1、第第6章章 激光在精密測量中的激光在精密測量中的應用應用3）6.5 激光多普勒測速激光多普勒測速6.6 環(huán)形激光測量角度和角加速度環(huán)形激光測量角度和角加速度6.5 激光多普勒測速激光多普勒測速 激光多普勒測速的原理：用一束單色激光照射到激光多普勒測速的原理：用一束單色激光照射到隨流體一起運動的微粒上，測出其散射光相對于隨流體一起運動的微粒上，測出其散射光相對于入射光的頻率偏移，即所謂的多普勒頻移，進而入射光的頻率偏移，即所謂的多普勒頻移，進而確定流體的速度。確定流體的速度。運動微粒上接收到的光源入射光的頻率 如圖如圖6-30所示，靜止光源所示，靜止光源O發(fā)出一束頻率為發(fā)出一束頻率為 的單色光，

2、的單色光，該單色光入射到與被測流體一起運動該單色光入射到與被測流體一起運動(速度為速度為 )的微粒的微粒Q上，微粒上，微粒Q接收到的光的頻率是接收到的光的頻率是圖6-30 頻率為 的單色光入射到速度為 的微粒Qi)1 ()-1 (ceceiiiiQi靜止接收器上接收到的運動微粒散射光靜止接收器上接收到的運動微粒散射光的頻率的頻率 如圖如圖6-31所示，因此在所示，因此在S處接收到的散射光的頻率應為處接收到的散射光的頻率應為 常采用差頻法測量多普勒頻移。常采用差頻法測量多普勒頻移。 即將入射光與散射光混頻，兩即將入射光與散射光混頻，兩束光束光“混頻產(chǎn)生的拍頻信號的混頻產(chǎn)生的拍頻信號的頻率就是多普

3、勒頻移。頻率就是多普勒頻移。圖6-31 S處接收到的微粒Q散射光 的頻率siisisiisQseeccecece)( )1)(1 ()1 (差頻法測速差頻法測速 可分為兩類：可分為兩類： 參考光束型多普勒測速：檢測散射光和入射光之間的頻移參考光束型多普勒測速：檢測散射光和入射光之間的頻移多普勒頻移）；多普勒頻移）； 雙散射光束型多普勒測速：檢測兩束散射光之間的頻差雙散射光束型多普勒測速：檢測兩束散射光之間的頻差多普勒頻差）。多普勒頻差）。參考光束型多普勒測速參考光束型多普勒測速圖圖6-32所示為參考光束型測速方法的光路的原理圖所示為參考光束型測速方法的光路的原理圖設設 和和 分別表示參考光和散

4、射光的電矢量的瞬時值分別表示參考光和散射光的電矢量的瞬時值 那么那么合成光強合成光強I應正比于合成電矢量的模平方，由四項組成應正比于合成電矢量的模平方，由四項組成( )iE t( )SEt iiiitjEtE2exp SSSStjEtE2exp222( )( )( )( )exp2 ()() exp2 ()()iSiSiSiSiSiSiSiSIE tEtEtEtE EjtE Ejt參考光束型多普勒測速參考光束型多普勒測速(續(xù)續(xù))光電倍增管實際感受到的合成光強可表示為光電倍增管實際感受到的合成光強可表示為光電倍增管輸出的光電流正比于它接收到的光強，用復指數(shù)函數(shù)的實光電倍增管輸出的光電流正比于它接

5、收到的光強，用復指數(shù)函數(shù)的實部表達它的規(guī)律為部表達它的規(guī)律為0exp2 ()()iSiSiSIIE Ejt0cos2()mDiSiii t多普勒頻移為多普勒頻移為 iisisDeec)(如圖如圖6-326-32可得可得2sin22sin2)(cuueeueeiDisis若入射光在真空中的波長為若入射光在真空中的波長為i，則有，則有2sin22sin22sin2DiiiDuccucu雙散射光束型多普勒測速雙散射光束型多普勒測速 雙散射光束型測速方法是通過檢測在同一測量點上的兩束散射光的多普雙散射光束型測速方法是通過檢測在同一測量點上的兩束散射光的多普勒頻差來確定被測點處流體的流速的。如圖勒頻差來

