第六章典型光电测试系统

济南大学物理科学与技术学院1第六章典型光电测试系统光电测试具有非接触、实时和高精度等优点，应用越来越广泛。由于测试对象、任务要求、测试原理及测试精度等指标的不同，因此就形成了各种光电测试系统。济南大学物理科学与技术学院2光电检测系统分类主动系统/被动系统(按信息光源分)红外系统/可见光系统(按光源波长分)红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器可见光系统多用于民用点探测/面探测系统(按接受系统分)用单元探测器接受目标的总辐射功率用面接受元件测量目标的光强分布模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分)直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携带方式分)济南大学物理科学与技术学院3主动系统通过信息调制光源,或者光源发射的光受被测物体调制.返回济南大学物理科学与技术学院4被动系统光信号来自被测物体的自发辐射返回济南大学物理科学与技术学院5直接检测/相干检测直接检测: 无论是相干或非相干光源，都是利用光源发射的光强携带信息。光电探测器直接把接受到的光强的变化转换为电信号的变化，然后，用解调电路检出所携带的信息。相干检测: 利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。因为用光波的相干原理，只能用相干光。类似于无线电外差检测，故又称光外差检测。济南大学物理科学与技术学院6典型的光电检测系统直接检测系统（光强调制）莫尔条纹测长仪激光测距仪激光准直环境污染检测系统光外差检测系统激光干涉测长仪（相位调制）多普勒测速（频率调制）光外差通信济南大学物理科学与技术学院7光电开关光电开关分为主动型和被动型开关。

主动型：由LED管和光电二极管、光电三极管等组成。

被动型：由光敏电阻、光电二极管等组成。1.透射分离式主动开关将发光管和光电接收管相对安装，形成光通路。无物体挡光时开关接通，有物体挡光时开关关闭。济南大学物理科学与技术学院8由许多光电开关组成的一个点阵，可用于计算机的键盘输入开关。键盘静止时全部光电开关输出为0态，当某一键按下时，被挡光的开关输出为1态，这样可构成一定的码对应于输入字符。此外，透射分离式主动开关也用于工业自动控制、自动报警及一些引爆、燃烧等封闭室内的室外点火等控制。济南大学物理科学与技术学院92.反射型主动开关反射型主动开关的发光管和光电接收管平行安装（或略有倾角）。当发光管发出的光遇到障碍时，在距离足够近时，由障碍物反射回来的光被光电接收管接收而使开关动作。这种开关可应用于各种机械运行的行程限制、位置传感，也有效地用于汽车的紧急制动。济南大学物理科学与技术学院10（a）反射型主动开关示意图（b）用光纤引导的光电开关，可作为开关用于狭窄区域内。（c）用于液面自动探测的光电开关济南大学物理科学与技术学院113.光电耦合器发光管和光电接收管用耐高压的塑料封结在一起，可形成光电耦合器。可实现用低压电器或低压电路控制高压电路，光电耦合器成为一个隔离开关。适当设计也能起到变压器使用。若把光电接收管这一边接入可控硅电路，光电耦合器可形成固体继电器。它还可以在过载保护电路中作为开关。济南大学物理科学与技术学院124.编码计数型主动开关光电开关可工作在开关状态，那么就很容易变换成计数状态或编码控制状态。测量照相机快门动作时间。发光管发出频率的光脉冲，他放在快门的一边，光电接收管在快门的另一边。当快门打开前计数器预先归零。快门打开时，光电转换后的电脉冲使计数器计数。快门关闭时，计数停止。计数器所计脉冲个数与脉冲周期之乘积就是快门开启时间。济南大学物理科学与技术学院135.被动开关

