激光传感与测量/普通高等教育“十二五”规划教材 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

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内容简介

激光传感与测量系统地介绍了激光传感与测量的基础知识、基本原理、常用方法和技术及其典型应用。激光传感与测量内容共分十章，包括激光基本原理及特性，常用激光技术和激光器，双频激光器和激光传感器，激光干涉测量，激光自混合干涉测量，激光衍射测量，激光全息干涉测量，激光准直测量，激光测距与激光雷达探测，光纤传感与测量。

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目录

目 录
前言
第1章激光基本原理及特性 1
1.1 激光的基本特性 2
1.1.1激光的方向性 2
1.1.2激光的亮度 2
1.1.3激光的相干性 3
1.2光的受激辐射和光放大 5
1.2.1原子能级和能级宽度 6
1.2.2黑体辐射的普朗克公式 7
1.2.3 光与物质的共振相互作用 8
1.2.4 粒子数反转分布与光放大 1 0
1.2.5激光介质的增益系数与增益曲线 1 1
1.3激光能级系统和激光振荡条件 1 2
1.3.1激光能级系统 1 2
1.3.2光的自激振荡 1 3
1.3.3激光振荡条件 1 4
1.4谱线加宽和线型函数 1 5
1.4. 1 概述 1 5
1.4.2光谱线加宽类型及机理 1 7
1.5光学谐振腔和激光模式 22
1.5.1光腔的构成和分类 22
1.5.2共轴球面腔的稳定性条件 23
1.5.3激光模式 25
1.5.4光腔的损耗和品质因数 28
1.6基模高斯光束及其聚焦和准直 30
1.6.1基模高斯光束及其基本特性 3 1
1.6.2薄透镜对基模高斯光束的变换 33
1.6.3基模高斯光束的聚焦 34
1.6.4基模高斯光束的准直 36
1.7激光介质的增益饱和 38
1.7.1四能级激光系统的速率方程组 38
1.7.2均匀加宽激光介质的增益饱和 39
1.7.3非均匀加宽激光介质的增益饱和及烧孔效应 43
1.8连续波单模激光器的输出功率 45
1.8.1激光振荡的阈值条件 46
1.8.2均匀加宽单模激光器的输出功率及最佳透射率 46
1.8.3非均匀加宽单模激光器的输出功率 48
习题与思考题 49
第2章常用激光技术和激光器 51
2.1激光调制技术 51
2.1.1激光调制的基本概念 51
2.1.2 电光调制技术 52
2.1.3声光调制技术 57
2.1.4磁光调制技术 62
2.1.5直接调制技术 63
2.2激光调Q技术 64
2.2.1调Q激光器的振荡阈值 65
2.2.2调Q激光器的工作原理 66
2.2.3调Q方法与技术 66
2.3 激光模式选择技术 70
2.3.1 概述 70
2.3.2激光横模选择原理' 方法与技术 70
2.3.3激光纵模选择原理' 方法与技术 7 2
2.4激光频率稳定技术 77
2.4.1频率稳定性及再现性 77
2.4.2影响频率稳定性的主要因素及简单稳频措施 78
2.4.3主动稳频技术 79
2.5 He-Ne 激光器 85
2.5.1 He-Ne激光器结构及分类 85
2.5.2 He-Ne激光器工作原理 86
2.5.3 H.Ne激光器最佳工作条件 88
2.6 全固态激光器 89
2.6.1 概述 89
2.6.2端面菜浦全固态激光器系统组成 90
2.6.3常用端面菜浦全固态激光器 9 2
2.6.4单频全固态激光器 95
2.7光纤激光器 99
2.7.1 概述 99
2.7.2谐振腔结构及特点 101
2.7.3掺铒光纤的基本特性 10 2
2.7.4光纤光栅的基本知识 103
2.7.5光纤光栅DBR和DFB掺铒光纤激光器 105
2.7.6基于饱和吸收体选模原理的单纵模掺铒光纤激光器 106
2.8半导体激光器 109
2.8.1 半导体与PN结的能带结构 109
2.8.2半导体激光器的工作原理和阈值条件 11 2
2.8.3半导体激光器的常用结构 114
2.8.4半导体激光器的主要工作特性 117
习题与思考题 118
第3章双频激光器和激光传感器 1 2 0
3.1双频激光器概述 1 2 0
3.1.1双频激光器的含义及分类 120
3.1.2双频激光的产生原理及方法 121
3.2双纵模激光器和塞曼双频激光器 121
3.2.1双纵模激光器 121
