激光检测技术硕士.pptx

一、什么是检测？一、什么是检测？二、检测的目的？二、检测的目的？三、检测的两个过程？三、检测的两个过程？四、检测的三种功能？四、检测的三种功能？五、检测技术的发展？五、检测技术的发展？1、检测理论方面2、检测领域方面3、测量工具和方法激光检测技术激光检测技术主要内容主要内容:一一、激光的形成原理激光的形成原理二二、激光的特性与用途激光的特性与用途三、三、激光器激光器四四、激光检测技术的应用激光检测技术的应用激光技术发展史激光技术发展史1.1.19171917年：年：爱因斯坦在爱因斯坦在关于辐射的量子力学关于辐射的量子力学一文预言了一文预言了 原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性;2.20世纪世纪50年代：年代：激光器方案的提出；激光器方案的提出；3.1960年：年：梅曼梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器；制成世界上第一台激光器；4.4.19601960年至今：年至今：激光技术飞速发展。激光技术飞速发展。1961年年9月中国科学院月中国科学院 长春光学精密机械研究所长春光学精密机械研究所 制成了制成了我国第一台激光器。我国第一台激光器。激光的形成原理激光的形成原理光和物质的相互作用光和物质的相互作用基态能级、激发能级、激发态、激发、能级的寿命、基态能级、激发能级、激发态、激发、能级的寿命、亚稳态亚稳态激发态激发态:10-8s亚稳态亚稳态:10-3s 实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。微观粒子都有它特有的一套能级。自身运动状况的表现。微观粒子都有它特有的一套能级。任何时刻，一个粒子只能处于与某一个能级相对应的状态任何时刻，一个粒子只能处于与某一个能级相对应的状态（或者简单地表达为处在某一个能级上）。与光相互作用（或者简单地表达为处在某一个能级上）。与光相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射一个光子。光子的能量值为此两能级间的能量差辐射一个光子。光子的能量值为此两能级间的能量差E，频率为，频率为 E/h（h为普朗克常量）。为普朗克常量）。跃迁：跃迁：跃迁：跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。吸收跃迁：吸收跃迁：低低吸收能量吸收能量高高辐射跃迁：辐射跃迁：高高辐射能量辐射能量低低（自发辐射）（自发辐射）光和物质的相互作用有三种不同的基本过程：光和物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收 当外界给予原子一定的能量时，就有可能把电子送到较外当外界给予原子一定的能量时，就有可能把电子送到较外层的轨道上去，这时候，我们就说原子从低能级跃迁到高层的轨道上去，这时候，我们就说原子从低能级跃迁到高能级；处在高能级上的原子不如在低能级上稳定，它有返能级；处在高能级上的原子不如在低能级上稳定，它有返回低能级的趋势，当原子自发地从高能级跃迁到低能级时回低能级的趋势，当原子自发地从高能级跃迁到低能级时就会发光，这就是就会发光，这就是辐射辐射。n自发辐射自发辐射处在高能级上的粒子，如存在着可以接纳它的较低处在高能级上的粒子，如存在着可以接纳它的较低能级，即使没有外界的作用，也有一定的概率，自能级，即使没有外界的作用，也有一定的概率，自发地从高能级（发地从高能级（E2）向低能级（）向低能级（E1）跃迁。同时辐）跃迁。同时辐射出能量是射出能量是E2-E1的光子，称为的光子，称为自发辐射自发辐射。发光前发光前发光后发光后普通光源普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。为自发辐射。非相干光非相干光。自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：原子在能级原子在能级的平均寿命的平均寿命只与原子本身性质有关，与辐射场无关只与原子本身性质有关，与辐射场无关自发辐射是一个随机的过程自发辐射是一个随机的过程,处在高能级的原子处在高能级的原子,什么时候向低能级什么时候向低能级跃迁发射出光子跃迁发射出光子,带有很大的偶然性带有很大的偶然性,因而气体中原子自发辐射过程因而气体中原子自发辐射过程中所发射的光子中所发射的光子,其相位其相位,偏振态偏振态,传播方向都没有确定的关系传播方向都没有确定的关系.