建筑材料热工设备4光电检测技术选编.pptx

光机电技术光机电技术光学技术光学技术机械技术机械技术电子技术电子技术光机电测控技术光机电测控技术光机电传感器光机电传感器融合融合核心部分核心部分基础基础1-2 光机电测控技术概念光机电测控技术概念q核心：物理量光学量电信号机械运动q属性：光机电技术是一种交叉学科，光学、电子学、材料学、半导体技术、计算机技术、仪器仪表等等q目的：物理量的检测、传递、控制q应用：精密测量、红外探测、遥感、激光雷达、空中侦察、制导武器、导航、跟踪、光通信、图像处理、夜视、深空探测等等1-2 光机电测控技术概念光机电测控技术概念传感器的概念传感器的概念n传感器的作用：是将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。（非电量与电量系统之间的接口）n敏感器：能够将被测非电量转换为可用非电量的器件或装置n光电传感器：基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件，广泛应用于自动控制、宇航和广播电视等各个领域。1-2光机电测控技术概念光机电测控技术概念1-3 光机电测控与人工操作区别光机电测控与人工操作区别比较：q被测物体感觉器官人脑手控q被测物体光机电传感器微机执行机构光电传感部分相当于人身的感觉器官被被测测对对象象光光学学系系统统光光电电传传感感器器变变换换电电路路处处理理电电路路后后续续电电路路显示显示控制控制存储存储光机电测控系统光机电测控系统光光 源源光光学学系系统统机电执行机构机电执行机构1-4 光机电测控系统的组成光机电测控系统的组成光光机电机电测控技术的测控技术的特点特点高精度高精度：测长度测长度nm量级；量级；高速度高速度：光速是最快的；光速是最快的；非接触式非接触式检测检测：可长距离工作；可长距离工作；远距离、大量程远距离、大量程：遥控、遥测和遥感；遥控、遥测和遥感；受光学介质的影响大受光学介质的影响大（水、空气、尘土）（水、空气、尘土）成本高。成本高。1-4 光机电测控系统的组成光机电测控系统的组成q热辐射：热辐射：由于外界热量传递给物体而发生的辐射称由于外界热量传递给物体而发生的辐射称为热辐射。为热辐射。q热辐射源的特性：热辐射源的特性：它它的辐射能量直接与它的温度的辐射能量直接与它的温度有有关。关。q热平衡辐射：热平衡辐射：如果物体从周围物体吸收幅射能所得如果物体从周围物体吸收幅射能所得到的热量恰好等于自身辐射而减少的能量，则辐射到的热量恰好等于自身辐射而减少的能量，则辐射过程达到平衡状态，这称为过程达到平衡状态，这称为热平衡辐射热平衡辐射。2-2 光辐射与热辐射光辐射与热辐射q热辐射主要在红外波段q任何物体只要它的温度高于热力学温度（0K或摄氏-273），它就一定不断地发射电磁辐射（热辐射）。由于其中的分子、原子受到热激发而产生并向外部发射各种波长的电磁波。q只要外界传递热量给物体以维持物体的温度不变，物体就能不改变内能持续稳定地发射电磁波。2-2 光辐射与热辐射光辐射与热辐射在研究热平衡辐射所遵从的规律时，我们假定物体发射能量和吸收能量的过程中，除了物体的热状态有所改变外，它的成分不发生变化。热辐射的辐射光谱是连续的。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度。热辐射不仅与物体温度有关，而且与物体表面特征有关。2-2 光辐射与热辐射光辐射与热辐射若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即，则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。它没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)。黑体具有最大的发射率。宇宙黑洞可视为理想的黑体。2-2 光辐射与热辐射光辐射与热辐射黑体黑体五、普朗克定律五、普朗克定律描述描述黑体的光谱辐射出射度黑体的光谱辐射出射度与与波长波长、绝对温度绝对温度直接的关系直接的关系黑体光谱辐射出射度为：黑体光谱辐射出射度为：黑体光谱辐射出射度为：黑体光谱辐射出射度为：式中式中 h普朗克常数普朗克常数kk玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数c c光速光速光速光速2-2 光辐射与热辐射光辐射与热辐射每条曲线都有一个峰值，随着温度的升高，此峰值向短波方向移动每条曲线都有一个峰值，随着温度的升高，此峰值向短波方向移动普朗克曲线普朗克曲线普朗克曲线普朗克曲线2-2 光辐射与热辐射光辐射与热辐射q本定律由德国物理学家威廉维恩（Wilhelm Wien）于1893年通过对实验数据的经验总结提出。