组成与工作特性，并将基本测量原理、典型商用仪器、被测对象特性和实际应用环境联系起来。《精密激光测量技术与系统》共6章，包括激光基本原理及典型器件、激光干涉测量技术与系统、激光测距技术与系统、激光光栅测量技术与系统、激光共焦测量技术与系统、激光自准直技术与系统。

精密激光测量技术与系统目录

目录
前言
第1章激光基本原理及典型器件1
1.1激光的基本原理1
1.1.1黑体辐射普朗克公式1
1.1.2光与物质的共振相互作用2
1.1.3粒子数反转与光放大4
1.1.4激光介质增益系数与增益曲线5
1.1.5光的自激振荡和振荡条件5
1.1.6光学谐振腔与激光模式选择6
1.1.7基模高斯光束及其特性8
1.1.8激光的基本特性10
1.2常用激光器11
1.2.1激光器的基本结构11
1.2.2酣激光器12
1.2.3气体激光器14
1.2.4半导体激光器17
1.3典型的激光器件19
1.3.1分光镜19
1.3.2偏振分光镜19
1.3.3波片22
1.3.4角锥棱镜22
1.3.5激光准直镜23
1.3.6光隔离器24
1.3.7衍射光栅25
1.3.8声光调制器25
1.3.9电光调制器28
第2章激光干涉测量技术与系统35
2.1激光干涉测量基本原理与系统组成35
2.1.1光波的叠加及干涉现象35
2.1.2激光干涉测量原理39
2.1.3激光干涉测量系统与典型仪器43
2.2激光干涉测量中的关键技术46
2.2.1激光稳频技术46
2.2.2双频激光生成技术51
2.2.3干涉信号相位测量技术54
2.2.4空气折射率测量技术58
2.3激光干涉仪的典型应用59
2.3.1作为独立测量仪器的典型应用59
2.3.2作为嵌入式测量部件的典型应用61
2.4激光干涉测量系统的测量误差62
2.4.1激光干涉仪内在的原理误差62
2.4.2环境因素相关测量误差65
2.4.3安装不当引入的测量误差67
2.4.4典型系统测量误差综合分析69
2.5新一代激光干涉测量面临的挑战与发展趋势71
第3章激光测距技术与系统73
3.1脉冲激光测距原理及关键技术73
3.1.1脉冲激光测距原理73
3.1.2关键技术分析74
3.2相位激光测距原理及关键技术78
3.2.1相位激光测距原理78
3.2.2多测尺相位激光测距方法80
3.2.3相位激光测距关键技术81
3.3多波长(合成波长)干涉测量87
3.3.1多波长干涉测量原理87
3.3.2多波长干涉测量关键技术91
3.4激光调频、扫频干涉测距原理及关键技术95
3.4.1调频干涉测量技术95
3.4.2三光束调频干涉测量技术97
3.4.3半导体正弦调频连续波测量技术97
3.4.4调频干涉测量关键技术98
3.4.5波长扫描干涉测量技术99
3.5基于飞秒激光频率梳的绝对距离测量方法100
3.5.1飞秒激光光源技术100
3.5.2频率梳齿间干涉相位测距法102
3.5.3脉冲飞行时间与互相关干涉联合测距法104
3.5.4双光学频率梳的飞行时间与互相关干涉条纹辨析测距法106
3.5.5频率梳光谱分辨干涉测距法107
3.5.6飞行时间法、多波长干涉与光谱分辨干涉法组合测量方法108
3.5.7参考光学频率梳的多波长干涉测距法110
第4章激光光栅测量技术与系统112
4.1黑白光栅测量原理及关键技术112
4.1.1光栅测量的基本原理和概念112
4.1.2莫尔条纹的几何光学原理114
4.1.3莫尔条纹的衍射原理116
4.2基于莫尔条纹的光栅光学系统119
4.2.1单光栅光学系统120
4.2.2双光栅光学系统121
4.2.3三光栅光学系统123
4.3基于衍射光栅干涉原理的位移测量技术124
4.3.1基于傅里叶光学的光栅衍射特性分析125
4.3.2光栅的多普勒频移127
4.3.3单衍射光栅位移测量技术128
4.3.4双平行光栅干涉式测量技术133
