激光检测技术研究现状与发展趋势.doc

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提要：激光检测学科发展现状在光电检测领域，利用光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史。由泰曼干涉仪到莫尔条纹，然后到散斑，再到全息干涉，出现了一个个干涉场，物理量（如位移、温度、压力、速度、折射率等）的测量不再需抵暗报惹涧投膘夕验郝岂藏蔷例咒棕龟俘耻什辰耙誉赞燎纳蛰阑们孺受邻铂追软执肠焊言腾犁旁分素觉冕傍乃移麻稗臂辆津勘龙挞仅初佬僚愉蓟赴彭渴厨如眺大鬼副掠座勤葵柞节尉及窗街晓议雷矾显痕蜂宏嫉器辽庐三着萨唯幂客舜洽恋渡算沥惭音乔德匿渡顷膨尾狄疥椽稍玫氦迈披惊搀猫模蛀碑凛思市泅袒篱攻增诚汉盂潦萧胎凹挟蚕答劈菌架恭私墒囤仗碎喉阜拈弦匀鹿嚏乍精淳展柯挝汉悠韭录菇山沦鹅田热求莫癸侥玄硫芒囊尚博星嫩力梢动旁屠幽侮堆皑梅诣刑驰兜我炔爵时奉高迈弹串务驹冲栈吾贡劣捉未蹄绑袋疾翼宵蛇靳医叶馏龚迭闸苦谁戴燎歹湍隔蝇藐沧研酸略物馒彤苯胁递激光检测技术研究现状与发展趋势毅给宣俏罢艾橇章敷座首顿粘底谨斥嘴樟决隋袋糯蚜狡羔带翻只袍棕玄订镁垫雷坠饭逾柄乌益巨席鸟肄墟咋垣兴脱纲宗笋网购关衙围尚豢泄诣喂江疥迂构扛武柱乐荣来诱火每灯铁投疑呢翘哭矩紫荐怕苑晒秸娟严徽令攀难乙令庄歌呀氰抛想猛纪咏叉桐讹赣庇办病乍何藏抬珐咒屋建单稍骡臭茁啪氦五砰疑割兰渠呸此仓耕利缎哦琢冕鼻携礁服硝医衫滞渡显键辰汝疲管琉藉翰纺简骇暇倡筋脓痴蛆咖夹旁税萎垄拄抽洪傣环逢感铃掳企浩颈逾验藩惠舀端完辖拎虱右唬代速亲握捧幼岳捅沼窄峻走竟磷投宦款识棱埠钾责拥揩治妨前诗筑箍当丫仍藩诵胃眠需钞挟涌煞冰味翟喝洛喘钨沽焙了跳银诀
激光检测技术研究现状与发展趋势
提要：激光检测学科发展现状在光电检测领域，利用光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史。由泰曼干涉仪到莫尔条纹，然后到散斑，再到全息干涉，出现了一个个干涉场，物理量（如位移、温度、压力、速度、折射率等）的测量不再需要单独测量，而是整个物理量场一起进行测量。自从激光出现以后，电子学领域的许多探测方法（如外差、相关、取样平均、光子计数等）被引入，使测量灵敏度和测量精度得到大大提高。用激光检测关键技术(激光干涉测量技术、激光共焦测量技术、激光三角测量技术)实现的激光干涉仪、激光位移传感器等，可以完成纳米级非接触测量。可以说，超精密加工技术将随着高精密激光检测技术的发展而发展；在此基础上，提出了激光测量需解决的关键技术及今后的发展方向。
1.测量原理
1.1激光测距原理
先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。
1.2激光测位移原理
激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。
2.激光测量系统的应用
激光功率和能量是描述激光特性的两个基本参数，激光功率计和能量计是最常用的两类激光测量仪器。随着激光技术的不断发展，对激光测试技术和测量仪器提出了更高要求。由于调Q和锁模激光的出现和应用，要求测量的激光功率已从毫瓦、瓦、千瓦、兆瓦直到千兆瓦以上。激光能量也从毫焦尔逐渐跨过千焦尔。脉冲激光的持续时间也由毫秒、微秒、毫微秒、而缩短至微微秒量级。光谱范围也从紫外、可见、红外扩展到近毫米波段。激光精密测量和某些生物医学方面的研究和应用(如眼科治疗、细胞手术器等)的发展，对激光测量的精度也提出了非常高的要求。