3.2.2塞曼双频激光器 122
3.3基于双折射效应的激光纵模分裂原理及方法 126
3.3.1双折射效应简介 126
3.3.2激光纵模分裂现象及其产生原理 129
3.3 .3基于自然双折射效应的Nd:YAG激光纵模分裂方法 1 3 1
3.4双折射双频He-Ne激光器 1 3 5
3.4.1频差可调谐双折射双频H.Ne激光器 1 3 5
3.4.2定常频差双折射双频H.Ne激光器 1 3 7
3.5双折射双频固体激光器 1 3 8
3.5.1自然双折射双频Nd:YAG激光器 138
3.5.2电光双折射双频Nd: YAG激光器 142
3.5.3热光双折射双频铒镱玻璃激光器 144
3.5.4应力双折射双频Nd:YAG激光器 146
3.6双轴和双腔双频激光器 148
3.6.1可调谐双轴双频Nd:YAG激光器 148
3.6.2 THz频差可调谐双轴双频Yb: KGW激光器 150
3.6.3双腔双频Nd:YAG激光器 151
3.6.4双腔双频H.Ne激光器 154
3.7双频光纤激光器 155
3.7.1保偏光纤BrAgg光栅的主要特性 155
3.7.2饱和吸收体选模双波长单纵模掺铒光纤激光器 157
3.7.3 DBR型双波长单纵模掺镱光纤激光器 161
3.7.4应力双折射双频DBR光纤激光器 162
3.7.5可调谐双腔双波长单纵模掺铒光纤激光器 164
3.8 激光传感器 166
3.8.1 激光传感器概述 166
3.8.2气体激光传感器 167
3.8.3固体激光传感器 168
3.8.4光纤激光传感器 170
3.9激光陀螺 172
3.9.1 SAgnAc效应和环形激光陀螺 17 3
3.9.2环形激光陀螺基本结构 174
3.9.3典型环形激光陀螺 175
3.9.4环形激光陀螺信号读出方法 179
习题与思考题 180
第4章激光干涉测量 181
4.1 光的干涉现象 181
4.1.1两列光波的叠加及干涉现象 181
4.1.2 光拍现象 1 85
4.2激光干涉测量原理与系统 1 86
4.2.1激光干涉测量原理 1 86
4.2.2迈克耳孙干涉仪 1 86
4.2.3马赫-曾德尔干涉仪 1 88
4.2.4泰曼-格林干涉仪 1 9 1
4.2.5法布里-珀罗干涉仪 1 93
4.3激光外差干涉测量 1 96
4.3.1塞曼双频激光干涉仪 1 97
4.3.2声光外差式激光干涉仪 1 99
4.3.3激光超外差干涉测量 20 1
4.4激光合成波干涉测量 202
4.4.1合成波干涉绝对距离测量原理 202
4.4.2双频激光合成波纳米测量干涉仪 205
4.5 激光调频波干涉测量 206
4.5.1调频连续波干涉 206
4.5.2半导体激光器线性调频连续波绝对距离干涉测量 207
4.5.3半导体激光器正弦调频连续波纳米测量干涉仪 209
4.6激光干涉探针测量 209
4.6.1表面形貌两维评定参数 2 1 0
4.6.2干涉测量方法 2 1 2
习题与思考题 2 1 5
第）章激光自混合干涉测量 2 1 6
5.1激光自混合干涉现象及测量系统组成 2 1 6
5.1.1激光自混合干涉现象 2 1 6
5.1.2三镜腔模型及理论分析 2 1 6
5.1.3影响自混合干涉条纹特性的几个参数 2 1 8
5.1.4激光自混合干涉测量系统组成 22 1
5.2常用激光器的自混合干涉特性 222
5.2.1 He-Ne激光器自混合干涉特性 222
5.2.2 Nd：YAG激光器自混合干涉特性 223
5.2.3半导体激光器自混合干涉特性 223
5.3激光自混合干涉绝对距离测量 225
5.3.1半导体激光器自混合干涉绝对距离测量 225
5.3.2全固态激光器自混合干涉绝对距离测量 226
5.3.3光纤激光器自混合干涉绝对距离测量 227
5.4激光自混合干涉位移和振动测量 229
5.4.1双折射双频He-Ne激光器自混合干涉位移测量 229
5.4.2半导体激光器自混合干涉位移测量 230
5.4.3全固态激光器自混合干涉位移和振动测量 233
5.4.4全光纤半导体激光器自混合干涉位移和振动测量 235
5.5激光自混合干涉速度测量 236
5.5.1半导体激光器自混合散斑干涉流体速度测量 2 36
5.5.2 DFB-LD自混合散斑干涉速度测量 2 38
5.5.3双频Nd:YAG激光器自混合干涉速度测量 2 39
习题与思考题 240
第6章激光衍射测量 241
6.1 光的衍射基本原理 241