4.3.5两垂直光栅——迈克耳孙式光栅干涉测量技术136
4.3.6可增大垂向测量范围的光栅自准直技术140
4.3.7双频激光光栅干涉测量技术141
4.3.8多自由度测量技术146
4.4光栅测量系统的误差分析149
4.4.1光栅测量系统的光电转换与电学细分技术149
4.4.2光栅测量系统主要误差源150
第5章激光共焦测量技术与系统153
5.1激光共焦测量基本原理153
5.1.1菲涅耳衍射理论153
5.1.2薄透镜的三维点扩散函数154
5.1.3共焦显微三维成像技术157
5.2激光共焦测量中的关键技术159
5.2.1共焦显微测量扫描技术159
5.2.2共焦显微测量分辨力161
5.3共焦显微测量典型技术161
5.3.1轴向差动共焦显微测量技术161
5.3.2横向光瞳滤波共焦显微测量技术165
第6章激光自准直技术与系统169
6.1激光自准直基本原理169
6.1.1激光自准直理想模型169
6.1.2激光自准直通用模型170
6.2光束的漂移及抑制172
6.2.1光束质量的影响因素173
6.2.2光束漂移形式176
6.2.3光束漂移分离检测方法177
6.3典型自准直系统的分辨力影响因素181
6.3.1影响分辨力的因素181
6.3.2分辨力提高形式182
参考文献184

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精密激光测量技术与系统节选

第1章激光基本原理及典型器件 1.1 激光的基本原理 1917年，爱因斯坦提出光的受激辐射的概念，预言了激光产生的可能性。20世纪50年代美国科学家汤斯及苏联科学家普罗科霍罗夫等分别独立发明了一种低噪声微波放大器，即一种在微波波段的受激辐射放大器。1958年，美国科学家汤斯和肖洛提出在一定条件下，可将这种微波受激辐射放大器的原理推广到光波波段，制成受激辐射光放大器(Light amplification by stimulated emission of radiation，Laser)。1960年7月，美国的梅曼宣布制成了世界上**台红宝石激光器。1961年，我国科学家邓锡铭、王之江制成我国**台红宝石激光器，称为“光学量子放大器”随后我国科学家钱学森建议统一翻译成“激光”或“激光器” 激光的产生主要是由于光波电磁场与物质分子或原子之间的相互作用，包括自发辐射、受激辐射和受激吸收三个过程。激光基本理论发展经历了三个重要的时期：1900年，普朗克用辐射量子假设解释了黑体辐射的分布规律；1913年，玻尔提出了原子中电子运动量子化的假设；在此基础上，1917年，爱因斯坦首先提出了受激辐射和自发辐射的重要概念，而受激辐射是激光产生的重要基础。 1.1.1 黑体辐射普朗克公式黑体指的是能够吸收照射在其上的全部电磁波的物体，空腔辐射体就是一个比较理想的黑体，如图1-1所示，从外界射入空腔小孔的任何波长的电磁波只能在腔体内部来回反射而无法逸出腔体。黑体除了能够吸收电磁辐射外，还会向外界辐射电磁波。处于热平衡温度r的黑体吸收的电磁波能量与辐射的电磁波能量相等，这种平衡状态使得腔体内部存在完全确定的福射场，称为黑体福射。热平衡时，空腔辐射的能量密度是电磁波长的函数，其只与黑体的绝对温度T有关，而与黑体的形状和材料无关。电磁辐射能量密度pv定义为单位体积（Fd)内处于频率v附近的单位频率的电磁辐射能量，即 (1-1) 电磁能量密度的单位为J s/m3。经典热力学得出的pv的分布规律与实验结果存在一定的偏差，为了解决这一问题，普朗克假定物体在吸收和辐射电能量时，能量的变化不是连续的，而是存在*小的能量单元s，称为光量子，且h为普朗克常量。物体吸收或辐射的能量只能是*小能量单元的整数倍，普朗克在此假定的基础上，建立了与实验结果相符的能量密度公式，即黑体的普朗克辐射公式。