q威廉维恩提出本定律的时间是在普朗克黑体辐射定律出现之前，且过程完全基于对实验数据的经验总结。后来证明，本定律是更为广义的普朗克黑体辐射定律的一个直接推论。六、维恩位移定律六、维恩位移定律描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度之间反比关系的定律 设黑体辐射的峰值波长设黑体辐射的峰值波长 ，则存在如下的简单关系：，则存在如下的简单关系：已知物体的温度时，可以计算其峰值辐射波长，反之亦然。已知物体的温度时，可以计算其峰值辐射波长，反之亦然。（温度与峰值波长成（温度与峰值波长成反比反比）2-2 光辐射与热辐射光辐射与热辐射q维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）。譬如在宇宙中，不同恒星随表面温度的不同会显示出不同的颜色，温度较高的显蓝色，次之显白色，濒临燃尽而膨胀的红巨星表面温度只有2000-3000K，因而显红色。太阳的表面温度是6000K，根据维恩位移定律计算得的峰值辐射波长则为502nm，这近似处于可见光光谱范围的中点，为黄光。描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度之间反比关系的定律描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度之间反比关系的定律2-2 光辐射与热辐射光辐射与热辐射光电效应q光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应起物体电学特性发生改变统称为光电效应q光电效应包括外光电效应和内光电效应光电效应包括外光电效应和内光电效应2-2 光辐射与热辐射光辐射与热辐射光电效应q外光电效应外光电效应：物体受光照后向外发射电子物体受光照后向外发射电子多发生于多发生于金属和金属氧化物金属和金属氧化物q内光电效应内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部内部而不会逸出物体外部多发生在半导体多发生在半导体q内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应q光电导效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象2-2 光辐射与热辐射光辐射与热辐射光电效应q光生伏特效应光生伏特效应：光照在半导体光照在半导体PN结或金属结或金属半导体接半导体接触上时，会在触上时，会在PN结或金属结或金属半导体接触的两侧产生光生半导体接触的两侧产生光生电动势。电动势。光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。q PN结的光生伏特效应：结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射当用适当波长的光照射PN结结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向p区，相当于区，相当于PN结上加一个正电压。结上加一个正电压。q半导体内部产生电动势（光生电压）；如将半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结结短路，则会出现电流（光生电流）。短路，则会出现电流（光生电流）。2-2 光辐射与热辐射光辐射与热辐射光热效应光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化热释电效应热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面电荷变化的现象引起电荷表面电荷变化的现象辐射热计效应辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象成电阻率变化的现象温差电效应温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流两结点间产生电动势，回路中产生电流光热效应光热效应2-2 光辐射与热辐射光辐射与热辐射q自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。