激光原理、技术、器件及应用.doc

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1、激光原理、技术、器件及应用激光原理、技术、器件及应用实验指导书实验指导书目目 录录激光扫描技术.1氦氖激光器.4相位式激光测距原理.6CO2激光器.9激光扫描技术激光扫描技术旋转多面镜扫描主要应用在激光高速扫描的情况。转镜扫描的最大特点是它的转速高，扫描角度大，稳定性好。通常转镜能够以固定的速度单方向连续旋转，来实现在扫描视场或扫描平面内的重复扫描。下图是转镜扫描的原理：转镜扫描主要包括一个多面棱镜，一个驱动马达。马达可以是电动的，也可以是气动，由控制系统来驱动。具有 N 个面的转镜扫描角度用下式表示：=度= 弧度（N2） N720 N4下面来介绍两种扫描形式转镜系统光路布置:1. 入射型扫描

2、入射型扫描亦称为物空间扫描.入射型扫描如图.激光束经过扩束入射到旋转的转镜上,而偏转的光束由一个透镜或凹面镜聚焦到扫描平面上.值得注意的是,扫描光斑轨迹在平面上,所以,透镜设计应保证在接受平面上聚焦成像时不产生大于设计要求的像差.因为由图来看,光束经过转镜扫描后会形成一个扇形非匀速扫描平面,称为 f- 工作状态,据此设计的透镜称为 f 透镜.这种透镜工作时能保证:平面聚焦,在整个扫描范围内,聚焦光斑均匀,直径不变;在聚焦平面内光斑线形扫转镜扫描原理图入射型扫描出射型扫描描(假设光束以均匀的角速度扫描入射);有一个足够大的视场.2出射型扫描 出射型扫描，也称为像空间扫描，这种扫描的特点是转镜位于

3、扫描透镜之后，如图。由于成像透镜位于转镜前，因此，入射到透镜上的光束是固定不动的，这样透镜设计就简单了。但出射型扫描的轨迹是一条曲线，曲线中心就是转镜表面上光斑的位置。一般来说，接收信号的存储介质是平面，所以我们往往选择大 f 数，譬如 f/50 的透镜，这样，聚焦曲面的弦深会小于扫描光束的焦深，用平面型光电接收器接收时，光信号不会出现任何畸变。比较以上两种，本文建议在激光电视中采用前者，即入射型扫描。所以还需对其中的关键部件 f -透镜进行一下说明。设 F-透镜焦距为，总扫描角度为 2，扫描场的覆盖长度为 L。f 在普通照相物镜中，如果校正了畸变，其像高为：H=.tg f 将此式两边对时间微

4、分得：= dtdH dtdf2sec可见，对等角速度偏转的入射光束在焦平面上的扫描速度不是一定的。对 F-透镜，为得到一定的扫描速度，像高必须为：H=. f 这样： .fdtdfdtdH其中，是扫描元件恒定的角速度。这样即可实现在 L=2H=2.范围内f 的等速扫描。这即是要求 F-透镜故意产生正的畸变，当扫描角度增大时实际像高比几何光学确定的理想像高小，是它的倍，其线畸变为：tg/H=.tg-.=tg） f f (f 其相对畸变为： % 100 tgtgTD故具有畸变像差量的透镜，对以等角速度偏转的入射光，在焦平面上的扫描速度就是等速的。由于此镜头的像高等于，故f 常简称为 F-透镜。在各种

5、扫描应用中，有四种类型的转镜：等边多面转镜（简称多面镜，柱形转镜或转镜） ，非等边多面转镜，内多边形转镜及塔形转镜。本实验是用等边多面转镜。这种棱镜主要优点是它能进行重复性直线扫描。由于等边棱镜本身的几何对称性，便于大批量生产，工厂制造时，可以若干块多面镜轴向叠加在一起加工，成本大大降低。一束细激光束照射在转镜镜面上，转镜每转过一个角度，反射光就以角反射出来，随着转镜的转动，光束在镜面上移动，直至镜面的边缘。此时，2细激光束的一部分继续完成扫描，而另一部分已射到相邻的镜面，并准备下一次扫描。这个时刻叫“扫描间歇” ，这时有一段信号空白。这个状态有以下特点：首先信号或信息的传输是不连续的，因为多

