激光测试技术 原理

laser 测量原理
激光测距（laser distance measuring）是以激光器作为光源进行测距。

根据激光工作的方式，可以分为连续激光器和脉冲激光器。

激光测距的原理主要是基于光速和时间的关系，通过测量光在空气中传播的时间来计算距离。

对于脉冲激光测距，测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。

光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。

脉冲法测量距离的精度一般是在±10厘米左右，而测量盲区一般是1米左右。

此外，还有相位式激光测距，主要使用连续输出的氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器。

相位式激光测距的原理是利用激光器的频率稳定度和传播速度，通过测量相位差来计算距离。

相位式激光测距的精度较高，可以达到毫米级别，但测量范围较小。

以上内容仅供参考，如需获取更多信息，建议查阅关于激光测距的资料或者咨询专业人士。

实验一 He-Ne 激光器模式分析（一）实验目的与要求目的：使学生了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。

对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理，性能，学会正确使用。

要求：用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne 激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶横模的阶次；观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。

（二）实验原理1．激光器模的形成我们知道，激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。

如果用某种激励方式，在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射的作用，将有一定频率的光波产生，在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、放大，如图1-1所示。

实际上，由于能级总有一定的宽度以及其它因素的影响，增益介质的增益有一个频率分布，如图1-2所示，图中)(νG 为光的增益系数。

只有频率落在这个范围内的光在介质中传播时，光强才能获得不同程度的放大。

但只有单程放大，还不足以产生激光，要产生激光还需要有谐振腔对其进行光学反馈，使光在多次往返传播中图 1-1 粒子数反转分布 形成稳定、持续的振荡。

形成持续振荡的条件是，光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍，即q q L λμ=2 （1-1）式中，μ为折射率，对气体μ≈1；L 为腔长；q 为正整数。

这正是光波相干的极大条件，满足此条件的光将获得极大增强。

每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布，叫作一个纵模，q 称作纵模序数。

q 是一个很大的数，通常我们不需要知道它的数值，而关心的是有几个不同的q 值，即激光器有几个不同的纵模。

从（2-1）式中，我们还看出，这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式存在的，q 值反映的恰是驻波波腹的 图 1-2 光的增益曲线 数目，纵模的频率为L cq q μν2= （1-2）同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔Lc L cq 221≈=∆=∆μν （1-3） 从（2-3）式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比，即腔越长，相邻纵模频率间隔越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反，腔越短，相邻纵模频率间隔越大，在同样的增益曲线范围内，纵模个数就越少。

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。

dls测试方法DLS测试方法引言：DLS（Dynamic Light Scattering）是一种常用的测试方法，用于研究微粒、聚合物、蛋白质等在溶液中的粒子大小和分布情况。

本文将介绍DLS测试方法的原理、仪器设备以及实验步骤，并探讨其应用领域和优缺点。

一、DLS测试原理DLS技术基于布朗运动原理，通过分析散射光的强度和频率分布，推断溶液中粒子的大小和分布情况。

当激光束照射到溶液中的微粒时，微粒会发生布朗运动，并引起散射光的频率变化。

通过测量散射光的强度和频率分布，可以得到微粒的尺寸分布曲线，即动态光散射曲线。

二、DLS仪器设备DLS测试仪主要由激光器、光学系统、散射探测器和计算机控制系统等组成。

激光器产生单色激光束，光学系统将激光束聚焦到待测试溶液上，散射光通过散射探测器接收并转换为电信号，计算机控制系统用于采集、处理和分析散射光信号，最终得到粒子大小和分布的结果。

