激光多普勒测速讲解

光 的频率
νs
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差频法测速
可分为两类： 参考光束型多普勒测速：检测散射光和入射光之间的频移 （多普勒频移）； 双散射光束型多普勒测速பைடு நூலகம்检测两束散射光之间的频差 （多普勒频差）。
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参考光束型多普勒测速
图6-32所示为参考光束型测速方法的光路的原理图
设 Ei (t ) 和 ES (t ) 分别表示参考光和散射光的电矢量的瞬时值 则
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双散射光束型多普勒测速
双散射光束型测速方法是通过检测在同一测量点上的两束散射光的多普 勒频差来确定被测点处流体的流速的。如图6-33所示为干涉条纹型。
(es ei1 )νi c υ ν ( e Ds i 2 ei1 )νi υ c νs 2 νi (es ei 2 )νi c νs1 νi νDs
如图6-30所示，静止光源O发出一束频率为 νi 的单色光， 该单色光入射到与被测流体一起运动(速度为 υ )的微粒Q 上，微粒Q接收到的光的频率是
- υ ei υ ei νQ νi (1 ) νi (1 ) c c
图6-30 频率为 νi 的单色光入射到速 度为 υ 的微粒Q
多普勒频移为
νD νs νi
υ c
(es ei )νi
如图6-32可得 2uνi υ (es ei ) u es ei 2u sin νD sin 2 c 2 若入射光在真空中的波长为i，则有
νD 2uνi 2u c i i D sin sin u c 2 c 2 2 sin 2
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静止接收器上接收到的运动微粒散射光 的频率
如图6-31所示，因此在S处接收到的散射光的频率应为 υ es υ ei υ es νs νQ (1 ) νi (1 )(1 ) c c c υ νi (es ei )νi c 常采用差频法测量多普勒频移。 即将入射光与散射光混频，两 束光“混频”产生的拍频信号的 频率就是多普勒频移。 图6-31 S处接收到的微粒Q散射
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2
参考光束型多普勒测速(续)
光电倍增管实际感受到的合成光强可表示为
I I 0 Ei ES exp{ j[2 (νi νS )t (i S )]}
光电倍增管输出的光电流正比于它接收到的光强，用复指数函数的实 部表达它的规律为
i i0 im cos[2 νDt (i S )]
第6章 激光在精密测量中的 应用（3）
6.5 激光多普勒测速 6.6 环形激光测量角度和角加速度
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6.5 激光多普勒测速
激光多普勒测速的原理：用一束单色激光照射到 随流体一起运动的微粒上，测出其散射光相对于 入射光的频率偏移，即所谓的多普勒频移，进而 确定流体的速度。
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运动微粒上接收到的光源入射光的频率
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环形激光精密测角
Sagnac效应：利用一种环形干涉仪，当环形干涉仪转动时，沿顺时 针方向传播和沿逆时针方向传播产生的光程差，测量该光程差引起的 干涉条纹变化，达到测角的目的。
1 1 L 1 t cw dl 2 r dl 2 c c c c r dl
图6-39 光纤陀螺仪示意图
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第5章 典型激光器介绍
各种工作物质、运转方式的激光器不断出现。
按工作波段分类：红外和远红外激光器、可见光激光器、 紫外和真空紫外激光器、X射线激光器。
按运转方式分类：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激 光器。 按激光器工作物质分类：固体激光器、气体激光器、染料 激光器和半导体激光器。
应用前面的推导
υ
2 u
i
sin 或u 2 2 sin 2

i νDs
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血液流速的测量
图6-34是激光多普勒显微镜光路图
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光纤多普勒测速仪原理图
图6-35 用于血液流速测量的光纤激光多普勒测速仪原理图
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管道内水流的测量
双散射型测量光路
图6-36 测量管道内水流速度分布的激光多普勒测速系统原理图
Ei t Ei exp j2νit i
ES t E S exp j2νS t S
合成光强I应正比于合成电矢量的模平方，由四项组成
I Ei (t ) ES (t ) Ei 2 (t ) ES 2 (t ) Ei ES exp{ j[2 (νi νS )t (i S )]} Ei ES exp{ j[2 (νi νS )t (i S )]}
t ccw
L 1 2 c c
r dl
图6-37 环形干涉仪的Sagnac 效应
二者之差为
t 2 r dl 2 2 c t 2 1 c S r dl 2
4S 2 4S r d l r d l L tc c2 c2 c
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固体激光器
固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激 光器。 常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴 石(Nd3＋:YAG)等三种 。
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光纤陀螺
光纤陀螺也是基于Sagnac效应。以长度为的光纤绕成直径为的由个 圆圈组成的光纤圈，其直径和圆面积可以分别表示为：
L D N
L2 S 4 4N 2
D 2
光程差则可以表示为
L
4SN LD c c
提高测角精度的方法：加大直径、增加圈数。 实用的环形激光测角采用光纤陀螺仪。