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第 6 章 激光在精密测量中的应用（ 3 ）

6.5 激光多普勒测速6.6 环形激光测量角度和角加速度

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6.5 激光多普勒测速激光多普勒测速的原理：用一束单色激光照射到随流体一起运动的微粒上，测出其散射光相对于入射光的频率偏移，即所谓的多普勒频移，进而确定流体的速度。

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运动微粒上接收到的光源入射光的频率如图 6-30 所示，静止光源 O发出一束频率为 的单色光，该单色光入射到与被测流体一起运动 ( 速度为 ) 的微粒Q上，微粒 Q接收到的光的频率是

υ

图 6-30 频率为 的单色光入射到速度为 的微粒 Qυ

iν

)1()-

1( c

eυν

c

eυνν i

ii

iQ

iν

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静止接收器上接收到的运动微粒散射光的频率

如图 6-31 所示，因此在 S 处接收到的散射光的频率应为

常采用差频法测量多普勒频移。

即将入射光与散射光混频，两束光“混频”产生的拍频信号的频率就是多普勒频移。 图 6-31 S 处接收到的微粒 Q 散

射光 的频率 sν

iisi

sii

sQs

νeec

υν

c

eυ

c

eυν

c

eυνν

)(

)1)(1()1(

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差频法测速可分为两类：

参考光束型多普勒测速：检测散射光和入射光之间的频移（多普勒频移）；

双散射光束型多普勒测速：检测两束散射光之间的频差（多普勒频差）。

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参考光束型多普勒测速图 6-32 所示为参考光束型测速方法的光路的原理图

设 和 分别表示参考光和散射光的电矢量的瞬时值 则

合成光强 I 应正比于合成电矢量的模平方，由四项组成

( )iE t ( )SE t

iiii tνjEtE 2exp SSSS tνjEtE 2exp

2 2 2( ) ( ) ( ) ( ) exp{ [2 ( ) ( )]}

exp{ [2 ( ) ( )]}i S i S i S i S i S

i S i S i S

I E t E t E t E t E E j ν ν t

E E j ν ν t

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参考光束型多普勒测速 ( 续 )光电倍增管实际感受到的合成光强可表示为

光电倍增管输出的光电流正比于它接收到的光强，用复指数函数的实部表达它的规律为

0 exp{ [2 ( ) ( )]}i S i S i SI I E E j ν ν t

0 cos[2 ( )]m D i Si i i ν t

多普勒频移为 iisisD νeec

υννν )(

如图 6-32 可得

2sin

2

2sin2)(

c

uννueeueeυ iDisis

若入射光在真空中的波长为 i ，则有

2sin22

sin2

2sin

2

Diii

D uc

cu

c

uνν

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双散射光束型多普勒测速 双散射光束型测速方法是通过检测在同一测量点上的两束散射光的多普勒频差来确定被测点处流体的流速的。如图 6-33 所示为干涉条纹型。

2sin22

sin2

)(

)(

)(

12

22

11

Dsi

iDs

iiiDs

iisis

iisis

νu

uν

νeec

υν

νeec

υνν

νeec

υνν

或应用前面的推导

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血液流速的测量 图 6-34 是激光多普勒显微镜光路图

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光纤多普勒测速仪原理图

图 6-35 用于血液流速测量的光纤激光多普勒测速仪原理图

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管道内水流的测量 双散射型测量光路

图 6-36 测量管道内水流速度分布的激光多普勒测速系统原理图

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环形激光精密测角Sagnac 效应：利用一种环形干涉仪，当环形干涉仪转动时，沿顺时针方向传播和沿逆时针方向传播产生的光程差，测量该光程差引起的干涉条纹变化，达到测角的目的。

图 6-37 环形干涉仪的 Sagnac 效应

ldrcc

Lldr

cld

ctcw

22

111

ldrcc

Ltccw

2

1

二者之差为

c

StcL

c

Sldr

cldr

ct

ldrS

ldrc

t

4422

2

1

2

222

2

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光纤陀螺光纤陀螺也是基于 Sagnac 效应。以长度为的光纤绕成直径为的由个圆圈组成的光纤圈，其直径和圆面积可以分别表示为：

光程差则可以表示为

提高测角精度的方法：加大直径、增加圈数。实用的环形激光测角采用光纤陀螺仪。

图 6-39 光纤陀螺仪示意图

N

LD

2

22

44 N

LDS

c

LD

c

SNL

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第 5 章 典型激光器介绍各种工作物质、运转方式的激光器不断出现。按工作波段分类：红外和远红外激光器、可见光激光器、紫外和真空紫外激光器、 X 射线激光器。按运转方式分类：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器。按激光器工作物质分类：固体激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器。

