激光原理、技术、器件及应用

激光原理、技术、器件及应用试验指导书\l“_TOC_250003“激光扫描技术 3\l“_TOC_250002“氦—氖激光器 6\l“_TOC_250001“相位式激光测距原理 8\l“_TOC_250000“CO激光器 112激光扫描技术的转速高，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，由掌握系统来驱动。具有N720 4Ψ=

度=Nπ弧度〔N>2〕

转镜扫描原理图下面来介绍两种扫描形式转入射型扫描描.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的是,扫描光斑轨迹在平面上,所以,透镜设计应保证在承受平面上聚焦成像时不产生大于设计要求的像差.由于由图来看,光束经过转镜扫描后会形成一个扇形非f-θ工作状态,f–θ透镜.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.出射型扫描如图。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ff/50f-透镜进展一下说明。F-f2L。在一般照相物镜中，假设校正了畸变，其像高为：H=f.tg将此式两边对时间微分得： =fsec2dt dtF-透镜，为得到肯定的扫描速度，像高必需为：H=f.这样：dt dt其中，是扫描元件恒定的角速度。这样即可实现在L=2H=2f.范围内的F-增大时实际像高比几何光学确定的抱负像高小，是它的/tg倍，其线畸变为： H=f.tg-f.=f(tg〕其相对畸变为：DTtg100%tgf·F-透镜。转镜扫描原理图有四种类型的转镜：等边多面转镜〔简称多面镜，柱形转镜或转镜多面转镜，内多边形转镜及塔形转镜。本试验是用等边多面转镜。这种棱镜转镜扫描原理图2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，细激号或信息的传输是不连续的，由于多面转镜的棱边在转动时会不断产生这种间歇。其次对给定的区分率，最好增加转镜的直径，这样能使镜面口径增大，以减斑大小。如图〔b〕所示镜面宽度为D，W，可以用镜面工作效率来表U=〔D-W〕/DD=10W，U=90%，这意味着在整个扫描时90%10%U称占空系数。还由于是细光束照明，只有很少一局部镜面被利用，并且由于转镜来困难。最终光斑扫描时，在径向偏离预定的轨迹，就产生了所谓的寻迹误差。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。f–θf–θ透镜原理。He-NeHe-Ne氦—氖激光器He-Ne632.8nm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。工作气体总量，延长器件寿命。一般的He-Ne激光器的放电管一般用GG17硬质璃制作。光学谐振腔由一对高反射率的多层介质膜反射镜组成，一般承受平凹镜形15～20cmHe-Ne0.1mm100%。51～101200～400Pa。He-Ne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-Ne18He-Ne氦—氖激光器产生激光跃迁的是氖原子，氦是关心气体。氦氖激光器是一3毫米管内气体配比为He3:Ne20=5:1,总气压p=1.5(1=133Pa,11mm1Pa1N/m22.56mmHe3:Ne20=71,p=1.4He-Ne管的着火电压为低的水平。如下是一个承受四倍压触发，二倍压工作的450mm长的He-Ne管电源，该C0.47f1.6kV；1 2C，C为容量为6800pf5kV3 4He-NeHe-NeHe-Nef–θ透镜组件1He-Ne2、观看He-Ne激光光束特点相位式激光测距原理A〔称测站B〔称镜站。测距仪放射出连续的调制光波，调制波通过测线到达反射器，经反射后2D后，相位延迟了。如将A,B的相位差表示出来。激光测距原理放射波与接收波的相位激光测距原理放射波与接收波的相位设调制波的调制频率为 f ，它的周期T1/f，相应的调制波长cTc/f调制波来回于测线传播过程所产生的总相位变化 中包括周变化N2 和缺乏一周的相位尾数，即N2放射波与接收波的相位开放放射波与接收波的相位开放w依据相位和时间t 的关系式wt ，其中为角频率，则w2D 2Dt /w2D

1 (N2)2fD c (N/2)L(NN)2f式中：Lc/2f/2——测尺长度；N——整周数；N/2——缺乏一周的尾数。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/2的“尺DNLL