光源的光谱功率分布通常可分成四种情况：线状光谱线状光谱线状光谱线状光谱 带状光谱带状光谱带状光谱带状光谱 连续光谱连续光谱连续光谱连续光谱 混合光谱混合光谱混合光谱混合光谱低压汞灯、低压汞灯、低压汞灯、低压汞灯、激光激光激光激光高压汞灯、高压汞灯、高压汞灯、高压汞灯、高压钠灯高压钠灯高压钠灯高压钠灯荧光灯荧光灯荧光灯荧光灯热辐射光源、热辐射光源、热辐射光源、热辐射光源、白炽灯白炽灯白炽灯白炽灯光谱功率分布（相对光谱功率分布）光谱功率分布（相对光谱功率分布）2-3 光源的基本特性参数光源的基本特性参数2.1波的叠加波的叠加(1)干涉干涉干涉指两列或多列光波在空间相遇时相互迭加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。相干相干两个波的相差21恒为0或者固定值，则这两个波被称之为相干的。相干是产生干涉的必要条件，另外一个条件是两个波源的频率几乎相同。非偏振光可以描述成两个正交的、振幅相同但相位差随时间变化的平面偏振波合成的结果，故在满足相长干涉、相消干涉的情况下，也有干涉现象产生。2-5 光路分析的基本规律光路分析的基本规律(2)衍射衍射当障碍物的线度与光波波长可比拟时，光线偏离直线传播，进入几何暗影区，并形成明暗相间的条纹的现象。衍射也是波叠加的结果，表现为直线传播的光束在遇到障碍时的绕射。按照光源和屏到障碍物的距离，可以把衍射分为两种：当光源和屏与障碍物的距离都是有限远，或其中一个是有限远时，称为Fresnel衍衍射射。当光源和屏与障碍物的距离都是无限远时，称为Fraunhofer衍衍射射；在实验室常利用凸透镜的聚焦性模拟来自“无限远处”的平行光。2-5 光路分析的基本规律光路分析的基本规律2.2光的偏振态与旋光光的偏振态与旋光光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做偏振。偏振光包括如下几种：线偏振光，在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。部分偏振光，光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。椭圆偏振光，在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。圆偏振光，旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。2-5 光路分析的基本规律光路分析的基本规律(2)人为双折射现象人为双折射现象：某些各向同性介质在外力（机械力、电场力）作用下会变成各向异性介质，从而产生双折射现象，而有些各向异性介质在外力作用下会改变双折射性质，这类现象称为人为双折射现象。电光效应在外界电场作用下会形成各向异性而产生双折射。在磁场作用下，Faraday效应也能使非晶体产生双折射现象。光弹性效应：玻璃、塑料等非晶体在通常情况下是各向同性的，但在机械应力（拉力或压力）作用下会变成各向异性而显示双折射现象，这就是光弹性效应。利用光弹性效应来研究应力分布方法已经成为一个专门的学科，称为光测弹性力学。2-5 光路分析的基本规律光路分析的基本规律q光调制的分类：光调制的分类：内调制、外调制内调制、外调制内调制：内调制：内调制：内调制：将待传输信号直接加载于光源，以改变将待传输信号直接加载于光源，以改变将待传输信号直接加载于光源，以改变将待传输信号直接加载于光源，以改变光源的输出特性来实现调制。光源的输出特性来实现调制。光源的输出特性来实现调制。光源的输出特性来实现调制。实例：半导体激光器电源实例：半导体激光器电源实例：半导体激光器电源实例：半导体激光器电源 激光器谐振腔激光器谐振腔激光器谐振腔激光器谐振腔外调制：外调制：外调制：外调制：在光源外的光路上放置调制器，将待传在光源外的光路上放置调制器，将待传在光源外的光路上放置调制器，将待传在光源外的光路上放置调制器，将待传输信号加载于调制器上，来实现调制。输信号加载于调制器上，来实现调制。输信号加载于调制器上，来实现调制。输信号加载于调制器上，来实现调制。解调：解调：从已调制信号中恢复原始信号的过程，调制从已调制信号中恢复原始信号的过程，调制的逆过程。的逆过程。2-6 光辐射调制概述光辐射调制概述q调制的作用：调制的作用：使光信号携带信息、抑制背景干扰、抑制系使光信号携带信息、抑制背景干扰、抑制系统固有噪声和外部电磁干扰。统固有噪声和外部电磁干扰。