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固体激光器固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器。 常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石 (Nd3＋ :YAG)等三种 。固体激光器的特点：输出能量大 ( 可达数万焦耳 ) ，峰值功率高( 连续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达千兆瓦、几十太瓦 ) ，结构紧凑，牢固耐用。广泛应用于工业、国防、医疗、科研等方面，例如打孔、焊接、划片、微调、激光测距、雷达、制导、激光视网膜凝结、全息照相、激光存储、大容量通信等。

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Nd3 ＋ :YAG 激光器 突出优点：阈值低和具有优良的热学性质，这就使得它适于连续和高重复率工作。Nd3＋ :YAG 是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质，在中小功率脉冲器件中，特别是在高重复率的脉冲器件中，目前应用 Nd3＋ :YAG 的量，远远超过其它固体工作物质。可以说， Nd3＋ :YAG从出现至今，大量使用，长盛不衰。

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气体激光器气体激光器是以气体或蒸气作为工作物质的激光器。与其它种类的激光器相比较，气体激光器的突出优点 : 输出光束的质量好 ( 单色性、相干性、光束方向和稳定性等 ) 。因此，在工农业生产、国防和科学研究中，都有广泛的应用。三种典型气体激光器：

He-Ne 激光器：具有结构简单、使用方便、光束质量好、工作可靠和制造容易等优点，至今仍然是应用最广泛的一种气体激光器。主要谱线是 0.6328m 红光，黄光 (0.594m) 、绿光 (0.543m) 和橙光 (0.60

6m 、 0.612m)

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典型气体激光器 ( 续 )

二氧化碳 (CO2) 激光器：是以 CO2 气体分子作为工作物质的气体激光器。其激光波长为 10.6m 和 9.6m 。优点：它既能连续工作，又能脉冲工作，输出大，效率高。它的能量转换效率高达 (2025)％，连续输出功率可达万瓦量级，脉冲输出能量可达万焦耳，脉冲宽度可压缩到毫微秒。被广泛用于材料加工、通信、雷达、诱发化学反应、外科手术等方面，还可用于激光引发热核反应，激光分离同位素以及激光武器等。

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典型气体激光器 ( 续 )

离子 (Ar ＋ ) 激光器：以气态离子的不同激发态之间的激发跃迁进行工作的气体激光器。Ar ＋激光器的激光谱线很丰富，主要分布在蓝绿光区，其中，以 0.4880m蓝光和 0.5145m绿光两条谱线最强。Ar ＋激光器既可以连续工作，又可以脉冲状态运转。连续功率一般为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可见光区连续输出功率最高的气体激光器。它已广泛应用于全息照相，信息处理，光谱分析及医疗和工业加工等许多领域 。

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染料激光器染料激光器受到人们重视的原因是：

①输出激光波长可调谐，某些染料激光波长可调宽度达上百毫微米；

②激光脉冲宽度可以很窄，目前，由染料激光器产生的超短脉冲宽度可压缩至飞秒 (10－ 15秒 ) 量级；

③染料激光器的输出功率大，可与固体激光器比拟，但价格便宜，同样的输出功率，它只是固体激光器的千分之一；

④染料激光器工作物质具有均匀性好等优良的光学质量。它在光化学、光生物学、光谱学、化学动力学、同位素分离、全息照相和光通信中，正获得日益广泛的重要应用

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半导体激光器半导体激光器：以半导体材料作为激光工作物质的激光器。它具有超小型、高效率、结构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。它是目前光通信领域内使用的最重要光源，并且在 CD 、VCD 、 DVD 播放机、计算机光盘驱动器、激光打印机、全息照相、激光准直、测距、及医疗等许多方面都获得了重要应用。

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其它激光器 准分子激光器： ( 如 ArF ， 193nm ，用于光刻机 )

自由电子激光器：工作物质是自由电子束，利用电子加速器 。 输出的激光波长可在相当宽的范围内连续调谐，原则上可从厘米波一

直调谐到真空紫外。 可以获得极高的光功率输出。 将在激光分离同位素、激光核聚变、光化学、激光光谱和激光武器等

方面有着重大的应用前景。目前，自由电子激光器仍处于试验阶段。化学激光器：将化学能直接转换成激光 、输出的激光波长丰富 、高功率、高能量激光输出 。光纤激光器。