6.1.1菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式及其近似处理 241
6.1.2 巴比涅原理 244
6.2 激光衍射测量原理 244
6.2.1夫琅禾费衍射 244
6.2.2激光衍射测量原理 248
6.3 激光衍射测量方法及应用 250
6.3.1激光衍射间隙测量法及应用 251
6.3.2激光反射衍射测量法及应用 253
6.3.3激光衍射分离间隙测量法及应用 254
6.3.4激光衍射互补测量法及应用 256
6.3.5激光衍射艾里斑测量法及应用 257
习题与思考题 257
第7章激光全息干涉测量 258
7.1光学全息术及其基本原理 258
7.1.1 概述 258
7.1.2全息图的记录和再现 258
7.1.3 全息图的种类 261
7.2 全息干涉测量原理 261
7.2.1全息干涉测量的特点 261
7.2.2全息干涉测量原理 261
7.3 全息干涉测量方法 262
7.3.1 二次曝光法 262
7.3.2单次曝光法 265
7.3.3 时间平均法 266
7.4激光全息干涉测量的应用 267
7.4.1全息光栅位移测量 267
7.4.2长度比较测量 270
7.4.3光学玻璃均匀性测量 271
习题与思考题 272
第8章激光准直测量 273
8.1 概述 273
8.1.1激光准直测量基本原理 273
8.1.2激光准直测量系统组成 279
8.2激光直线度测量 285
8.2.1直线度测量概述 285
8.2.2激光直线度测量 2 86
8.2.3直线度测量误差分析 2 89
8.3激光多自由度准直测量 2 91
8.3.1滚转角测量 2 92
8.3.2四自由度同时测量 2 93
8.3.3五自由度同时测量 2 96
8.3.4六自由度同时测量 2 97
8.4激光扫平仪 2 97
8.4.1 概述 2 97
8.4.2激光扫平仪工作原理及系统组成 298
习题与思考题 300
第9章激光测距与激光雷达探测 301
9.1激光测距仪概述 301
9.1.1激光测距仪的特点及分类 301
9.1.2激光测距仪的主要技术指标 302
9.1.3激光测距系统组成 302
9.2 脉冲式激光测距 303
9.2.1脉冲式激光测距原理 303
9.2.2时间间隔测量 303
9.2.3卫星激光测距 304
9.3 相位式激光测距 305
9.3.1相位式激光测距原理 305
9.3.2双频率法相位测距原理 305
9.4 激光雷达概述 306
9.4.1激光雷达大气探测的物理基础 306
9.4.2激光雷达的分类 307
9.5激光雷达大气探测原理及方法 308
9.5.1激光雷达的基本原理 308
9.5.2激光雷达方程 309
9.5.3激光雷达方程的解 309
9.6多普勒激光雷达大气风场探测 31 2
9.6.1激光多普勒测风雷达原理及分类 313
9.6.2相干多普勒测风激光雷达 313
9.6.3非相干多普勒测风激光雷达 314
9.7米散射激光雷达及气溶胶探测 317
9.7.1大气气溶胶 317
9.7.2米散射激光雷达系统组成 317
9.8激光雷达大气温度探测 320
9.8.1瑞利散射激光雷达大气温度探测原理 320
9.8.2转动拉曼散射激光雷达大气温度探测原理 321
习题与思考题 323
第10章光纤传感与测量 324
10. 1 概述 324
10.1.1 光纤传感与测量原理 324
10.1.2光纤传感与测量的分类 324
10.1.3光纤传感与测量的特点 324
10. 2光在波导介质中传输的基本理论 325
10.2.1 平板波导介质中的光波模式 325
10.2.2光在光纤中的传输规律 327
10.3光纤传感与测量方法 330
10.3.1光强调制型光纤传感器 330
10.3.2相位调制型光纤传感器 332
10.3.3偏振调制型光纤传感器 336
10.3.4波长调制型光纤传感器 337
10. 4复用式和分布式光纤传感与测量系统 339
10.4.1复用式光纤传感与测量系统 339
10.4.2分布式光纤传感与测量系统 340
10. 5光纤传感与测量的应用 341
10. 5. 1压力传感与测量 342
10. 5. 2温度传感与测量 346
10. 6光纤陀螺 348
10.6.1光纤陀螺的工作原理和基本结构 348
10. 6. 2开环光纤陀螺 349
10.6.3闭环光纤陀螺 351
习题与思考题 352
参考文献 353