即自发光波是不相干的即自发光波是不相干的.受激吸收受激吸收吸收前吸收前吸收后吸收后受激吸收跃迁几率：受激吸收跃迁几率：受激吸收跃迁爱因斯坦系数：受激吸收跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量时，处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量时，跃迁到与此能量相适应的较高能级上去。称为跃迁到与此能量相适应的较高能级上去。称为受激吸收受激吸收。发光前发光前发光后发光后受激辐射受激辐射当外来光子的频率满足当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。：受激辐射跃迁爱因斯坦系数：受激辐射跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关受激辐射跃迁几率：受激辐射跃迁几率：与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程1917年爱因斯坦指出，除自发辐射之外，当频率为年爱因斯坦指出，除自发辐射之外，当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，粒子也会以一定的概的光子入射时，粒子也会以一定的概率，迅速地从能级率，迅速地从能级E2跃迁到能级跃迁到能级E1，同时辐射一个，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向等都与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向等都相同的光子，这个过程称为相同的光子，这个过程称为受激辐射受激辐射。所以是相干所以是相干的。的。可以设想，如果大量原子处在高能级可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当上，当有一个频率有一个频率的光子入射，从而激励的光子入射，从而激励E2上的原子产上的原子产生受激辐射得到两个特征完全相同的光子，这两生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子又激励个光子又激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。号被放大了。它使入射光波它使入射光波(外来光外来光)加强加强,增加其通增加其通量密度。量密度。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光，这种在受激辐射过程中产生并被放大的光，就是就是激光激光。激光就是受激辐射的光放大。激光就是受激辐射的光放大。简单地说，普通光是物质的原子自发辐射产生的，简单地说，普通光是物质的原子自发辐射产生的，而激光是物质的原子受激辐射产生的。而激光是物质的原子受激辐射产生的。Laser“激光激光”LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation“通过受激辐射实现光放大通过受激辐射实现光放大”形象的音译为形象的音译为“镭射镭射”，在，在19641964年，根据钱学森的建议，将其改年，根据钱学森的建议，将其改称为称为“激光激光”。这也就是我们目前最常见的称呼了。这也就是我们目前最常见的称呼了。结论：结论：1.其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。2.热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。受激辐射的相干性受激辐射的相干性自发辐射：自发辐射：相互独立、互不相关。相互独立、互不相关。受激辐射：受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的受激辐射产生的光子与引起受激辐射的外来光子具有相同的特征（频率、相外来光子具有相同的特征（频率、相位、振动方向及传播方向均相同）。位、振动方向及传播方向均相同）。受激辐射光子与入射光子属同一光子态。受激辐射光子与入射光子属同一光子态。不相干不相干相干光相干光粒子数反转分布及泵浦过程粒子数反转分布及泵浦过程 受激辐射的概念爱因斯坦受激辐射的概念爱因斯坦1917提出，激光器却提出，激光器却在在1960年问世，相隔年问世，相隔43年，为什么？