三、DLS实验步骤1. 准备样品：将待测试的溶液制备好，确保样品中没有明显的颗粒物质或杂质。

2. 调试仪器：打开DLS测试仪，进行仪器的校准和调试，确保各项参数正常。

3. 设置实验条件：根据样品的特性和要求，设置合适的温度、浓度、pH值等实验条件。

4. 进行测试：将样品注入到测试池中，并将测试池放置在DLS测试仪中。

启动测试程序，开始进行测试。

5. 数据分析：测试完成后，通过计算机控制系统对采集到的散射光信号进行处理和分析，得到粒子大小和分布的结果。

6. 结果解读：根据实验结果，解读样品的粒子大小和分布情况，分析样品的特性和性质。

四、DLS测试的应用领域1. 生物医学：DLS技术可以用于研究蛋白质、抗体、病毒等生物大分子的粒子大小和稳定性，对于药物传输、疫苗开发等具有重要意义。

2. 材料科学：DLS技术可以用于研究纳米颗粒、胶体溶液等材料的粒子大小和分布，对于材料的合成和性能优化具有指导意义。

3. 环境监测：DLS技术可以用于研究水、空气等环境中的微粒和悬浮物的大小和浓度，对于环境污染的监测和评估具有重要作用。

激光干涉仪工作原理
激光干涉仪是一种用于测量光程差的仪器，基于激光干涉原理。

其工作原理如下：
1. 激光发生器产生一束单色、相干、准直的激光光源。

2. 光源经过分束器后，被分为两束光线，各自经过不同的光路。

3. 分别经过不同的光路后，光线再次汇聚在一个检测平面上，形成干涉条纹。

4. 当两束光线的光程差为整数倍的波长时，即满足相干条件，干涉条纹会呈现明暗交替的条纹图案。

5. 通过调节其中一条光路的长度，即可改变光程差，从而改变干涉条纹的位置和形态。

6. 引入被测物体时，可以通过测量光程差的变化来获取被测物体的形貌或长度等信息。

7. 干涉条纹的观察可以使用目视或使用光电探测器等设备进行记录和分析。

激光干涉仪广泛应用于光学、物理、电子等领域中的测量和检测工作中，可以用于精密测量、表面形貌测量、物体位移测量等。

其主要优点包括高分辨率、非接触性、非破坏性等。

激光检测原理激光检测是一种利用激光技术进行测量和检测的方法，它在工业、医疗、科研等领域有着广泛的应用。

激光检测原理是基于激光的特性和相互作用规律，通过对激光的发射、传播、接收和处理，实现对被测对象的测量和检测。

本文将从激光的特性、激光检测的基本原理和应用实例等方面进行介绍。

激光的特性。

激光是一种具有高亮度、高直线度、高单色性和高相干性的光束。

这些特性使得激光在检测领域有着独特的优势。

高亮度和高直线度使得激光能够远距离传播而不发散，保持较小的光斑；高单色性使得激光具有特定的波长，适用于特定的测量和检测需求；高相干性使得激光能够产生干涉和衍射现象，实现精密的测量。

激光检测的基本原理。

激光检测的基本原理是利用激光束与被测对象相互作用后产生的光学信号进行测量和分析。

激光检测可以通过测量激光的反射、散射、吸收、干涉等方式来获取被测对象的信息。

例如，通过测量激光的反射光强来确定目标的距离和形状；通过测量激光的散射光强来分析目标的表面粗糙度和形貌；通过测量激光的吸收光强来检测目标的化学成分和浓度；通过测量激光的干涉图案来实现精密的位移和形变测量。

激光检测的应用实例。

激光检测在工业、医疗、科研等领域有着广泛的应用。

在工业领域，激光检测被应用于精密加工、质量检测、无损检测等方面，例如激光测距仪、激光干涉仪、激光扫描仪等设备；在医疗领域，激光检测被应用于医学影像、激光治疗、生物检测等方面，例如激光扫描显微镜、激光手术系统、激光生物传感器等设备；在科研领域，激光检测被应用于物理、化学、生物等学科的实验和研究，例如激光光谱仪、激光干涉仪、激光散射仪等设备。

总结。

激光检测是一种基于激光技术的测量和检测方法，它利用激光的特性和相互作用规律，实现对被测对象的精密测量和分析。

激光检测具有高亮度、高直线度、高单色性和高相干性的特性，适用于工业、医疗、科研等领域。

通过对激光的发射、传播、接收和处理，激光检测可以实现对目标的距离、形状、表面粗糙度、化学成分、位移和形变等信息的获取，为各个领域的应用提供了有力的技术支持。

激光测量技术重点1、如何获得线偏正光？利⽤偏振⽚获得偏振光、反射和折射产⽣的偏振、利⽤双折射产⽣偏振2、反射和折射产⽣偏正光的原理让⾃然光以布儒斯特⾓⼊射，透射光为P光，偏振⽅向实在⼊射⾯的，与⼊射⾯平⾏的光，反射光为S光，都为线偏光。