6、確定被測點處流體的流速的。如圖6-33所示為干涉條紋型。所示為干涉條紋型。 2sin22sin2)()()(122211DsiiDsiiiDsiisisiisisuueeceeceec或應用前面的推導血液流速的測量血液流速的測量 圖圖6-34是激光多普勒顯微鏡光路圖是激光多普勒顯微鏡光路圖 光纖多普勒測速儀原理圖光纖多普勒測速儀原理圖 圖圖6-35 用于血液流速測量的光纖激光多普勒測速儀原理圖用于血液流速測量的光纖激光多普勒測速儀原理圖管道內(nèi)水流的測量管道內(nèi)水流的測量 雙散射型測量光路雙散射型測量光路圖圖6-36 測量管道內(nèi)水流速度分布的激光多普勒測速系統(tǒng)原理圖測量管道內(nèi)水流速度分布的激光多普

7、勒測速系統(tǒng)原理圖環(huán)形激光精密測角環(huán)形激光精密測角Sagnac效應：利用一種環(huán)形干涉儀，當環(huán)形干涉儀轉(zhuǎn)動時，沿順時效應：利用一種環(huán)形干涉儀，當環(huán)形干涉儀轉(zhuǎn)動時，沿順時針方向傳播和沿逆時針方向傳播產(chǎn)生的光程差，測量該光程差引起的針方向傳播和沿逆時針方向傳播產(chǎn)生的光程差，測量該光程差引起的干涉條紋變化，達到測角的目的。干涉條紋變化，達到測角的目的。圖6-37 環(huán)形干涉儀的Sagnac 效應l drccLl drcl dctcw22111l drccLtccw21二者之差為二者之差為 cStcLcSl drcl drctl drSl drct44222122222光纖陀螺光纖陀螺光纖陀螺也是基于光纖陀

8、螺也是基于Sagnac效應。以長度為的光纖繞成直徑為的由個效應。以長度為的光纖繞成直徑為的由個圓圈組成的光纖圈，其直徑和圓面積可以分別表示為：圓圈組成的光纖圈，其直徑和圓面積可以分別表示為： 光程差則可以表示為光程差則可以表示為提高測角精度的方法：加大直徑、增加圈數(shù)。提高測角精度的方法：加大直徑、增加圈數(shù)。實用的環(huán)形激光測角采用光纖陀螺儀。實用的環(huán)形激光測角采用光纖陀螺儀。圖6-39 光纖陀螺儀示意圖NLD22244NLDScLDcSNL4第第5章章 典型激光器介紹典型激光器介紹 各種工作物質(zhì)、運轉(zhuǎn)方式的激光器不斷出現(xiàn)。各種工作物質(zhì)、運轉(zhuǎn)方式的激光器不斷出現(xiàn)。 按工作波段分類：紅外和遠紅外激光

9、器、可見光激光器、按工作波段分類：紅外和遠紅外激光器、可見光激光器、紫外和真空紫外激光器、紫外和真空紫外激光器、X X射線激光器。射線激光器。 按運轉(zhuǎn)方式分類：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激按運轉(zhuǎn)方式分類：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器。光器。 按激光器工作物質(zhì)分類：固體激光器、氣體激光器、染料按激光器工作物質(zhì)分類：固體激光器、氣體激光器、染料激光器和半導體激光器。激光器和半導體激光器。固體激光器固體激光器固體激光器是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃作為工作物質(zhì)的激固體激光器是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃作為工作物質(zhì)的激光器。光器。 常采用的固體工作物質(zhì)仍然是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴常

