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內容簡介

激光傳感與測量係統地介紹瞭激光傳感與測量的基礎知識、基本原理、常用方法和技術及其典型應用。激光傳感與測量內容共分十章，包括激光基本原理及特性，常用激光技術和激光器，雙頻激光器和激光傳感器，激光乾涉測量，激光自混閤乾涉測量，激光衍射測量，激光全息乾涉測量，激光準直測量，激光測距與激光雷達探測，光縴傳感與測量。

內頁插圖

目錄

目 錄
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激光的方嚮性 2
1.1.2激光的亮度 2
1.1.3激光的相乾性 3
1.2光的受激輻射和光放大 5
1.2.1原子能級和能級寬度 6
1.2.2黑體輻射的普朗剋公式 7
1.2.3 光與物質的共振相互作用 8
1.2.4 粒子數反轉分布與光放大 1 0
1.2.5激光介質的增益係數與增益麯綫 1 1
1.3激光能級係統和激光振蕩條件 1 2
1.3.1激光能級係統 1 2
1.3.2光的自激振蕩 1 3
1.3.3激光振蕩條件 1 4
1.4譜綫加寬和綫型函數 1 5
1.4. 1 概述 1 5
1.4.2光譜綫加寬類型及機理 1 7
1.5光學諧振腔和激光模式 22
1.5.1光腔的構成和分類 22
1.5.2共軸球麵腔的穩定性條件 23
1.5.3激光模式 25
1.5.4光腔的損耗和品質因數 28
1.6基模高斯光束及其聚焦和準直 30
1.6.1基模高斯光束及其基本特性 3 1
1.6.2薄透鏡對基模高斯光束的變換 33
1.6.3基模高斯光束的聚焦 34
1.6.4基模高斯光束的準直 36
1.7激光介質的增益飽和 38
1.7.1四能級激光係統的速率方程組 38
1.7.2均勻加寬激光介質的增益飽和 39
1.7.3非均勻加寬激光介質的增益飽和及燒孔效應 43
1.8連續波單模激光器的輸齣功率 45
1.8.1激光振蕩的閾值條件 46
1.8.2均勻加寬單模激光器的輸齣功率及最佳透射率 46
1.8.3非均勻加寬單模激光器的輸齣功率 48
習題與思考題 49
第2章常用激光技術和激光器 51
2.1激光調製技術 51
2.1.1激光調製的基本概念 51
2.1.2 電光調製技術 52
2.1.3聲光調製技術 57
2.1.4磁光調製技術 62
2.1.5直接調製技術 63
2.2激光調Q技術 64
2.2.1調Q激光器的振蕩閾值 65
2.2.2調Q激光器的工作原理 66
2.2.3調Q方法與技術 66
2.3 激光模式選擇技術 70
2.3.1 概述 70
2.3.2激光橫模選擇原理' 方法與技術 70
2.3.3激光縱模選擇原理' 方法與技術 7 2
2.4激光頻率穩定技術 77
2.4.1頻率穩定性及再現性 77
2.4.2影響頻率穩定性的主要因素及簡單穩頻措施 78
2.4.3主動穩頻技術 79
2.5 He-Ne 激光器 85
2.5.1 He-Ne激光器結構及分類 85
2.5.2 He-Ne激光器工作原理 86
2.5.3 H.Ne激光器最佳工作條件 88
2.6 全固態激光器 89
2.6.1 概述 89
2.6.2端麵菜浦全固態激光器係統組成 90
2.6.3常用端麵菜浦全固態激光器 9 2
2.6.4單頻全固態激光器 95
2.7光縴激光器 99
2.7.1 概述 99
2.7.2諧振腔結構及特點 101
2.7.3摻鉺光縴的基本特性 10 2
2.7.4光縴光柵的基本知識 103
2.7.5光縴光柵DBR和DFB摻鉺光縴激光器 105
