1、一、什么是檢測(cè)？ 二、檢測(cè)的目的？ 三、檢測(cè)的兩個(gè)過(guò)程？ 四、檢測(cè)的三種功能？ 五、檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展？ 1、檢測(cè)理論方面 2、檢測(cè)領(lǐng)域方面 3、測(cè)量工具和方法,激光檢測(cè)技術(shù),主要內(nèi)容: 一、 激光的形成原理 二、 激光的特性與用途 三、 激光器 四、 激光檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,激光技術(shù)發(fā)展史,1.1917年：愛(ài)因斯坦在關(guān)于輻射的量子力學(xué)一文預(yù)言了 原子受激輻射發(fā)光的可能性，即存在激光的可能性;,2. 20世紀(jì)50年代：激光器方案的提出；,3. 1960年：梅曼(Maiman)制成世界上第一臺(tái)激光器；,4.1960年至今：激光技術(shù)飛速發(fā)展。,1961年9月中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所 制成了我國(guó)第

2、一臺(tái)激光器。,激光的形成原理 光和物質(zhì)的相互作用 基態(tài)能級(jí)、激發(fā)能級(jí)、激發(fā)態(tài)、激發(fā)、能級(jí)的壽命、亞穩(wěn)態(tài) 激發(fā)態(tài): 10-8 s 亞穩(wěn)態(tài): 10-3 s 實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子，同時(shí)改變自身運(yùn)動(dòng)狀況的表現(xiàn)。微觀粒子都有它特有的一套能級(jí)。任何時(shí)刻，一個(gè)粒子只能處于與某一個(gè)能級(jí)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)（或者簡(jiǎn)單地表達(dá)為處在某一個(gè)能級(jí)上）。與光相互作用時(shí)，粒子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)，并相應(yīng)地吸收或輻射一個(gè)光子。光子的能量值為此兩能級(jí)間的能量差E，頻率為 E/h（h為普朗克常量）。,躍遷：,躍遷：原子從某一能級(jí)吸收或釋放能量，變成另一能級(jí)。,光和物質(zhì)的相互作用有三種不同的基本過(guò)程： 自發(fā)輻射、

3、受激輻射和受激吸收 當(dāng)外界給予原子一定的能量時(shí)，就有可能把電子送到較外層的軌道上去，這時(shí)候，我們就說(shuō)原子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)；處在高能級(jí)上的原子不如在低能級(jí)上穩(wěn)定，它有返回低能級(jí)的趨勢(shì)，當(dāng)原子自發(fā)地從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)就會(huì)發(fā)光，這就是輻射。,自發(fā)輻射,處在高能級(jí)上的粒子，如存在著可以接納它的較低能級(jí)，即使沒(méi)有外界的作用，也有一定的概率，自發(fā)地從高能級(jí)（E2）向低能級(jí)（E1）躍遷。同時(shí)輻射出能量是E2-E1的光子，稱(chēng)為自發(fā)輻射。,普通光源（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過(guò)程為自發(fā)輻射。非相干光。,自發(fā)躍遷幾率（自發(fā)躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)）：,只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān),自發(fā)輻射是一個(gè)隨機(jī)

4、的過(guò)程,處在高能級(jí)的原子,什么時(shí)候向低能級(jí)躍遷發(fā)射出光子,帶有很大的偶然性,因而氣體中原子自發(fā)輻射過(guò)程中所發(fā)射的光子,其相位, 偏振態(tài), 傳播方向都沒(méi)有確定的關(guān)系. 即自發(fā)光波是不相干的.,受激吸收,受激吸收躍遷幾率：,：受激吸收躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù),只與原子本身性質(zhì)有關(guān),與原子本身性質(zhì)和輻射場(chǎng)能量密度有關(guān),處于較低能級(jí)的粒子在受到外界的激發(fā)，吸收了能量時(shí)，躍遷到與此能量相適應(yīng)的較高能級(jí)上去。稱(chēng)為受激吸收。,受激輻射,當(dāng)外來(lái)光子的頻率滿(mǎn)足 時(shí)，使原子中處于高能級(jí)的電子在外來(lái)光子的激發(fā)下向低能級(jí)躍遷而發(fā)光。,當(dāng)光與原子相互作用時(shí)，總是同時(shí)存在這三種過(guò)程,1917年愛(ài)因斯坦指出，除自發(fā)輻射之外，當(dāng)頻率

5、為=（E2-E1）/h的光子入射時(shí)，粒子也會(huì)以一定的概率，迅速地從能級(jí)E2躍遷到能級(jí)E1，同時(shí)輻射一個(gè)與外來(lái)光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向等都相同的光子，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為受激輻射。所以是相干的?？梢栽O(shè)想，如果大量原子處在高能級(jí)E2上，當(dāng)有一個(gè)頻率的光子入射，從而激勵(lì)E2上的原子產(chǎn)生受激輻射，得到兩個(gè)特征完全相同的光子，這兩個(gè)光子又激勵(lì)E2能級(jí)上原子，又使其產(chǎn)生受激輻射，可得到四個(gè)特征相同的光子，這意味著原來(lái)的光信號(hào)被放大了。它使入射光波(外來(lái)光)加強(qiáng),增加其通量密度。這種在受激輻射過(guò)程中產(chǎn)生并被放大的光，就是激光。 激光就是受激輻射的光放大。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，普通光是物質(zhì)的原子自發(fā)輻射產(chǎn)生的，而激光