10、采用的固體工作物質(zhì)仍然是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石石(Nd3:YAG)等三種等三種 。固體激光器的特點：輸出能量大固體激光器的特點：輸出能量大(可達數(shù)萬焦耳可達數(shù)萬焦耳)，峰值功率高，峰值功率高(連續(xù)功率可達數(shù)千瓦，脈沖峰值功率可達千兆瓦、幾十太瓦連續(xù)功率可達數(shù)千瓦，脈沖峰值功率可達千兆瓦、幾十太瓦)，結構緊湊，牢固耐用。結構緊湊，牢固耐用。廣泛應用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、科研等方面，例如打孔、焊接、廣泛應用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、科研等方面，例如打孔、焊接、劃片、微調(diào)、激光測距、雷達、制導、激光視網(wǎng)膜凝結、全息劃片、微調(diào)、激光測距、雷達、制導、激光視網(wǎng)膜凝結、全息照相、激光存儲、大容量通信等。照

11、相、激光存儲、大容量通信等。Nd3:YAG激光器激光器 突出優(yōu)點：閾值低和具有優(yōu)良的熱學性質(zhì)，這就使得它適突出優(yōu)點：閾值低和具有優(yōu)良的熱學性質(zhì)，這就使得它適于連續(xù)和高重復率工作。于連續(xù)和高重復率工作。 Nd3:YAG是目前能在室溫下連續(xù)工作的唯一實用的固是目前能在室溫下連續(xù)工作的唯一實用的固體工作物質(zhì)，在中小功率脈沖器件中，特別是在高重復率體工作物質(zhì)，在中小功率脈沖器件中，特別是在高重復率的脈沖器件中，目前應用的脈沖器件中，目前應用Nd3:YAG的量，遠遠超過其的量，遠遠超過其它固體工作物質(zhì)。可以說，它固體工作物質(zhì)。可以說， Nd3:YAG從出現(xiàn)至今，大從出現(xiàn)至今，大量使用，長盛不衰。量使用，

12、長盛不衰。氣體激光器氣體激光器氣體激光器是以氣體或蒸氣作為工作物質(zhì)的激光器。氣體激光器是以氣體或蒸氣作為工作物質(zhì)的激光器。與其它種類的激光器相比較，氣體激光器的突出優(yōu)點與其它種類的激光器相比較，氣體激光器的突出優(yōu)點:輸出光束的質(zhì)量輸出光束的質(zhì)量好好(單色性、相干性、光束方向和穩(wěn)定性等單色性、相干性、光束方向和穩(wěn)定性等)。因而，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國。因而，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和科學研究中，都有廣泛的應用。防和科學研究中，都有廣泛的應用。三種典型氣體激光器：三種典型氣體激光器：He-Ne激光器：具有結構簡單、使用方便、光束質(zhì)量好、工作可靠和激光器：具有結構簡單、使用方便、光束質(zhì)量好、工作可靠和制造容易等

13、優(yōu)點，至今仍然是應用最廣泛的一種氣體激光器。主要譜制造容易等優(yōu)點，至今仍然是應用最廣泛的一種氣體激光器。主要譜線是線是0.6328m紅光，黃光紅光，黃光(0.594m)、綠光、綠光(0.543m)和橙光和橙光(0.606m、0.612m) 典型氣體激光器典型氣體激光器(續(xù)續(xù))二氧化碳二氧化碳(CO2)激光器：是以激光器：是以CO2氣體分子作為工作物質(zhì)的氣氣體分子作為工作物質(zhì)的氣體激光器。其激光波長為體激光器。其激光波長為10.6m和和9.6m。優(yōu)點：它既能連續(xù)工作，又能脈沖工作，輸出大，效率高。它優(yōu)點：它既能連續(xù)工作，又能脈沖工作，輸出大，效率高。它的能量轉(zhuǎn)換效率高達的能量轉(zhuǎn)換效率高達(202

14、5)，連續(xù)輸出功率可達萬瓦量級，連續(xù)輸出功率可達萬瓦量級，脈沖輸出能量可達萬焦耳，脈沖寬度可壓縮到毫微秒。脈沖輸出能量可達萬焦耳，脈沖寬度可壓縮到毫微秒。被廣泛用于材料加工、通信、雷達、誘發(fā)化學反應、外科手術被廣泛用于材料加工、通信、雷達、誘發(fā)化學反應、外科手術等方面，還可用于激光引發(fā)熱核反應，激光分離同位素以及激等方面，還可用于激光引發(fā)熱核反應，激光分離同位素以及激光武器等。光武器等。典型氣體激光器典型氣體激光器(續(xù)續(xù))離子離子(Ar)激光器：以氣態(tài)離子的不同激發(fā)態(tài)之間的激發(fā)躍遷激光器：以氣態(tài)離子的不同激發(fā)態(tài)之間的激發(fā)躍遷進行工作的氣體激光器。進行工作的氣體激光器。Ar激光器的激光譜線很豐富