6、面转镜的棱边在转动时会不断产生这种间歇。其次对给定的分辨率，最好增加转镜的直径，这样能使镜面口径增大，以减小空白区间。为了保证足够的镜面工作范围，镜面大小必须数倍于落在其上的光斑大小。如图（b）所示镜面宽度为 D，光束直径为 W，可以用镜面工作效率来表达它的工作范围 U=（D-W）/D。假如 D=10W，则 U=90%，这意味着在整个扫描时间内，90%的时间在真正地扫描，其余 10%的时间就是所谓的“扫描间歇” 。U 也称占空系数。还由于是细光束照明，只有很少一部分镜面被利用，并且由于转镜不得不增加尺寸，使得高速旋转时，惯性变大，无疑会给材料选择和结构设计带来困难。最后光斑扫描时，在径向偏离预

7、定的轨迹，就产生了所谓的寻迹误差。寻迹误差会造成扫描图形的畸变。它来源于：转镜诸镜面与加工时选定基准面的角误差，这是无法消除的固有误差；转镜与驱动马达的装配误差，它直接造成反射光束的摆动，但可以控制；马达转子在高速旋转时，由于有限的刚性形变和产生的焦耳热的梯度变化所带来的动态不平衡；各转镜镜面的不平度误差。实验目的：掌握转镜激光扫描和 f 透镜原理，验证转镜激光扫描和 f 转镜扫描原理图 透镜原理。实验仪器：He-Ne 激光器、He-Ne 激光电源氦氦氖激光器氖激光器He-Ne 激光器的基本组成是放电管、电极和谐振腔。He-Ne 激光器是目前应用最广泛的气体激光器，主要产生 632.8nm 的

8、激光，功率只有几个毫瓦到几十毫瓦，但它有很好的光谱特性。对管长 350 毫米的管子,电流为 5 毫安左右，输出功率 2 毫瓦左右。He-Ne 激光的放电管由毛细管和贮气管构成。放电的内管直径约 23mm，管长几厘米到十几厘米，放电管越长功率越大，相应的放电电压就高。毛细管的尺寸和质量是决定激光器输出性能的关键因素。贮气管与毛细管相连，并且毛细管的一端有隔板，这是为了使放电只限于毛细管，贮气管的作用是增加了放电管的工作气体总量，延长器件寿命。普通的 He-Ne 激光器的放电管一般用GG17 硬质玻璃制成，对输出功率和波长要求稳定性高的器件通常用热胀系数更小的石英玻璃制作。光学谐振腔由一对高反射率

9、的多层介质膜反射镜组成，一般采用平凹镜形式，平面镜为输出镜。毛细管长度约 1520cm 的 He-Ne 激光器的输出镜的反射率 98.599.5。谐振腔的轴线和放电毛细管轴偏离不超过 0.1mm。凹面镜为全反镜，要求反射率接近 100%。 管内主要按 5：110：1 的比例充入氦氖混合气体达到总气压约200400Pa。 He-Ne 激光器结构分为三部分：既放电管、谐振腔和激发的电源。He-Ne 激光器的放电电极多采用冷阴极形式，冷阴极材料多用溅射率小和电子发射率高的铝或铝合金。为了增加电子发射面积和减低阴极溅射，阴极通常制成圆筒状，并有尽可能大的尺寸，阳极一般用钨针制成。连续工作的 He-Ne

10、 激光器多采用支流放电激励的方式，起辉电压和工作电压与激光器的结构参数和放电条件有关，放电长度为 1 米的激光器，起辉电压在 8 千伏左右，He-Ne 激光器的工作电流在几毫安到几十毫安的范围。氦氖激光器产生激光跃迁的是氖原子，氦是辅助气体。氦氖激光器是一种典型的四能级系统。氦氖激光器还存在最佳总气压和最佳气体配比，如毛细管直径为 3 毫米管内气体配比为 He3:Ne20=5:1,总气压 p=1.5 乇(1 乇=133Pa, 1 乇 1mm 汞柱，1Pa 为 1N/m2) ，毛细管直径 2.56mm 时 He3:Ne20=7：1,总气压p=1.4 乇。He-Ne 激光器特点是在燃火管子之初给出

11、高于管子着火电压的高压，正常放电以后，电源提供的电压则不宜过份高于激光管的工作电压。以免电源功率过多消耗在限流电阻上而降低效率。所以一般 He-Ne 激光器电源，获得高于激光管着火电压的瞬时高压后，电源电压马上降至略高于激光管的工作电压，但远比激光管的着火电压为低的水平。如下是一个采用四倍压触发，二倍压工作的 450mm 长的 He-Ne 管电源，该管工作电压为 1.8-2.0kV，着火电压为 4.5-5.5 kV，工作电流为 8-10mA ；限流电阻选用 8 个 8 W， 30的电阻串联；整流二极管耐压大于 5kV，电流为k0.05A；变压器选用输出 1150V，功率 30W；电容选 C1，