6、是物質(zhì)的原子受激輻射產(chǎn)生的。,Laser “激光”,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,“通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大”,形象的音譯為“鐳射”，在1964年，根據(jù)錢(qián)學(xué)森的建議，將其改稱(chēng)為“激光”。這也就是我們目前最常見(jiàn)的稱(chēng)呼了。,結(jié)論：,1. 其他條件相同時(shí)，受激輻射和受激吸收具有相同幾率。,2. 熱平衡狀態(tài)下，高能級(jí)上原子數(shù)少于低能級(jí)上原子數(shù)，故 正常情況下，吸收比發(fā)射更頻繁，其差額由自發(fā)輻射補(bǔ)償。,受激輻射的相干性,自發(fā)輻射：相互獨(dú)立、互不相關(guān)。,受激輻射：受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的 外來(lái)光子具有相同的特征（頻率

7、、相 位、振動(dòng)方向及傳播方向均相同）。,受激輻射光子與入射光子屬同一光子態(tài)。,不相干,相干光,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布及泵浦過(guò)程 受激輻射的概念?lèi)?ài)因斯坦1917提出，激光器卻在1960年問(wèn)世，相隔43年，為什么？主要原因是普通光源中的粒子，產(chǎn)生受激輻射的概率極小。 當(dāng)頻率一定的光射入工作物質(zhì)時(shí)，受激輻射和受激吸收兩過(guò)程同時(shí)存在，因受激輻射使光子數(shù)增加，受激吸收使光子數(shù)減小。物質(zhì)處于熱平衡態(tài)時(shí)，處在較低能級(jí)E1的粒子數(shù)必大于處在較高能級(jí)E2的粒子數(shù)。這樣光穿過(guò)工作物質(zhì)時(shí)，光的能量只會(huì)減弱不會(huì)加強(qiáng)。要想使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，必須使處在高能級(jí)E2的粒子數(shù)大于處在低能級(jí)E1的粒子數(shù)。這種分布正好與平衡態(tài)時(shí)的粒子分布

8、相反，稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布.粒子的反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的必要條件。,能夠形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì)稱(chēng)為增益介質(zhì)。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)態(tài)是使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實(shí)現(xiàn)光放大?，F(xiàn)已有工作物質(zhì)近千種，可以產(chǎn)生波長(zhǎng)從紫外到遠(yuǎn)紅外波段的激光。 為使工作物質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法激勵(lì)原子體系，使處于高能級(jí)的粒子數(shù)增加，就需不斷地將處于低能級(jí)的原子抽運(yùn)到高能級(jí)上去， 激勵(lì)源形象地稱(chēng)為泵。把原子送上高能級(jí)。把粒子從基態(tài)激發(fā)到高能級(jí)，使在某兩個(gè)能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過(guò)程稱(chēng)為泵浦。 實(shí)現(xiàn)泵浦的方法有很多，通常采用以下幾種： (1) 光泵浦脈沖光源去照射工作物質(zhì) (2) 電泵浦用氣體放電的辦法激發(fā)物質(zhì)原子

9、 (3) 化學(xué)反應(yīng),諧振腔的共振作用與激光的形成 光在放大介質(zhì)中經(jīng)歷的路程越長(zhǎng)，和越多的原子發(fā)生作用，才能獲得越有效的光放大。但是把工作物質(zhì)作得無(wú)限長(zhǎng)是不現(xiàn)實(shí)的。 所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際上是在增益介質(zhì)的兩端面對(duì)面地安裝兩塊反射率很高相互平行的反射鏡，一塊為全反射鏡（反射率近似為1），另一塊為部分反射鏡（反射率必須大于某一值），讓光大部分反射，少部分透射出去，以使激光可透過(guò)這塊鏡子而射出。構(gòu)成一個(gè)光學(xué)共振腔（又稱(chēng)諧振腔）。,光學(xué)諧振腔的原理：,諧振腔的作用是選擇頻率一定、方向一致的光作最優(yōu)先的放大，而把其他頻率和方向的光加以抑制。凡不沿諧振腔軸線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的光子均很快逸出腔外，與工作介質(zhì)不再接觸。沿軸線(xiàn)

10、運(yùn)動(dòng)的光子將在腔內(nèi)繼續(xù)前進(jìn)，并經(jīng)兩反射鏡的反射不斷往返運(yùn)行產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行時(shí)不斷與受激粒子相遇而產(chǎn)生受激輻射，沿軸線(xiàn)運(yùn)行的光子將不斷增殖，在腔內(nèi)形成傳播方向一致、頻率和相位相同的強(qiáng)光束，這就是激光。具有良好的定向性和相干性。諧振腔對(duì)光的模式有選擇作用，即對(duì)光的頻率、相位、偏振及傳播方向有嚴(yán)格的選擇。,選擇光傳播方向,要形成激光，首先必須利用激勵(lì)能源，即泵浦激活介質(zhì)內(nèi)部的一種粒子，使其在某些能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這是形成激光的前提條件。同時(shí)，還必須增益介質(zhì)和使光產(chǎn)生共振作用的諧振腔。 泵浦、增益介質(zhì)和諧振腔是激光產(chǎn)生的三要素。 同時(shí)光在諧振腔內(nèi)來(lái)回一次所獲得的增益必須等于或大于它所遭受的各種損