利用自然光源的特性对光电开关提供信号，形成被动开关。自然光源多为物体自发辐射，辐射能量多在红外光谱范围内，所以组成开关的接收器是热电器件、红外光敏电阻或红外光电二极管。热释电探测器件作光敏元件，将球面反射镜安放在房子的墙角以会聚入射的光能。热释电探测器有两个特点：一、只响应突变的或交变的辐射，二、响应光谱无选择性。济南大学物理科学与技术学院14它对静止的环境辐射不做反应，而能够探测人的活动。当人走近光电开关作用区域时，热释电器件接收人身辐射，输出电脉冲信号，使被动开关接通，其过程如下：光电脉冲经放大器和带通滤波器后形成控制信号去触发定时器。定时器可人为设定时间，在设定时间内控制信号控制报警器发声，定时完毕后开关断开。济南大学物理科学与技术学院15光电转速计一般转速表的缺点：测量范围小，精度不高，测量时与被测对象刚性连接，给对象以附加负荷，不适合于小功率情况下测量。光电转速计可以避免这些缺点，容易使测量自动化和数字化。广泛应用于电动机、内燃机、透平、水轮机及各种机床的转速测量和调节中。济南大学物理科学与技术学院16光电转速计原理盘1装在欲测转速的轴上，光源2发出的光线，经盘1调制后透射或反射至光电探测器3，转速可由光电探测器3产生的脉冲频率决定。济南大学物理科学与技术学院17为了寿命长、体积小、功耗少，提高可靠性，光电探测器多采用光电池、光敏二极管或光敏三极管，光源用发光二极管。每分钟的转速n与频率f的关系：n=60f/m，m是孔数或齿数或黑板块的数目。只要测出频率就能决定转速或角速度。下面只对计数测频法和周期测频法做简要介绍。频率测量(1)计数测频法计数测频法的基本思想就是在某一选定的时间间隔内对被测信号进行计数，然后将计数值除以时间间隔（时基）就得到所测频率。济南大学物理科学与技术学院18被测信号1通过脉冲形成电路转变成脉冲2（或方波），其重复频率等于被测频率fx，然后将它加到闸门的一个输入端。闸门由门控信号4来控制其开、闭时间，只有在闸门开通时间T内，被计数的脉冲5才能通过闸门，被送到十进制电子计数器进行计数，从而实现频率测量。门控信号的作用时间T是非常准确的，以它作为时间基准（时基），它是时基信号发生器提供。时基信号发生器有一个高稳定的石英振荡器和一系列数字分频器组成，由它输出的标准时间脉冲（时标）去控制门控电路形成门控信号。济南大学物理科学与技术学院19(2)周期测量法在周期测量法中，采用固定频率很高的参考脉冲fs作为计数器的脉冲源，而让被测信号fx经整形后再经过一个门控电路去控制闸门，其电路原理如下：在门控电路输入的两个下降沿之间，门控电路输出高电平使闸门打开，计数器对fs进行计数，从而实现闸门开启时间的测量。闸门开启的时间就是被测信号的周期，周期倒数就是频率。济南大学物理科学与技术学院20对高频测量，计数测频法有较高的精度，随着被测频率的降低，其相对误差逐渐增大。对低频测量，周期法有较高的精度，随着被测频率的增高，其相对误差逐渐增大。济南大学物理科学与技术学院21莫尔条纹测长仪莫尔条纹携带一维信息已广泛应用于测量长度、角度，数控系统及光学传递函数测量等方面。莫尔条纹携带三维信息在测量应变、物体表面不平度、液体薄膜厚度及医学诊断与机器人视觉等方面的非接触测量中也得到较好的应用。济南大学物理科学与技术学院22莫尔条纹的原理将两块光栅(节距分别为P1和P2)叠加在一起,并且两者的栅线成很小的角度θ,当光栅对之间有相对运动时（运动方向与主光栅栅线垂直），透过光栅能看到如图所示的明暗相间的莫尔条纹.这就是莫尔条纹的光强调制作用．黑白光栅、位相光栅（干涉和衍射）长光栅莫尔条纹的形式横向条纹:P1=P2,θ很小;纵向条纹:P1~P2,θ=0;斜条纹:P1~P2,θ很小.纵向条纹横向条纹长光栅莫尔条纹播放动画长光栅光闸莫尔条纹播放动画济南大学物理科学与技术学院25设光栅对的栅线交角为，取主光栅A的零号栅线为y轴，垂直于主光栅A栅线的方向为x轴。