主要原因是普年，为什么？主要原因是普通光源中的粒子，产生受激辐射的概率极小。通光源中的粒子，产生受激辐射的概率极小。当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，因受激辐射使光子数增加，激吸收两过程同时存在，因受激辐射使光子数增加，受激吸收使光子数减小。物质处于热平衡态时，处受激吸收使光子数减小。物质处于热平衡态时，处在较低能级在较低能级E1的粒子数必的粒子数必大于大于处在较高能级处在较高能级E2的粒的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级能级E2的粒子数大于处在低能级的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数粒子数反转分布反转分布.粒子的反转分布是产生激光的必要条件。粒子的反转分布是产生激光的必要条件。能够形成粒子数反转分布的工作物质称为能够形成粒子数反转分布的工作物质称为增益介质增益介质。工作介质具有亚稳态是使受激辐射占主导地位，从而实现工作介质具有亚稳态是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。光放大。现已有工作物质近千种，可以产生波长从紫外到现已有工作物质近千种，可以产生波长从紫外到远红外波段的激光。远红外波段的激光。为使工作物质中出现粒子数反转，必须用一定的方法为使工作物质中出现粒子数反转，必须用一定的方法激励原子体系，使处于高能级的粒子数增加，就需不断地激励原子体系，使处于高能级的粒子数增加，就需不断地将处于低能级的原子抽运到高能级上去，将处于低能级的原子抽运到高能级上去，激励源形象地称激励源形象地称为为泵泵。把原子送上高能级。把粒子从基态激发到高能级，把原子送上高能级。把粒子从基态激发到高能级，使在某两个能级之间实现粒子数反转的过程称为使在某两个能级之间实现粒子数反转的过程称为泵浦泵浦。实现泵浦的方法有很多，通常采用以下几种：实现泵浦的方法有很多，通常采用以下几种：(1)光泵浦光泵浦脉冲光源去照射工作物质脉冲光源去照射工作物质(2)电泵浦电泵浦用气体放电的办法激发物质原子用气体放电的办法激发物质原子(3)化学反应化学反应谐振腔的共振作用与激光的形成谐振腔的共振作用与激光的形成 光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子发生光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子发生作用，才能获得越有效的光放大。但是把工作物质作得无作用，才能获得越有效的光放大。但是把工作物质作得无限长是不现实的。限长是不现实的。所谓所谓光学谐振腔光学谐振腔，实际上是，实际上是在增益介质的两端在增益介质的两端面对面面对面地地安装两块安装两块反射率很高反射率很高相互平行的反射镜，一块为全反射相互平行的反射镜，一块为全反射镜（反射率近似为镜（反射率近似为1 1），另一块为部分反射镜（反射率必须），另一块为部分反射镜（反射率必须大于某一值），大于某一值），让光大部分反射，少部分透射出去，以使让光大部分反射，少部分透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。激光可透过这块镜子而射出。构成一个光学共振腔（又称构成一个光学共振腔（又称谐振腔）。谐振腔）。反射镜 激励源 工作物质激光谐振腔光学谐振腔的原理光学谐振腔的原理：谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介质不再接振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。具有良好的激光。具有良好的定向性和相干性定向性和相干性。谐振腔对光的模式有谐振腔对光的模式有选择作用，即对光的频率、相位、偏振及传播方向有严格选择作用，即对光的频率、相位、偏振及传播方向有严格的选择。的选择。选择光传播方向选择光传播方向要形成激光，首先必须利用激励能源，即泵浦激活介要形成激光，首先必须利用激励能源，即泵浦激活介质内部的一种粒子，使其在某些能级间实现粒子数反转分质内部的一种粒子，使其在某些能级间实现粒子数反转分布，这是形成激光的前提条件。同时，还必须增益介质和布，这是形成激光的前提条件。同时，还必须增益介质和使光产生共振作用的谐振腔。使光产生共振作用的谐振腔。