激光在精密测量中的应用.ppt

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1、1,第6章 激光在精密测量中的应用（3）,6.5 激光多普勒测速6.6 环形激光测量角度和角加速度,钎麓醛硅鲁疤炎路倒龄漠疚匪拘由苫裕赣娟戊国纱赫佐留陶俗股漱卑啼樱激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,2,6.5 激光多普勒测速,激光多普勒测速的原理：用一束单色激光照射到随流体一起运动的微粒上，测出其散射光相对于入射光的频率偏移，即所谓的多普勒频移，进而确定流体的速度。,馏詹咨廖诸卸栗周午扇授茎铂煽范龟纬惑馈凰莱坞秋酌油酞篮邦孽瘩鞋荤激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,3,运动微粒上接收到的光源入射光的频率,如图6-30所示，静止光源O发出一束频率为 的单色光，该单色光入射到

2、与被测流体一起运动(速度为)的微粒Q上，微粒Q接收到的光的频率是,图6-30 频率为 的单色光入射到速度为 的微粒Q,棋祁诀勇密抡陌港蒙楚台强详颐钨骋弛视桩菩懊播脆昭掀嘶审嘉捶弊残酋激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,4,静止接收器上接收到的运动微粒散射光的频率,如图6-31所示，因此在S处接收到的散射光的频率应为常采用差频法测量多普勒频移。即将入射光与散射光混频，两束光“混频”产生的拍频信号的频率就是多普勒频移。,图6-31 S处接收到的微粒Q散射光 的频率,迄敏泥瓤抑桌霸斧衣锹噪映及黎待滦伪冒筏蔼厦困欲米傍外愿卒不橇候阁激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,5,差频法测速

3、,可分为两类：参考光束型多普勒测速：检测散射光和入射光之间的频移（多普勒频移）；双散射光束型多普勒测速：检测两束散射光之间的频差（多普勒频差）。,次秋拨皂疚朴卷剂损筒鸿茄锋橱赁仰对智拒柠镑绞仕扛址是矗陕鸳示铸锯激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,6,参考光束型多普勒测速,图6-32所示为参考光束型测速方法的光路的原理图设 和 分别表示参考光和散射光的电矢量的瞬时值 则合成光强I应正比于合成电矢量的模平方，由四项组成,赊款姻芝缄独喇彦今执吧犀载慕壮祝栖孝仓喀悔沉壹砧锅肢悲顺夜院肋搏激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,7,参考光束型多普勒测速(续),光电倍增管实际感受到的合成光

4、强可表示为光电倍增管输出的光电流正比于它接收到的光强，用复指数函数的实部表达它的规律为,多普勒频移为,如图6-32可得,若入射光在真空中的波长为i，则有,檄坞筋书迈张剿痕淑播刽啄召淀诗授劈棋漠狼撼森菇胰坠绒洽郁的益损疵激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,8,双散射光束型多普勒测速,双散射光束型测速方法是通过检测在同一测量点上的两束散射光的多普勒频差来确定被测点处流体的流速的。如图6-33所示为干涉条纹型。,箍颐佑囱竭希候盾湾信摸耙尺钱贿蜕澈遇孪潘藩鉴柜珊付佐板曳祭旱怔高激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,9,血液流速的测量,图6-34是激光多普勒显微镜光路图,樟正止犯该钙帅

5、环笨乍孰缆擂乾附亩肄棒暂基辩娃耐品堡粉隘篆兆强衰滨激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,10,光纤多普勒测速仪原理图,图6-35 用于血液流速测量的光纤激光多普勒测速仪原理图,引蘑财狡炳镑辫养沉巢歹镐蜀挚颤湖田嫌赵掇剃洽胆潮娃箍嘴消戊镜痢溅激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,11,管道内水流的测量,双散射型测量光路,图6-36 测量管道内水流速度分布的激光多普勒测速系统原理图,廷复旨仔飞吕汲谱伍瞧网膀诧萎氟搞烈滑音杆算对渴首归逻砾届卓董娘降激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,12,环形激光精密测角,Sagnac效应：利用一种环形干涉仪，当环形干涉仪转动时，沿顺时针方

6、向传播和沿逆时针方向传播产生的光程差，测量该光程差引起的干涉条纹变化，达到测角的目的。,图6-37 环形干涉仪的Sagnac 效应,二者之差为,歌雨运腆片挞贤蜜烦郧挠恍吠匆通震绝节膨赎沧醇妇耙乙湛争提门仁讲滴激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,13,光纤陀螺,光纤陀螺也是基于Sagnac效应。以长度为的光纤绕成直径为的由个圆圈组成的光纤圈，其直径和圆面积可以分别表示为：光程差则可以表示为提高测角精度的方法：加大直径、增加圈数。实用的环形激光测角采用光纤陀螺仪。,图6-39 光纤陀螺仪示意图,阁蜀凋晨努谨窿或仑蚀蒂匀篙弹旱麦鳞沉拾傀论享请何村租涅劫址上枉部激光在精密测量中的应用激光在精

7、密测量中的应用,14,第5章 典型激光器介绍,各种工作物质、运转方式的激光器不断出现。按工作波段分类：红外和远红外激光器、可见光激光器、紫外和真空紫外激光器、X射线激光器。按运转方式分类：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器。按激光器工作物质分类：固体激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器。,释庙峪讣膏窝歇亚哭庇逛鞠幌壳孽河铺惮际潜尼棚奉向蓝川乙躇础徘旗谓激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,15,固体激光器,固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器。常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石(Nd3:YAG)等三种。固体激光器的特点：输出能量大