光辐射调制的基本原理光辐射调制的基本原理调制的形式：调制的形式：调制的形式：调制的形式：模拟调制、脉冲调制、数字调制。模拟调制、脉冲调制、数字调制。模拟调制、脉冲调制、数字调制。模拟调制、脉冲调制、数字调制。模拟调制：模拟调制：模拟调制：模拟调制：信息信号连续改变载波的强度、频率、信息信号连续改变载波的强度、频率、信息信号连续改变载波的强度、频率、信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振（载波是模拟信号）。相位或偏振（载波是模拟信号）。相位或偏振（载波是模拟信号）。相位或偏振（载波是模拟信号）。特点：特点：特点：特点：信息信号的幅度与波参数的幅度之间一一对信息信号的幅度与波参数的幅度之间一一对信息信号的幅度与波参数的幅度之间一一对信息信号的幅度与波参数的幅度之间一一对应。应。应。应。模拟调制形式：模拟调制形式：模拟调制形式：模拟调制形式：调幅（调幅（调幅（调幅（AMAM）、调频（）、调频（）、调频（）、调频（FMFM）、调相）、调相）、调相）、调相 （PMPM）。）。）。）。2-6 光辐射调制概述光辐射调制概述模拟调制的原理模拟调制的原理强度调制：强度调制：振幅调制：振幅调制：频率调制：频率调制：2-6 光辐射调制概述光辐射调制概述脉冲调制脉冲调制q载波：载波：对信息信号的幅度按一定规律间隔取样，用脉冲序列对信息信号的幅度按一定规律间隔取样，用脉冲序列作载波（载波是脉冲序列）作载波（载波是脉冲序列）。q方法：方法：脉冲的幅度、宽度、频率或位置随信息信号的幅度变脉冲的幅度、宽度、频率或位置随信息信号的幅度变化。化。q分类：分类：脉冲调幅（脉冲调幅（PAM）、脉冲调宽（）、脉冲调宽（PWM）、脉冲调频）、脉冲调频（PFM）、脉冲调位（）、脉冲调位（PPM）。）。2-6 光辐射调制概述光辐射调制概述脉冲调制脉冲调制脉冲幅度调制脉冲幅度调制脉冲幅度调制脉冲幅度调制脉冲宽度调制脉冲宽度调制脉冲宽度调制脉冲宽度调制脉冲频率调制脉冲频率调制脉冲频率调制脉冲频率调制脉冲位置调制脉冲位置调制脉冲位置调制脉冲位置调制信息信号信息信号信息信号信息信号2-6 光辐射调制概述光辐射调制概述数字调制数字调制q方式：方式：把信息以编码把信息以编码形式转变位脉冲序列形式转变位脉冲序列q特点：特点：脉冲在时间上脉冲在时间上固定，幅度被量化固定，幅度被量化q优点：优点：效率高、失真小；效率高、失真小；效率高、失真小；效率高、失真小；抑制噪声能力强、精度高；抑制噪声能力强、精度高；抑制噪声能力强、精度高；抑制噪声能力强、精度高；系统易于实现。系统易于实现。系统易于实现。系统易于实现。2-6 光辐射调制概述光辐射调制概述声光调制声光调制概念：概念：q弹光效应：弹光效应：当一块各向同性的透明介质受外力作用时，当一块各向同性的透明介质受外力作用时，介质的折射率会发生变化。介质的折射率会发生变化。声光效应：声光效应：声光效应：声光效应：声波是一种机械应力弹性波，当超声波作用声波是一种机械应力弹性波，当超声波作用声波是一种机械应力弹性波，当超声波作用声波是一种机械应力弹性波，当超声波作用于介质时，也会引起弹光效应。通常把超声波引起的弹于介质时，也会引起弹光效应。通常把超声波引起的弹于介质时，也会引起弹光效应。通常把超声波引起的弹于介质时，也会引起弹光效应。通常把超声波引起的弹光效应称为声光效应。光效应称为声光效应。光效应称为声光效应。光效应称为声光效应。声光栅：声光栅：声光栅：声光栅：当超声波在声光介质中传播时，介质密度呈疏密当超声波在声光介质中传播时，介质密度呈疏密当超声波在声光介质中传播时，介质密度呈疏密当超声波在声光介质中传播时，介质密度呈疏密的交替变化，这会导致折射率大小的交替变化。这样，可的交替变化，这会导致折射率大小的交替变化。这样，可的交替变化，这会导致折射率大小的交替变化。这样，可的交替变化，这会导致折射率大小的交替变化。这样，可以把超声波作用下的介质等效为一块以把超声波作用下的介质等效为一块以把超声波作用下的介质等效为一块以把超声波作用下的介质等效为一块“相位光栅相位光栅相位光栅相位光栅”，即声，即声，即声，即声光栅。光栅的条纹间隔等于超声波的波长光栅。光栅的条纹间隔等于超声波的波长光栅。光栅的条纹间隔等于超声波的波长光栅。光栅的条纹间隔等于超声波的波长s s s s。声光衍射：声光衍射：声光衍射：声光衍射：声光栅与光学条纹光栅相似，当入射光束通过声光栅与光学条纹光栅相似，当入射光束通过声光栅与光学条纹光栅相似，当入射光束通过声光栅与光学条纹光栅相似，当入射光束通过该介质时，则入射光波被声光栅衍射。