激光传感与测量/普通高等教育“十二五”规划教材 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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焦明星，冯其波，王鸣 等 著

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• 激光技术
• 传感技术
• 测量技术
• 光学工程
• 仪器仪表
• 物理学
• 高等教育
• 教材
• 十二五规划
• 工程技术

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030406644

版次：1

商品编码：11494396

包装：平装

丛书名： 普通高等教育“十二五”规划教材

开本：16开

出版时间：2014-06-01

用纸：胶版纸

页数：368

字数：603000

正文语种：中文

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。

内页插图

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。
1.1.3激光的相干性
1 .激光的时间相干性
光源的时间相干性是指光源上同一发光元在不同时刻所发出的光波在空间同一位置处的 相互关联性。观察光源时间相干性的典型实验装置是迈克耳孙(Michelson)干涉仪，其光路 如图1.1.3所示，光源S发出的光波经分光镜B分成两路，分别经参考镜M1和测量镜M2 反射，然后又经分光镜B透射和反射，先后到达观察屏上的 Y///////y
犘点相遇。当参考臂和测量臂的光程差为波长的整数倍时，
两光波产生相长干涉，犘点处最亮；当两臂光程差为半波长 的奇数倍时产生相消干涉，犘点最暗。如果光源发出的光波S——-~
是绝对的单色光，那么无论两臂光程差多大，干涉效应都将 ^
始终存在。然而，绝对的单色光源是不存在的，因此上述干 涉效应只是在有限的光程差范围内才能明显出现，当光程差 — 、
大于某一量值干涉现象将会消失。通常把能够产生干涉效应图^3迈克耳孙干涉仪光路
的这一极限光程差称为光源的相干长度。相干长度取决于光 源的单色性，可以表示为
AL6)
式中，犮为真空中的光速；A为光源的波长；AA和Ai;分别为光谱线的波长宽度和频率宽度。 光在真空中行进的长度等于相干长度时所用的时间即为相干时间，可以表示为
= ^ = 士 （1.1.7)
犮 Av
由式(1.1. 6)和式(1.1. 7)可以看出，若光谱线的线宽或Ay越窄，即光源的单色性越好，则 光源的相干长度就越长，相干时间也就越长，也即光源的时间相干性越好。
在激光发明之前，曾经用作长度参考基准的氪灯(Kr86)光谱线具有很好的单色性，它在 605. 7nm波长处的线宽AA?4. 7X10->m，根据式(1. 1. 6)可以计算出相应的相干长度犔? 780. 579mm。在激光传感与测量领域中常用的基横模单纵模632. 8nm稳频He-Ne激光器， 其光谱线宽度AA<10-11?10-12^m，相干长度达几十千米以上，由此可见，与普通光源相?
比，激光具有极其优良的时间相干性。
理论分析证明，一个稳频的基横模单纵模激光器发出的激光接近于理想的单色平面光 波，即完全相干光。
2 .激光的空间相干性
空间相干性是指光源上不同发光点在同一时刻所发光波的相关性，通常用相干面积来度 量，相干面积越大，光源的空间相干性就越好。观察光源空间相干性的典型系统是杨氏双缝 实验装置，其实验光路如图1.1. 4所示，衍射板上的双缝S1和S2的间距为A，扩展光源(线 光源)S的线度为d，它与衍射板的距离为犔。如果S是普通光源，其上不同发光点都向狭 缝S1和S2发射无确定相位关系的光波，即它们是非相干的，例如，光源中心点S。发出的在 S1处的子波与光源边缘点S7发出的在S2处的子波之间是非相干的。但是，光源S上同一发 光点发出的在S1和S2处的子波却是相干的，它们在观察屏犅上可以形成干涉条纹；S1和S2 处无数对来自同一发光点的子波都能在观察屏犅上形成各自的干涉条纹，而观察屏犅上的 总光场分布则是这些干涉条纹非相干叠加的结果。如果这些干涉条纹叠加后仍能形成明显的 明暗相间的干涉场，那么就说明S1和S2处的来自各同发光点的子波场之间具有明显的相干 性，这种相干性就是空间相干性。