3、利⽤双折射产⽣偏振制造的棱镜，为了提⾼棱镜透过率，都选择透射光为P 光。

4、玻⽚5、半波⽚：线偏振光通过半波⽚后，仍是线偏振光，但其偏振化⽅向转过了2α，圆偏振光⼊射时，出射光是旋向相反的圆偏振光，⼀般⽤于x,y两偏振⽅向间的转换。

四分之⼀波⽚：1）.线偏振光振动⽅向与1/4波⽚成45度，出射为圆偏振光;2.）圆偏振光通过1/4波⽚后，变为线偏振光，其振动⽅向与光轴⽅向45度; ⼀般⽤于圆偏光与线偏光⽅向间的转换。

6、什么是受激辐射？受激辐射：受激辐射产⽣的光⼦与引起受激辐射的外来光⼦具有相同的特征（频率、相位、振动⽅向及传播⽅向均相同）7、泵浦分类：光泵、电泵浦、化学泵浦、热泵浦8、激光产⽣的基本条件及阈值条件三要素: 1. 泵浦2. 增益介质3. 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.9、激光的基本的物理性质。

⽅向性、⾼亮性、单⾊性、相⼲性激光单⾊性的好坏可以⽤频谱分布的宽度(线宽)描述。

（线宽⽐较窄）⽅向性最好的是⽓体激光器。

相⼲性：时间相⼲性（计算相⼲长度）、空间相⼲性10、如何获得单模：短腔法11、⾼斯光束聚焦条件：短焦距透镜，束腰远离透镜可利⽤倒置望远镜可实现激光光束的准直12、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。