精彩书摘

第1章激光基本原理及特性
本章介绍激光振荡输出的基本原理及有关特性，主要包括光的受激辐射和光放大、激光 能级系统、激光振荡条件、光学谐振腔及振荡模式、高斯光束及其准直、增益饱和与激光输 出功率等内容。
世界上第一台激光器——红宝石激光器于I960年演示成功，至今已有50多年的历史。 激光的成功发明使传统光学技术焕发了新的生命力，极大地丰富了光学技术的内涵，标志着 现代光学的开端，并在许多领域得到广泛的应用。
激光的中文名是1964年12月依据钱学森教授的建议提出的，英文为LASER，它是辐 射的受激发射引起的光放大(Light AmplificAtion by StimulAted Emission of RAdiAtion)的缩 写。与普通光源的发光机理(主要是光的自发辐射)不同，激光主要是光的受激辐射，因此激 光与普通光源相比有三个主要特性，即亮度高、方向性好和相干性好。
关于激光的定义，一种通俗、现象性的描述：激光是一种亮度高、方向性好、相干性好 的光频辐射。但这并不是激光的科学定义，激光的科学定义是用光子简并度来描述的，即激 光是一种具有高光子简并度的光频辐射。为了正确理解激光的这一科学定义，下面简要介绍 光子的基本性质和光子简并度的概念。
光在本质上是由一些具有确定能量和动量的物质微粒——光量子或光子所组成的，而光 子的能量和动量的数值与一定的光的频率或波长相对应，即光子既是粒子同时又是波。光在 与物质相互作用时粒子性明显，光在传播中则波动性突出。光的这种粒子性和波动性相互对 立又并存的性质，称为光的“波粒二象性”光的粒子属性(能量、动量、质量等)和波动属性 (频率、波矢、偏振等)密切联系，并可归纳如下。
(1)光子的能量e与光波频率v对应
? = hv (1. 0. 1)
式中，h = 6. 623X10—34J ? s，称为普朗克常量。
()光子具有运动质量m，并可表示为
m=^2=犺2 (1.0.2)
犮 c2
光子的静止质量为零。
(3)光子的动量P与单色平面光波的波矢量fc对应
（1.0.3)
c 2n A
式中，h=hn=L 0545887 X 10-34 J ? s；狀为光子运动方向（平面光波传播方向）上的单位
矢量。
()光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。
(5)光子具有自旋，并且自旋量子数为整数(+ 1对应于右旋圆偏振，一1对应于左旋圆 偏振），故光子是“玻色”子，即处于相同状态的光子数目是无限制的。
处于同一光子状态的光子数称为光子简并度。显然，光子简并度具有以下几种相同的含
义，即同一光子状态的光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数。
1.1激光的基本特性
1.1.1激光的方向性
激光的方向性常用光束发散角或光束立体角来衡量。光束发散角是平面角，如图1.1.1 所示；光束立体角是空间角，如图1.1. 2所示。
20


图1. 1. 1光束发散角 图1.1. 2光束立体角
球冠曲面s对球心o所张的空间角即为立体角n，可由下式表示
0=犛犛2 (1* . 1)
式中，R为球半径；立体角O的单位为球面度（sr)。可见，整个球面对球心所张的立体 角>0=47^1*。
光束发散角和光束立体角都描述光束在传播过程中的发散程度，光束发散角或立体角越 小，光束方向性越好。例如，灯泡向四面八方辐射光能，其立体角0 = 4701。
激光的发散角20很小，一般为mmd数量级，这时式(1. 1. 1)可以近似表达成如下形式
O^nd (1. 1. 2)
若取20=2mrAd，则由式(1. 1. 2)可以求得^0 = nX 10—6sr，即激光器仅向着tcXIO-6sr的空?
间发射光能量或光功率。激光的方向性极好，这是其他任何光源发射的光所无法比拟的，它 所能达到的最小光束发散角受到激光通过输出孔径时的衍射极限角的限制，即最小光束发散 角为 式中，s为发光面积；D为立体角；犘为光功率。亮度B的单位为W/(m2 ? sr)Q由于光功 率是单位时间内发射的能量，所以光源的亮度也可以理解为单位时间内单位面积光源表面向 其法向单位立体角发射的光能量，即
B= E(1. 1. 5)
S ? O ?狋
式中，E为光能量。由式(1.1. 4)和式（1.1. 5)可以看出，减小光源的光束立体角O可以提 高光源的亮度；同样，缩短光辐射的时间狋也可以提高光源的亮度。激光的立体角 10-6sr，比普通光源的光束立体角（?4Tsr)小百万倍，因此，即使两者在单位面积上的辐射 功率相当，激光的亮度也比普通光源的亮度高上百万倍。采用锁模技术和脉宽压缩技术，可 将激光脉宽压缩到fS(nS=10-15s)量级，目前的锁模激光器可以发出光脉冲宽度为10fs的 超短光脉冲，激光亮度进^^步提高。
总之，激光能量在空间和时间上高度集中，才使得激光具有普通光源所达不到的高 亮度。
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