x与y在零号线的交点为原点。主光栅与指示光栅各刻线交点的连线即构成了莫尔条纹。如果主光栅刻线序列用i=0,1,2,3……表示，指示光栅刻线序列用j=0,1,2,3……表示，则两光栅刻线的交点为[i，j]，则莫尔条纹l由两光栅各同刻线交点[0，0]，[1，1]，[2，2]……连线构成。设主光栅A的栅距为P1，指示光栅B的栅距为P2，由图看出，主光栅A的刻线方程为（6-2）济南大学物理科学与技术学院26指示光栅B的刻线j与x轴的交点坐标为（6-3）莫尔条纹1是由A、B两光栅各同i=j刻线的交点连接而成，所以其莫尔条纹的方程为（6-4）（6-5）莫尔条纹1的斜率为

（6-6）

济南大学物理科学与技术学院27莫尔条纹1的方程可表示为（6-7）同样可以求得莫尔条纹2和3的方程（6-8）（6-9）由莫尔条纹1、2、3的方程我们可以得出：莫尔条纹是周期函数，其周期。它也称为莫尔条纹的宽度B。当P1=P2时，则由式（6-6）可得

（6-10）济南大学物理科学与技术学院28济南大学物理科学与技术学院就得到“横向莫尔条纹”。横向莫尔条纹与x轴的交角为。实用中两光栅的夹角很小，因此，可以认为莫尔条纹几乎与y轴垂直。当，而时，就得到了严格的横向莫尔条纹。因此当两光栅栅距不同时，总能找到一个角度，得到横向莫尔条纹。当，时，就得到了图6-11（b）所示的纵向莫尔条纹。其他情况都是斜向莫尔条纹，如图6-11（c）所示。济南大学物理科学与技术学院29莫尔条纹的特性光栅的节距比光的波长大很多.莫尔条纹的宽度B（mm)、光栅的节距P(mm)和夹角θ(rad)之间的关系为：当两光栅沿垂直于栅线的方向相对移动时，莫尔条纹将沿平行于栅线的方向移动．光栅每移动一个节距Ｐ，莫尔条纹移动一个宽度Ｂ．因为θ很小，放大倍数Ｋ很大．例如:θ=20’,K=172斜向条纹在计量光栅中取P1=P2，且栅线夹角很小。当主光栅相对于指示光栅移动一个栅距是，莫尔条纹就移动了一个条纹间隔。在某一点观察时，能看到随着光栅的移动某点的透过光强作明暗交替变化，这就是莫尔条纹的调制作用。莫尔条纹把光栅位移信息转化为光强随时间变化的信号。在空间上光栅移动的周期为P1,而莫尔条纹移动的周期是B。可见莫尔条纹有放大作用，放大系数K=B/P1。虽然光栅栅距很小，但是它移动一个栅距，莫尔条纹一个周期在空间尺寸上要大几百倍，这样就便于安装光电测量头进行测量。此外，莫尔条纹是由一系列光栅刻线交点组成的，光电器件接收莫尔条纹的透过能量时是覆盖了莫尔条纹的一部分，即同时接收到许多栅线构成的条纹透过能量。这样既能得到足够的光能量，有很到的信噪比，而且还能对刻线的工艺误差有平均作用，平均的结果是刻线误差在测量中的影响减小。2.圆光栅莫尔条纹两块圆形光栅重叠在一起也可以形成莫尔条纹。利用圆光栅莫尔条纹可以直接进行角度测量。圆光栅可分为：径向圆光栅和切向圆光栅。径向圆光栅的刻线都从圆心向外辐射；切向圆光栅的切线都切于一个小圆。径向光栅莫尔条纹是由两块栅距角相同的径向光栅保持一个较小的偏心量e叠合形成圆弧莫尔条纹，其径向光栅莫尔条纹图案如图6-12（a）。在沿着偏心的方向上，产生近似平行于栅线的纵向莫尔条纹；在位于与偏心方向垂直的位置上产生近似垂直于栅线的莫尔条纹、其他地方为斜向莫尔条纹。播放中……径向光栅：圆弧莫尔条纹单击准备演示播放动画济南大学物理科学与技术学院33切向光栅所形成的莫尔条纹如图6-12（b）。它是由两块刻线数相同、切向方向相反而切线圆半径分别为r1，r2的切向圆光栅同心叠合得到的莫尔条纹。莫尔条纹是圆环形的，于是把它成为圆环莫尔条纹。圆环莫尔条纹主要用于检查圆光栅的分度误差及高精度测角。切向光栅：环形莫尔条纹播放动画播放中……单击准备演示光闸莫尔条纹播放动画播放中……单击准备演示辐射形莫尔条纹播放动画莫尔条纹测长原理当长光栅固定，指示光栅相对移动一个栅距，莫尔条纹就变化一个周期。