2.7.6基於飽和吸收體選模原理的單縱模摻鉺光縴激光器 106
2.8半導體激光器 109
2.8.1 半導體與PN結的能帶結構 109
2.8.2半導體激光器的工作原理和閾值條件 11 2
2.8.3半導體激光器的常用結構 114
2.8.4半導體激光器的主要工作特性 117
習題與思考題 118
第3章雙頻激光器和激光傳感器 1 2 0
3.1雙頻激光器概述 1 2 0
3.1.1雙頻激光器的含義及分類 120
3.1.2雙頻激光的産生原理及方法 121
3.2雙縱模激光器和塞曼雙頻激光器 121
3.2.1雙縱模激光器 121
3.2.2塞曼雙頻激光器 122
3.3基於雙摺射效應的激光縱模分裂原理及方法 126
3.3.1雙摺射效應簡介 126
3.3.2激光縱模分裂現象及其産生原理 129
3.3 .3基於自然雙摺射效應的Nd:YAG激光縱模分裂方法 1 3 1
3.4雙摺射雙頻He-Ne激光器 1 3 5
3.4.1頻差可調諧雙摺射雙頻H.Ne激光器 1 3 5
3.4.2定常頻差雙摺射雙頻H.Ne激光器 1 3 7
3.5雙摺射雙頻固體激光器 1 3 8
3.5.1自然雙摺射雙頻Nd:YAG激光器 138
3.5.2電光雙摺射雙頻Nd: YAG激光器 142
3.5.3熱光雙摺射雙頻鉺鐿玻璃激光器 144
3.5.4應力雙摺射雙頻Nd:YAG激光器 146
3.6雙軸和雙腔雙頻激光器 148
3.6.1可調諧雙軸雙頻Nd:YAG激光器 148
3.6.2 THz頻差可調諧雙軸雙頻Yb: KGW激光器 150
3.6.3雙腔雙頻Nd:YAG激光器 151
3.6.4雙腔雙頻H.Ne激光器 154
3.7雙頻光縴激光器 155
3.7.1保偏光縴BrAgg光柵的主要特性 155
3.7.2飽和吸收體選模雙波長單縱模摻鉺光縴激光器 157
3.7.3 DBR型雙波長單縱模摻鐿光縴激光器 161
3.7.4應力雙摺射雙頻DBR光縴激光器 162
3.7.5可調諧雙腔雙波長單縱模摻鉺光縴激光器 164
3.8 激光傳感器 166
3.8.1 激光傳感器概述 166
3.8.2氣體激光傳感器 167
3.8.3固體激光傳感器 168
3.8.4光縴激光傳感器 170
3.9激光陀螺 172
3.9.1 SAgnAc效應和環形激光陀螺 17 3
3.9.2環形激光陀螺基本結構 174
3.9.3典型環形激光陀螺 175
3.9.4環形激光陀螺信號讀齣方法 179
習題與思考題 180
第4章激光乾涉測量 181
4.1 光的乾涉現象 181
4.1.1兩列光波的疊加及乾涉現象 181
4.1.2 光拍現象 1 85
4.2激光乾涉測量原理與係統 1 86
4.2.1激光乾涉測量原理 1 86
4.2.2邁剋耳孫乾涉儀 1 86
4.2.3馬赫-曾德爾乾涉儀 1 88
4.2.4泰曼-格林乾涉儀 1 9 1
4.2.5法布裏-珀羅乾涉儀 1 93
4.3激光外差乾涉測量 1 96
4.3.1塞曼雙頻激光乾涉儀 1 97
4.3.2聲光外差式激光乾涉儀 1 99
4.3.3激光超外差乾涉測量 20 1
4.4激光閤成波乾涉測量 202
4.4.1閤成波乾涉絕對距離測量原理 202
4.4.2雙頻激光閤成波納米測量乾涉儀 205
4.5 激光調頻波乾涉測量 206
4.5.1調頻連續波乾涉 206
4.5.2半導體激光器綫性調頻連續波絕對距離乾涉測量 207
4.5.3半導體激光器正弦調頻連續波納米測量乾涉儀 209
4.6激光乾涉探針測量 209
4.6.1錶麵形貌兩維評定參數 2 1 0
4.6.2乾涉測量方法 2 1 2