衍射光束的强度、该介质时，则入射光波被声光栅衍射。衍射光束的强度、该介质时，则入射光波被声光栅衍射。衍射光束的强度、该介质时，则入射光波被声光栅衍射。衍射光束的强度、频率和方向等都随着超声场的变化而变化。频率和方向等都随着超声场的变化而变化。频率和方向等都随着超声场的变化而变化。频率和方向等都随着超声场的变化而变化。2-6 光辐射调制概述光辐射调制概述电光调制电光调制电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的发生变化的发生变化的发生变化的电光效应电光效应电光效应电光效应而进行工作的。而进行工作的。而进行工作的。而进行工作的。用来作调制元件的晶体必须按相对于光轴的一些特殊方用来作调制元件的晶体必须按相对于光轴的一些特殊方用来作调制元件的晶体必须按相对于光轴的一些特殊方用来作调制元件的晶体必须按相对于光轴的一些特殊方向切割成长方形或圆柱形等形状。向切割成长方形或圆柱形等形状。向切割成长方形或圆柱形等形状。向切割成长方形或圆柱形等形状。当电场加在晶体上时，其折射率的变化可能产生线性效当电场加在晶体上时，其折射率的变化可能产生线性效当电场加在晶体上时，其折射率的变化可能产生线性效当电场加在晶体上时，其折射率的变化可能产生线性效应（应（应（应（普克尔效应普克尔效应普克尔效应普克尔效应）或平方效应（）或平方效应（）或平方效应（）或平方效应（克尔效应克尔效应克尔效应克尔效应）。）。）。）。加电场的方向通常有两种方式：一是电场沿着晶体主轴加电场的方向通常有两种方式：一是电场沿着晶体主轴加电场的方向通常有两种方式：一是电场沿着晶体主轴加电场的方向通常有两种方式：一是电场沿着晶体主轴z z轴（光轴方向），使电场方向与光线方向平行，产生轴（光轴方向），使电场方向与光线方向平行，产生轴（光轴方向），使电场方向与光线方向平行，产生轴（光轴方向），使电场方向与光线方向平行，产生纵纵纵纵向电光效应向电光效应向电光效应向电光效应；二是电场沿晶体任一主轴；二是电场沿晶体任一主轴；二是电场沿晶体任一主轴；二是电场沿晶体任一主轴x x轴或轴或轴或轴或y y轴或轴或轴或轴或z z轴加轴加轴加轴加到晶体上，而取通光方向与电场方向相垂直，即产生到晶体上，而取通光方向与电场方向相垂直，即产生到晶体上，而取通光方向与电场方向相垂直，即产生到晶体上，而取通光方向与电场方向相垂直，即产生横横横横向电光效应向电光效应向电光效应向电光效应。2-6 光辐射调制概述光辐射调制概述横向电光调制器原理横向电光调制器原理q线性电光效应线性电光效应：某些晶体的：某些晶体的o光和光和e光光在横向电压作用在横向电压作用下产生的位相差与电压值成线性下产生的位相差与电压值成线性z zy y-x-x d dL LV V2-6 光辐射调制概述光辐射调制概述电光效应电光效应某些各向同性的透明介质（如气体、液体和玻璃态固体）在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效应。有些各向异性介质在外力作用下会改变双折射性质，这类现象称为人为双折射现象2-6 光辐射调制概述光辐射调制概述激光技术发展史激光技术发展史1.1917年：年：爱因斯坦在爱因斯坦在关于辐射的量子力学关于辐射的量子力学一文预言了一文预言了 原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性;2.20世纪世纪50年代：年代：汤斯和肖洛的光激射器理论；汤斯和肖洛的光激射器理论；激光器方案的提出；激光器方案的提出；3.1960年：年：梅曼梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器；制成世界上第一台激光器；4.1960年至今：年至今：激光技术飞速发展。激光技术飞速发展。Laser“激光激光”Laser“通过受激辐射实现光放大通过受激辐射实现光放大”LightAmplificationofStimulatedEmissionofRadiation引引言言 激光是一种高亮度的定向能束，单色性好，发散角很小，激光是一种高亮度的定向能束，单色性好，发散角很小，具有优异的相干性，既是光电测试技术中的最佳光源，也是具有优异的相干性，既是光电测试技术中的最佳光源，也是许多测试技术的基准。许多测试技术的基准。