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激光测量技术

2021-02-22 13:46:52   0  举报

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AI智能生成

激光的特性及相干测量等

激光

激光测量

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大纲/内容

第二章 激光辐射的特性

光作为电磁波

电磁波谱范围

激光：0.1~10um(10-7~10-5m) 可见光：0.4~0.8um

激光束沿z轴的最简模型 E(z,t)=E0cos(wt-kz-g) H(z,t)=H0cos(wt-kz-g)

色散关系式

w/k=f*L=v=c/n(折射率）

光波的电场强度与磁场强度成正比

光束参数

辐照度

辐照度与电场强度幅度的平方成正比

光波的E无法直接测量，通过I测量

相位角

叠加原理

多个波叠加，得到的波的强度为各自的电场强度的矢量相加

相长干涉：相位差为0，同相，电场强度增加一倍

相消干涉：相位差为pi，反相，电场强度和辐照度均为0

偏振

电场强度矢量振荡的方向

非偏振光

电场强度的振动方向仍垂直于传播方向

无法观测到优先振动的方向

传播方向

仅在传播方向不同的两个平面波叠加产生等距条纹（干涉条纹）

线偏振：电场强度的方向固定且垂直于传播方向

波长

波长测量方法

光栅衍射

干涉测量

迈克尔逊干涉仪测量

仅波长不同的两列波叠加产生的波的辐照度在时间上出现了调制，这种现象称为拍

衍射

横向受限制的光束会产生衍射，如一束平行光束射向一个小孔

波阵面上的任一点都可以作为次波的波源，非均匀地辐射。

次波经过不同距离传输，因而产生相长或相消干涉，形成一幅复杂的干涉图案，即衍射图案

入射光和衍射光都是平行光

单缝衍射

衍射角min=波长/2a（单缝宽度）

圆孔衍射

艾里斑

双缝衍射

光栅衍射

sin角=nL/g（相邻狭缝间距）

相干性：E和H在空间上和时间上是相关的（有关联）

时间相干性

w(光源频谱宽度)*T=pi

空间相干性

激光辐射

光吸收

基态到激发态

吸收入射光光子

自发辐射

激发态到基态

辐射出一个光子

受激辐射

激发态到基态

外来辐射场诱导

激光器（光反馈放大器）

光放大器

光学谐振腔

光束质量

光束质量因子k，描述实际激光束和理论的区别

光束传输比率M^2=1/K

高斯光束

高斯光束相对于传播方向z轴是旋转对称的，光强度I在径上按高斯函数衰减

半导体激光器不能产生高斯光束

w(z)光束半径，w(0)束腰

束腰处波阵面是平面，相位面曲率半径为无穷大

zR瑞利半径

沿光束方向上，从聚焦点开始到光束直径增大到焦点处光束直径根号2倍的位置处的距离

聚焦

入射光的束腰恰好位于透镜的前焦平面上时，聚焦后的焦点恰好位于透镜的后焦平面上

不忽略衍射作用时，上式不成立，w0'=f*波长/(pi*w0)

扩束

开普勒望远镜：2个会聚透镜，一旦间距为f1+f2，望远镜系统的作用范围可以到无穷远

只有f1>f2时才能实现扩束，扩束后束腰半径w0'=w0*f1/f2

第十章 激光三角法

确定物体表面上一点相对于参考平面的绝对距离的测量方法

原理

一束激光对准工件，利用被测物体上的散射光观察相交点

光点位置取决于工件在z轴上的位置

Scheimpflug条件

确保对于不同距离的测量物体，在探测平面上的会聚光斑尽可能的聚焦

物镜为uv坐标系，入射激光束在此坐标系的关系：u=k(斜率)v+u0

入射光方向(z轴)、物镜平面(u轴)、探测器(z'轴)所对准的直线三者相交于点（0，u0)

z轴和z'轴的坐标原点在v轴上

三角测量传感器的特性曲线

描述测量物体光点位置于探测器成像上的光点位置之间的关系

位移dz对应产生dz'，即z'=z'(z).求导：dz'/dz，值为灵敏度

传感器力待测物体越远，物体表面光点直径越大，灵敏度就越低

影响因素

激光束的传播

高分辨

使激光束通过透镜聚焦照射在工件表面上的光点直径尽可能小

物体表面特性

影响精度

镜面

均匀散射面

定向散射

激光束进入一个半透明物体，并在物体表面之下被散射

成像光路差

球差：穿过物镜边缘的光线比近轴光线的偏振程度大，导致汇聚点不重合。

慧差：球差导致光斑图像的一侧有畸变

常用探测器

横向效应二极管、CCD线阵列、CMOS线阵列

散板对信号检测的影响

第三章 光辐射与物质相互作用

散射

含有多个预定义参数的入射激光与待测目标发生的相互作用

相互作用的过程中入射光的参数会改变，被散射出来的激光就携带了待测目标的信息

光的粒子性

光是由多个粒子，即光子组成，以光速运动。

每一个光子具有一定的光子能量 W=hf(光频率)

