激光测量技术第一章 激光原理与技术1、简并度：同一能级对应的不同的电子运动状态的数目；简并能级：电子可以有两个或两个以上的不同运动状态具有相同的能级，这样的能级叫 简并能级2、泵浦方式：光泵浦，电泵浦，化学泵浦，热泵浦3、激光产生三要素：泵浦，增益介质，谐振腔阀值条件:光在谐振腔来回往返一次所获得光增益必须大于或者等于所遭受的各种 损耗之和.4、He-Ne 激光器的三种结构：【主要结构：激光管（放电管，电极，光学谐振腔）+电源+光学元件】 1）内腔式；2）外腔式；3）半内腔式5、激光器分类：1）工作波段：远红外、红外激光器；可见光激光器；紫外、真空紫外激光器；X 光激光器2）运转方式：连续激光器；脉冲激光器；超短脉冲激光器6、激光的基本物理性质：1）激光的方向性。

不同类型激光器的方向性差别很大，与增益介质的方向性及均匀性、谐振腔的类型及腔长和激光器的工作状态有关。

气体激光器的增益介质有良好的均匀性，且腔长大，方向性 ，最好！例1：对于直径3mm 腔镜的632.8nmHe-Ne 激光器输出光束，近衍射极限光束发散角为2）激光的高亮度。

3）单色性。

激光的频率受以下条件影响：能级分裂；腔长变化←泵浦、温度、振动4）相干性：时间相干性(同地异时)：同一光源的光经过不同的路径到达同一位置，尚能发生干涉，其经过的时间差τc 称为相干时间。

相干长度： 例 : He-Ne laser 的线宽和波长比值为10-7求Michelson 干涉仪的最大测量长度是多少？ 解： ，最大测量长度为Lmax=Lc/2=3.164m 。

空间相干性（同时异地）：同一时间，由空间不同的点发出的光波的相干性。

7、相邻两个纵模频率的间隔为谐振腔的作用：（1）提供正反馈；（2）选择激光的方向性；（3）提高激光的单色性。

例 设He-Ne 激光器腔长L 分别为0.30m 、1.0m,气体折射率n~1,试求纵模频率间隔各为多少?8、激光的横模：光场在横向不同的稳定分布，激光模式一般用TEMmnq 表示原因：激活介质的不均匀性，或谐振腔内插入元件（如布儒斯特窗）破坏了腔的旋转对称性。

激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用,光束不再是平行光，光强也改变为非均匀的。

λλν∆=∆=∆=//2c t c L c 1=∆c ντm L c 328.6/2=∆=λλrad d 4102/22.1-⨯≈≈λθnL C2=∆νHz 105.10.1121031.0m,Hz 1053.012103,m 30.02882881⨯=⨯⨯⨯=∆=⨯=⨯⨯⨯=∆==∆νννL L nL c9、稳频的必要性：在精密计量中，通常以波长为基准， 测量精度很大程度上决定于波长的精确程度。

要求：激光器输出单频的同时，频率变动尽可能小。

表示频率变动的两个物理量：频率稳定度 频率再现性 频率漂移远大于线宽极限！！10、引起频率变化原因：1）温度：任何材料的物体的线性尺寸都会随温度而变化，同时，温度变化会引起介质折射率的变化；2）振动：振动会引起反射镜位置变化、激光管变形，使腔长发生变化；3）大气的影响：外腔式氦氖激光管，谐振腔的一部分暴露在大气之中，大气的气压和温度的改变影响折射率，使谐振频率发生变化。

11、稳频方法：1）被动稳频：控制温度；腔体材料互补；防震、密封2）主动稳频：基本原理：采用电子伺服控制激光频率，当激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差信号控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。