图1.1. 4杨氏双缝实验光路

为简单起见，现考察观察屏犅上中心点Po处的干涉情况。从线光源S的边缘点S7发出 的在S1和S2处的子波在Po点处产生干涉的条件可以表示为
^22—(1. 1. 8) 即从发光点y到两狭缝S1、&的光程差远远小于光波波长。该干涉条件可以近似表示为
s7^?；—s7s1<2 A 1.9)
根据图1. 1. 4所示几何关系，可得
7!=犔2十(+^)2 (L 1. 10A)
7|=犔2十（一^)2 (1. 1. 10b)
两式相减，可得
722—71= (722+71) ? cs%—sSs~1)=Ad (1.1.11)
由于A《L，所以71?72?犔，S%+S(2^2L，代入式（1.1. 11)可得
SS2—SS1=犔 （1.1.12)
将式(1. 1. 12)代入式(1. 1. 9)，可得相干条件为
犔 (L 1. 13)
在光源线度d和距离犔确定的情况下，只有双缝间距d满足式(1 13)才能产生干涉， 相应的最大双缝间距称为空间相干长度，即
Ac =犔 (L 1. 14)
d
如果普通光源不是线光源，而是线度分别为dA和犱，的长方形光源，相应的空间相干长度可 以表示为
犪^=犔，犪狔=犔 (工.1. 15)
d工 狔 犱狔
通常用相干面积来衡量空间相干性的好坏，空间相干面积越大，空间相干性就越好。由 式(1. 1. 15)可以得到相干面积的表达式，即
2 2
犃c=犪cx *犪狔=77 =^犔犔 (1. 1. 16)
狔 dxdy As
式中，As = ddy为光源面积。由式(1.1. 16)可以看出，在距离光源犔处的横截面内存在一 个相干面积，光源在该面积内的子波是可以相干的，即通过相干面积内的两点的光是相干 的，而光源在该面积之外的子波是不相干的，相干面积越大，普通光源的空间相干性就越 好。但是，减小光源的发光面积往往会降低发光强度，结果导致相干光强减弱，从而限制了 普通光源在光学相干技术中的应用。
激光光源上不同发光点所发出的光波之间存在一定的相位关系，因此激光束在整个横截 面内都是空间相干的，易于达到平方米的相干面积。
综合考虑光源的时间相干性和空间相干性，可以引出相干体积的概念，它是相干面积与 相干长度的乘积，即
犞=犃.犔二犃2 ?犮 （1.1.17)
由式(1.1. 17)可以看出，光源面积越小，频率越单一，相干体积越大。在相干体积内，由一 点的振动状态可以预计其他点的振动状态。不在同一相干体积内的两点的光是不相干的。
1. 2光的受激辐射和光放大
激光产生的物理基础是光与物质的共振相互作用，即光波电磁场与物质粒子(原子、分 子、离子等)之间的共振相互作用，主要包括自发辐射、受激辐射和受激吸收这三个过程。 普朗克(MAx PlAnck)于1900年采用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律，玻尔 (Niele Bohr)于1913年提出了原子中电子运动状态的量子化假设，在普朗克和玻尔相关工 作的基础上，爱因斯坦于1917年从光量子概念出发重新推导了黑体辐射的普朗克公式，并 在推导过程中提出了受激辐射和自发辐射这两个极为重要的概念。1958年，美国的汤斯 (ChArles H. Townes)和肖洛(Arthur L. SchAwlow)才论证了激光运转的物理条件，1960年7 月，美国休斯公司实验室的梅曼(Theodore H. MAimAn)成功演示了世界上第一台红宝石固 体激光器，受激辐射概念在激光技术中得到了应用。