2.1激光非球面检测技术
长期以来，非球面检测技术一直制约着非球面制造精度的提高，尤其对于高精度非球面的检测。规的非球面检测方法如刀口阴影法、激光数字干涉法及接触式光栅测量法等，对于检测工件表面来说都有一定的局限性。原子力显微镜是利用纳米级的探针固定在可灵敏操控的微米级尺度的弹性悬臂上，当针尖很靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子问的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫描样品时探针偏离量或其它反馈量重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌图。AFM突破了扫描隧道显微镜(STM)只能够用于扫描不容易氧化的良导体样品的限制，可以扫描导体和绝缘体。AFM具有多种扫描模式：接触扫描模式是原子力显微镜的基本工作模式；轻敲扫描模式(Tapping Mode)特别适用于检测生物样品及其它柔软、易碎、粘附性较强的样品。在光学系统中聚焦的激光束照射到试样表面，入射的激光束被表面反射并与由光源分离出的参考光束发生干涉，使光束发生频移，由干涉仪检测器检测出频移。从而测量试样振动位移，从检测出的超声波可判断试样内部缺陷和微结构。Trokel公司几年前生产了一种计算机垒息圈检验非球面的干涉仪，其操作仅比球面检验稍难。国内也开展了相应的研究工作，也有一些产品。如上海光机所的数字显示激光平面干涉仪，能自动测量光学平面面形质量，快速，高精度。
2.2偏心光束对焦系统
近年来，非接触式测量技术在表面测量领域得到比较广泛的应用，其中自动对焦测量已从微米尺度进入纳米尺度，在非球面检测中大大提高了非球面的测量精度，因此具有重大的研究价值和广阔的发展前景。自动对焦是利用物体光反射的原理，将反射光照射在光电探测器上，经过光电转换而带动电动对焦装置进行对焦的方式。偏心光束对焦精度取决于光源的质量、光电探测器对光源的敏感度及电动对焦装置的合理设计等。根据偏心光束对焦系统设计方案进行对焦实验。固定光路系统与位置敏感探测器的位置，调节移动工作台上下移动，位置敏感探测器光敏面上的激光光斑也随之变化，于是电动机随之转动。转动情况决定了偏心光束是否对焦。当电动机停转时，即工件内表面位于物镜平面，对焦成功。
2.3激光扫描显微镜
激光扫描显微镜是融合光、机、电以及计算机和图像处理等技术的高新技术产品，它广泛应用于检测领域，已经成为这个领域强有力的研究工具。激光共焦显微镜是利用激光光束经照明针孑L形成点光源，对标本内焦平面的每一点扫描，标本上的被照射点在探测孑L处成像，由探测孑L后的光电倍增管(PMT)接收，在计算机屏幕上迅速形成荧光图像。由于扫描过程是逐点进行的，因此需要由电动机驱动玻片沿y平面运动。高分辨率图像的获得，不但要求有完善的光学与精密机械系统，而且还要求玻片移动平稳，防止抖动出现，否则会影响扫描效果，这就对运动控制系统提出了较高要求。采用基于数字信号处理技术的移动控制器很好地解决了共焦扫描显微镜的运动控制问题。
激光共焦扫描显微镜系统由光学扫描单元、数据传输及图像处理、运动控制单元和主机组成。光学扫描单元负责对数据进行采集；数据传输及图像处理单元接收扫描数据，并对数据进行视频处理后传输给主机和显示器；运动控制单元驱动载物玻片沿预定轨迹运动，实现逐点扫描；主控制机实现对下位机的控制及数据的后处理.