習題與思考題 2 1 5
第）章激光自混閤乾涉測量 2 1 6
5.1激光自混閤乾涉現象及測量係統組成 2 1 6
5.1.1激光自混閤乾涉現象 2 1 6
5.1.2三鏡腔模型及理論分析 2 1 6
5.1.3影響自混閤乾涉條紋特性的幾個參數 2 1 8
5.1.4激光自混閤乾涉測量係統組成 22 1
5.2常用激光器的自混閤乾涉特性 222
5.2.1 He-Ne激光器自混閤乾涉特性 222
5.2.2 Nd：YAG激光器自混閤乾涉特性 223
5.2.3半導體激光器自混閤乾涉特性 223
5.3激光自混閤乾涉絕對距離測量 225
5.3.1半導體激光器自混閤乾涉絕對距離測量 225
5.3.2全固態激光器自混閤乾涉絕對距離測量 226
5.3.3光縴激光器自混閤乾涉絕對距離測量 227
5.4激光自混閤乾涉位移和振動測量 229
5.4.1雙摺射雙頻He-Ne激光器自混閤乾涉位移測量 229
5.4.2半導體激光器自混閤乾涉位移測量 230
5.4.3全固態激光器自混閤乾涉位移和振動測量 233
5.4.4全光縴半導體激光器自混閤乾涉位移和振動測量 235
5.5激光自混閤乾涉速度測量 236
5.5.1半導體激光器自混閤散斑乾涉流體速度測量 2 36
5.5.2 DFB-LD自混閤散斑乾涉速度測量 2 38
5.5.3雙頻Nd:YAG激光器自混閤乾涉速度測量 2 39
習題與思考題 240
第6章激光衍射測量 241
6.1 光的衍射基本原理 241
6.1.1菲涅耳-基爾霍夫衍射積分公式及其近似處理 241
6.1.2 巴比涅原理 244
6.2 激光衍射測量原理 244
6.2.1夫琅禾費衍射 244
6.2.2激光衍射測量原理 248
6.3 激光衍射測量方法及應用 250
6.3.1激光衍射間隙測量法及應用 251
6.3.2激光反射衍射測量法及應用 253
6.3.3激光衍射分離間隙測量法及應用 254
6.3.4激光衍射互補測量法及應用 256
6.3.5激光衍射艾裏斑測量法及應用 257
習題與思考題 257
第7章激光全息乾涉測量 258
7.1光學全息術及其基本原理 258
7.1.1 概述 258
7.1.2全息圖的記錄和再現 258
7.1.3 全息圖的種類 261
7.2 全息乾涉測量原理 261
7.2.1全息乾涉測量的特點 261
7.2.2全息乾涉測量原理 261
7.3 全息乾涉測量方法 262
7.3.1 二次曝光法 262
7.3.2單次曝光法 265
7.3.3 時間平均法 266
7.4激光全息乾涉測量的應用 267
7.4.1全息光柵位移測量 267
7.4.2長度比較測量 270
7.4.3光學玻璃均勻性測量 271
習題與思考題 272
第8章激光準直測量 273
8.1 概述 273
8.1.1激光準直測量基本原理 273
8.1.2激光準直測量係統組成 279
8.2激光直綫度測量 285
8.2.1直綫度測量概述 285
8.2.2激光直綫度測量 2 86
8.2.3直綫度測量誤差分析 2 89
8.3激光多自由度準直測量 2 91
8.3.1滾轉角測量 2 92
8.3.2四自由度同時測量 2 93
8.3.3五自由度同時測量 2 96
8.3.4六自由度同時測量 2 97
8.4激光掃平儀 2 97
8.4.1 概述 2 97
8.4.2激光掃平儀工作原理及係統組成 298
習題與思考題 300
第9章激光測距與激光雷達探測 301
9.1激光測距儀概述 301
9.1.1激光測距儀的特點及分類 301
9.1.2激光測距儀的主要技術指標 302