1.2.1原子能级和能级宽度
1. 原子能级
物质由原子、分子或离子组成，原子由带正电的原子核及绕核运动的电子组成，核外电 子的负电量与原子核所带正电量相等。电子一方面绕原子核作轨道运动，另一方面其本身作 自旋运动。当核外电子的运动状态发生变化时，原子的能量状态也将发生变化。根据量子理 论，原子的这种能量变化并不是连续的，而是量子化的。原子这些量子化的能量级别称为原 子的能级。在构成物质的一个原子系统中，能量最低的能级称为基能级或基态，能量值高于 基态的能级统称为激发能级或激发态。在玻尔理论中，这些能级与电子轨道相对应；但在量 子力学中，轨道实际上是不存在的，因此原子的能级应该是原子中核外电子分布概率最大时 原子所具有的那些量子化能量值。由原子物理学可以知道，原子中电子的运动状态可以用主 量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数这四个量子数来描述，电子取不同的量子数，表 示电子具有不同的运动状态，相应的原子也处于不同的量子化能量状态(简称量子态）。当原 子的两个或更多个量子态具有相同的能量时，这些量子态所对应的能级称为简并能级，具有 相同能量的量子态的数目称为该能级的简并度。
当原子在两个能级之间跃迁时，可以产生光的辐射或吸收(分子和离子也可产生这种现 象)。但是，并不是任意两个能级之间都可以产生辐射跃迁，只有当两个能级满足辐射跃迁 选择定则时，才有可能产生辐射跃迁。这时，原子系统吸收或辐射的光子频率由玻尔频率条 件确定，即
V0=犈2—犈1 (1.2.1)
式中，犈2和犈1分别为上能级和下能级的能量值；h = 6. 623X10-34J ? s为普朗克常量。当原 子从一个能级以无辐射跃迁的形式跃迁到另一个能级时，能量将转换为热而传递给其他 原子。
2. 能级寿命及宽度
原子在某个能级上停留的平均时间称为该能级的寿命。激发态的寿命一般都很短，通常 为10-8?10-7s。但也存在着寿命达毫秒量级以上的激发态，这些激发态能级正好是辐射跃 迁选择定则中规定的不允许向低能级进行辐射跃迁的那些能级，实际上受禁跃迁也有发生， 只是少于允许的跃迁而已，通常把这种寿命较长的激发态称为亚稳态。亚稳态能级对激光的 产生起着很重要的作用。
同一激发态上大量原子具有的能量并不完全相等，这些原子按照能量不同呈统计分布规 律，如图1.2.1所示。分布在激发态中心能量值处的粒子数最多，随着相对中心能量值偏离 量的增加，分布的粒子数也随之减少。通常将粒子数减少到中心能量值粒子数(即最多粒子 数的一半时所对应的能量间隔AE定义为该能级的自然宽度。
能级的宽度AE和能级的平均寿命r遵从量子力学测不准原理，即
AE ? (1. 2- 2)
式中，h = 6. 623X10-34J ? s为普朗克常量。可以看出，能级的宽度AE与能级的平均寿命r 成反比。能级的自然宽度取决于粒子在该能级上的平均寿命，能级平均寿命越长，能级的自
1 = ^2^^犪 （1.1.3)
光源的亮度B定义为单位面积光源表面向该面法向单位立体角内发射的光功率，即
B = ^犘 (1.1.4)
S ? O