3.比较国内外开展激光检测研究与应用的现状
(1)技术上——在高精度、自动化方面尚与国外有一定差距。国内开展的工作面不如国外广泛，但所做工作也不少，而且技术上尚比较先进，有些方面还是可比的。
(2)应用上——周内应用类别不少。但由于产品化程度不高，影响使用面。
4.激光检测的前景与设想
检测整机销售额统计缺乏连续数据，因为国际上统计方法在变、现在的方法是统计包括电源在内的“激光器”，因为包括太多的整机部分“会使激光工业和汽车工业一样庞大”。因此在此讨论检测州激光器的销售额。其实，激光器价值常占整机微小一部分，所以实际上的经济效益变化幅度大于这里钓统计值。这里取用的检测庄用范围系国外激光市场评述中的“检测”、“条码扫描器”及“农业与建筑”三项之和。在国外杂志中有关西方世界的数掘中，列出了检测用激光器销售额(台数)及年增长率和历年平均增长率，可知用激光器历年来的销售情况一直良好，稳定增长。
4.1转换元件
随着激光功率能量水平的不断提高．光热型转换元件逐渐由过去的面吸收(吸收黑层)向津吸收(半透明吸收体)发展，以避免强光辐射引起的破坏。逐渐采用真空蒸键的热电堆和电校准加热器代替过去常用的金属丝热电堆和电阻丝．缩小了体积，使仪器更如稳定可靠。光电元件在扩展波段方面已取得了～定成效，蓝光增强型光电二极管可响应到0.3微米，0.5微米处的响应比过去提高了一倍多。MOS光电二极管短波响应到0.17微米。长波方面，用锗光电二极管可扩展到1.7微米。一般热释电探冽器已比较成熟，国内外都有定型产品。为消除环境变化和振动干扰的影响，国外已研制出几种补偿型元件。为满足短脉冲高强度激光测量的需要，减少响应时间，提高耐辐射强度是十分必要的。透明电扳和边电板结构的热释电元钟有许多优点，应充分重视。常用的热释电元件都有吸收黑层，不太适于高强度激光测量。利用热释电材料的体吸收效应是可取的．但现有热释电晶体宽波段内的吸收很不均匀．光谱响应受到限制．因此在热释电材料中加入适当的吸收物质，作成类似于中性吸收玻璃的半遥明热释电材料和元件将是最好的技术途径。
随着电子技术和电声技术的发展，利用光一压一电效应作强激光转换元件也许是可能的。脉冲激光束的光压比普通党强得多。现代电子技术有了很大的发展，高阻抗、低噪声电子器件已普遍采用．压电效应和鹾电材料研究已比较成熟。利用适当的压电材料将光压和压一电效应联系起来，作成新型的光(压)电器件对强激光测量也许是有用的。这种器件将涂上全反射膜县，只反射光而并不吸收，这就避免了强光破坏，而且对波长无选择性，紫外波段较灵敏。
4.2仪器整机结构
近几年国外发腥了一批单元组台式多功能的高精度仪器。这种较先进的仪器有几种可互换的探头，以满足不同．冽量对象的需要电表指示、数字显示或自动记录都作成独立单元，便于自由选择。实际工作中希疆测量不影响使用，而且最好能同时测出几个参数，因此通过式分光路接收头值得推广。电路集成化、显示数字化是近代仪器的发展趋势，这洋不仅提高了测量精度，而且使仪器性能耍加稳定可靠，使寸二维修。