11、耗之和。,激光的特性與用途 激光是入射光子經(jīng)受激輻射過(guò)程被放大。由于激光產(chǎn)生的機(jī)理與普通光源的發(fā)光不同，這就使激光具有不同于普通光的一系列性質(zhì)。 激光的高方向性：激光器發(fā)射的激光，光束的發(fā)散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。地球離月球的距離約38萬(wàn)公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，按照其光斑直徑將覆蓋整個(gè)月球。,普通光源發(fā)出的光是向各個(gè)方向輻射并隨著傳播距離的增加而衰減。主要原因是這些光源發(fā)的光是組成光源的大量分子或原子在自發(fā)輻射過(guò)程中 “各自為政”輻射光子。,激光不像普通光源向四面八方傳播，幾乎在一條直線(xiàn)上傳播，我們稱(chēng)激光的準(zhǔn)直性

12、好。因?yàn)榧す庖谥C振腔內(nèi)來(lái)回反射，若光線(xiàn)偏離軸線(xiàn)，則多次反射后終將逸出腔外，因此從部分透明的反射鏡射出的激光方向性好。良好的方向性使激光是射得最遠(yuǎn)的光，應(yīng)用于測(cè)距、通訊、定位方面。根據(jù)這一特性可制成激光準(zhǔn)直儀；,激光的高亮度：利用激光能量高度集中的特性，進(jìn)行精密焊接、打孔及切割 ； 一般光源發(fā)光是向很大的角度范圍內(nèi)輻射，如電燈泡不加約束是向四面八方輻射。激光的輻射范圍在110-3rad（0.06）左右，因此既使普通光源與激光光源的輻射功率相同，激光的亮度將是普通光源的上百萬(wàn)倍。1962年人類(lèi)第一次從地球上發(fā)出激光束射向月球，由于激光的方向性好、亮度高，加上顏色鮮紅，所以能見(jiàn)到月球上有一紅色光斑

13、。激光的高亮度在激光切割、手術(shù)、軍事上有重要應(yīng)用，現(xiàn)正研究用高亮度的激光引發(fā)熱核反應(yīng)。 空間高度集中：亮度比太陽(yáng)表面高 倍。 時(shí)間高度集中：功率峰值為 瓦。,激光的高單色性 ：在小孔、細(xì)絲、狹縫等小尺寸的衍射測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用；激光的光波的波長(zhǎng)的分布范圍可以低于10-8 nm。激光的單色性很好，像普通氦-氖激光器所發(fā)射的波長(zhǎng)約6328埃（1埃=10-10米）的紅光來(lái)說(shuō)，它的波長(zhǎng)范圍相差只有一千分之一埃。,光的顏色取決于光的波長(zhǎng)，通常把亮度為最大亮度一半的兩個(gè)波長(zhǎng)間的寬度定義為這條光譜線(xiàn)的寬度，譜線(xiàn)寬度越小，光的單色性越好?？梢?jiàn)光部分的顏色有七色，每種顏色的譜線(xiàn)寬度為40-50nm，激光的單

14、色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普通光源，如氦-氖激光器輸出的紅色激光譜線(xiàn)寬度只有10-8nm。激光良好的單色性使激光在測(cè)量上優(yōu)勢(shì)極為明顯。,激光的高相干性：有很好的時(shí)間相干性和空間相干性。當(dāng)激光束分成兩束進(jìn)行迭加時(shí)，產(chǎn)生的干涉條紋非常清晰。全息攝影就是利用了激光相干性好的這一特征。,時(shí)間相干性高譜線(xiàn)窄，單色性好； 空間相干性好波前上各點(diǎn)都是相干的。 即一方面激光是定向強(qiáng)光束，另一面是單色的相干光束。,現(xiàn)在人們已經(jīng)按照實(shí)際應(yīng)用的需求，造出了各種各樣的激光器。通?？梢园垂ぷ魑镔|(zhì)、激勵(lì)方式、運(yùn)轉(zhuǎn)方式、輸出波長(zhǎng)范圍等幾方面來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。,一按工作物質(zhì)分類(lèi),1、 固體激光器,工作物質(zhì)有紅寶石、釹玻璃等，是在作為基質(zhì)的材料的