前言/序言

精准测绘与智能感知：探索物理世界的新维度 在我们生活的宏观宇宙和微观领域，对距离、形状、运动状态的精确感知是理解和操控自然规律的基石。从宇宙飞船的精密导航到微创手术的精准定位，从自动驾驶汽车的安全运行到工业生产的高效自动化，一切都离不开对物理世界的“视觉”——即传感与测量技术。本书将带领读者深入探索这一前沿领域，解锁如何通过先进的传感技术，特别是以激光为核心的测量手段，来“看”清、丈量并理解我们身边的世界，从而赋能各个行业实现更高级别的智能化和精细化。 第一篇：传感原理与激光基础 在深入激光传感与测量之前，我们首先需要构建一个坚实的理论基础。本篇将从传感器的基本概念出发，阐述其在信息获取中的核心作用。我们将介绍不同类型的传感器，包括但不限于光学传感器、声学传感器、电磁传感器等，并分析它们各自的工作原理、优缺点以及适用场景。这将帮助读者建立起对各种传感方式的宏观认知，理解它们如何将物理世界的信号转化为可被处理的电信号。 随后，我们将聚焦于本书的核心技术——激光。激光，作为一种高度定向、高强度、高相干性的光源，因其独特的性质，在测量领域展现出无可比拟的优势。我们将从激光的产生原理讲起，深入剖析其“受激辐射”的核心机制，以及由此带来的诸如单色性好、方向性强、相干性强等关键特性。读者将了解到不同类型激光器（如气体激光器、固体激光器、半导体激光器）的构造与工作原理，并理解它们在不同应用场景下的选择考量。 进一步地，我们将探讨激光的传播特性，包括激光束的衍射、衰减以及在不同介质中的传播行为。理解这些特性对于设计高效、准确的激光测量系统至关重要，它们直接影响到测量精度、作用距离和信号的可靠性。 第二篇：激光测距技术 测距是激光传感与测量中最基础也最广泛的应用之一。本篇将全面解析各种基于激光的测距原理与技术。 飞行时间（Time-of-Flight, ToF）测距法： 这是最直观、也是目前最主流的激光测距方法。我们将详细讲解其基本原理：发射一束激光脉冲，测量激光脉冲从发射到遇到目标并反射回来的往返时间，然后根据光速计算出距离。我们将深入分析影响ToF测距精度的关键因素，包括脉冲宽度、采样率、探测器响应速度、信号处理算法等。同时，我们会介绍不同类型的ToF传感器，如脉冲式ToF、连续波（CW-ToF）测距仪，以及它们各自的适用范围。 相位差（Phase Shift）测距法： 与ToF法不同，相位差法测量的是连续调制激光的发射光和接收光之间的相位差。我们将解释其原理，分析如何通过测量相位差来推算距离，并探讨其在高精度短距离测量中的优势。 三角测量法： 这种方法常用于近距离、高精度的形状测量。我们将阐述其基本几何原理，即通过固定发射器和接收器的基线，测量激光光斑在目标上的位置变化来计算距离。我们将分析影响三角测量法精度的几何参数，以及如何在实际应用中优化系统设计。 干涉测量法： 作为最高精度的激光测量技术之一，干涉测量法利用激光的相干性，通过测量两束光（参考光和测量光）的干涉条纹变化来判断微小的距离变化。我们将详细介绍迈克尔逊干涉仪、萨格纳克干涉仪等经典干涉仪的工作原理，并探讨其在超高精度测量（如纳米级测量）中的应用。 在介绍完各种测距原理后，本篇还将讨论实际应用中的挑战，如环境光干扰、目标表面特性（反射率、粗糙度）的影响、多径效应等，以及相应的解决方案和优化策略。 第三篇：激光扫描与三维成像 当我们需要获取目标的详细三维形状信息时，激光扫描技术便成为不可或缺的工具。