激光激光的基本产生过程的基本产生过程是通过受激辐射实现光放大，必要是通过受激辐射实现光放大，必要条件包括具有亚稳态能级的工作物质，在亚稳态实现粒子数条件包括具有亚稳态能级的工作物质，在亚稳态实现粒子数反转，通过光学谐振器实现光放大反转，通过光学谐振器实现光放大3-1激光的基本性质激光的基本性质（1 1）自发辐射自发辐射 原子在没有外界干预的情况下原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的电子会由处于激发态的高能级高能级 自动跃迁到低能级自动跃迁到低能级 ,这种跃迁称为自发跃迁这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.发光前发光前.。发光后发光后3-1激光的基本性质激光的基本性质（2）受激吸收受激吸收原子吸收外来光子能量原子吸收外来光子能量,并从低能级并从低能级跃跃迁到高能级迁到高能级,且且,这个过程称为光这个过程称为光吸收吸收.吸收后吸收后。.吸收前吸收前.3-1激光的基本性质激光的基本性质（3）受激辐射受激辐射由受激辐射得到的放大了的光是相干光由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光称之为激光.原子中处于高能级原子中处于高能级的电子的电子,会在外来光子会在外来光子(其频其频率恰好满足率恰好满足)的诱发下向低能级的诱发下向低能级跃迁跃迁,并发出与外来光子一样特征的光子并发出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射这叫受激辐射.。发光前发光前发光后发光后受激辐射的光受激辐射的光放大示意图放大示意图3-1激光的基本性质激光的基本性质粒子数反转分布粒子数反转分布表明表明,处于低能级的电子数大于高能级的处于低能级的电子数大于高能级的电子数电子数,这种分布叫做粒子数的正常分布这种分布叫做粒子数的正常分布.叫叫做做粒子数反转分布粒子数反转分布.已知已知粒子数的正常分布粒子数的正常分布.。粒子数反转分布粒子数反转分布.。3-1激光的基本性质激光的基本性质要实现粒子数反转，必须具备一定条件要实现粒子数反转，必须具备一定条件：一是一是要具备必要的能源（如光源、电源等），把低能级上要具备必要的能源（如光源、电源等），把低能级上原子尽可能多的激发到高能级上去，这个过程叫做原子尽可能多的激发到高能级上去，这个过程叫做“激励激励”、“激发激发”或者叫或者叫“抽运抽运”、“泵浦泵浦”；二是二是必须选取能实现粒子数反转的工作物质，这种物质具必须选取能实现粒子数反转的工作物质，这种物质具有合适的能级结构，即具有亚稳态，这种物质称为激活介有合适的能级结构，即具有亚稳态，这种物质称为激活介质。质。产生激光的基本条件是粒子数反转分布产生激光的基本条件是粒子数反转分布3-1激光的基本性质激光的基本性质有些物质具有亚稳态，它不如基态稳定，但比较有些物质具有亚稳态，它不如基态稳定，但比较激发态要稳定得多，如红宝石中络离子、氦原子、氩激发态要稳定得多，如红宝石中络离子、氦原子、氩原子、二氧化碳等粒子中都存在亚稳态，具有亚稳态原子、二氧化碳等粒子中都存在亚稳态，具有亚稳态的工作物质，就能实现粒子数反转。的工作物质，就能实现粒子数反转。三能级系统和四能级系统的工作物质三能级系统和四能级系统的工作物质3-1激光的基本性质激光的基本性质1.粒子数反转粒子数反转E2E0E1激励激励抽运抽运E3能量能量粒子数粒子数E2E1E0N2N1N0N3E3四四能能级级系系统统2.光学谐振腔光学谐振腔激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光激光原理激光原理受激辐射受激辐射四能级系统四能级系统3-1激光的基本性质激光的基本性质红宝石中铬离子能级示意图红宝石中铬离子能级示意图.。基态基态亚稳态亚稳态激发态激发态当红宝石受到强光照射时，当红宝石受到强光照射时，铬离子被激励，使处于基态铬离子被激励，使处于基态的大量铬离子吸收光能而跃的大量铬离子吸收光能而跃迁到激发态迁到激发态上，被激发的上，被激发的铬离子在铬离子在能级上的平均寿能级上的平均寿命很短，约为命很短，约为，所以，所以很快转移到很快转移到能级上，能级上，此此能级寿命较长（能级寿命较长（10-3秒秒），），因而不立即以自发辐射的方因而不立即以自发辐射的方式返回基态式返回基态3-1激光的基本性质激光的基本性质光学谐振腔与阈值条件光学谐振腔与阈值条件激活介质本身不是一台激光器，在激活介质内部受激辐激活介质本身不是一台激光器，在激活介质内部受激辐射与自发辐射是同时存在的，且后者占主导地位。即使射与自发辐射是同时存在的，且后者占主导地位。