根据热力学定律，在热平衡状态下黑体辐射分配到每个模式上的平均能量为（1-2）式中，K为玻尔兹曼常量。根据光子简并度理论，空腔内处于频率v附近的单位频率内的光波模式为 (1-3) 空腔内单位体积内处于频率V附近的光波模式数为 (1-4) 那么，辐射能量密度可表示为 (1-5) 1.1.2 光与物质的共振相互作用 1.自发辐射物质由分子、原子或离子构成，原子由带正电荷的原子核以及绕原子核运动的电子组成，当核外电子的运动状态发生变化时，原子的能量将会发生变化。根据量子力学，原子能量的变化不是连续的，而是量子化的。这些量子化的能量状态称为能级，能量*低的能级称为基能级或基态，能量高于基态的能级称为激发能级或激发态。如图1-2所示，当原子从高能级尽向低能级尽发生自发跃迁时，释放一个能量为hv的光子，其值为两个能级的能量之差： (1-6) 式中，h为普朗克常量；V为光子的频率。图1-2自发辐射示意图由自发跃迁发出光波称为自发辐射，假定单位体积内处于高能级尽的原子数为取，自发辐射的跃迁几率用A21表示，定义为单位时间内由N2个高能级原子中发生自发跃迁的原子数与N2的比值：式中，d(N21)Sp为自发跃迁时由高能级E2向低能级E1跃迁的原子数。自发跃迁只与原子本身的性质有关，故A21仅仅决定于原子本身的性质。单位时间内能级尽减少的粒子数目为 (1-8) 代入式（1-7)可得 (1-9) 上式的解为 (1-10) 由上式可知，为原子在能级E2上的平均寿命，A21也称为自发辐射爱因斯坦系数。 2.受激吸收如果物质原子只有自发辐射作用，那么与周围环境将无法达到热平衡状态，因此必然还存在一种在辐射场作用下的受激跃迁过程。如图1-3所示，处于低能级尽上的原子，在吸收频率为hv的光子后跃迁到高能级尽上，该过程即为受激吸收。假定单位体积内处于低能级尽的原子数为M，并用描述受激吸收跃迁的几率，即 (1-11) 式中，d(N12)st为受激吸收时由低能级尽向高能级尽跃迁的原子数。受激吸收不但与原子自身的性质有关，还与电磁场的能量密度P成正比，即 (1-12) 式中，Bu为受激吸收爱因斯坦系数。 3.受激福射处于高能级尽上的原子在频率为v的电磁场作用下跃迁到低能态尽并释放出一个能量为hv的光子，这个过程称为受激辐射，如图1-4所示。受激辐射的跃迁几率用W21描述，即受激辐射与原子自身的性质有关，还与磁场的能量密度Pv成正比，式中，B21为受激辐射爱因斯坦系数。图1-3 受激吸收示意图图1-4 受激辐射示意图 4.过程系数的相互关系假设物质原子与周围电磁场处于温度为T的热平衡状态，则根据黑体辐射普朗克公式，此时电磁场的能量密度pv为 (1-15) 式中，K=1.38062x10_23J/°C，为玻尔兹曼常量。在热平衡状态下，原子按照能级分布应该服从玻尔兹曼分布，即 (1-16) 式中，f1和f2分别为能级E1和E2的统计权重。在热平衡状态下，尽能级上的原子数目应该保持不变，即 (1-17) 根据式（1-9)和式（1-11)-式（1-14)，上式还可表示为 (1-18) 联立式（1-15)-式（1-18)可得 (1-19) 当时，上式仍然成立，所以 (1-20) 代入式（1-19)，得出 (1-21) 当统计权重f1=f2时，有 (1-22) 此时W12=W21。 1.1.3 粒子数反转与光放大假设两个能级尽和尽的统计权重相同，即f1=f2，此时式（1-16)可以简化为 (1-23) 由于E2-E1大于零，所以在热平衡状态下，N2　　在能量为hv=E2-E1的光波作用下，物质中同时存在受激吸收和受激辐射，且受激吸收的光子数大于受激辐射的光子数，即 (1-24) 所以热平衡状态下的物质在宏观上表现出光吸收的特性。当物质中处于高能级的粒子数密度大于处于低能级的粒子数密度时，称为粒子数反转，即 (1-25) 图1-5 粒子数密度按能级的分布曲线若，则粒子数反转条件可表示为 (1-26) 处于粒子数反转状态下的物质称为激活物质。