泵浦、增益介质和谐振腔是激光产生的三要素。泵浦、增益介质和谐振腔是激光产生的三要素。同时光在谐振腔内来回一次所获得的增益必须等于或大于同时光在谐振腔内来回一次所获得的增益必须等于或大于它所遭受的各种损耗之和。它所遭受的各种损耗之和。激光的特性与用途激光的特性与用途激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激光产生的机激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激光产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激光具有不同于普理与普通光源的发光不同，这就使激光具有不同于普通光的一系列性质。通光的一系列性质。激光的高方向性：激光的高方向性：激光器发射的激光，光束的发散度极小，激光器发射的激光，光束的发散度极小，大约只有大约只有0.001弧度，接近平行。地球离月球的距离约弧度，接近平行。地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。按照其光斑直径将覆盖整个月球。n普通光源发出的光是向各个方向辐射并随着传播距离的增普通光源发出的光是向各个方向辐射并随着传播距离的增加而衰减。主要原因是这些光源发的光是组成光源的大量加而衰减。主要原因是这些光源发的光是组成光源的大量分子或原子在自发辐射过程中分子或原子在自发辐射过程中“各自为政各自为政”辐射光子。辐射光子。激光不像普通光源向四面八方传播，几乎在一条直激光不像普通光源向四面八方传播，几乎在一条直线上传播，我们称激光的准直性好。因为激光要在线上传播，我们称激光的准直性好。因为激光要在谐振腔内来回反射，若光线偏离轴线，则多次反射谐振腔内来回反射，若光线偏离轴线，则多次反射后终将逸出腔外，因此从部分透明的反射镜射出的后终将逸出腔外，因此从部分透明的反射镜射出的激光方向性好。良好的方向性使激光是射得最远的激光方向性好。良好的方向性使激光是射得最远的光，应用于测距、通讯、定位方面。光，应用于测距、通讯、定位方面。根据这一特性根据这一特性可制成激光准直仪；可制成激光准直仪；激光的高亮度：激光的高亮度：利用激光能量高度集中的特性，进行精密焊利用激光能量高度集中的特性，进行精密焊接、打孔及切割接、打孔及切割；一般光源发光是向很大的角度范围一般光源发光是向很大的角度范围内辐射，如电灯泡不加约束是向四面八方辐射。激光的内辐射，如电灯泡不加约束是向四面八方辐射。激光的辐射范围在辐射范围在110-3rad（0.06）左右，因此既使普通光源）左右，因此既使普通光源与激光光源的辐射功率相同，激光的亮度将是普通光源与激光光源的辐射功率相同，激光的亮度将是普通光源的上百万倍。的上百万倍。1962年人类第一次从地球上发出激光束射年人类第一次从地球上发出激光束射向月球，由于激光的方向性好、亮度高，加上颜色鲜红，向月球，由于激光的方向性好、亮度高，加上颜色鲜红，所以能见到月球上有一红色光斑。激光的高亮度在激光所以能见到月球上有一红色光斑。激光的高亮度在激光切割、手术、军事上有重要应用，现正研究用高亮度的切割、手术、军事上有重要应用，现正研究用高亮度的激光引发热核反应。激光引发热核反应。n空间高度集中：空间高度集中：亮度比太阳表面高亮度比太阳表面高 倍。倍。n时间高度集中：时间高度集中：功率峰值为功率峰值为 瓦。瓦。激光的高单色性激光的高单色性：在小孔、细丝、狭缝等小尺寸的衍射测量在小孔、细丝、狭缝等小尺寸的衍射测量中得到了广泛的应用；中得到了广泛的应用；激光的光波的波长的分布范围可激光的光波的波长的分布范围可以低于以低于10-8nm。激光的单色性很好，像普通氦激光的单色性很好，像普通氦-氖激氖激光器所发射的波长约光器所发射的波长约6328埃（埃（1埃埃=10-10米）的红光来说，米）的红光来说，它的波长范围相差只有一千分之一埃。它的波长范围相差只有一千分之一埃。光光的的颜颜色色取取决决于于光光的的波波长长，通通常常把把亮亮度度为为最最大大亮亮度度一一半半的的两两个个波波长长间间的的宽宽度度定定义义为为这这条条光光谱谱线线的的宽宽度度，谱谱线线宽宽度度越越小小，光光的的单单色色性性越越好好。可可见见光光部部分分的的颜颜色色有有七七色色，每每种种颜颜色色的的谱谱线线宽宽度度为为40-50nm，激激光光的的单单色色性性远远远远好好于于普普通通光光源源，如如氦氦-氖氖激激光光器器输输出出的的红红色色激激光光谱谱线线宽宽度度只只有有10-8nm。