为整尺段数，而N2

等于L

为缺乏一尺段的余长。c,fLN或L为测定值。L或N由仪器的测相器分别测定出来，然后按肯定计算方法求得待测距离D 。相位式激光测距仪的工作原理〔简称主振〕的高频测距信相位式激光测距仪的工作原理图f相位式激光测距仪的工作原理图1调幅波经外光会聚在光电器转化为电信延迟了。 2 N 1这个高频测距信号与来自本机振荡器〔简称本振〕f经测距信1号混频器进展光电混频，经过选频放大后得到一个低频〔ff1

f〕测距信1号，用e 表示。e 仍保存了高频测距信号原有的相位延迟2N。1D D11f1

f同时送入参考信号混频器，经过选频放大后，得到可作为比相基准的低频〔1fff〔11

〕e0e0没有经过来回测线的路程，所以

中产生的那一相位延迟 D

同时送人相位器承受迟结果。当承受一个测尺频率f1所相应的测距尾数，超过一周的整周数N所相应的测距整尺数就无法知道，为此，相位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。〔略〕波形。本试验有关人身和设备的安全事项1、本试验有高压和强辐射，留意人身安全。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2CO激光器由工作气体、放电管、谐振腔和电源所组成。2放电管大多承受硬质玻璃(如GG

17功率稳定性好或频率稳定性好)的器件，才承受石英玻璃。放电管的内径和长度~变化范围很大，小型CO48mm1m~2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功率，加有水冷装置。水冷套的间隙一般为5~10mm，间隙太小，虽流速大，但可将贮气套旁袖放置，水冷套和放电管同轴放置，称此为二重套旁轴激光管。CO21m20mm30~40mA5×l0cm2。圆筒可以与放电管同后者制造便利，但电极溅射不会污染谐振腔反射镜，激光输出较稳定。CO激光器的典型构造2CO激光器的典型构造22细管较粗，为了增加输出功R＞2L)，甚至承受非稳腔以到达增大精度要求高些，但由于CO2激光的增益高，简洁出激光，比起He-Ne激光器来，调整精度已不是主要冲突。He-Ne2CO2

激光器的全反射镜一般用玻璃磨制而成，外表镀金膜。金对10.6m98％以上,其化学性质CO2

差，在高功率条件下使用时，反射镜温度上升很快，简洁裂开。l0.6m料，激光通过这个小孔输出到腔外，称为小孔耦合输出。也可以直接用的优点是构造简洁，缺点是输出简洁消灭TEM

或TEM 模输01 10N10.6m10.6m，它的50%~60％，所以锗可作输出反射镜。还有10.6m常用。目前能做CO2

(NaCl)氯化钾(KCl)、N型锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、硫化镉(TeS)、硒化锌(ZnSe)等。NaCl和KCl这两机械性能差，简洁裂开，当晶体温度稍高于室温时就简洁产生塑性滑动或裂开，因此难以加工成外表质量高的光学元件，使用也不便利。Ge不潮解，机械性能NaClKClNaClKCl50℃时，Ge用于高功率的输出器件时，应留意冷却。试验证明，在没有实行冷却措施时,锗片允许的功率密度为26W/cm2，承受压缩空气致冷时，允许功率密度提高到约30W/cm2，当冷却到-40℃时，功率密度允许到88W/cm2。选用半导体锗时，一P10~20GaAs化没有锗那样猛烈，因此，大功率器件一般都用GaAs面不是锗片。但它比锗贵前还比较难获得大块晶品材料。连续CO2

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整装置。CO2LP＝KLCO激光器在充CON2 2

+He气且总气压和放电电流都为最正确条件下，对于2k=40~50W/mA＝20~30W/ml0100W/m,50180W/m。CO2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

模，可承受小口径的管子；为了实现10件的发热损坏，这时要选较粗的放电管等等。对CO2

激光器的输出功率来说，放电电流也有最正确值，这是由于电流上升，激发而使反转板子数削减。CO

2总气压以及气体混合比有关。试验觉察，随着管径的增大，最正确放电电流增加，30~30mm30~50mA，管径为50~90mmVE／PE／N)和稳定放电两方面限制。当E／PE／P＝V/LP(VVP，VP将影响放电管正常稳定放电。为了兼顾以上两方面，一般取~

1.Pa1由此可确定最正确放电电压。例如对1米长的放电管充气压为1333Pa时，最正确放电电压为V＝(0.075~0.015)LP=10~20kVCO 激光器原理2CO 22

分子处于不断振动中，其根本振动形式有三类：对称振动、形变振动和反对称振动。〔用1

表示对称振动方式的振动量子数,1

有关。且碳原子的振动方向与两个氧原子的相反。用 (2 2

=0,1,2……)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2

CO2分子局部能级跃迁投影也是量子化的，用量子数CO2分子局部能级跃迁形变振动应表示l为。2反对称振动方式，三个原子沿分子轴振动，其中碳原子的振动方向相反。用(3

3

的大小有关。CO 2状态应