本篇将深入探讨激光扫描的原理、技术及其在三维成像中的应用。 点云数据： 我们将解释激光扫描的核心输出——点云数据。点云是由大量离散的三维点组成的，每个点代表了目标表面上一个采样点的位置信息。我们将介绍点云数据的采集、存储和初步处理方法。 激光扫描仪的工作模式： 手持式激光扫描仪： 介绍其便携性、易用性，以及在逆向工程、文物保护等领域的应用。 固定式激光扫描仪： 阐述其高精度、高效率的特点，以及在建筑、工业检测等领域的广泛应用。 无人机/机器人搭载激光扫描仪： 探讨其在大范围、复杂环境下的数据采集能力，如地形测绘、森林调查等。 三维重建技术： 激光扫描得到的是原始点云，要形成可视化的三维模型，还需要进行三维重建。本篇将介绍点云数据的去噪、配准、曲面重建等关键步骤。我们将讨论不同的曲面重建算法，如Delaunay三角剖分、泊松重建等，以及如何根据点云数据的特点选择合适的算法。 激光雷达（LiDAR）： LiDAR作为一种重要的激光扫描成像技术，将在本篇中得到重点介绍。我们将阐述其工作原理，包括其在自动驾驶、地理测绘、环境监测等领域的广泛应用。我们将区分不同类型的LiDAR，如机械式LiDAR、固态LiDAR，并讨论它们在性能、成本和集成度方面的差异。 第四篇：激光传感器的集成与应用 本篇将把前几篇的理论知识与实际应用相结合，重点探讨激光传感器的系统集成以及在各个行业中的具体应用。 系统设计要素： 一个完整的激光传感与测量系统通常包含激光光源、光学元件（透镜、反射镜、分光器等）、探测器、信号处理单元、数据存储与显示设备等。我们将讨论在系统设计过程中需要考虑的各个要素，包括光学路径设计、选择合适的激光器和探测器、信号采集与处理的精度要求、功耗与成本等。 多传感器融合： 现实世界往往是复杂的，单一的传感器可能无法满足所有需求。本篇将探讨激光传感器与其他类型传感器（如摄像头、IMU、GPS等）进行融合的可能性与必要性。我们将介绍多传感器融合的基本方法，如卡尔曼滤波、粒子滤波等，以及融合后的系统如何获得更鲁棒、更全面的感知能力。 典型应用领域： 工业自动化与质量控制： 讲解激光传感器如何在生产线上实现工件尺寸检测、位置识别、缺陷检测，以及在机器人导航、自动化装配中的应用。 自动驾驶与智能交通： 深入分析激光雷达在自动驾驶汽车中的核心作用，如何实现环境感知、障碍物检测、路径规划，以及在智能交通管理中的应用。 地理测绘与遥感： 介绍激光雷达在地形测绘、城市建模、地质勘探、植被监测等领域的应用，以及其在精度和效率上的优势。 医疗健康： 探讨激光传感技术在微创手术导航、三维影像辅助诊断、生物测量等领域的应用。 安防与监控： 讲解激光传感器如何在周界防范、目标跟踪、非法入侵检测等方面发挥作用。 科学研究： 介绍激光传感技术在基础物理、天文学、材料科学等研究领域中的应用。 发展趋势与未来展望： 最后，本篇将对激光传感与测量技术未来的发展趋势进行展望，包括微型化、智能化、低成本化、集成化以及在新兴技术（如AR/VR、物联网、人工智能）中的融合应用等，带领读者一起畅想这个充满潜力的领域。 通过对以上各篇内容的学习，读者将全面掌握激光传感与测量的基本原理、关键技术、系统设计方法以及在各行各业的实际应用。本书旨在培养读者独立分析和解决问题的能力，为他们在这一快速发展的领域中深入探索和创新打下坚实的基础。