一般情况下指示光栅和工作台固定在一起。工作台前后移动的距离由对指示光栅和长光栅形成的莫尔条纹进行计数来得到。指示光栅相对于长光栅移动一个栅距，莫尔条纹变化一个周期。工作台移动进行长度测量时，指示光栅移动的距离为xP是光栅栅距，N是指示光栅移动距离中包含的光栅线对数，是小于一个光栅栅距的小数。在莫尔条纹测长仪中，最简单的形式是对指示光栅移过的光栅线对数N进行直接计数。但实际系统并不单纯计数，而是利用电子细分方法将莫尔条纹的一个周期细分，于是可以读出小数部分，是系统的分辨能力提高。目前电子细分可分到几十分之一到百分之一。如果单纯从光栅方面去提高分辨率，光栅栅距再做小几十倍，工艺上难以达到。济南大学物理科学与技术学院38莫尔条纹测长仪两块光栅：一块为指示光栅与工作台固定．一块为长光栅．工作台前后移动的距离由两块光栅形成的莫尔条纹进行计数得到．指示光栅相对移动一个节距，莫尔条纹变化一周．指示光栅移动的距离为：

Ｎ：指示光栅移动距离中包含的光栅线对数，δ：小于１个光栅节距的小数．简单光栅读数头１：灯，２：聚光镜，３：指示光栅，４：长光栅，５：光电探测器济南大学物理科学与技术学院39莫尔条纹测长仪光电探测器接收到的明暗变化的光信号转换成电信号；通过对莫尔条纹的直接测量，可以测得光栅的位移量；在较宽的莫尔条纹间隔内安放细分装置进行细分，可读取位移的分数，提高测量的灵敏度和精度．光栅输出信号波形细分判向原理电子细分方式用于莫尔条纹测长中有好几种，四倍频细分是用的较为普遍的一种。系统组成：光栅一侧是照明光源，另一侧是四个柱面聚光镜接受光栅透过的光能量，四个柱面透镜布置在莫尔条纹的一个周期B的宽度内，相互间相差1/4莫尔条纹周期。在每个柱面镜的焦点上各放一个光电二极管。济南大学物理科学与技术学院41取样信号：当指示光栅移动一个栅距时，莫尔条纹变化一个周期，四个光电二极管输出四个相位相差90度的近似于正弦的信号。工作原理：将取样信号送到信号处理电路中，四个正弦信号经整形电路后输出为相位差为90度的方波脉冲信号，便于后面计数器对信号脉冲进行计数。于是莫尔条纹变化一个周期，在计数器中就得到四个脉冲，每一个脉冲就反映1/4莫尔条纹周期的长度，是系统的分辨能力提高了4倍。计数器采用可逆计数器是为了判断指示光栅运动的方向。当工作台前进时，可逆计数器进行加法运算，后退时进行减法运算。细分电路还可以由其他形式的电路实现，也可由单片机实现。细分程度与波形的规则程度有关。济南大学物理科学与技术学院42莫尔条纹测长仪的应用工业自动化中的核心测控部件小型智能化的长度测试仪器，用于对长度、直径、厚度、表面形状、粗糙度等多种参数的测量。新一代的计量测试工具某些几何量计量检测仪器的核心转换系统某些物理量的计量检测仪器的核心转换系统纳米级测量的重要仪器非接触在线测量控制仪器济南大学物理科学与技术学院435.3.2激光测距仪激光测距仪的类型脉冲激光测距仪相位激光测距仪激光测距仪的特点测程远、测量精度高结构小巧、携带方便快速、非接触式距离测量激光对点准确受气象条件影响较大激光测距仪广泛应用于工业、国防军事、科学技术。济南大学物理科学与技术学院44一、脉冲激光测距仪测距原理：由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接受目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来计算出目标的距离。测距仪原理： 由激光发射系统、接受系统，门控电路、时钟脉冲振荡器和计数器等组成。济南大学物理科学与技术学院45脉冲激光测距仪发射系统接收系统接收光学系统光电探测器低噪声宽带放大器整形电路门控电路时钟脉冲振荡器计数显示器激光器：LD，ND：YAG（调Q/锁模）电源发射望远系统物镜小孔光阑干涉滤光片1.