激激光光良良好好的的单色性使激光在测量上优势极为明显。单色性使激光在测量上优势极为明显。激光的高相干性：激光的高相干性：有很好的时间相干性和空间相干性。有很好的时间相干性和空间相干性。当激当激光束分成两束进行迭加时，产生的干涉条纹非常清晰。光束分成两束进行迭加时，产生的干涉条纹非常清晰。全息摄影就是利用了激光相干性好的这一特征。全息摄影就是利用了激光相干性好的这一特征。时间相干性高时间相干性高谱线窄，单色性好；谱线窄，单色性好；空间相干性好空间相干性好波前上各点都是相干的。波前上各点都是相干的。即一方面激光是定向强光束，另一面是单色的相干光束。即一方面激光是定向强光束，另一面是单色的相干光束。n现在人们已经按照实际应用的需求，造出了各种各样的激现在人们已经按照实际应用的需求，造出了各种各样的激光器。通常可以按工作物质、激励方式、运转方式、输出光器。通常可以按工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几方面来进行分类。波长范围等几方面来进行分类。一按工作物质分类一按工作物质分类1、固体激光器固体激光器工作物质有红宝石、钕玻璃等，是在作为基质的材料的晶体或工作物质有红宝石、钕玻璃等，是在作为基质的材料的晶体或玻璃中均匀地掺入少量离子，称为激活离子。产生激光发射作玻璃中均匀地掺入少量离子，称为激活离子。产生激光发射作用的是掺入的离子。可作为激活离子的有过渡族金属离子如铬用的是掺入的离子。可作为激活离子的有过渡族金属离子如铬离子离子(Cr3+)、稀土金属离子如钕离子、稀土金属离子如钕离子(Nd3+)、锕系离子等。、锕系离子等。一般来说固体激光器具有器件体积小，坚固，使用方便，输出一般来说固体激光器具有器件体积小，坚固，使用方便，输出功率大的特点。功率大的特点。2、气体激光器、气体激光器n工作物质是气体或金属蒸气。气体激光的特点是激光输出工作物质是气体或金属蒸气。气体激光的特点是激光输出波长范围较宽。常用的氦波长范围较宽。常用的氦-氖激光器，是通过气体放电使氖激光器，是通过气体放电使Ne原子产生粒子数反转，输出激光的波长为原子产生粒子数反转，输出激光的波长为632.8nm（红（红光）。气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便、光光）。气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便、光束质量好以及能长时间较稳定连续工作的特点，是目前品束质量好以及能长时间较稳定连续工作的特点，是目前品种最多应用最广泛的激光器。种最多应用最广泛的激光器。3、半导体激光器、半导体激光器以半导体为工作物质，产生激光的方法有以半导体为工作物质，产生激光的方法有p-n结注入式、电结注入式电子束激发、光激发、雪崩式击穿等。子束激发、光激发、雪崩式击穿等。如砷化镓二极管激光如砷化镓二极管激光器器n它体积小重量轻，寿命长，结构简单而坚固，特别适于飞它体积小重量轻，寿命长，结构简单而坚固，特别适于飞机、车辆、宇宙飞船之用。现在的光驱、机、车辆、宇宙飞船之用。现在的光驱、VCD、DVD的的激光头都是一个小型半导体激光发射器。激光头都是一个小型半导体激光发射器。4、液体激光器、液体激光器常用有机染料作工作物质，大多数情况是把有机染料溶于乙醇、常用有机染料作工作物质，大多数情况是把有机染料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽状工作的。液体激光器的工作原理比丙酮、水等，也有以蒸汽状工作的。液体激光器的工作原理比较复杂，但输出的波长连续可调，且覆盖面宽。较复杂，但输出的波长连续可调，且覆盖面宽。6、其他激光器其他激光器X射线、薄膜、光纤激光器等射线、薄膜、光纤激光器等激光器激光器5、化学激光器、化学激光器如碘原子激光器如碘原子激光器 三按激励方式分类三按激励方式分类 可可分分为为光光泵泵式式激激光光器器，电电激激励励式式激激光光器器，化化学学激激励励激激光光器器（又称化学激光器），核泵激光器。（又称化学激光器），核泵激光器。四按输出激光的波段范围分类四按输出激光的波段范围分类 可可分分为为远远红红外外激激光光器器、中中红红外外激激光光器器、近近红红外外激激光光器器、可可见见激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、X射线激光器等。射线激光器等。