15、晶體或玻璃中均勻地?fù)饺肷倭侩x子，稱(chēng)為激活離子。產(chǎn)生激光發(fā)射作用的是摻入的離子?？勺鳛榧せ铍x子的有過(guò)渡族金屬離子如鉻離子(Cr3+)、稀土金屬離子如釹離子(Nd3+)、錒系離子等。 一般來(lái)說(shuō)固體激光器具有器件體積小，堅(jiān)固，使用方便，輸出功率大的特點(diǎn)。,2、氣體激光器,工作物質(zhì)是氣體或金屬蒸氣。氣體激光的特點(diǎn)是激光輸出波長(zhǎng)范圍較寬。常用的氦-氖激光器，是通過(guò)氣體放電使Ne原子產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，輸出激光的波長(zhǎng)為632.8nm（紅光）。氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、操作方便、光束質(zhì)量好以及能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定連續(xù)工作的特點(diǎn)，是目前品種最多應(yīng)用最廣泛的激光器。,3、半導(dǎo)體激光器,以半導(dǎo)體為工作物質(zhì)，產(chǎn)生激光的

16、方法有p-n結(jié)注入式、電子束激發(fā)、光激發(fā)、雪崩式擊穿等。如砷化鎵二極管激光器,它體積小重量輕，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固，特別適于飛機(jī)、車(chē)輛、宇宙飛船之用?，F(xiàn)在的光驅(qū)、VCD、DVD的激光頭都是一個(gè)小型半導(dǎo)體激光發(fā)射器。,4、液體激光器,常用有機(jī)染料作工作物質(zhì)，大多數(shù)情況是把有機(jī)染料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽狀工作的。液體激光器的工作原理比較復(fù)雜，但輸出的波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬。,6、其他激光器 X射線(xiàn)、薄膜、光纖激光器等激光器,5、化學(xué)激光器,如碘原子激光器,三按激勵(lì)方式分類(lèi),可分為光泵式激光器，電激勵(lì)式激光器，化學(xué)激勵(lì)激光器（又稱(chēng)化學(xué)激光器），核泵激光器。,四按輸出激光的波段范圍分類(lèi),

17、可分為遠(yuǎn)紅外激光器、中紅外激光器、近紅外激光器、可見(jiàn)激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、X射線(xiàn)激光器等。,二按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類(lèi),可分為連續(xù)激光器、單次脈沖激光器、重復(fù)脈沖激光器，調(diào)Q激光器、鎖模激光器、單模和穩(wěn)頻激光器、可調(diào)諧激光器等等。,激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理 以氦氖激光器為例 除激勵(lì)電源之外，氦氖激光器通常包括放電管、電極和諧振腔等基本組成部分。在放電管中按一定比例和壓力充上氦氖混合氣體。根據(jù)放電管和組成諧振腔的兩塊反射鏡的連接方式，可將氦氖激光器分為以下三種結(jié)構(gòu)型式。 1、內(nèi)腔式 內(nèi)腔式結(jié)構(gòu)又稱(chēng)全腔式結(jié)構(gòu)，其放電管和諧振腔固定在一起 2、外腔式 外腔式結(jié)構(gòu)又稱(chēng)全外腔式結(jié)構(gòu)，即放電管與諧振腔

18、完全分開(kāi) 3、半內(nèi)腔式 半內(nèi)腔式結(jié)構(gòu)也可稱(chēng)做半外腔式結(jié)構(gòu)，其諧振腔中的一塊反 射鏡與放電管固定在一起，而另一塊反射鏡與放電管分開(kāi),He-Ne激光管的結(jié)構(gòu)形式 （a）內(nèi)腔式 （b）外腔式 （c）半內(nèi)腔式,工作原理：把氖原子從基態(tài)激發(fā)到3S態(tài)，以實(shí)現(xiàn)3S對(duì)2P 之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，除了氣體放電時(shí)，電子與氖原子碰撞，直接將部分氖原子激發(fā)到3S能級(jí)之外，起主要作用的還是氦原子。 當(dāng)激光器通電后，氦氖混合氣體在外加電場(chǎng)的高電壓作用下產(chǎn)生電離，而加在放電管兩端電極上的電壓又使自由電子和離子加速。當(dāng)電子與氦原子碰撞時(shí)，便把能量傳遞給氦原子，從而使大量的氦原子被激發(fā)到高能級(jí)，并落在壽命較長(zhǎng)的亞穩(wěn)態(tài)21S和2

19、3S上。其中21S 態(tài)的能量與Ne原子3S能級(jí)的能量很相近。因而，當(dāng)處于21S 態(tài)上的He原子與處于基態(tài)的Ne原子相互碰撞時(shí)，He原子就把能量交給Ne原子，使Ne原子激發(fā)到3S態(tài)，而自己回到基態(tài)。大量的Ne原子被激發(fā)到3S態(tài)，即可構(gòu)成對(duì)于2P態(tài)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。,激光的應(yīng)用 激光在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中的有著廣泛應(yīng)用：激光通訊、激光測(cè)距、激光定向、激光準(zhǔn)直、激光切削、激光手術(shù)、激光武器、激光顯微光譜分析、激光受控?zé)岷朔磻?yīng)等方面，主要是利用激光第一方面的特性；而激光全息、激光干涉、激光測(cè)流速等領(lǐng)域，主要是利用激光第二方面的特性。,（三）概述激光多普勒測(cè)速技術(shù) (奧地利科學(xué)家多普勒于1842年首次進(jìn)行 波