光在传播方向上的动量 p=hf/c

自旋（角动量），光子沿其传播方向同时做顺时针和逆时针转动。

折射

c=n*v(光传播的相速度）

折射率取决于光波长或者光频率

正色散

折射率随光波长增加而增加

反常色散

折射率随光波长增加而减小

折射定律

双折射

寻常光(o.)，两者偏振方向互相垂直，在空间上不会发生分离，沿垂直于光轴的方向穿过晶体

非寻常光（e.o.)

应力双折射

克尔效应：外加电场

普克尔斯效应：特定晶体+外加电场

反射

反射率与光束偏振方向有关

s-偏振：偏振方向垂直于入射面

p-偏振：偏振方向平行于入射面

入射光以布儒斯特角入射到边界上，R2=0，平行光分量不会被反射

当反射光与入射光互相垂直时，平行光分量不会被反射

非偏振光以布儒斯特角发生反射时会变成垂直偏振光

全反射

入射角大于全反射临界角

光纤，偏转棱镜

反射波存在干涉相移

n1<n2（光疏到光密），产生相移，相位差=pi

n1>n2（光密到光疏），不会产生相移

漫反射：粗糙表面的反射。表面的空间纹理尺寸大于入射光波长

吸收

透过率T=透过的光强/入射光强

线性吸收，受激辐射可忽略，吸收率、透过率与光强无关

非线性吸收，高强度光照下，吸收率下降，透过率上升

双光子吸收：入射波足够大时，一个原子可以同时吸收2个光子。

虚拟中间级

光散射

弹性散射：入射波和散射波之间存在固定的相位关系

瑞利散射：散射粒子以入射光的频率振荡，并向外辐射电磁波

米氏散射：散射波会发生相移（相长/相消干涉）；散射截面最大

非弹性散射：经过散射体的散射波长会变长或变短

拉曼散射，散射光波长的变化与散射截介质有关

斯托克斯：基态到激发态

反斯托克斯：激发态到基态

倍频

通过介质材料的非线极化作用，产生了频率为入射光频率2倍的另一种光波

光学多普勒效应

光源与光探测器相对运动方向的不同，会探测到不同的频率。

f2=f1+/-f变化量，f变化量=相对速度/波长

第六章 激光干涉测量

两束光束之间的光程差是波长的整数倍时，干涉图样不变。

采用回射器的迈克尔逊干涉仪

偏振干涉仪

相位-电场-光强

双频干涉仪

计数器读差值

干涉仪以波长的倍数测量距离

计算路径上的折射率变化量来计算波长

波长=真空中激光的波长/n

角度测量

元件旋转，两回射器以不同的速度运动，得到两个多普勒频移。双频干涉仪上得到计数差

直线度测量

激光-渥拉斯顿棱镜-角镜

光学成像元件的质量测量

泰曼-格林干涉仪

通过干涉条纹的扭曲可以测量适配误差

量程

主要受限于激光光源的相干长度

误差

主要来源于环境空气的效应

绝对误差=A（分辨率）+F(相对误差)L(路径长度）

L小，=A

L大，=FL

第七章 全息干涉

存储和再现物体散射的波，再现物的虚像和实像

全息，产生被测物体的三维图像

物体散射的光波与平面参考波发生干涉，产生的（干涉图样）全息图为菲涅尔波带片， 包含一系列同心的亮暗环带，其宽度随圆环直径的增大而减小

再现波被全息图中所记录的干涉图样衍射，产生出物体的一个虚像和一个实像。 波带片如一个被弯曲成环形的具有可变光栅常数的光栅。波带片边缘的衍射角比中心处的衍射角大

处于单一衍射级的菲涅尔波带片如一个凸透镜，光束离对称轴越远则偏转得越强烈；另一个衍射级对应一个凹透镜 两个衍射级各自产生物点的一个虚像和一个实像

波长的影响

第8章 散斑计量学

散斑效应

如果一个粗糙表面被相干光照射，观察者看到的表面呈现颗粒状。表面散射光的空间分布强度是变化的，出现亮、暗点。

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