激光多普勒测速

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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 效应。 光纤陀螺也是基于 效应 圆圈组成的光纤圈，其直径和圆面积可以分别表示为： 圆圈组成的光纤圈，其直径和圆面积可以分别表示为：
L D= πN
L2 S= = 4 4πN 2
πD 2
光程差则可以表示为
∆L =
4ωSN LD = ω c c
光 的频率 νs
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差频法测速
可分为两类： 可分为两类： 参考光束型多普勒测速： 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）； （多普勒频移）； 双散射光束型多普勒测速： 双散射光束型多普勒测速：检测两束散射光之间的频差 多普勒频差）。 （多普勒频差）。
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参考光束型多普勒测速
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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 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。 光器。 常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、 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 。 等三种 固体激光器的特点：输出能量大(可达数万焦耳 ，峰值功率高 可达数万焦耳)， 固体激光器的特点：输出能量大 可达数万焦耳 (连续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达千兆瓦、几十太瓦 ， 连续功率可达数千瓦， 连续功率可达数千瓦 脉冲峰值功率可达千兆瓦、几十太瓦)， 结构紧凑，牢固耐用。 结构紧凑，牢固耐用。 广泛应用于工业、国防、医疗、科研等方面，例如打孔、焊接、 广泛应用于工业、国防、医疗、科研等方面，例如打孔、焊接、 划片、微调、激光测距、雷达、制导、激光视网膜凝结、 划片、微调、激光测距、雷达、制导、激光视网膜凝结、全息 照相、激光存储、大容量通信等。 照相、激光存储、大容量通信等。
第6章 激光在精密测量中的 章 应用（ ） 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： 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， 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， 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。 确定流体的速度。
νD = 2uνi θ 2u c λi θ λiν D sin = sin ⇒ u = θ c µ 2 c µ 2 2 µ sin 2
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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 所示为干涉条纹型。 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。 所示为干涉条纹型
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3＋:YAG激光器 ＋ Nd 激光器
突出优点：阈值低和具有优良的热学性质， 突出优点：阈值低和具有优良的热学性质，这就使得它适 于连续和高重复率工作。 于连续和高重复率工作。
＋ Nd3＋:YAG是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体 是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体 工作物质，在中小功率脉冲器件中， 工作物质，在中小功率脉冲器件中，特别是在高重复率的 脉冲器件中，目前应用Nd ＋ 的量， 脉冲器件中，目前应用 3＋:YAG的量，远远超过其它固 的量 ＋ 体工作物质。可以说， 从出现至今， 体工作物质。可以说， Nd3＋:YAG从出现至今，大量使用， 从出现至今 大量使用， 长盛不衰。 长盛不衰。
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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 效应：利用一种环形干涉仪，当环形干涉仪转动时， 效应 针方向传播和沿逆时针方向传播产生的光程差， 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。 干涉条纹变化，达到测角的目的。
t cw 1 v 1 v v v L 1 = ∫ dl + 2 (ω × r ) ⋅ dl = + 2 c c c c v v v ∫ (ω × r ) ⋅ dl
t ccw
L 1 = − 2 c c
v v v ∫ (ω × r ) ⋅ dl
图6-37 环形干涉仪的Sagnac 效应
合成光强I应正比于合成电矢量的模平方， 合成光强 应正比于合成电矢量的模平方，由四项组成 应正比于合成电矢量的模平方
I ∝ Ei (t ) + ES (t ) = Ei 2 (t ) + ES 2 (t ) + Ei ES exp{− j[2π (νi + νS )t + (φi + φS )]}
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气体激光器
气体激光器是以气体或蒸气作为工作物质的激光器。 气体激光器是以气体或蒸气作为工作物质的激光器。 与其它种类的激光器相比较，气体激光器的突出优点:输出光束的质量 与其它种类的激光器相比较，气体激光器的突出优点 输出光束的质量 单色性、 好(单色性、相干性、光束方向和稳定性等 。因此，在工农业生产、国 单色性 相干性、光束方向和稳定性等)。因此，在工农业生产、 防和科学研究中，都有广泛的应用。 防和科学研究中，都有广泛的应用。 三种典型气体激光器： 三种典型气体激光器： He-Ne激光器：具有结构简单、使用方便、光束质量好、工作可靠和 激光器：具有结构简单、使用方便、光束质量好、 激光器 制造容易等优点，至今仍然是应用最广泛的一种气体激光器。 制造容易等优点，至今仍然是应用最广泛的一种气体激光器。主要谱 线是0.6328µm红光，黄光 红光， 线是 µ 红光 黄光(0.594µm)、绿光 µ 、绿光(0.543µm)和橙光 µ 和橙光 (0.606µm、0.612µm) µ 、 µ
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典型气体激光器(续 典型气体激光器 续)