20、源和接收器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的波運(yùn)動(dòng)（電磁波或其他形式的波）的頻率變化即多普勒頻移。 一、激光多普勒測(cè)速原理 激光多普勒測(cè)速技術(shù)（LDV）是基于運(yùn)動(dòng)物體散射光線(xiàn)的多普勒效應(yīng)。利用激光多普勒效應(yīng)測(cè)量流體速度，其基本原理可以簡(jiǎn)述如下： 當(dāng)激光照射到跟隨流體一起運(yùn)動(dòng)的微粒上時(shí)，激光被運(yùn)動(dòng)著的微粒所散射。散射光的頻率和入射光的頻率相比較，有正比于流體速度的頻率偏移。測(cè)量這個(gè)頻率偏移，就可以測(cè)得流體速度。,首先討論光源和光接收器沿同一直線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)的多普勒效應(yīng):,兩個(gè)波面之間的距離就是光源所發(fā)射出的單色平面光波的波長(zhǎng)：,光源不斷地以頻率f1發(fā)射出一系列波面。這些波面相對(duì)于運(yùn)動(dòng)著的光源的速度是c一v1，而相對(duì)

21、于在同一直線(xiàn)上相向運(yùn)動(dòng)的光接收器R的速度是c一v2。兩個(gè)相鄰的波面，先后到達(dá)光接收器，這個(gè)時(shí)間間隔就是光接收器所接收到的光波的周期2：,光接收器接收到的光波與光源所發(fā)出的光波之間的頻率偏移fD為：,對(duì)于光源和光接收器R之間任意相對(duì)運(yùn)動(dòng)（不論是一維的還是多維的）情況下的多普勒效應(yīng)，上述基本表達(dá)式仍然是正確的，只不過(guò)應(yīng)該用向量形式來(lái)表示光源和光接收器的運(yùn)動(dòng)速度，并且要規(guī)定光傳播方向上的單位向量。,上式表達(dá)了光源與光接收器之間的任意相對(duì)運(yùn)動(dòng)下的多普勒效應(yīng),有兩種特殊情況對(duì)于激光多普勒測(cè)速特別重要：,（1）若光源靜止不動(dòng)，而光接收器R以速度 運(yùn)動(dòng),（2）若光源以速度 運(yùn)動(dòng)，而光接收器靜止不動(dòng),激光多普

22、勒效應(yīng)測(cè)速原理,微粒A所接收到的光波頻率fa是：,接收器所接收到的散射光的頻率fr為：,可得到固定接收器接收到的光頻率與固定光源發(fā)射出的光頻率之間的多普勒頻移fD為：,考慮到 c，上式可簡(jiǎn)化為,設(shè) 與 之間的夾角為， 與（ ）之間的夾角為 ，則,若設(shè)vn= vcos ，則,就是激光多普勒效應(yīng)測(cè)速原理的基本表達(dá)式。只要入射激光波長(zhǎng)i一定，入射光方向與微粒到光接收器的散射光方向之間的夾角一定，那么，微粒在（ ）方向上速度分量vn 就與多普勒頻移fD成簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，測(cè)量多普勒頻移，可求得流體的速度。,二、激光多普勒測(cè)速儀的組成,由激光器、光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)等部分組成,1激光器 由于多普勒頻移相

23、對(duì)光源波動(dòng)頻率來(lái)說(shuō)變化很小，因此，必須用頻帶窄及能量集中的激光作光源。為便于連續(xù)工作，通常使用氣體激光器，如He-Ne激光器,2光學(xué)系統(tǒng) 激光多普勒測(cè)速儀按光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，可分為參考光束系統(tǒng)、單光束系統(tǒng)和雙光束系統(tǒng)三種光路。 參考光束系統(tǒng),單光束系統(tǒng),3、光電元件,激光測(cè)速儀的光電元件一般采用光電倍增管，它特別適用于微弱信號(hào)的測(cè)量,4、信號(hào)處理系統(tǒng),多普勒信號(hào)是一種不連續(xù)的、變幅調(diào)頻信號(hào)，由于微粒通過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)體積的隨機(jī)性、通過(guò)時(shí)間有限等原因，信號(hào)的處理比較困難。信號(hào)處理系統(tǒng)的任務(wù)是從這些復(fù)雜的信號(hào)中提取那些反映流速的真實(shí)信息，現(xiàn)已有多種多普勒信號(hào)處理方法，如頻譜分析法、頻率計(jì)數(shù)法,計(jì)數(shù)式處理

24、器,計(jì)數(shù)式處理器基本上是一種計(jì)時(shí)裝置，它的主要工作過(guò)程是對(duì)帶通濾波后的多普勒信號(hào)，測(cè)量規(guī)定數(shù)目的多普勒信號(hào)周期所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間就是粒子穿越測(cè)量體中同樣條目的條紋所需的時(shí)間。 固定周期計(jì)數(shù)法 多普勒頻率 這就是時(shí)域法的頻率測(cè)量,9. 5散射粒子,激光流速計(jì)測(cè)得的流速，并不真正是流體質(zhì)點(diǎn)的速度，而是懸浮于流體內(nèi)的發(fā)射散射光的粒子運(yùn)動(dòng)速度。 要求：流體中的散射粒子有良好的跟隨性和較強(qiáng)的散射光的能力；不能污染被測(cè)介質(zhì)，弄臟觀察鏡；微粒濃度適中。 激光測(cè)速優(yōu)點(diǎn)：如不干擾流動(dòng)，具有一切非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，尤其是對(duì)小尺寸管道流速的測(cè)量、困難環(huán)境條件下（如低溫、低速、高溫、高速等）的流速測(cè)量更加顯示出它的