12、C2为 0.47，耐压为f1.6 kV； 对于 C3，C4为容量为，耐压为 5kV 的瓷片电容。6800pf实验目的：掌握 He-Ne 激光器原理与特性、了解 He-Ne 激光电源特点。实验仪器：He-Ne 激光器、He-Ne 激光电源、转镜和 f 透镜组件实验步骤：1、熟悉 He-Ne 激光器使用、2、观察 He-Ne 激光光束特点相位式激光测距原理相位式激光测距原理将相位式激光测距仪整置于点（称测站） ，反射器整置于另一点A（称镜站） 。测距仪发射出连续的调制光波，调制波通过测线到达反射器，经B反射后被仪器接收器接收。调制波在经过往返距离 2后，相位延迟了。如D将两点之间调制光的往程和返程

13、展开在一直线上，用波形示意图将发射波BA,与接收波的相位差表示出来。设调制波的调制频率为，f它的周期，相应的调制波长。调制波往返于测线传播过程所产生fT/1fccT/的总相位变化中，包括个整周变化和不足一周的相位尾数，N2N激光测距原理发射波与接收波的相位即 2N根据相位和时间的关系式，其中为角频率，则Dt2Dwt2w)2(21/2NfwtD)()2/(2NNLNfcD式中 ： 测尺长度； 2/2/fcL整周数； N不足一周的尾数。2/N由此可以看出，这种测距方法同钢尺量距相类似，用一把长度为的2/“尺子”来丈量距离，式中为整尺段数，而等于为不足一尺段的N2NL余长。则 LNLD式中，为已知值

14、，或为测定值。Lfc,N,L现今的激光测距仪采用两个以上的固定频率为测尺的频率，不同的测尺频率的或由仪器的测相器分别测定出来，然后按一定计算方法求得LN待测距离。D相位式激光测距仪的工作原理由光发射波与接收波的相位展开相位式激光测距仪的工作原理图源所发出的激光进入调制器后，被来自主控振荡器（简称主振）的高频测距信号所调制，成为调幅波。这种调幅波经外光路进入接收器，会聚在光电器件1f上，光信号立即转化为电信号。这个电信号就是调幅波往返于测线后经过解调的高颇测距信号，它的相位已延迟了。 N2这个高频测距信号与来自本机振荡器（简称本振）的高频信号经测距1f 信号混频器进行光电混频，经过选频放大后得到

15、一个低频（）测11fff距信号，用表示。仍保留了高频测距信号原有的相位延迟DeDe。为了进行比相，主振高频测距信号的一部分称为参考信N21f号与本振高频信号同时送入参考信号混频器，经过选频放大后，得到可作为1f 比相基准的低频（）参考信号，表示，由于没有经过往返11fff0e0e测线的路程，所以不存在象中产生的那一相位延迟。因此，和0eDeDe同时送人相位器采用数字测相技术进行相位比较，在显示器上将显示出测距0e信号往返于测线的相位延迟结果。当采用一个测尺频率时，显示器上就只有不足一周的相位差所相应1f的测距尾数，超过一周的整周数所相应的测距整尺数就无法知道，为此，相N位式测距仪中还包含一组粗

16、测尺的振荡频率，若用粗测尺频率进行同样的测量，把精测尺与一组粗测尺的结果组合起来，就能得到整个待测距离的数值了。实验目的：学习激光测距原理、与使用。实验原理：（略）实验步骤：调好光路、用示波器和频谱分析找到两个频率并纪录，呼出测距波形。本实验有关人身和设备的安全事项1、本实验有高压和强辐射，注意人身安全。2、激光器打开时，绝不允许移动功率探头，因功率探头外壳是铝制，铝对红外线反射较强，防止的反射红外激光意外伤人。3、开机时先通冷却水、关机时后断冷却水。防止激光管炸裂冷却系统带高压。-CO 激光器激光器2激光器由工作气体、放电管、谐振腔和电源所组成。 2CO放电管大多采用硬质玻璃(如)制成，只有

17、少数因特殊要求(如要求输17GG出功率稳定性好或频率稳定性好)的器件，才采用石英玻璃。放电管的内径和长度变化范围很大，小型激光器放电管的内径一般为 48mm 左右，长度在 1m2CO以下。大功率激光器的内径一般大于 10mm，长度达几十米。为了防止内部气压和气压比的变化而影响器件寿命，放电管外加有贮气管。为了防止发热而降低输出功率，加有水冷装置。水冷套的间隙一般为 510mm，间隙太小，虽流速大，但水流阻力大；间隙太大则水的流速低冷却效果不好。放电管一般采用多层套管结构，气体放电管、水冷套管和贮气管三者制成共轴套筒，称为三重套激光管。也可将贮气套旁袖放置，水冷套和放电管同轴放置，称此为二重套旁