二按运转方式分类二按运转方式分类可分为连续激光器、单次脉冲激光器、重复脉冲激可分为连续激光器、单次脉冲激光器、重复脉冲激光器，调光器，调Q激光器、锁模激光器、单模和稳频激光器、激光器、锁模激光器、单模和稳频激光器、可调谐激光器等等。可调谐激光器等等。激光器的结构与工作原理激光器的结构与工作原理以氦氖激光器为例以氦氖激光器为例除除激励电源激励电源之外，氦氖激光器通常包括之外，氦氖激光器通常包括放电管、电极和谐放电管、电极和谐振腔振腔等基本组成部分。在放电管中按一定比例和压力充上等基本组成部分。在放电管中按一定比例和压力充上氦氖混合气体。根据放电管和组成谐振腔的两块反射镜的氦氖混合气体。根据放电管和组成谐振腔的两块反射镜的连接方式，可将氦氖激光器分为以下三种结构型式。连接方式，可将氦氖激光器分为以下三种结构型式。1、内腔式、内腔式内腔式结构又称全腔式结构，其放电管和谐振腔固定在一起内腔式结构又称全腔式结构，其放电管和谐振腔固定在一起2、外腔式外腔式外腔式结构又称全外腔式结构，即放电管与谐振腔完全分开外腔式结构又称全外腔式结构，即放电管与谐振腔完全分开 3、半内腔式、半内腔式半内腔式结构也可称做半外腔式结构，其谐振腔中的一块反半内腔式结构也可称做半外腔式结构，其谐振腔中的一块反射镜与放电管固定在一起，而另一块反射镜与放电管分开射镜与放电管固定在一起，而另一块反射镜与放电管分开He-Ne激光管的结构形式激光管的结构形式 （a）内腔式内腔式 （b）外腔式外腔式 （c）半内腔式半内腔式工作原理：工作原理：把氖原子从基态激发到把氖原子从基态激发到3S态，以实现态，以实现3S对对2P 之间的粒之间的粒子数反转分布，除了气体放电时，电子与氖原子碰撞，直接将部分子数反转分布，除了气体放电时，电子与氖原子碰撞，直接将部分氖原子激发到氖原子激发到3S能级之外，起主要作用的还是氦原子。能级之外，起主要作用的还是氦原子。当激光器通电后，氦氖混合气体在外加电场的高电压作用下产生电当激光器通电后，氦氖混合气体在外加电场的高电压作用下产生电离，而加在放电管两端电极上的电压又使自由电子和离子加速。当离，而加在放电管两端电极上的电压又使自由电子和离子加速。当电子与氦原子碰撞时，便把能量传递给氦原子，从而使大量的氦原电子与氦原子碰撞时，便把能量传递给氦原子，从而使大量的氦原子被激发到高能级，并落在寿命较长的亚稳态子被激发到高能级，并落在寿命较长的亚稳态21S和和23S上。其中上。其中21S 态的能量与态的能量与Ne原子原子3S能级的能量很相近。因而，当处于能级的能量很相近。因而，当处于21S 态上的态上的He原子与处于基态的原子与处于基态的Ne原子相互碰撞时，原子相互碰撞时，He原子就把能量交给原子就把能量交给Ne原子，使原子，使Ne原子激发到原子激发到3S态，而自己回到基态。大量的态，而自己回到基态。大量的Ne原子被激原子被激发到发到3S态，即可构成对于态，即可构成对于2P态的粒子数反转分布态的粒子数反转分布。激光的应用激光的应用激光在各个技术领域中的有着广泛应用：激光通讯、激光在各个技术领域中的有着广泛应用：激光通讯、激光测距、激光定向、激光准直、激光切削、激光手术、激光测距、激光定向、激光准直、激光切削、激光手术、激光武器、激光显微光谱分析、激光受控热核反应等方面，激光武器、激光显微光谱分析、激光受控热核反应等方面，主要是利用激光第一方面的特性；而激光全息、激光干涉、主要是利用激光第一方面的特性；而激光全息、激光干涉、激光测流速等领域，主要是利用激光第二方面的特性。激光测流速等领域，主要是利用激光第二方面的特性。（三）概述（三）概述激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术 (奥地利科学家多普勒于奥地利科学家多普勒于18421842年首次进行年首次进行 波源和接收器的相对运动引起的波运动（电磁波或其他形式的波源和接收器的相对运动引起的波运动（电磁波或其他形式的波）的频率变化即波）的频率变化即多普勒频移多普勒频移。一、激光多普勒测速原理 激光多普勒测速技术（激光多普勒测速技术（LDV）是基于运动物体散射光线的多普勒是基于运动物体散射光线的多普勒效应。利用激光多普勒效应测量流体速度，其基本原理可以简述如效应。利用激光多普勒效应测量流体速度，其基本原理可以简述如下：下：当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，激光被运动着的当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，激光被运动着的微粒所散射。