25、重要價(jià)值。此外激光測(cè)速還有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量準(zhǔn)確、僅對(duì)流速敏感而與流體其它參數(shù)（如溫度等）無(wú)關(guān)的特點(diǎn)。,激光全息干涉測(cè)量技術(shù),全息技術(shù)是1948年英國(guó)科學(xué)家蓋伯提出的一種新的成像原理，“全息”一詞引處希臘語(yǔ)，是“完全”的意思。但由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有好的相干光源，因而無(wú)法獲得好的相干像片。激光的出現(xiàn)，使全息術(shù)飛速發(fā)展成為一個(gè)新領(lǐng)域，蓋伯因此獲1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,普通照像是把從物體表面發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡，在感光底片上記錄下物體的光強(qiáng)分布，再翻印到相紙上，呈現(xiàn)出物體的平面圖像。普通照像只記錄了物體表面的光強(qiáng)分布，沒(méi)有記錄到物體各部分到觀察者的遠(yuǎn)近和角度，即沒(méi)記錄下物體發(fā)出光線(xiàn)的相位分布，這樣的像沒(méi)有立體

26、感。,全息照像是用相干光照射物體，從物體反射或漫射的光不是用透鏡成像而是直接照射到全息底片上，用干涉現(xiàn)象把那些光的光強(qiáng)分布和相位記錄下來(lái)。底片上沒(méi)有被拍物體的形象，在顯微鏡下可看到的是一幅長(zhǎng)短不一、間距不等、走向不同的復(fù)雜干涉條紋，稱(chēng)為全息圖。 要想看到圖樣，用相干光按一定方式照射全息圖，在一定方向可看到物體的像，稱(chēng)為再現(xiàn)。再現(xiàn)的是從物體反射或漫射的光束本身，所以像是立體的。,激光準(zhǔn)直測(cè)量技術(shù) 激光準(zhǔn)直儀按工作原理可分為振幅測(cè)量法、干涉測(cè)量法和偏 振測(cè)量法。 干涉測(cè)量法是在以激光束作為直線(xiàn)基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，又以光的 干涉原理進(jìn)行讀數(shù)來(lái)進(jìn)行直線(xiàn)度測(cè)量的。 1楔形板干涉法,楔形板干涉法原理 1-激光器

27、；2-倒置望遠(yuǎn)鏡；3-靶基座；4-楔形分光板；5-觀察屏,2.雙頻激光干涉法,雙頻激光干涉法原理 1-激光器；2-1/4波片；3-半反半透鏡；4-偏振分光器； 5-雙面反射鏡；6-全反射鏡；7-檢偏器；8-光電接收器；9-計(jì)算機(jī),激光準(zhǔn)直測(cè)量的應(yīng)用,機(jī)床導(dǎo)軌不直度的激光準(zhǔn)直測(cè)量原理圖,激光的載波測(cè)溫技術(shù),激光載波測(cè)溫原理方框圖,激光載波測(cè)溫的發(fā)射部分 RT-熱敏電阻；V1-單結(jié)晶體管； V2-晶閘管； T1，T2-脈沖變壓器脈沖調(diào)頻波與溫度的關(guān)系,調(diào)頻波解調(diào)原理 (a) LC諧振電路；（b）諧振曲線(xiàn)；（c）調(diào)頻波及調(diào)幅波,激光測(cè)距,激光測(cè)距的基本原理：將光速為c的激光脈沖射向被測(cè)目標(biāo)，測(cè)量它返

28、回的時(shí)間，由此求得激光器與被測(cè)目標(biāo)間的距離d，即 dct/2 式中t激光發(fā)出與接收到返回信號(hào)之間的時(shí)間間隔。 可見(jiàn)這種激光測(cè)距的精度取決于測(cè)時(shí)精度。,為了提高精度，要求激光脈沖寬度窄，光接收器響應(yīng)速度快。所以，遠(yuǎn)距離測(cè)量常用輸出功率較大的固體激光器與二氧化碳激光器作為激光源；近距離測(cè)量則用砷化鎵半導(dǎo)體激光器作為激光源。 在激光測(cè)距儀的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展了激光雷達(dá)，它除了可以測(cè)定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離外，還可以測(cè)定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方位和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。與一般雷達(dá)相比，激光雷達(dá)具有測(cè)量精度高，探測(cè)距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。,中國(guó)設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的激光測(cè)距儀,你還在用卷尺丈量長(zhǎng)短距離嗎？尤其是在裝修房子，布置家具的時(shí)候，是