在能量为hv=E2-E1的光波作用下，激活物质中受激辐射的光子数大于受激吸收的光子数，即 (1-27) 所以处于激活状态的物质呈现出光放大的特性。在热平衡状态下，粒子数反转是不可能的。为了实现粒子数反转，必须从外界向物质提供能量，该过程称为激励或泵浦，在外部激励作用下物质处于非热平衡状态，大量处于低能级的粒子向高能级跃迁，进而实现粒子数反转。激励过程是放大的必要条件，常用的激励方式有光激励、电激励、热激励以及化学激励。处于粒子数反转状态的物质是极其不稳定的，它将会通过自发辐射和受激辐射的方式尽可能恢复到热平衡状态。如果在外部激励下，粒子数反转的状态持续存在，那么引起受激辐射的光子将会得到雪崩式的放大，从而有可能形成激光。 1.1.4 激光介质增益系数与增益曲线当物质处于粒子数反转状态时，由于受激辐射激光介质对光具有雪崩式的放大作用，介质对光的放大特性用增益系数表征，定义为光通过单位长度激光介质后光强增长的百分数，即 (1-28) 式中，z为光在介质中的传播距离；I(z)为z处的光强。如果粒子数反转不随位置z而变化，那么增益系数是一个常数G。，称为小增益系数，此时公式（1-28)的解为 (1-29) 式中，Io为光的初始强度，由式(1-29)可知光在介质中的光强以指数规律迅速增大。然而光的强度不可能无限增大，因为当光强增大到一定程度时，增益系数不再是常数，而是随着传播距离的增大而减小，当增益系数下降到与损耗系数相等时，光强达到**值，由于增益等于损耗，该极大值是稳定的，这种现象称为增益饱和现象。增益系数不但与光的强度有关，还与光的频率有关，这是由各种原因引起的谱线加宽，导致频率在V。=(E2-E1)/h附近的光子都有可能引起受激辐射和受激跃迁。增益系数G随光波频率v的变化曲线称为增益曲线，图1-6给出了典型的激光增益曲线，其在V。处的增益系数为**值G0，增益曲线的半峰宽度称为增益曲线宽度。 1.1.5 光的自激振荡和振荡条件激光介质对光有放大作用，但要产生激光需要的增益介质长度非常大，而实际上激光介质长度不可能太长。为了解决这一问题，可以利用两个反射镜构成谐振腔。如图1-7所示，沿谐振腔轴向传播的激光被两个反射镜来回反射，如果在谐振腔中放置激活介质，则光在来回反射的过程中被不断放大，*终形成激光振荡，同时由于谐振腔对光有一定的损耗，当增益随着光强的增大下降到与损耗相同时，则达到稳定的振荡状态，这一过程称为光的自激振荡。图1-6 增益曲线图1-7 光学谐振腔光学谐振腔内的激活介质对光进行放大，但谐振腔内部同时还存在多种阻碍光放大的因素，如光的吸收和散射等，这些因素统称为损耗。损耗对光放大的阻碍作用可以用损耗系数来表征，其定义为光经过单位长度后光强衰减的百分数： (1-30) 若同时考虑光学谐振腔增益和损耗，则 (1-31) 在小信号增益的情况下G=G。，则式（1-31)的解为 (1-32) 根据式（1-32)，若要实现光强度的放大，即I(z)>10，则需满足 (1-33) 式（1-33)就是实现激光自激振荡的条件，而G。=αP是实现激光自激振荡的阈值。 1.1.6 光学谐振腔与激光模式选择激光器主要由光学谐振腔、激光介质和激光泵浦等组成，光学谐振腔作为激光器组成的重要部件，其作用体现在两个方面：一是让光束在谐振腔内部来回反射可增大激光介质与光束的作用距离，从而能够将光束放大到足够程度；二是对激光的工作模式进行选择。两个正对的反射镜就可以构成一个*简单的光学谐振腔，但实际应用中更多的是由两个共轴球面反射镜构成共轴球面腔。但无论采用什么样结构的谐振腔，都可以等效为两个腔镜构成的腔体来处理。根据腔体是否存在侧面边界，光学谐振腔一般可以分为封闭式光学腔、开放式光学腔和波导式腔，其基本结构如图1-8所示。图1-8 光学谐振腔的典型类型

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