散射光的频率和入射光的频率相比较，有正比于流体微粒所散射。散射光的频率和入射光的频率相比较，有正比于流体速度的频率偏移。测量这个频率偏移，就可以测得流体速度。速度的频率偏移。测量这个频率偏移，就可以测得流体速度。首先讨论光源和光接收器沿同一直线方向运动时的多普勒效应首先讨论光源和光接收器沿同一直线方向运动时的多普勒效应:两个波面之间的距离就是光源所发射出的单色平面光波的波长两个波面之间的距离就是光源所发射出的单色平面光波的波长：光源光源不断地以频率不断地以频率f1发射出一系列波面。这些波面相对于运发射出一系列波面。这些波面相对于运动着的光源动着的光源的速度是的速度是c一一v1，而相对于在同一直线上相向运动的光而相对于在同一直线上相向运动的光接收器接收器R的速度是的速度是c一一v2。两个相邻的波面，先后到达光接收器，这两个相邻的波面，先后到达光接收器，这个时间间隔就是光接收器所接收到的光波的周期个时间间隔就是光接收器所接收到的光波的周期2 2：光接收器接收到的光波与光源所发出的光波之间的频率偏移光接收器接收到的光波与光源所发出的光波之间的频率偏移fD为：为：对于光源对于光源和光接收器和光接收器R之间任意相对运动（不论是一维的还之间任意相对运动（不论是一维的还是多维的）情况下的多普勒效应，上述基本表达式仍然是正确的，是多维的）情况下的多普勒效应，上述基本表达式仍然是正确的，只不过应该用只不过应该用向量向量形式来表示光源和光接收器的运动速度，并且要形式来表示光源和光接收器的运动速度，并且要规定光传播方向上的规定光传播方向上的单位向量单位向量。上式表达了光源与光接收器之间的任意相对运动下的多普勒效应上式表达了光源与光接收器之间的任意相对运动下的多普勒效应有两种特殊情况对于激光多普勒测速特别重要：有两种特殊情况对于激光多普勒测速特别重要：（1 1）若光源）若光源静止不动，而光接收器静止不动，而光接收器R以速度以速度 运动运动（2）若光源）若光源以速度以速度 运动，而光接收器静止不动运动，而光接收器静止不动 激光多普勒效应测速原理激光多普勒效应测速原理 微粒微粒A所接收到的光波频率所接收到的光波频率fa是：是：接收器所接收到的散射光的频率接收器所接收到的散射光的频率fr为：为：可得到固定接收器接收到的光频率与固定光源发射出的光频率可得到固定接收器接收到的光频率与固定光源发射出的光频率之间的多普勒频移之间的多普勒频移fD为：为：考虑到考虑到 c，上式可简化为上式可简化为设设 与与 之间的夹角为之间的夹角为，与（与（）之间的夹角为）之间的夹角为 ，则，则若设若设vn=vcos cos ，则则就是激光多普勒效应测速原理的基本表达式。只要入射激光波长就是激光多普勒效应测速原理的基本表达式。只要入射激光波长i一定，入射光方向与微粒到光接收器的散射光方向之间的夹角一定，入射光方向与微粒到光接收器的散射光方向之间的夹角一一定，那么，微粒在（定，那么，微粒在（）方向上速度分量）方向上速度分量vn 就与多普勒频移就与多普勒频移fD成简单的线性关系，测量多普勒频移，可求得流体的速度。成简单的线性关系，测量多普勒频移，可求得流体的速度。二、激光多普勒测速仪的组成二、激光多普勒测速仪的组成 由激光器、光学系统、信号处理系统等部分组成由激光器、光学系统、信号处理系统等部分组成1激光器激光器 由于多普勒频移相对光源波动频率来说变化很小，因此，必须用由于多普勒频移相对光源波动频率来说变化很小，因此，必须用频带窄及能量集中的激光作光源。为便于连续工作，通常使用气体频带窄及能量集中的激光作光源。为便于连续工作，通常使用气体激光器，如激光器，如He-Ne激光器激光器2光学系统光学系统激光多普勒测速仪按光学系统的结构不同，可分为参考光束系统、激光多普勒测速仪按光学系统的结构不同，可分为参考光束系统、单光束系统和双光束系统三种光路。单光束系统和双光束系统三种光路。参考光束系统参考光束系统 单光束系统单光束系统3 3、光电元件、光电元件 激光测速仪的光电元件一般采用光电倍增管，它特别适用于微激光测速仪的光电元件一般采用光电倍增管，它特别适用于微弱信号的测量弱信号的测量4 4、信号处理系统、信号处理系统多普勒信号是一种不连续的、变幅调频信号，由于微粒通过测点时多普勒信号是一种不连续的、变幅调频信号，由于微粒通过测点时体积的随机性、通过时间有限等原因，信号的处理比较困难。信号体积的随机性、通过时间有限等原因，信号的处理比较困难。