29、否感覺(jué)到卷尺并不是太方便？中國(guó)設(shè)計(jì)師黃喬昆設(shè)計(jì)的這款激光測(cè)距儀（The Red Point Measure）如果真能產(chǎn)品化，相信會(huì)讓丈量變的很簡(jiǎn)單。只要用激光確定左右2點(diǎn)，激光測(cè)距儀就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出這2點(diǎn)之間的距離。,激光測(cè)長(zhǎng),從光學(xué)原理可知，單色光的最大可測(cè)長(zhǎng)度L與光源波長(zhǎng)和譜線(xiàn)寬度的關(guān)系為: 用普通單色光源測(cè)量，最大可測(cè)長(zhǎng)度L僅為78cm。若被測(cè)對(duì)象超過(guò)78cm，就須分段測(cè)量，這將降低測(cè)量精度。若用氦氖激光器作光源，則最大可測(cè)長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里。通常測(cè)長(zhǎng)范圍不超過(guò)10m，其測(cè)量精度可保證在0.1m以?xún)?nèi)。,激光測(cè)車(chē)速,利用激光具有高方向性的特點(diǎn)可以測(cè)量汽車(chē)、火車(chē)等運(yùn)動(dòng)物體的速度。 當(dāng)被測(cè)物體進(jìn)入

30、相距為S的兩個(gè)激光器區(qū)間(測(cè)速區(qū))內(nèi)時(shí)，先后遮斷兩個(gè)激光器發(fā)出的激光光束。利用計(jì)數(shù)器記錄主振蕩器在先后遮斷兩激光束的時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)N，即可求得被測(cè)物體的速度：,式中f主振蕩器的振蕩頻率。 這種激光測(cè)速儀的測(cè)量精度較高，當(dāng)被測(cè)對(duì)象時(shí)速為200km時(shí)，精度可達(dá)1.5%；時(shí)速為100km時(shí)，精度為0.8%。,激光測(cè)速儀方塊原理圖,激光用在加工領(lǐng)域,利用激光的亮度高和方向性好可以在機(jī)加工領(lǐng)域大有作為。,如可以在零件上打一般鉆頭不能打的異形孔和尺寸達(dá)微米級(jí)的小孔。利用激光進(jìn)行切割，具有速度快，切面光潔，不發(fā)生形變的特點(diǎn)。激光焊接可焊一般焊接法不能焊的難熔金屬。還可以利用激光亮度高、能量集中、可通過(guò)理

31、論計(jì)算進(jìn)行控制的特點(diǎn)對(duì)金屬工件表面進(jìn)行改造處理。,激光通信,激光通信是利用激光束單色性好，方向性好的特點(diǎn)。 要想提高傳遞信息容量比較有效的辦法是提高載波的頻率，如用波長(zhǎng)10cm的電波代替波長(zhǎng)100m的電波，通信容量可以提高1千倍，所以從19世紀(jì)開(kāi)始不斷發(fā)展短波通信，最初使用波長(zhǎng)幾千米的無(wú)線(xiàn)電通信（長(zhǎng)波通信），后來(lái)發(fā)展為波長(zhǎng)幾百米的中波通信，20世紀(jì)50年代又發(fā)展厘米級(jí)的微波通信，波長(zhǎng)再縮短進(jìn)入光波波段，光波的頻率在1014HZ-1015HZ之間，厘米波的頻率是1010HZ左右，所以光波通信的容量又比微波通信提高1萬(wàn)倍到10萬(wàn)倍。,但普通光源發(fā)出光波是不能作通信載波的，因?yàn)槠胀ü庠窗l(fā)出的光單色性

32、不好，若用這種光波作載波，相當(dāng)于同時(shí)有多套頻率的節(jié)目到達(dá)接收器，所以效果差。激光提供了單色性很好的光波，光波通信才進(jìn)入實(shí)用化階段。利用光波的載波通信做法與微波通信類(lèi)似，激光器輸出的光束經(jīng)過(guò)光電調(diào)制器調(diào)制后送到發(fā)射天線(xiàn)（一只光學(xué)反射鏡）發(fā)射出去，在用戶(hù)接收端，接收天線(xiàn)（也是反射鏡）把傳送過(guò)來(lái)的光信號(hào)匯集到光電接收器上轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)電放大和解調(diào)后就可以得到所傳遞的信息。在實(shí)際應(yīng)用中為避免光波在大氣中傳播的損失，光信號(hào)是在光纖內(nèi)傳遞的，光信號(hào)在光纖中的損耗很小。,激光用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,現(xiàn)在激光技術(shù)已成為醫(yī)學(xué)中的新技術(shù)，并開(kāi)始形成一個(gè)新的醫(yī)學(xué)分支激光醫(yī)學(xué)。如：,激光刀,是用光學(xué)系統(tǒng)聚焦的激光束作用于生