12、主动稳频方法：1）兰姆(Lamb)下陷法Lamb 下陷：由于增益介质的增益饱和，在激光器的输出功率P 和频率v 的关系曲线上，在中心频率v0处输出功率出现凹陷的现象稳频原理：利用激光器的输出功率P 和频率v 的关系曲线上的凹陷反应，在凹陷处输出功率随频率变化比较敏感，使激光器的频率起伏值Δv 转换成输出功率的起伏值ΔP ，从而获得误差信号,用此误差信号反馈控制谐振腔的长度，使激光器输出频率趋近中心频率v0。

2）饱和吸收法原理：利用外界频率标准进行高稳定度的稳频方法3）塞曼(Zeeman)效应法塞曼效应:原子能级在磁场作用下发生分裂的现象。

特点：由塞曼效应而分裂的两条谱线，不仅在频率上有差别，而且偏振态也不同。

双频激光器：由塞曼效应制成的激光器。

稳频方法：纵向塞曼稳频、横向塞曼稳频、塞曼吸收稳频。

纵向塞曼效应：激光器产生频率较低的右旋圆偏光和频率较高的左旋圆偏光。

稳频方法：测出二圆偏振光输出功率之差值，以此作为鉴频误差信号，再通过伺服控制系统控制激光器腔长。

13、激光调制可分为: 内调制和外调制14、电光效应：某些材料在外加电场的作用下，其折射率发生变化。

弹光效应：当一块各向异性的透明介质受外力作用时，介质的折射率发生变化的现象。

声光效应：声波作用于介质时所引起的弹光效应；超声波在声光介质中传播时，介质密度呈现疏密的交替变化，导致折射率大小的交替变化，此时介质可等效为一块相位光栅，引起入射光波衍射。

旋光效应：当一束线偏振光通过某种物质时，光矢量方向会随着传播距离而逐渐转动。

【旋光现象与双折射现象的对比：双折射现象是指在各向异性介质中的二正交线偏振光的传播速度不同；旋光现象是指在旋光介质中的二反向旋转的圆偏振光的传播速度不同。

】磁光效应：在强磁场的作用下，物质的光学性质发生变化。

磁致旋光效应（法拉第效应Faraday effect ）：在强磁场的作用下，本来不具有旋光效应的物质产生了旋光性质。

15、米定义的复现：飞行时间法；真空波长法；稳频激光器。

/v S v v=∆/v R vδ=第二章激光干涉测量技术1、干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术，非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度。

常用干涉仪：迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、斐索干涉仪、塞曼-格林干涉仪。

激光干涉测量一般是：1）相对测量2）增量式测量3）中间过程不可忽略，要监视整个测量的过程。

2、干涉仪光路系统主要包括：光源、分束器和反射器。

激光干涉仪常用的分光方法：分波阵面法、分振幅法、分偏振法（PBS）、衍射分光法激光干涉仪常用的反射器：平面反射器，特点：对偏转将产生附加的光程差角锥棱镜反射器，特点：可消除偏转将产生附加的光程差，抗偏摆和俯仰直角棱镜反射器，特点：只对一个方向的偏转敏感猫眼反射器，特点：透镜和反射镜一起绕C点旋转，光程保持不变；容易加工，不影响偏振光的传输3、常用移相器种类：机械法移相、阶梯板和翼形板移相、金属膜移相、分偏振法移相。

4、按照分光原理，光谱仪器可分为三类：棱镜光谱仪、光栅光谱仪、干涉光谱仪。

基于干涉原理的典型光谱仪器：法珀干涉仪、傅立叶变换干涉仪。

5、单频激光干涉仪的特点：测量精度高，但前置放大器为直流放大器；对环境要求高，不允许干涉仪两臂光强有较大的变化；6、光学拍频原理：两个振幅相同、振动方向相同，且在同一方向传播，频率接近的两单色光叠加也能产生干涉，这种特殊的干涉称为光学“拍”。