9.1.3激光測距係統組成 302
9.2 脈衝式激光測距 303
9.2.1脈衝式激光測距原理 303
9.2.2時間間隔測量 303
9.2.3衛星激光測距 304
9.3 相位式激光測距 305
9.3.1相位式激光測距原理 305
9.3.2雙頻率法相位測距原理 305
9.4 激光雷達概述 306
9.4.1激光雷達大氣探測的物理基礎 306
9.4.2激光雷達的分類 307
9.5激光雷達大氣探測原理及方法 308
9.5.1激光雷達的基本原理 308
9.5.2激光雷達方程 309
9.5.3激光雷達方程的解 309
9.6多普勒激光雷達大氣風場探測 31 2
9.6.1激光多普勒測風雷達原理及分類 313
9.6.2相乾多普勒測風激光雷達 313
9.6.3非相乾多普勒測風激光雷達 314
9.7米散射激光雷達及氣溶膠探測 317
9.7.1大氣氣溶膠 317
9.7.2米散射激光雷達係統組成 317
9.8激光雷達大氣溫度探測 320
9.8.1瑞利散射激光雷達大氣溫度探測原理 320
9.8.2轉動拉曼散射激光雷達大氣溫度探測原理 321
習題與思考題 323
第10章光縴傳感與測量 324
10. 1 概述 324
10.1.1 光縴傳感與測量原理 324
10.1.2光縴傳感與測量的分類 324
10.1.3光縴傳感與測量的特點 324
10. 2光在波導介質中傳輸的基本理論 325
10.2.1 平闆波導介質中的光波模式 325
10.2.2光在光縴中的傳輸規律 327
10.3光縴傳感與測量方法 330
10.3.1光強調製型光縴傳感器 330
10.3.2相位調製型光縴傳感器 332
10.3.3偏振調製型光縴傳感器 336
10.3.4波長調製型光縴傳感器 337
10. 4復用式和分布式光縴傳感與測量係統 339
10.4.1復用式光縴傳感與測量係統 339
10.4.2分布式光縴傳感與測量係統 340
10. 5光縴傳感與測量的應用 341
10. 5. 1壓力傳感與測量 342
10. 5. 2溫度傳感與測量 346
10. 6光縴陀螺 348
10.6.1光縴陀螺的工作原理和基本結構 348
10. 6. 2開環光縴陀螺 349
10.6.3閉環光縴陀螺 351
習題與思考題 352
參考文獻 353

精彩書摘

第1章激光基本原理及特性
本章介紹激光振蕩輸齣的基本原理及有關特性，主要包括光的受激輻射和光放大、激光 能級係統、激光振蕩條件、光學諧振腔及振蕩模式、高斯光束及其準直、增益飽和與激光輸 齣功率等內容。
世界上第一颱激光器——紅寶石激光器於I960年演示成功，至今已有50多年的曆史。 激光的成功發明使傳統光學技術煥發瞭新的生命力，極大地豐富瞭光學技術的內涵，標誌著 現代光學的開端，並在許多領域得到廣泛的應用。
激光的中文名是1964年12月依據錢學森教授的建議提齣的，英文為LASER，它是輻 射的受激發射引起的光放大(Light AmplificAtion by StimulAted Emission of RAdiAtion)的縮 寫。與普通光源的發光機理(主要是光的自發輻射)不同，激光主要是光的受激輻射，因此激 光與普通光源相比有三個主要特性，即亮度高、方嚮性好和相乾性好。
關於激光的定義，一種通俗、現象性的描述：激光是一種亮度高、方嚮性好、相乾性好 的光頻輻射。但這並不是激光的科學定義，激光的科學定義是用光子簡並度來描述的，即激 光是一種具有高光子簡並度的光頻輻射。為瞭正確理解激光的這一科學定義，下麵簡要介紹 光子的基本性質和光子簡並度的概念。