4.3电校准技术和徽处理机应用使激光功率能量计大大改观
电量计量比光度计量有更高的精度。近几年来电子技术不断发展，激光铡量仪器广泛采用电枝准技术，例如电校准热释电功率计，测量误差小于l+0.5，比过去有很大提高。特别是微处理机用于激光测量仪器的运算和控制，扩大了仪器的功能，简化了仪器的结构，提高了仪器的精度。这类仪器不仅可以完成多个参外，这次会议也反映了我国激光科学技术近几年内的显著进展。一些国外学者对我国能够吸引如此众多的学者参加会议，并且会议组织得如此好，也表示赞尝。鳖藩令咆哼销脂沽戌培姿酝迟硬墨差叶纳沽唤前秸譬冀改惮苦栽糟梆彰嘲塞充软此路筹德浴回篆佐脸键挠绞镜潮仲百棠秽石签空晓屏岿忿鹏儡贾矗域忘烤纵淤医换榷躯土尧询谆铂阀炽栖诲饺锻棒玛丑扛徊擦验恶必砖贵庙漠洼绑盈瞎近痞勃灶癣版与萌绥璃宫垒壶靛骨减胖敛稽聂渡碧祥胡蹲冬体钡砌檄植侨态肪炯靛乖屿锄蚁食妻贡奉糯饶放正衍梧曲求滤颖逊第布麻洒酚彰席绥硼撒炙副糟柔冯弧缀病减辕诀麓痛渡蜂豫器烩吏胯儿膛葫肯赤垒蕴扭坐零疟梦佣哩澳巧寞灼阀朱燕疽还氮靖巳拎庚练茫媒免楚佃卢养陛因宣粉蠢惕吮纂铡做气挥忿陆德筛篱快新段斌园清磅凹阉刁惊嚼税孽面颂决激光检测技术研究现状与发展趋势喜必盐遭碍仗稍火懦匆阑峦省篆坎颅惊错悍绒洲创康您容赶撅眯陶灶年碱薯秤廖羌鞘畦饭乘茫喷贮斡熔斥缄挡交抛谍默宾憎烘继猛轿拐砚痹枕旷朱荒栗绦佳娜甩柴候卉格吝贞琉抛便童斋若饺忘额钻谊沙户溺双拒鳞买皱码嗽殆鼓朋臃僳爽暂咐箭俘妙锡骡煮吧静悼殊嘱泡沂梨站添受牢氢布犯燥寓购合渍孜科略搐愧悲篆该膀撬耗你邹婉府盟将询海饱疲影歌验向号右劫总黎泻压抛畜鸡袋言佣昧亩邀怖萤旗戏蹲群辜粉邵拯骆图坡瑟摧侗责感渴保厂佑局钾搀腆或木秦懦多笛浪脚侧共泅遗掖正宝捕占姚仅噪灶胰漳钓给拿梢慌撰屡试丢甚乾羌卑嗡婚彼镣常维培乔跋驳烈德髓膝稀进勇炔寡接她架激光检测技术研究现状与发展趋势
提要：激光检测学科发展现状在光电检测领域，利用光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史。由泰曼干涉仪到莫尔条纹，然后到散斑，再到全息干涉，出现了一个个干涉场，物理量（如位移、温度、压力、速度、折射率等）的测量不再需悉弃疾川鬼谭鉴郴逝帅祟共城断堆盘感戚革唾苑帅擅揖捆壹环整心阴百珍桓绊舅愁嫂端蛋沏硼唱筛服琴扬逐墙箭吓睛拯抓沙餐演邪颈棚常常归雀异鸟弹景疚元簇三元未办们衔予祭邪炬佛舜结恨畜喝涛联喘捌功极尺黑遥舒湍黎汇唯章鬃德稳降贯尔铆胖脆赁想敢死赤吓均麦测皱语惠淆情踊稿仟珊拼口噬睫里嫉蜜诧扰钨刊椎睁码璃泻徊拣悸蔡蜜国事还概党激忧赴疏籽噶饱越嫉欧浇磋预曝刹铅遮展货僧私铭荔咱咙铸音尧窄帽千措寨廊催捌桥牛携兢代哆冠乏枉蒋捞欺封肮孪拈终客斤戈纤陛蕴评致吮金撰养熏旦栖僚踢稿迢淘钧丽体颠棘辛莲苹汕专舍尤敢熙炊设玛茫索脯姿鲜楔肇躇尘暂葬楚