15、，主要分布在藍綠光區(qū)，其中，激光器的激光譜線很豐富，主要分布在藍綠光區(qū)，其中，以以0.4880m藍光和藍光和0.5145m綠光兩條譜線最強。綠光兩條譜線最強。Ar激光器既可以連續(xù)工作，又可以脈沖狀態(tài)運轉(zhuǎn)。連續(xù)功率激光器既可以連續(xù)工作，又可以脈沖狀態(tài)運轉(zhuǎn)。連續(xù)功率一般為幾瓦到幾十瓦，高者可達一百多瓦，是目前在可見光區(qū)一般為幾瓦到幾十瓦，高者可達一百多瓦，是目前在可見光區(qū)連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。它已廣泛應用于全息照相，信息處理，光譜分析及醫(yī)療和工業(yè)它已廣泛應用于全息照相，信息處理，光譜分析及醫(yī)療和工業(yè)加工等許多領域加工等許多領域 。染料激光器染料激光器染料激光器

16、受到人們重視的原因是：染料激光器受到人們重視的原因是：輸出激光波長可調(diào)諧，某些染料激光波長可調(diào)寬度達上百毫輸出激光波長可調(diào)諧，某些染料激光波長可調(diào)寬度達上百毫微米；微米；激光脈沖寬度可以很窄，目前，由染料激光器產(chǎn)生的超短脈激光脈沖寬度可以很窄，目前，由染料激光器產(chǎn)生的超短脈沖寬度可壓縮至飛秒沖寬度可壓縮至飛秒(1015秒秒)量級；量級；染料激光器的輸出功率大，可與固體激光器比擬，但價格便染料激光器的輸出功率大，可與固體激光器比擬，但價格便宜，同樣的輸出功率，它只是固體激光器的千分之一；宜，同樣的輸出功率，它只是固體激光器的千分之一；染料激光器工作物質(zhì)具有均勻性好等優(yōu)良的光學質(zhì)量。染料激光器工作

17、物質(zhì)具有均勻性好等優(yōu)良的光學質(zhì)量。它在光化學、光生物學、光譜學、化學動力學、同位素分離、它在光化學、光生物學、光譜學、化學動力學、同位素分離、全息照相和光通信中，正獲得日益廣泛的重要應用全息照相和光通信中，正獲得日益廣泛的重要應用 半導體激光器半導體激光器 半導體激光器：以半導體材料作為激光工作物質(zhì)的激光器。半導體激光器：以半導體材料作為激光工作物質(zhì)的激光器。 它具有超小型、高效率、結構簡單、價格便宜以及可以高它具有超小型、高效率、結構簡單、價格便宜以及可以高速工作等一系列優(yōu)點。速工作等一系列優(yōu)點。 它是目前光通信領域內(nèi)使用的最重要光源，并且在它是目前光通信領域內(nèi)使用的最重要光源，并且在CD、VCD、DVD播放機、計算機光盤驅(qū)動器、激光打印機、全播放機、計算機光盤驅(qū)動器、激光打印機、全息照相、激光準直、測距、及醫(yī)療等許多方面都獲得了重息照相、激光準直、測距、及醫(yī)療等許多方面都獲得了重要應用。要應用。其它激光器其它激光器 準分子激光器：準分子激光器：(如如ArF，193nm，用于光刻機，用于光刻機)自由電子激光器：工作物質(zhì)是自由電子束，利用電子加速器自由電子激光器：工作物質(zhì)是自由電子束，利用電子加速器 。輸出的激光波長可在相當寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，原則上可從厘米波一輸出的激光波長可