光机电测控技术基础第3章节激光测试基础-副本课件

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1、光机电测控技术基础主讲人:严晗武汉理工大学机电工程学院第3章激光测试基础2目录3-1激光的基本性质3-2激光概述3-3激光器的分类和特点3-4激光准直技术3-5激光多普勒测速技术3-6激光测距技术3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

2、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。43-1激光的基本性质①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2θ表示，单位为rad。立体角：球冠曲面S对光源O所张的空间角Ω，单位为sr，可用下式描述整个球面对球心所张的立体角是4π(sr)。O2θ(a)O2θ(b)RSΩ光束的发散角a）和立体角b）5①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λ=0.63μm，d=3mm，则光束发散角为2θ≈2×10-4rad。当发散角较小时，发

3、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10-3～10-6rad；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（5～10）×10-2rad，且两个方向的发散角不一样。3-1激光的基本性质②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/m2sr；辐射出射能量光束出射立体角光源表面积一般激光器的发光立体角大约为π×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

4、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。3-1激光的基本性质③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λ＝0.6057μm的光，3-1激光的基本性质8④

5、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τc后在空间某点会合，尚能发生干涉，τc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。激光器M2M1P1212图3-3迈克尔逊干

6、涉仪3-1激光的基本性质9④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Δλ和Δν越窄，光的相干长度Lc和相干时间τc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（＝0.6328μm）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。3-1激光的基本性质10⑤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

7、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100μm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0.25mm，而激光器的横向相干长度可达100mm以上。3-1激光的基本性质11⑥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

8、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“