工作过程脉冲激光测距仪的原理框图济南大学物理科学与技术学院47激光器发射激光脉冲被分为两部分：参考信号和回波信号。回波脉冲经光电探测器变换成电信号，再经放大和整形后，将电子门打开，使通过电子门的时钟脉冲进入计数器开始计时；当回波脉冲（负与门）到来时，关闭电子门。在参考和回波脉冲之间计数器所接收到的时钟脉冲个数代表来被测距离。时钟频率越高，测量的分辨率越高。但分辨率最终取决于激光脉冲的上升时间。脉冲测距波形济南大学物理科学与技术学院482.发射系统发射系统一般由激光器、电源和发射望远系统组成。激光器输出的光脉冲峰值功率极高，在兆瓦量级，脉冲宽度在几十毫微秒量级。发射望远系统是倒置的伽利略望远镜，可以进一步压缩激光的发散角，有利于提高作用距离。目前已有的脉冲激光测距仪，主要是发射系统有较大差异。例如：1）半导体激光器做发射系统，距离近（2km以内）、体积小、轻便；2）固体调Q激光器做发射系统使用最广泛，红宝石固体激光器工作波长0.6943um，适合于气象研究。CO2激光器在大气中传播损失小，功率也大，适合军事目的。济南大学物理科学与技术学院493.接收系统接收系统由接收光学系统、光电探测器、低噪声宽带放大器和整形电路组成。脉冲激光回波信号通过接收物镜、小孔光阑3及干涉滤光片4后到达光电探测器5上，光电探测器把光信号转变成电信号，再经过低噪声宽带放大器送到整形电路。小孔光阑的作用是限制视场角，阻挡杂光进入系统。干涉滤光片只允许激光光谱信号进入系统，阻止背景光光谱进入探测器，从而有效地降低背景噪声，提高信噪比。要求：光电探测器不仅应有较高的探测度，而且应用较小的响应时间（应比光脉冲宽度短两个数量级）。同时光电探测器后面的放大器一定是低噪声的宽带放大器，因为远离目标的回波脉冲极弱，另外放大器的通频带带宽却要很宽，否则信号畸变大。济南大学物理科学与技术学院50二、相位激光测距仪相位测距原理：

相位激光测距是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。济南大学物理科学与技术学院51若调制光角频率为ω，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间t可表示为：t=φ/ω距离L可表示为式中：φ——信号往返测线一次产生的总的相位延迟。ω——调制信号的角频率，ω=2πf。济南大学物理科学与技术学院52N：测线所包含调制波长个数。ΔN：测线所包含不足波长的小数部分。

L0：称为测尺长，又称“光尺”。相位延迟：被测距离：距离的测量变成了测线所包含波长个数和不足一个波长的小数部分的测量。济南大学物理科学与技术学院53测量信号相位的方法都不能确定出相位的整周期数N，只能测定不足2π的尾数N。由于N值不确定，距离L就成为多值解。测程长，精度低；反之，精度高，则测程短解决方法：用两个频率的波（两个不同的光尺）进行测量，一个用来测量距离的大数，另一个用于精确测量距离的尾数。就可以既扩大测程又保证精度。如果需要还可以用更多的频率测量。举例：用两把精度都是千分之一的光尺，其中一把L01=10m，另一把L02=1000m，分别测量同一距离，然后把测得的结果相互结合即可。比如：一段距离为386.57m，用L01测量得到不足10m的尾数6.57m，用L02测量得到不足1000m的尾数386m。结合起来就得到被测长度。济南大学物理科学与技术学院55差频相位检测原理■调制频率越高,测量精度越高.但是,一般相位计工作在低频区.■差频后两信号都工作在低频区,但相位差仍保持高频信号的相位差φs.差频后:济南大学物理科学与技术学院56相位激光测距仪的原理精主振f1(高频)和粗主振f2(低频)，由开关控制依次对发光管供电进行两次测相检相器只能工作于较低频率，故设立精本振频率f1-fc，粗本振频率f2-fc基准混频器对本振电压和主振电压进行混频外差，进行外差，输出低频fc的基准电压信号混频器对本振电压和输出信号进行混频外差，输出低频fc的信号电压信号与基准电压的有相同的频率,但相位差仍保持高频信号的相位差.