即使在工作物质处于粒子数反转分布情况下，所获得光的强在工作物质处于粒子数反转分布情况下，所获得光的强度是很弱的，没有实用价值。度是很弱的，没有实用价值。设计一种装置，使在某一方向上的受激辐射不断得到放大设计一种装置，使在某一方向上的受激辐射不断得到放大和加强，就是说，使受激辐射在某一方向上产生振荡，而和加强，就是说，使受激辐射在某一方向上产生振荡，而将其它方向传播的光抑制住，以致在这一特定方向超过自将其它方向传播的光抑制住，以致在这一特定方向超过自发辐射，这样就能在这一方向上实现受激辐射占主导地位发辐射，这样就能在这一方向上实现受激辐射占主导地位的情况，从而获得方向性和单色性很好的强光的情况，从而获得方向性和单色性很好的强光激光，激光，这种装置叫做光学谐振腔。这种装置叫做光学谐振腔。3-1激光的基本性质激光的基本性质实现光振荡，有放大元件、正反馈系统、谐振系统和输出实现光振荡，有放大元件、正反馈系统、谐振系统和输出系统。在激光器中，可实现粒子数反转的工作物质就是放系统。在激光器中，可实现粒子数反转的工作物质就是放大元件，而光学谐振腔就起正反馈、谐振和输出的作用大元件，而光学谐振腔就起正反馈、谐振和输出的作用工作物质两端，分别放置一块全反射镜和一块部分反射镜工作物质两端，分别放置一块全反射镜和一块部分反射镜（两反射面可以是平面、凹球面，或一平一凹），它们相（两反射面可以是平面、凹球面，或一平一凹），它们相互平行，且垂直于工作物质的轴线，这样的装置就能起到互平行，且垂直于工作物质的轴线，这样的装置就能起到光学谐振腔的作用。光学谐振腔的作用。3-1激光的基本性质激光的基本性质光在粒子数反转的工作物质中往返传播光在粒子数反转的工作物质中往返传播,使谐振腔使谐振腔内的光子数不断增加内的光子数不断增加,从而获得很强的光从而获得很强的光,这种现象叫做这种现象叫做光振荡光振荡.加强光须满足加强光须满足驻波条件驻波条件.激光光束激光光束全反射镜全反射镜光学谐振腔示意图光学谐振腔示意图部分透光反射镜部分透光反射镜3-1激光的基本性质激光的基本性质3-1激光的基本性质激光的基本性质在有了激活介质和谐振腔的条件下还不一定能产生在有了激活介质和谐振腔的条件下还不一定能产生激光，因为光在谐振腔内来回反射的过程中，对光强变化激光，因为光在谐振腔内来回反射的过程中，对光强变化的影响存在两个独立因素：的影响存在两个独立因素：（1）激活介质中光的增益，它使光强变大；）激活介质中光的增益，它使光强变大；（2）端面上光的损耗（包括衍射、吸收、透射等），它）端面上光的损耗（包括衍射、吸收、透射等），它使光强变小。使光强变小。要使光强在谐振腔内来回反射的过程中不断得到要使光强在谐振腔内来回反射的过程中不断得到加强，就必须使增益大于损耗，这就是阈值条件。加强，就必须使增益大于损耗，这就是阈值条件。3-1激光的基本性质激光的基本性质激光准直测量原理激光准直测量原理直线度误差是指被测实际轮廓线相对于理想直线的变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何量测量的基础传统方法传统方法:建筑建筑:垂线法垂线法,拉钢丝法拉钢丝法大型设备安装大型设备安装:拉钢丝法拉钢丝法木工木工:划线法划线法机械加工机械加工:钳工的划线法钳工的划线法,定位定位传统方法的特点传统方法的特点:简单简单,直观直观,垂线法垂线法,拉钢丝法易拉钢丝法易受环境因素影响受环境因素影响,精度低精度低激光准直技术具有拉钢丝法的直观性、简单性和普激光准直技术具有拉钢丝法的直观性、简单性和普通光学准直的精度，并可实现自动控制。通光学准直的精度，并可实现自动控制。现有的激光准直仪按照工作原理可以分为现有的激光准直仪按照工作原理可以分为1)振幅测量法振幅测量法2)干涉测量法干涉测量法3)偏振测量法偏振测量法1.振幅（光强）测量法振幅（光强）测量法利用激光的能量中心及其光强分布实现直线度测量利用激光的能量中心及其光强分布实现直线度测量其基本原理其基本原理:原理：振幅测量型准直仪以激光束的强度中心作为直原理：振幅测量型准直仪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。探测线基准，在需要准直的点上用光电探测器接收。探测器输出对中和偏心信号。器输出对中和偏心信号。这种方法比用人眼通过望远镜瞄准方便，瞄准的不确这种方法比用人眼通过望远镜瞄准方便，瞄准的不确定度上也有一定的提高，但其准直度受到激光束漂移、定度上也有一定的提高，但其准直度受到激光束漂移、光束截面上强度分布不对称、探测器灵敏度不对称，光束截面上强度分布不对称、探测器灵敏度不对称，以及空气扰动造成的光斑跳动等的影响。