33、物體組織，在短時(shí)間內(nèi)使之燒灼和氣化。當(dāng)光束以一定速度移動(dòng)時(shí)，能把組織切開(kāi)，起到手術(shù)刀的作用。激光的能量還能燒結(jié)封閉組織中的血管、淋巴管，減少出血量。脈沖激光作用時(shí)間短（小于千分之一秒），可以用作精細(xì)的眼科手術(shù)，病人的眼睛還來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)，“刀”已經(jīng)下去了，不會(huì)傷及其它部位。同時(shí)激光刀與手術(shù)部位是非接觸性作用，因而是自身消毒的手術(shù)。,以色列開(kāi)發(fā)出激光焊接手術(shù)傷口技術(shù),手術(shù)傷口激光焊接技術(shù)，不僅可使傷口快速愈合，還可減少感染和留下較大疤痕的危險(xiǎn)。,將一種特殊蛋白作為生物黏合劑，涂到手術(shù)切口兩側(cè)并用激光加熱后，生物黏合劑會(huì)形成一種“硬殼”，保護(hù)傷口不受感染并促其快速愈合。,以前也曾嘗試用激光焊接技術(shù)縫合

34、手術(shù)傷口，但由于溫度難以控制，容易產(chǎn)生過(guò)熱傷及人體組織。為此，研究人員使用了可控溫二氧化碳激光器和鹵化銀，使加熱溫度能有效地控制在適宜范圍內(nèi)，避免產(chǎn)生過(guò)熱或灼傷現(xiàn)象。預(yù)計(jì)幾年內(nèi)可廣泛應(yīng)用。 （2008，12，05 新聞網(wǎng)）,激光作為武器，有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。首先，它可以用光速飛行，每秒30萬(wàn)公里，任何武器都沒(méi)有這樣高的速度。它一旦瞄準(zhǔn)，幾乎不要什么時(shí)間就立刻擊中目標(biāo)，用不著考慮提前量。另外，它可以在極小的面積上、在極短的時(shí)間里集中超過(guò)核武器100萬(wàn)倍的能量，還能很靈活地改變方向，沒(méi)有任何發(fā)射性污染，因而具有常規(guī)威懾力量。,激光用于軍事領(lǐng)域,日常應(yīng)用,激光打印機(jī),電腦光驅(qū),CD/VCD,條形碼掃描

35、器,激光防偽,激光霓虹燈,激光的應(yīng)用，已展示出廣闊的前景。它給我們帶來(lái)方便。,激光視覺(jué)三維測(cè)量技術(shù),視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)分為主動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)和被動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)兩大類(lèi)。主動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)是采用結(jié)構(gòu)光照明，通過(guò)結(jié)構(gòu)光在被測(cè)物體上的精確定位來(lái)獲取被測(cè)信息。利用激光做光源來(lái)獲取結(jié)構(gòu)光的主動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)，稱(chēng)之為激光視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)。被動(dòng)視覺(jué)采用非結(jié)構(gòu)光照明，它是根據(jù)被測(cè)空間點(diǎn)在不同像面上的相關(guān)匹配關(guān)系，來(lái)獲得空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)。由于視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、速度快、精度適中、可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的在線(xiàn)檢測(cè)。,激光視覺(jué)檢測(cè)的原理 激光三角法是激光視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。下面以單點(diǎn)式激光三角法為例說(shuō)明激光三角法測(cè)量原理。

36、單點(diǎn)式激光三角法測(cè)量常采用直射式和斜射式兩種結(jié)構(gòu)。激光器1發(fā)出的光線(xiàn)，經(jīng)會(huì)聚透鏡2聚焦后垂直人射到被測(cè)物體表面3上，物體移動(dòng)或表面變化，導(dǎo)致入射光點(diǎn)沿入射光軸移動(dòng)。接收透鏡4接收來(lái)自入射光點(diǎn)處的散射光，并將其成像在光電位置探測(cè)器5（如PSD、CCD）敏感面上。若光點(diǎn)在成像面上的位移為x,可求出被測(cè)面的位移為：,式中，a為激光束光軸和接收透鏡光軸的交點(diǎn)到接收透鏡前主面的距離；b為接收透鏡后主面到成像面中心點(diǎn)的距離；為激光束光軸與接收透鏡光軸之間的夾角。,激光視覺(jué)測(cè)量的基本原理：利用激光作光源產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)光，用一個(gè)或多個(gè)CCD攝像機(jī)來(lái)接收，通過(guò)一定算法來(lái)獲取結(jié)構(gòu)光所攜帶的被測(cè)物體的三維信息。 把由結(jié)構(gòu)光和CCD攝像機(jī)組成的測(cè)量裝置稱(chēng)為激光視覺(jué)傳感器。,激光視覺(jué)三維測(cè)量技術(shù)在露天煤場(chǎng)存煤量自動(dòng)計(jì)量中的應(yīng)用 燃煤電廠露天煤場(chǎng)存煤量的計(jì)量目前尚未很好解決?；诩す庖曈X(jué)三維測(cè)量技術(shù)的旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)盤(pán)煤裝置正是為解決這一工程實(shí)際問(wèn)題而研制的。該裝置適用于露天煤場(chǎng)存煤量的計(jì)量，對(duì)煤場(chǎng)的形狀及大小無(wú)嚴(yán)格要求，適用面廣，測(cè)量速度快，操作過(guò)程簡(jiǎn)單，應(yīng)用前景廣泛。,旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)盤(pán)煤裝置的設(shè)計(jì)原理 （1）基于主動(dòng)三角形法的定點(diǎn)測(cè)距成像,CCD與激光器剛性連接在同一水平位置上如圖所示，A是激光器光束在物體上形成的光斑，