8、(可达数万焦耳)，峰值功率高(连续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达千兆瓦、几十太瓦)，结构紧凑，牢固耐用。广泛应用于工业、国防、医疗、科研等方面，例如打孔、焊接、划片、微调、激光测距、雷达、制导、激光视网膜凝结、全息照相、激光存储、大容量通信等。,赖至帚代搀霸芬妓诵谆喜圣看敖圆蠕远傈铀糟疮剥囊巫泰苔型亩砌昼隧斌激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,16,Nd3:YAG激光器,突出优点：阈值低和具有优良的热学性质，这就使得它适于连续和高重复率工作。Nd3:YAG是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质，在中小功率脉冲器件中，特别是在高重复率的脉冲器件中，目前应用Nd3:YAG的量

9、，远远超过其它固体工作物质。可以说，Nd3:YAG从出现至今，大量使用，长盛不衰。,杭甥纯聘腔份多篷潦琼谜运滩利帽敖喘偷与履奶乱惑搀开几付裤坎棍再吻激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,17,气体激光器,气体激光器是以气体或蒸气作为工作物质的激光器。与其它种类的激光器相比较，气体激光器的突出优点:输出光束的质量好(单色性、相干性、光束方向和稳定性等)。因此，在工农业生产、国防和科学研究中，都有广泛的应用。三种典型气体激光器：He-Ne激光器：具有结构简单、使用方便、光束质量好、工作可靠和制造容易等优点，至今仍然是应用最广泛的一种气体激光器。主要谱线是0.6328m红光，黄光(0.594

10、m)、绿光(0.543m)和橙光(0.606m、0.612m),后扭站洲值迹撑讹翟桥议瞅停唁旁脉苔呵剑乍递箕漳升扒下懊盼相击路慈激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,18,典型气体激光器(续),二氧化碳(CO2)激光器：是以CO2气体分子作为工作物质的气体激光器。其激光波长为10.6m和9.6m。优点：它既能连续工作，又能脉冲工作，输出大，效率高。它的能量转换效率高达(2025)，连续输出功率可达万瓦量级，脉冲输出能量可达万焦耳，脉冲宽度可压缩到毫微秒。被广泛用于材料加工、通信、雷达、诱发化学反应、外科手术等方面，还可用于激光引发热核反应，激光分离同位素以及激光武器等。,推迹电莫纫沟茅

11、彰狂谁瞳永年冗停撒篷河操液遭蜗纯奏网馁泣受凝牧叼咀激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,19,典型气体激光器(续),离子(Ar)激光器：以气态离子的不同激发态之间的激发跃迁进行工作的气体激光器。Ar激光器的激光谱线很丰富，主要分布在蓝绿光区，其中，以0.4880m蓝光和0.5145m绿光两条谱线最强。Ar激光器既可以连续工作，又可以脉冲状态运转。连续功率一般为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可见光区连续输出功率最高的气体激光器。它已广泛应用于全息照相，信息处理，光谱分析及医疗和工业加工等许多领域。,岳塑亚茧叭功酒赋硝侦摸菊粉报承处奖脐陕铱孺黔哇韩尉聘灾厨撰恋径诵激光在精密测量中

12、的应用激光在精密测量中的应用,20,染料激光器,染料激光器受到人们重视的原因是：输出激光波长可调谐，某些染料激光波长可调宽度达上百毫微米；激光脉冲宽度可以很窄，目前，由染料激光器产生的超短脉冲宽度可压缩至飞秒(1015秒)量级；染料激光器的输出功率大，可与固体激光器比拟，但价格便宜，同样的输出功率，它只是固体激光器的千分之一；染料激光器工作物质具有均匀性好等优良的光学质量。它在光化学、光生物学、光谱学、化学动力学、同位素分离、全息照相和光通信中，正获得日益广泛的重要应用,槐筒猩粕百疯康兄诀缄阵佃齿醒赃峙豹阎莹豢苇咕靠砰俭宜增迫秉潮丧琶激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,21,半导体激

13、光器,半导体激光器：以半导体材料作为激光工作物质的激光器。它具有超小型、高效率、结构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。它是目前光通信领域内使用的最重要光源，并且在CD、VCD、DVD播放机、计算机光盘驱动器、激光打印机、全息照相、激光准直、测距、及医疗等许多方面都获得了重要应用。,申探抗撕升表暑鹃搐福闲铆湃坯转算闰授嵌骏肛续溢蔚瓤操严飘钾晰丸挥激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,22,其它激光器,准分子激光器：(如ArF，193nm，用于光刻机)自由电子激光器：工作物质是自由电子束，利用电子加速器。输出的激光波长可在相当宽的范围内连续调谐，原则上可从厘米波一直调谐到真空紫外。可以获得极高的光功率输出。将在激光分离同位素、激光核聚变、光化学、激光光谱和激光武器等方面有着重大的应用前景。目前，自由电子激光器仍处于试验阶段。化学激光器：将化学能直接转换成激光、输出的激光波长丰富、高功率、高能量激光输出。光纤激光器。,豢戈剁遏砂械嗽弘示嫁豹要佳肌率妓换稍琵豺侗诌肆络近蝗凛贸陋幂涟来激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用,