塞曼效应和声光调制是实现光学“拍”的常用方法。

7、利用激光移相相干测试技术可以快速而高准确度地检测波面面形误差，可达到1/100波长的测试不确定度。

8、全息技术的基本原理：两步成像即全息图的记录和物光波的再现。

全息干涉测量技术：实时法、二次曝光法、时间平均法。

由于全息图再现具有三维性质，故用全息技术就可以从许多不同视角去观察一个形状复杂的物体，一个干涉测量全息图可相当于用一般干涉测量进行的多次观察。

9、激光散斑干涉测量技术，特点：记录和再现本质上与全息干涉测量相同，但在形式上更加灵活，即不仅可以用光学方法实现，还可以用电子学和数字方法实现。

10、散斑：当一束激光照射到物体的粗糙表面（例如铝板）上时，在铝板前面的空间将布满明暗相间的亮斑与暗斑，这些亮斑与暗斑的分布杂乱，故称为散斑（Speckle）。

11、散斑形成条件：1）必须有能发生散射的粗糙表面；为了使散射光较均匀，则粗糙表面的深度必须大于光波波长。

2）入射光的相干度足够高，如使用激光。

12、直接散斑：由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的成像散斑：经过一个光学系统，在它的像面上形成的散斑，也称为主观散斑。

13、激光散斑干涉测量技术：被激光照射的粗糙物面在透镜的像面上形成散斑图，此方法称散斑照相。

同全息一样, 散斑照相并不能提供测量的一些信息。

如果利用全息技术记录某一时刻的散斑信息, 利用变化前后形成的散斑干涉, 可以进行测量工作。

14、常用的光纤干涉仪结构型式：迈克耳逊（Michelson）光纤干涉仪、马赫-泽德（Mach-Zehnder）光纤干涉仪、萨格奈克(Sagnac)光纤干涉仪、法布里-珀罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪。

15、合成波长：双波长激光器发出的波长为λ1 和λ2的光，其干涉条纹由光电探测器接收，探测器输出一个受空间频率调制的波长为λs的空间拍波。

第三章 激光衍射测量技术 1、单缝衍射测量原理：观察屏上的光强分布 测量分辨力是指激光单逢衍射能分辨的最小量值，衍射测量灵敏度 ——缝宽b 越小，级数越高，L 越大, 波长越长, 分辨力越高。

例： 2、激光衍射测量方法：间隙测量法、反射衍射测量法、分离间隙法、互补测屏法、爱里斑测量法、衍射频谱检测法。

反射衍射测量法：利用试件棱缘和反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的。

特点：灵敏度提高一倍；入射光可以以一定角度入射，布置方便。

3、常用衍射测量的器件：PD 、二分型的硅光电池、四分型的硅光电池、一维/二维PSD 、CCD （二维或线阵）。

4、防止振动/跳动：隔振 扩束 透镜成像5、测量方法：直接测量：CCD ，转镜/狭缝扫描式(测量时间)，一般测量Xk 或者S, 由d=kL λ/Xk=L λ/s 求出。

间接测量: PD 、二分型的硅光电池、四分型的硅光电池、一维/二维PSD 、测量明/暗条纹的移动量的大小。

6、光学接收器件的选择与布置：衍射级数的选择一般2,3级、条纹计数越大(相对测量),越灵敏, 但是强度变弱、光电器件尺寸一般不要超过条纹间距、条纹移动量不应该超过器件的尺寸或者条纹间隔、否则容易发生误判。

第四章 激光准直及多自由度测量1、直线度误差是指被测实际轮廓线相对于理想直线的变动量；直线度测量是平面度、平行度、垂直度等几何量测量的基础。

2、激光准直仪按工作原理可分为：1) 振幅测量法 2) 干涉测量法 3) 偏振测量法3、振幅（光强）测量法：以激光束的强度中心作为直线基准，在需要准直的点上用光电探测器接收它，光电探测器一般采用光电池或PSD 。

由四象限光电池两对象限输出电压的差值决定光束中心位置。

振幅测量型准直仪提高基准精度的常用方法：菲涅耳波带片法、位相板法、双光束法。

1）菲涅耳波带片法：十字划线,是干涉形成的，有良好的抗干扰能力, 光强分布均匀，经过扩束后照射波带片，避免的激光光束的漂移及振动因素的影响。