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说实话，一开始拿到这本《激光传感与测量》时，我对其抱有的期望值并不高，毕竟“十二五”规划教材听起来总是会有点陈旧，而且我对激光这个领域也知之甚少，只知道它是现代科技中一个很重要的组成部分。但万万没想到，这本书的知识体系搭建得如此扎实，而且内容更新得相当及时。它并没有停留在基础原理的讲解，而是用了相当大的篇幅去介绍各种先进的激光传感技术，比如ToF（Time-of-Flight）技术，它详细介绍了不同ToF传感器的原理、特点以及在自动驾驶、机器人导航等领域的应用。我尤其对其中关于激光雷达（LiDAR）的章节印象深刻，书中不仅剖析了不同类型的LiDAR系统，还深入讲解了点云数据的处理和解析方法，这对于我目前正在研究的计算机视觉和三维重建项目非常有启发。此外，书中还讨论了一些前沿的激光传感应用，比如在医疗诊断、工业自动化、环境监测等方面，这让我对激光技术的未来发展有了更清晰的认识。虽然有些内容对我来说还有些超纲，但它已经成功激发了我进一步深入学习的兴趣。

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这本书简直是我近段时间以来遇到的最令人惊喜的教材了！作为一名长期在嵌入式系统开发领域摸爬滚打的工程师，平时接触的主要是硬件接口和软件编程，对于那些比较底层的物理原理总是感觉隔了一层纱。但是，这本书的语言风格非常平实，丝毫没有那种高高在上的学术腔调。我特别喜欢它在介绍测量原理时，会结合一些非常贴近实际应用的例子。比如，在讲解激光三角测量法时，它不仅给出了详细的数学公式推导，还用一个非常生动的例子，描述了如何通过改变激光束的角度和探测器的位置来测量物体的距离，并且还附带了相应的伪代码，这对于我们这些需要动手实践的人来说，太友好了！书中还深入探讨了各种影响测量精度的因素，比如环境光干扰、表面反射率差异、器件本身的噪声等等，并且提供了相应的解决方法和优化策略。这一点非常重要，因为在实际项目中，这些细节往往是决定成败的关键。读这本书，我感觉自己不再是那个只懂“调包”的工程师，而是能真正理解背后的原理，从而能写出更健壮、更高效的代码。

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我最近对物联网和智能家居特别感兴趣，而激光传感器在这些领域的作用越来越关键。这本书，简直就是我踏入这个新领域的一把金钥匙！它不仅仅是理论知识的堆砌，更重要的是，它非常注重实际的工程实现。比如，在讲解不同激光测距传感器的选型时，书中详细列出了各种传感器的技术参数，包括测量范围、精度、响应时间、功耗等等，并且给出了非常实用的选型指南，帮助我根据不同的应用场景做出最佳选择。更让我惊喜的是，书中还包含了一些非常详细的电路设计和通信协议的讲解，比如如何将激光传感器接入微控制器，如何使用I2C、SPI等接口进行数据读取，以及如何设计相应的上位机软件来显示和处理测量数据。这些都是非常接地气的知识，对于我这种动手能力比较强的人来说，简直是如获至宝。我感觉这本书不仅教会了我“做什么”，更教会了我“怎么做”，让我从一个对激光传感器只有模糊概念的人，变成了一个能够进行初步系统设计的实践者。

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这本书，我真的是看了又看，爱不释手！一开始是因为在某次项目里，需要快速了解激光传感器的基本原理和应用，当时就有人推荐了这本。拿到手后，最直观的感受就是它的“厚重感”，不仅仅是实体书的重量，更体现在内容的深度和广度上。翻开第一页，就被作者严谨的逻辑和清晰的图示吸引了。比如，在讲到激光的产生原理时，它不仅仅是简单地陈述，而是从量子力学的角度娓娓道来，还配上了非常精美的示意图，让我这个之前对光学知识不算太懂的人，也能逐步理解激光为什么是“特殊的光”。接着，书中对不同类型的激光器，如气体激光器、固体激光器、半导体激光器等，都做了详尽的介绍，不仅分析了它们的结构和工作机制，还列举了各自的优缺点以及适用的场景，这一点对于我这种需要根据具体需求选择合适激光器的读者来说，简直是福音。而且，书中对激光的安全防护知识也给予了足够的重视，这一点真的很难得，因为很多技术书籍往往会忽略这方面。总之，这本书就像一个经验丰富的老师，循循善诱地引导我走进激光传感的世界，让我从“知其然”变成了“知其所以然”。

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坦白讲，我是一名还在读大三的学生，之前在学校的课程中接触过一些基础的光学知识，但总感觉有些零散，不够系统。偶然的机会，我看到了这本《激光传感与测量》，一开始只是抱着试试看的心态去翻阅，没想到很快就被它吸引住了。这本书最大的优点在于它的逻辑非常清晰，从最基础的激光产生原理，到各种激光器的分类和特性，再到各种激光传感器的测量原理和应用，层层递进，循序渐进。我特别喜欢它在讲解复杂概念时，总是会用非常形象的比喻和图示，这让我这种初学者能够更容易理解。比如，在讲解多普勒效应在激光测速中的应用时，书中画了一个非常生动的场景，解释了光波的频率如何随着被测物体的运动而发生变化，并且还给出了详细的公式推导。这本书还非常强调对实验的指导，提供了很多经典的实验案例和操作步骤，这对于我们这种需要进行实验课程的学生来说，简直是不可多得的宝藏。读完这本书，我感觉我对激光传感和测量这个领域的理解，已经提升了一个大台阶，也对未来选择专业方向有了更明确的思路。

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