二氧化碳(CO2)激光器：是以 2气体分子作为工作物质的气体 激光器： 二氧化碳 激光器 是以CO 激光器。其激光波长为10.6µm和9.6µm。 激光器。其激光波长为 µ 和 µ 。 优点：它既能连续工作，又能脉冲工作，输出大，效率高。 优点：它既能连续工作，又能脉冲工作，输出大，效率高。它 的能量转换效率高达(20∼ ％，连续输出功率可达万瓦量级， ％，连续输出功率可达万瓦量级 的能量转换效率高达 ∼25)％，连续输出功率可达万瓦量级， 脉冲输出能量可达万焦耳，脉冲宽度可压缩到毫微秒。 脉冲输出能量可达万焦耳，脉冲宽度可压缩到毫微秒。 被广泛用于材料加工、通信、雷达、诱发化学反应、 被广泛用于材料加工、通信、雷达、诱发化学反应、外科手术 材料加工 等方面，还可用于激光引发热核反应， 等方面，还可用于激光引发热核反应，激光分离同位素以及激 光武器等。 光武器等。
r υ
θ λi νDs sin 或u = θ 2 λi 2 µ sin 2
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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 是激光多普勒显微镜光路图
9
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
Байду номын сангаас
提高测角精度的方法：加大直径、增加圈数。 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。 实用的环形激光测角采用光纤陀螺仪。
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 章
各种工作物质、运转方式的激光器不断出现。 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、 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、 射线激光器。 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、 按运转方式分类：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激 光器。 光器。 按激光器工作物质分类：固体激光器、气体激光器、 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。 激光器和半导体激光器。
r r ⋅ (es − ei1 )νi νs1 = νi + r c µ r r υ ⇒ νDs = ⋅ (ei 2 − ei1 )νi r r r υ c µ νs 2 = νi + ⋅ (es − ei 2 )νi c µ 应用前面的推导 → νDs = 2 µu
图6-32所示为参考光束型测速方法的光路的原理图 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
Ei (t ) = Ei exp[− j (2πνit + φi )]
ES (t ) = E S exp[− j (2πνS t + φS )]
二者之差为
∆t = 2 v v v (ω × r ) ⋅ dl 2 ∫ 2 c ⇒ ∆t = 2 v 1 v v c S = ∫ r × dl 2
v v v 2 v v 4ωS (ω × r ) ⋅ dl = 2 ω ⋅ ∫ r × dl = 2 ⇒ ∆L = ∆tc = 4ωS ∫ c c c
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典型气体激光器(续 典型气体激光器 续)
离子(Ar 激光器 激光器： 离子 ＋)激光器：以气态离子的不同激发态之间的激发跃迁进 行工作的气体激光器。 行工作的气体激光器。 Ar＋激光器的激光谱线很丰富，主要分布在蓝绿光区，其中， 激光器的激光谱线很丰富，主要分布在蓝绿光区，其中， 蓝光和0.5145µm绿光两条谱线最强。 绿光两条谱线最强。 以0.4880µm蓝光和 µ 蓝光和 µ 绿光两条谱线最强 Ar＋激光器既可以连续工作，又可以脉冲状态运转。连续功率 激光器既可以连续工作，又可以脉冲状态运转。 一般为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦， 一般为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可见光区 连续输出功率最高的气体激光器。 连续输出功率最高的气体激光器。 它已广泛应用于全息照相，信息处理， 它已广泛应用于全息照相，信息处理，光谱分析及医疗和工业 加工等许多领域 。
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运动微粒上接收到的光源入射光的频率
如图6-30所示，静止光源O发出一束频率为 νi 的单色光， 所示，静止光源 发出一束频率为 的单色光， 如图 所示 r 该单色光入射到与被测流体一起运动(速度为 的微粒 的微粒Q 该单色光入射到与被测流体一起运动 速度为 υ )的微粒 微粒Q接收到的光的频率是 上，微粒 接收到的光的频率是
i = i0 + im cos[2π νD t + (φi − φS )]
多普勒频移为
νD = νs − νi =
r υ c µ
r r ⋅ (es − ei )νi
如图6 32可得 如图6-32可得 r r r r r θ 2uνi θ υ ⋅ (es − ei ) = u es − ei = 2u sin ⇒ νD = sin 2 c µ 2 若入射光在真空中的波长为λ 若入射光在真空中的波长为λi，则有
+ Ei ES exp{− j[2π (νi − νS )t + (φi − φS )]}
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参考光束型多普勒测速(续 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[2π (νi − νS )t + (φi − φS )]}
光电倍增管输出的光电流正比于它接收到的光强， 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
r r r r - υ ⋅ ei υ ⋅ ei νQ = νi (1 + ) = νi (1 − ) c µ c µ
图6-30 频率为 νi 的单色光入射到速 r 度为 υ 的微粒Q
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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 所示，因此在 处接收到的散射光的频率应为 如图 所示 r r r r r r υ ⋅ es υ ⋅ ei υ ⋅ es ) = νi (1 − )(1 + ) νs = νQ (1 + c µ c µ c µ r r r υ = νi + ⋅ (es − ei )νi c µ 常采用差频法测量多普勒频移。 常采用差频法测量多普勒频移。 即将入射光与散射光混频， 即将入射光与散射光混频，两 束光“混频” 束光“混频”产生的拍频信号的 频率就是多普勒频移。 频率就是多普勒频移。 图6-31 S处接收到的微粒Q散射