18、轴激光管。激光器的放电电流很小，放电管的阴极也多采用冷阴极，一般是用金2CO属材料做成，形状为圆筒形，电极由与圆筒焊在一起的钨棒引到管外。筒的材料一般是用相片或镍片，圆筒的面积随工作电流的增加而增加。如长 1m、内径20mm 的管子，工作电流为 3040mA 时，圆筒面积约 5l0。圆筒可以与放2cm电管同轴放置，也可旁轴放置，前者结构紧凑，但电极发热会影响激光输出的稳定性；后者制造方便，但电极溅射不会污染谐振腔反射镜，激光输出较稳定。激光器的放电毛2CO细管较粗，为了增加输出功率，一般采用大曲率半径的平凹谐振腔(R2L)，甚至采用非稳腔以达到增大体积的目的。这样虽然调整精度要求高些，但由于激

19、光的增益高，容2CO易出激光，比起 He-Ne 激光器来，调整精度已不是主要矛盾。 激光器的输出功率大，输出波长较长(10.6m)，它的腔反射镜与 He-2CONe 激光器反射镜的结构形式有一定差别。中小型激光器的全反射镜一般用2CO玻璃磨制而成，表面镀金膜。金对 10.6m 波长的反射率可达 98以上,其化学性质也比较稳定。高功率激光器的全反端常采用金属反射镜，基板用不2CO锈钢或黄铜，抛光后再镀上金膜。金属反射镜导热性好，也便于通水冷却。玻璃的导热性差，在高功率条件下使用时，反射镜温度上升很快，容易破裂。输出端反射镜有好几种形式，较简单的形式是在一块镀金反射镜的中心开一个合适的小孔，外面再

20、密封一块能透过 l0.6m 波长的红外材料，激光通过这个小孔输出到腔外，称为小孔耦合输出。也可以直接用红外材料磨成反射镜，表面镀金膜，而中心留一个小孔不镀金。这种小孔耦合法的优点是结构简单，缺点是输出容易出现或模输01TEM10TEM出激光的光束强度分布不均匀。另外一种形式是用半导体材料直接耦合。由于半导体材料 N 型锗对 10.6m 波长吸收小，同时它的折射率高(对 10.6m，它的折射率 M4.02)，抛光后反射率可达 50%60，所以锗可作输出反射镜。还有一种形式是用介质膜反射镜，它是用能透射 10.6m 的红外材料作基底，再在上面镀多层介质膜而制成的。这种形式需要大块均匀的红外材料且镀

21、膜困难，激光器的典型结构2CO故不常用。目前能做激光器输出镜的红外材料主要有：氯化纳(NaCl)氯化钾(KCl)、2CON 型锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、硫化镉(TeS)、硒化锌(ZnSe)等。NaCl 和 KCl 这两种材料的吸收系数很小，用它做输出镜时，吸收损耗可忽略。但它们很容易潮解，机械性能差，容易破裂，当晶体温度稍高于室温时就容易产生塑性滑动或破裂，因此难以加工成表面质量高的光学元件，使用也不方便。Ge 不潮解，机械性能比 NaCl 和 KCl 还好，加工容易，但吸收系数比 NaCl 和 KCl 大，而且吸收系数随温度升高而变大。当温度超过 50时，Ge 的吸收系数急剧上升，容易

22、炸裂，故用于高功率的输出器件时，应注意冷却。实验证明，在没有采取冷却措施时,锗片允许的功率密度为 26W/，采用压缩空气致冷时，允许功率密度2cm提高到约 30W/，当冷却到-40时，功率密度允许到 88W/。选用半导2cm2cm体锗时，一般都用 N 型锗，因为 N 型锗的吸收系数比 P 型锗低约 1020 倍。GaAs 的吸收系数也非常小，它的机械性能、化学性能和热性能部比较好，吸收系数随温度的变化没有锗那样剧烈，因此，大功率器件一般都用 GaAs 面不是锗片。但它比锗贵得多。TeS 的吸收系数也很小，它的化学稳定性机械性能和导热性都较好，但目前还比较难获得大块晶品材料。连续激光器的电源大多

23、采用直流辉光放电电源，电源能提供几千伏到2CO上万伏的直流电压。由于辉光放电的负阻特性，必须串接限流电阻才能使放电稳定。限流电阻的值约为放电管等效内阻的几分之一。限流电阻越大，放电越稳定，但功率损耗增大。当放电管比较长时，需要分段进行激发，这时容易出现各段不能同时均匀放电的现象。为了解决这个问题，设计电路时要有电压自动调节装置。激光器的输出功率随着放电管长度加长而增大。输出功率相放电管长2CO度 L 间有经验关系PKL 激光器在充+He 气且总气压和放电电流都为最佳条件下，对2CO2CO2N于长度为数米以下的管子，多横模输出时 k=4050W/m 单模输出时 A2030W/m对于 l0 米以上