以及空气扰动造成的光斑跳动等的影响。缺点缺点:激光器的光束漂移激光器的光束漂移光束的非均匀性光束的非均匀性探测器灵敏度不对称探测器灵敏度不对称 空气的折射率梯度空气的折射率梯度气流的扰动等影响气流的扰动等影响(1)菲涅耳波带片法菲涅耳波带片法强分布均匀强分布均匀,当激光束通过望远系统后，均匀地照射在方形波当激光束通过望远系统后，均匀地照射在方形波当激光束通过望远系统后，均匀地照射在方形波当激光束通过望远系统后，均匀地照射在方形波带片上，并使其充满整个波带片，则在光轴的某带片上，并使其充满整个波带片，则在光轴的某带片上，并使其充满整个波带片，则在光轴的某带片上，并使其充满整个波带片，则在光轴的某一位置出现一个很细的十字亮线。调节望远系统一位置出现一个很细的十字亮线。调节望远系统一位置出现一个很细的十字亮线。调节望远系统一位置出现一个很细的十字亮线。调节望远系统的焦距，则十字亮线就会出现在光轴的不同位置的焦距，则十字亮线就会出现在光轴的不同位置的焦距，则十字亮线就会出现在光轴的不同位置的焦距，则十字亮线就会出现在光轴的不同位置上，这些十字亮线中心点的连线为一直线，这条上，这些十字亮线中心点的连线为一直线，这条上，这些十字亮线中心点的连线为一直线，这条上，这些十字亮线中心点的连线为一直线，这条线可作为基准来进行准直测量。由于十字亮线是线可作为基准来进行准直测量。由于十字亮线是线可作为基准来进行准直测量。由于十字亮线是线可作为基准来进行准直测量。由于十字亮线是干涉的效果，所以具有良好的抗干扰性。同时，干涉的效果，所以具有良好的抗干扰性。同时，干涉的效果，所以具有良好的抗干扰性。同时，干涉的效果，所以具有良好的抗干扰性。同时，还可克服光强分布不对称的影响。还可克服光强分布不对称的影响。还可克服光强分布不对称的影响。还可克服光强分布不对称的影响。(2)位相板法位相板法在激光束中放一块二维对称位相板，在激光束中放一块二维对称位相板，在激光束中放一块二维对称位相板，在激光束中放一块二维对称位相板，它由四块扇形涂层组成，相邻涂层它由四块扇形涂层组成，相邻涂层它由四块扇形涂层组成，相邻涂层它由四块扇形涂层组成，相邻涂层光程差为光程差为光程差为光程差为/2/2（即位相差（即位相差（即位相差（即位相差）。在位）。在位）。在位）。在位相板后面的光束任何截面上都出现相板后面的光束任何截面上都出现相板后面的光束任何截面上都出现相板后面的光束任何截面上都出现暗十字条纹。暗十字线的中心连线暗十字条纹。暗十字线的中心连线暗十字条纹。暗十字线的中心连线暗十字条纹。暗十字线的中心连线是一条直线，利用这条直线作基准是一条直线，利用这条直线作基准是一条直线，利用这条直线作基准是一条直线，利用这条直线作基准可直接进行准直测量。可直接进行准直测量。可直接进行准直测量。可直接进行准直测量。若在暗十字中心处插一方孔若在暗十字中心处插一方孔若在暗十字中心处插一方孔若在暗十字中心处插一方孔P PA A，在，在，在，在孔后的屏幕孔后的屏幕孔后的屏幕孔后的屏幕P PB B上可观察到一定的衍上可观察到一定的衍上可观察到一定的衍上可观察到一定的衍射分布。假若方孔中心与光轴有偏射分布。假若方孔中心与光轴有偏射分布。假若方孔中心与光轴有偏射分布。假若方孔中心与光轴有偏移，那么在移，那么在移，那么在移，那么在P PB B上的衍射图像就不对上的衍射图像就不对上的衍射图像就不对上的衍射图像就不对称。这些亮点强度的不对称随着孔称。这些亮点强度的不对称随着孔称。这些亮点强度的不对称随着孔称。这些亮点强度的不对称随着孔的偏移而增加。因此，这个偏移的的偏移而增加。因此，这个偏移的的偏移而增加。因此，这个偏移的的偏移而增加。因此，这个偏移的大小和方向可以通过测量大小和方向可以通过测量大小和方向可以通过测量大小和方向可以通过测量P PB B上的四上的四上的四上的四个亮点的强度来获得。个亮点的强度来获得。个亮点的强度来获得。个亮点的强度来获得。激激 光光 器器激激 光光 器器位相板位相板位相板位相板方孔方孔方孔方孔P PA A屏幕屏幕屏幕屏幕P PB B1432位相板法激光准直测量原理位相板法激光准直测量原理位相板法激光准直测量原理位相板法激光准直测量原理激光准直测试技术的应用激光准直测试技术的应用q直线度的测试直线度的测试激光头激光头激光头激光头光电靶标光电靶标光电靶标光电靶标机床床身机床床身机床床身机床床身 测量机床床身直线度的激光准直系统测量机床床身直线度的激光准直系统测量机床床身直线度的激光准直系统测量机床床身直线度的激光准直系