由检相计检出相位差.两次测相的结果输入计算电路计算得到测量结果。济南大学物理科学与技术学院57相位激光测距仪的原理图济南大学物理科学与技术学院58激光干涉测量仪干涉测量是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。干涉测量大都是非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度。激光干涉测量应用十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。济南大学物理科学与技术学院59一、双频激光测长仪1.测长原理济南大学物理科学与技术学院60激光器出射的两束激光强度相同，两者的频差很小，f2-f1=1~2MHz，分别为左旋和右旋圆偏振光，其中少部分被分束镜B1反射，经透振方向与纸面成45°的检偏振器P1形成两束频率相近而振动方向相同的线偏振光f1和f2，产生拍频f2-f1，由光探测器D1转换成电信号。其中，频率为f2-f1的交流成分由参考计数器C1记录。透过分束镜B1与1/4波片的两束光，因振动方向相互正交而在偏振分束镜B2处分开，频率为f1的线偏振光全部反射到固定的角锥棱镜M1上，频率为f2的线偏振光全部投射到可动的角锥棱镜M2上，从M1，M2反射回B2后，两束光的振动方向均因两次通过1/4波片而偏转90°，在经45°放置的检偏器P2，形成频率为f2-f1的测量信号，为光电探测器D2接收和计数器C2记录。通过减法器S连续的把C2和C1所记录的频率数进行比较，并在指示器T上显示出其偏差。当M2不动时，C2和C1所记频率同为f2-f1，T的示值为零。如果M2以速度v移动，产生的多普勒频移C2上所记频率不再是f2-f1，而是f2-f1±△f。如果在测试时间t内棱镜M2移动的距离为L，对从减法器S所得的±△f进行累计得实际位移量（待测长度）为。式中N是测量时间内扫描的条纹数。在双频激光测长仪中，N值是由D2和D1输出的光电信号经过电子线路处理（放大、整形、细分等）后进入计算机求得的。济南大学物理科学与技术学院62双频激光干涉仪不但能测量长度，而且能够测量角度。用一个光束偏转器使两束激光光束相互平行，干涉仪可测量两个反射器的相对运动，直接从干涉仪的读数机构读出角位移。济南大学物理科学与技术学院632.双频测长仪与单频干涉仪的比较双频激光测长仪与常规的单频激光干涉仪都是以光波波长为标准对被测长度进行精密度量的仪器，其区别有如下三点：用于测长的常规单频激光干涉仪中，可动棱镜移动时引起两臂位相差改变，直接检测的是两臂光束干涉条纹强度和对比度的变动。双频测长仪中可动棱镜移动引起多普勒频移，直接检测的是测量信号与参考信号的频率差。当可动镜不动时，前者的干涉信号是介于最亮与最暗之间的直流信号，而后者的干涉信号是频率为f2-f1的交流信号。可动棱镜移动时，前者的干涉信号是在最亮与最暗之间缓慢变化，而后者是使原来的交流信号频率增减△f，仍然是交流信号。后者可用高放大倍数的交流放大器增强较弱的干涉信号，克服由于光强减弱，大气扰动及电子线路直流漂移等因素对测量精度的影响。单频干涉仪对装置的机械振动十分敏感，因此对工作台稳定性有严格要求，振动越强，干涉条纹的来回移动越强烈，计数是必然相应的进行加减，双频测长仪的干涉条纹是运动的，按时间顺序入射到光探测器上，因而对振动不敏感，防震要求不严，可以应用到工业环境。济南大学物理科学与技术学院643.双频激光的产生将在干涉计量中常用的0.6328um谱线中心频率作单纵模运转的氦氖激光器置于轴向磁场中，激光谱线在外磁场作用下发生塞曼分裂，并具有偏振性质。所分成的两条谱线的频率间隔取决于磁场强弱。