24、的则为 100W/m,50 米以上的为 180W/m。激光器的输出功率与放电管的内径关系不大，这是因为在总气压强一2CO定时，内径增大，则总粒子数增加，这有利于提高输出功率；但内径大将造成管中心区域散热慢，以致使激光下能级抽空速率变慢及谱线宽度增加导致输出功率下降，总的结果使得频率基本不变。但内径的选取不是任意的，应从其他方面的要求去选择合适的管径。例如；为了选模，可采用小口径的管子；10TEM为了实现单纵模输出，常用长度短和口径小的管子；对于大功率激光器，为了减小衍射损耗、防止在大功率输出时产生功率密度饱和及防止过高的功率密度造成谐振腔元件的发热损坏，这时要选较粗的放电管等等。对激光器的输出

25、功率来说，放电电流也有最佳值，这是因为电流升高，2CO放电管内的电子数目增多，可以激发更多的反转粒子数，但电子过多又会因碰撞激发而使反转板子数减少。激光器的最佳放电电流与放电管的直径、管2CO内的总气压以及气体混合比有关。实验发现，随着管径的增大，最佳放电电流增加，例如管径为3030mm 时，最佳放电电流约为 3050mA，管径为5090mm 的最佳放电电流为 120250mA。放电管两端的直流管压降 V 受 EP值(或 EN)和稳定放电两方面限制。当 EP 值低时，放电管内的电子转换效率高，但因 EPV/LP(V 为放电管端电压，L 为放电管长度)，EP 低意味着 V 低或 P 高，V 太低

26、和 P 过高都将影响放电管正常稳定放电。为了兼顾以上两方面，一般取EP0.0750.15V. 1cm1Pa由此可确定最佳放电电压。例如对 1 米长的放电管充气压为 1333Pa 时，最佳放电电压为V(0.0750.015)LP=1020kV CO 激光器原理2CO 线性对称排列的三原子分子，三个原子排成一直线，中央是碳原子，2两端是氧原子。CO 分子处于不断振动中，其基本振动形式有三类：对称振动、2形变振动和反对称振动。对称振动，即碳原子不动，两个氧原子在分子轴上同时相向或背向碳原子振动。对称振动的振动能量是量子化的，其大小与振动量子数（用表示对称1振动方式的振动量子数,=0,1,2）有关。1

27、形变振动方式，三个原子的振动方向不是沿分子轴，而是垂直于分子轴，并且碳原子的振动方向与两个氧原子的相反。用(=0,1,2) 22 氧 碳 氧CO 分子模型2CO 分子对称振动2CO 分子形变振动2CO2分子反对称振动表示这一振动方式的振动量子数，相应的振动能量与有关。这类振动是二度2简并的，因为它对应着两种振动方式，一 种是在纸面上下变形振动，另一种是在垂 直纸面内作前后变形振动。在没有外界干 扰时，这两种振动方式所具有的能量相同。 由于形变振动存在着二个相互垂直的振动， 其合振动构成圆周运动，合振动的角动量 在分子轴上的投影也是量子化的，用量子数 l 表示。于是形变振动应表示为。l 2反对称

28、振动方式，三个原子沿分子轴振动，其中碳原子的振动方向相反。用(=0,1,2,)表示这一振动方式的振动33量子数，振动能量与的大小有关。3CO 分子的总振动能量应是上面三类振动方式的能量之和，所以振动的能2量状态应由三个振动量子数、和来确定，其振动能级用标记。1231l 23CO 分子可能产生的跃迁很多，但其中最强的有两条，一条是的跃迁 00 1210 0，跃迁波长为 10.6um。另一条是 00 102 0,跃迁波长为 9.6um.其跃迁过程是这样的：外界能量将分子从基态激发到激光上能级 00 1、 00 1 向10 0 或 02 0 跃迁时辐射光子。CO 分子跃迁到 10 0 和 02 0 能级后不能直接 2跃迁到基态，而是通过与基态粒子碰撞跃迁到 01 0 能级，然后再通过与其它粒1子碰撞后返回到基态。可见，CO 属于四能级系统。CO 激光器多以放电泵浦。22实验目的：学习 CO 激光器的发光原理测距原理，学习激光器输出功率的2测试过程。CO 分子部分能级跃迁2实验原理：（略）