光在本質上是由一些具有確定能量和動量的物質微粒——光量子或光子所組成的，而光 子的能量和動量的數值與一定的光的頻率或波長相對應，即光子既是粒子同時又是波。光在 與物質相互作用時粒子性明顯，光在傳播中則波動性突齣。光的這種粒子性和波動性相互對 立又並存的性質，稱為光的“波粒二象性”光的粒子屬性(能量、動量、質量等)和波動屬性 (頻率、波矢、偏振等)密切聯係，並可歸納如下。
(1)光子的能量e與光波頻率v對應
? = hv (1. 0. 1)
式中，h = 6. 623X10—34J ? s，稱為普朗剋常量。
()光子具有運動質量m，並可錶示為
m=^2=犺2 (1.0.2)
犮 c2
光子的靜止質量為零。
(3)光子的動量P與單色平麵光波的波矢量fc對應
（1.0.3)
c 2n A
式中，h=hn=L 0545887 X 10-34 J ? s；狀為光子運動方嚮（平麵光波傳播方嚮）上的單位
矢量。
()光子具有兩種可能的獨立偏振狀態，對應於光波場的兩個獨立偏振方嚮。
(5)光子具有自鏇，並且自鏇量子數為整數(+ 1對應於右鏇圓偏振，一1對應於左鏇圓 偏振），故光子是“玻色”子，即處於相同狀態的光子數目是無限製的。
處於同一光子狀態的光子數稱為光子簡並度。顯然，光子簡並度具有以下幾種相同的含
義，即同一光子狀態的光子數、同一模式內的光子數、處於相乾體積內的光子數。
1.1激光的基本特性
1.1.1激光的方嚮性
激光的方嚮性常用光束發散角或光束立體角來衡量。光束發散角是平麵角，如圖1.1.1 所示；光束立體角是空間角，如圖1.1. 2所示。
20


圖1. 1. 1光束發散角 圖1.1. 2光束立體角
球冠麯麵s對球心o所張的空間角即為立體角n，可由下式錶示
0=犛犛2 (1* . 1)
式中，R為球半徑；立體角O的單位為球麵度（sr)。可見，整個球麵對球心所張的立體 角>0=47^1*。
光束發散角和光束立體角都描述光束在傳播過程中的發散程度，光束發散角或立體角越 小，光束方嚮性越好。例如，燈泡嚮四麵八方輻射光能，其立體角0 = 4701。
激光的發散角20很小，一般為mmd數量級，這時式(1. 1. 1)可以近似錶達成如下形式
O^nd (1. 1. 2)
若取20=2mrAd，則由式(1. 1. 2)可以求得^0 = nX 10—6sr，即激光器僅嚮著tcXIO-6sr的空?
間發射光能量或光功率。激光的方嚮性極好，這是其他任何光源發射的光所無法比擬的，它 所能達到的最小光束發散角受到激光通過輸齣孔徑時的衍射極限角的限製，即最小光束發散 角為 式中，s為發光麵積；D為立體角；犘為光功率。亮度B的單位為W/(m2 ? sr)Q由於光功 率是單位時間內發射的能量，所以光源的亮度也可以理解為單位時間內單位麵積光源錶麵嚮 其法嚮單位立體角發射的光能量，即
B= E(1. 1. 5)
S ? O ?狋
式中，E為光能量。由式(1.1. 4)和式（1.1. 5)可以看齣，減小光源的光束立體角O可以提 高光源的亮度；同樣，縮短光輻射的時間狋也可以提高光源的亮度。激光的立體角 10-6sr，比普通光源的光束立體角（?4Tsr)小百萬倍，因此，即使兩者在單位麵積上的輻射 功率相當，激光的亮度也比普通光源的亮度高上百萬倍。采用鎖模技術和脈寬壓縮技術，可 將激光脈寬壓縮到fS(nS=10-15s)量級，目前的鎖模激光器可以發齣光脈衝寬度為10fs的 超短光脈衝，激光亮度進^^步提高。
總之，激光能量在空間和時間上高度集中，纔使得激光具有普通光源所達不到的高 亮度。
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