外磁场一般取0.02T较为适宜，要求尽可能均匀，相应的谱线频差味1.5MHz。济南大学物理科学与技术学院65二.激光小角度干涉仪激光小角度测量原理小角度测量场采用正弦原理。将R固定，用激光干涉测长的办法测出H，就可求得角度值。济南大学物理科学与技术学院66激光器1发出的激光束经分束器3分为两路，一路沿光路a摄像角锥棱镜2，一路沿光路b射向参考镜4，当棱镜在位置Ⅰ时，沿光路a前进的光束经角锥棱镜转180度后，沿光路c射向反射镜5，然后反射，从原路返回到分光器并与从b路返回的参考光会合产生干涉。当棱镜移动位置Ⅱ时，沿光路a前进的光束由于棱镜及平面反射镜作用，使它们仍按原路返回，不产生光点移动，从而干涉图像相对接受元件的位置保持不变。棱镜在位置Ⅰ和位置Ⅱ的光程差为为什么？济南大学物理科学与技术学院67济南大学物理科学与技术学院68济南大学物理科学与技术学院69测量结构的改进为了提高装置的灵敏度，还可在对径位置上布置两个角锥棱镜构成差动式结构。干涉仪经过两次光倍频，使得每一条干涉带相应的程差变为，同时由于可逆记录器采用四倍频使得每记一个数对应长度为。若计数器数目为K，则仪器的测量范围为±5°，在±1°内仪器的最大误差为±0.05“。为了扩大小角度干涉仪的量程，可采用图6-31的装置。由激光器发出的激光光束经移动式转向反射镜2反射至分光器3，一束通过五棱镜4转向，气候两束平行光分别射向两个角锥棱镜5，之后又会合与分光器产生干涉。这种装置的测量范围可达95°，精度可达±0.3“.济南大学物理科学与技术学院70光弹效应测力计光弹效应是一种人工双折射，利用物质的光弹效应不仅可以构成测力计，还可以用于声、振动、位移等参数的检测。这种检测系统不仅灵敏度高，惯性小，而其工作寿命长，具有广阔应用前景。济南大学物理科学与技术学院71一束单色光入射到各向异性介质表面时，一般产生两束折射光，一束总是遵守折射定律，称为寻常光（o光），一束不遵守折射定律，称为非常光（e光）。o光和e光都是线偏振光。且o光振动面垂直于晶体的主截面，e光的振动面在主截面内，两者的振动面相互垂直。是描述晶体双折射特性的重要参数济南大学物理科学与技术学院72某些非晶体如透明塑料，玻璃等，在通常情况下是各向同性的，不产生双折射现象。当它们受到外力作用是就会产生双折射现象，这种应力双折射现象称为光弹效应。当外力除去，材料内部处于无应力状态时，双折射现象随之消失，这是一种人工双折射，或称暂时双折射。济南大学物理科学与技术学院73工作原理沿ＭＮ方向有压力或张力，则折射率在ＭＮ方向就和其他方向不同，这样力学形变下的材料变的各项异性了。物质的等效光轴在应力的方向。设对应MN方向上的偏振光的折射率为ne，对应垂直MN方向上的偏振光的折射率为no，光弹效应与压强p的关系为：式中，k是物质常数双折射率差表征双折射性的大小。若光波通过材料厚度为l，则获得的光程差为沿待测外力作用方向形成的光轴与P1、P2的透振方向分别称±45°，设由P1出射的线偏振光振幅为A0，光强为I0，通过应力材料后沿同一路径向右传播的两束正交线偏振光的振幅均为，能通过检偏器P2的分振幅为：相应的光强为：济南大学物理科学与技术学院75这两束透射光在同一方向上振动，其位相差为式中，π是因振幅矢量A12和A22方向相反所造成的附加位相差。两束透射光发生干涉，合成后的光强为：由透射光强I即可测知压强p。济南大学物理科学与技术学院76光弹效应测力计的基本结构1白炽灯2聚光镜3滤波片4减光楔5分束镜6起偏振镜7云母片8测力元件9检偏振器10光电池11减光楔12光电池13检流计济南大学物理科学与技术学院775.3.3激光多普勒测速频率调制：运动物体的反射或散射光发生多普勒频移而改变光的频率。光外差检测：可见光的频率很高（１０１４Hz)，一般光电器件不能响应，也就无法直接检测多普勒频移．因此，需要光