信号处理系统的任务是从这些复杂的信号中提取那些反映流速的真实信处理系统的任务是从这些复杂的信号中提取那些反映流速的真实信息，现已有多种多普勒信号处理方法，如频谱分析法、频率计数法息，现已有多种多普勒信号处理方法，如频谱分析法、频率计数法计数式处理器计数式处理器n计数式处理器基本上是一种计时装置，它的主要工作计数式处理器基本上是一种计时装置，它的主要工作过程是对带通滤波后的多普勒信号，测量规定数目的过程是对带通滤波后的多普勒信号，测量规定数目的多普勒信号周期所对应的时间。这个时间就是粒子穿多普勒信号周期所对应的时间。这个时间就是粒子穿越测量体中同样条目的条纹所需的时间。越测量体中同样条目的条纹所需的时间。n固定周期计数法固定周期计数法多普勒频率多普勒频率这就是时域法的频率测量这就是时域法的频率测量9.5散射粒子散射粒子n激光流速计测得的流速，并不真正是流体质点的速度，激光流速计测得的流速，并不真正是流体质点的速度，而是悬浮于流体内的发射散射光的粒子运动速度。而是悬浮于流体内的发射散射光的粒子运动速度。n要求：流体中的散射粒子有良好的跟随性和较强的散要求：流体中的散射粒子有良好的跟随性和较强的散射光的能力；不能污染被测介质，弄脏观察镜；微粒射光的能力；不能污染被测介质，弄脏观察镜；微粒浓度适中。浓度适中。激光测速优点激光测速优点：如不干扰流动，具有一切非接触测量的：如不干扰流动，具有一切非接触测量的优点，尤其是对小尺寸管道流速的测量、困难环境条优点，尤其是对小尺寸管道流速的测量、困难环境条件下（如低温、低速、高温、高速等）的流速测量更件下（如低温、低速、高温、高速等）的流速测量更加显示出它的重要价值。此外激光测速还有动态响应加显示出它的重要价值。此外激光测速还有动态响应快、测量准确、仅对流速敏感而与流体其它参数（如快、测量准确、仅对流速敏感而与流体其它参数（如温度等）无关的特点。温度等）无关的特点。激光全息干涉测量技术激光全息干涉测量技术全息技术全息技术是是1948年英国科学家盖伯提出的一种新的成像原理，年英国科学家盖伯提出的一种新的成像原理，“全息全息”一词引处希腊语，是一词引处希腊语，是“完全完全”的意思。但由于当时的意思。但由于当时没有好的相干光源，因而无法获得好的相干像片。激光的出没有好的相干光源，因而无法获得好的相干像片。激光的出现，使全息术飞速发展成为一个新领域，盖伯因此获现，使全息术飞速发展成为一个新领域，盖伯因此获1971年年诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。普普通通照照像像是是把把从从物物体体表表面面发发出出的的光光经经过过透透镜镜，在在感感光光底底片片上上记记录录下下物物体体的的光光强强分分布布，再再翻翻印印到到相相纸纸上上，呈呈现现出出物物体体的的平平面面图图像像。普普通通照照像像只只记记录录了了物物体体表表面面的的光光强强分分布布，没没有有记记录录到到物物体体各各部部分分到到观观察察者者的的远远近近和和角角度度，即即没没记记录录下下物物体体发发出出光线的相位分布，这样的像没有立体感。光线的相位分布，这样的像没有立体感。n全息照像全息照像是用相干光照射物体，从物体反射或漫射的光不是用相干光照射物体，从物体反射或漫射的光不是用透镜成像而是直接照射到全息底片上，用干涉现象把是用透镜成像而是直接照射到全息底片上，用干涉现象把那些光的光强分布和相位记录下来。底片上没有被拍物体那些光的光强分布和相位记录下来。底片上没有被拍物体的形象，在显微镜下可看到的是一幅长短不一、间距不等、的形象，在显微镜下可看到的是一幅长短不一、间距不等、走向不同的复杂干涉条纹，称为走向不同的复杂干涉条纹，称为全息图全息图。n要想看到图样，用相干光按一定方式照射全息图，在一定要想看到图样，用相干光按一定方式照射全息图，在一定方向可看到物体的像，称为方向可看到物体的像，称为再现再现。再现的是从物体反射或。再现的是从物体反射或漫射的光束本身，所以像是立体的。漫射的光束本身，所以像是立体的。激光准直测量技术激光准直测量技术激光准直仪按工作原理可分为振幅测量法、干涉测量法和偏激光准直仪按工作原理可分为振幅测量法、干涉测量法和偏振测量法。振测量法。干涉测量法是在以激光束作为直线基准的基础上，又以光的干涉测量法是在以激光束作为直线基准的基础上，又以光的干涉原理进行读数来进行直线度测量的。干涉原理进行读数来进行直线度测量的。1楔形板干涉法楔形板干涉法楔形板干涉法原理楔形板干涉法原理1-激光器；激光器；2-倒置望远镜；倒置望远镜；3-靶基座；靶基座；4-楔形分光板；楔形分光板；5-观察屏观察屏2.双频激光干涉法双频激光干