13、主动稳频的⽅法：1.兰姆(Lamb)下陷法2. 饱和吸收法3. 塞曼效应法4. 双纵模稳频5.⽆源腔稳频。

双频激光器:由塞曼效应制成的激光器，还可以使⽤声光调制。

获得频率稳定度最⾼的：饱和吸收法。

14、什么是塞曼效应，塞曼效应稳频的基本原理是什么？塞曼效应:原⼦能级在磁场作⽤下发⽣分裂的现象。

基于激光干涉测试技术的表面形貌分析研究近年来，随着科学技术的不断发展，人们对于表面形貌分析的研究不断深入。

而基于激光干涉测试技术的表面形貌分析技术，因其高精度、高分辨率、高稳定性等特点，已经逐渐成为表面形貌分析方面的一种重要手段。

本文主要讨论如何基于激光干涉测试技术进行表面形貌分析研究。

一、激光干涉测试技术的基本原理激光干涉测试是通过利用激光光学的干涉原理，来对物体表面形貌进行高精度的测量。

首先，将激光光源经过分光器进行分光，形成两束平行的光线。

其中一束经过反射镜反射到物体表面上，另一束则照射到参考镜上。

由于两束光线路径长度差异的存在，使得两束光线到达干涉面时会发生干涉现象。

通过干涉光的强度分布，可以获得物体表面的形貌信息。

一般采用相位移转换技术来提高测量精度。

二、激光干涉测试技术在表面形貌分析中的应用1. 光学元件的表面形貌测量激光干涉测试技术可用于光学元件的表面形貌测量，包括镜片、棱镜、透镜等。

通过不同的反射镜和透镜的组合，可获得物体表面的不同形貌信息，进而用于提高光学元件的制作精度和光学性能。

2. 电子芯片的表面形貌测量激光干涉测试技术可用于电子芯片的表面形貌测量。

电子芯片表面的形貌及粗糙度对芯片性能影响很大，而干涉测量技术可实现对芯片表面的三维测量，包括芯片尺寸、平整度、平坦度等参数。

这些参数的测量结果对于芯片制造和质量控制非常重要。

3. 材料薄膜的表面形貌测量针对材料薄膜的表面形貌测量而言，激光干涉测试技术也有着广泛的应用。

通过测量薄膜表面的波前高度分布和厚度分布，可以得到薄膜材料的质量、粗糙度等重要参数。

4. 机械零件的表面形貌测量除此之外，激光干涉测试技术还可以用于机械零件的表面形貌测量。

这些零件的表面形貌信息直接关系到所使用的机械设备的性能。

因此对于机械零件的形貌信息的快速、准确测量，也成为激光干涉测试技术得以广泛应用的原因之一。

三、激光干涉测试技术的发展与未来趋势随着计算机技术和光电技术的快速发展，激光干涉测试技术的精度、稳定性和测量速度不断提升。

• 63•本文基于对脉冲激光测距技术的了解，阐述了激光测距原理方法，对脉冲激光测距的关键指标进行了分析。

同时搭建了脉冲激光测距验证样机，通过光纤延时法模拟激光测距，并通过国军标消光比法验证了激光测距机的最大测程。

1 激光测距原理方法激光测距的原理是激光发射模块发射激光射向远处目标，通过对目标反射回来的激光信号进行相关解算，最终得出目标物的距离。

根据不同的时间测量方式，激光测距可分为以下两种方法：第一，脉冲激光飞行时间测距法，具体是通过计算激光发射与回波脉冲接收时刻的时间差来计算距离值；第二，调制波相位测距法，主要是通过对连续波激光信号相位调制，在此基础上，对调制波往返目标与测距机产生的相位差进行解调计算出距离值。

2 脉冲激光测距关键指标分析脉冲激光测距的关键指标有最大作用距离、测距精度、准测率和虚警概率等，下面分别对其进行分析。

2.1 最大作用距离激光雷达方程是表示发射的激光功率与接收到的激光功率之间关系的方程，其表达式为：P r 为接收光功率（W ）；P t 为激光发射功率（W ）；A 为朗伯面的面积（m 2）；ρ目标反射系数；D 为接收器口径（m ）；R 为测距机到目标的距离；t a 为大气透过率；η1为发射器光学系统效率；θt 为光束发散度（rad ）；η2为接收器光学系统效率。

由此计算出激光测距最大作用距离为：如上方程所示，要想提高最大作用距离，可以使用提高探测器响应度，提高发射功率，提高发射、接收效率，增大接收天线面积，增大目标反射截面，减少束散角等方法，大气透射率是系统不可决定的因素，在此不作讨论。

其中，提高激光发射功率受限于系统体积、重量、功耗和散热条件；提高发射接收效率的提升空间有限；增大接收天线面积同样受体积、重量限制；增大目标反射截面受目标类型限制；减少束散角受系统跟、瞄精度限制。

最简单易行的措施采用高灵敏度的探测器来提高接收功率，从而提高作用距离。

2.2 测距精度激光测距的误差主要来自时间测量的误差，这种误差通常分为两种：第一，静态误差，包含延迟误差、脉宽误差等。

激光闪射法测试材料导热系数原理激光闪射法是一种用于测量材料导热性能的常用方法，属于导热测试“瞬态法”的一种。

测量基本原理如图1所示。

图1激光闪射法测量原理示意图图1中在一定的设定温度T（恒温条件）下，由激光源（或闪光氙灯）在瞬间发射一束光脉冲，均匀照射在样品下表面，使其表层吸收光能后温度瞬时升高，并作为热端将能量以一维热传导方式向冷端（上表面）传播。

使用红外检测器连续测量上表面中心部位的相应温升过程，得到类似于图2的温度（检测器信号）升高对时间的关系曲线。

图2温度升高与时间的关系曲线若光脉冲宽度接近于无限小或相对于样品半升温时间近似可忽略，热量在样品内部的传导过程为理想的由下表面至上表面的一维传热、不存在横向热流，且在样品吸收照射光能量后温度均匀上升、没有任何热损耗（表现在样品上表面温度升高至图中的顶点后始终保持恒定的水平线而无下降）的理想情况下，则通过公式（1）即可得到样品在温度T下的热扩散系数α。

α=0.1388×d2/t50公式（1）其中，d：样品的厚度t50：半升温时间，又称t1/2，如图2所示为在接收光脉冲照射后样品上表面温度（检测器信号）升高到最大值的一半所需的时间对于实际测量过程中任何对理想条件的偏离（如由边界热传导、气氛对流、热辐射等因素引起的热损耗；由材料透明／半透明引起的内部辐射热传导；t50很短导致光脉冲宽度不可忽略等），需使用适当的数学模型进行计算修正。

由于导热系数（热导率）与热扩散系数存在着如下的换算关系：λ(T)=α(T)×C p(T)×ρ(T) 公式（2）根据公式（2），在已知温度T下的热扩散系数、比热与密度的情况下便可计算得到温度T下的导热系数λ。

其中，这里所用的密度ρ是表观密度（又称体积密度，即质量/表观体积），一般在常温下测试，其随温度的变化可使用材料的热膨胀系数表进行修正，在测量温度不太高、密度变化不太大的情况下也可近似认为不变。

激光多普勒测速技术（LDV）1.引言多普勒效应是19世纪奥地利物理科学家多普勒.克里斯琴.约翰（Doppler，Christian Johann）发现的声学效应。

在声源和接收器之间发生相对运动时，接收器收到的声音频率不会等于声源发出的原频率，于是称这一频率差为多普勒频差或频移。

1905年，爱因斯坦在狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。

只要物体产生散射光，就可利用多普勒效应测量其运动速度。

所谓光学多普勒效应就是：当光源与光接收器之间发生相对运动时，发射光波与接收光波之间会产生频率偏移，其大小与光源和光接收器之间的相对速度有关。

二十世纪六十年代，激光器得以发明。

激光的出现大力地促进了各个学科的发展。

由于激光具有优异的相干性、良好的方向性等特点，因此在精密计量，远距离测量等方面获得了广泛的应用。

伴随着激光在光学领域的应用，一门崭新的技术诞生了，这就是多普勒频移测量技术。

1964年，杨(Yeh)和古明斯(Cummins首次证实了可利用激光多普勒频移技术来测量确定流体的速度，激光多普勒测速仪(LDV)以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点在航空、航天、机械、生物学、医学、燃烧学以及工业生产等领域得到了广泛应用和快速发展。

激光多普勒测速仪是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息的。

2. 激光多普勒测速原理激光多普勒测速原理即为激光多普勒效应：当光源和运动物体发生相对运动时，从运动物体散射回来的光会产生多普勒频移，这个频移量的大小与运动物体的速度、入射光和速度方向的夹角都有关系。

图1. 激光多普勒效应的示意图激光多普勒效应的示意图如图1所示，其中，o为光源，p为运动物体，s为观察者的位置。

激光的频率为f ，运动物体的速度为V ，那么物体运动产生的多普勒频移量可表示为：()D s o f f V e e c=⋅- (1) 式中：e o 为入射光单位向量，e s 是散射光的单位向量，c 是光速。

激光测速仪是采纳什么原理
激光测速仪是通过激光发射测量肯定时间间隔内被测物体的移动距离，计算得出物体移动速度的装置。

激光测速仪是采纳激光测距的原理。

激光测距（即电磁波,其速度为30万公里/秒），是通过对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。

激光测速是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，取得在该一时段内被测物体的移动距离，从而得到该被测物体的移动速度。

激光测速仪的特点：
1、由于该激光光束基本为射线，估测速距离相对于雷达测速有效距离远，可测IoooM外;
2、测速精度高，误差1公里；
3、鉴于激光测速的原理，激光光束必需要瞄准垂直与激光光束的平面反射点，又由于被测车辆距离太远、且处于移动状态，或者车体平面不大，而导致执勤警员的工作强度很大、很易疲乏。

目前美国激光技术公司已经生产出带连续自动测速功能的激光测速仪，专门用于解决这一问题。

东莞市交警支队东城大队使用这种改进后的测速仪抓拍超速车辆，已经取得了明显的成效。

4、鉴于激光测速的原理，激光测速器不可能具备在运动中使用，只能在静止状态下应用；所以一般交警都把仪器放在巡逻车
上，停车静止使用。

5、目前大部分国家所采纳的激光测速仪使用的是一类安全激光，对人眼睛安全。

6、激光测速仪的取证本领远宏大于雷达测速仪，因而受到全世界广泛的认可和推广，例如美国、加拿大、英国、德国、澳洲、瑞典、瑞士、荷兰、中国广东、台湾、香港、澳门等等。

7、激光测速仪的耗电量比较低，两节五号电池可以连续使用20小时。

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