激光測量第一章

1.6激光調(diào)制技術(shù)1.光調(diào)制的意義所謂“調(diào)制”，是按照人類應(yīng)用的需求（以信息的形式出現(xiàn)）對光波進行“調(diào)節(jié)”與“控制”，從而將信息加載到光波上去。為什么要用光波作為信息載體？轉(zhuǎn)播速度快,信息容量大可以用光學系統(tǒng)進行變換,光盤存儲可以在透明介質(zhì)中傳輸（光纖、水……）可以不用介質(zhì)傳輸（真空、太空……）可獨立傳播，互不干擾。加載了信號的光波以群速度傳播。目前一頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點1.6激光調(diào)制技術(shù)※激光作為信息載體的優(yōu)點：易于調(diào)制、可利用的頻帶寬、傳輸信息的容量大……；調(diào)制及其分類激光調(diào)制——將信息加載于激光的過程；激光調(diào)制器——完成將信息加載于激光過程的裝置；激光——載波（Carrier），攜帶信息的載體；

起控制作用的信號（低頻信號）——調(diào)制信號；被調(diào)制的載波——已調(diào)波或調(diào)制光Modulatedwave；目前二頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點調(diào)制的基本概念2.調(diào)制的基本形式按著調(diào)制器件和激光器的關(guān)系，調(diào)制可以分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。目前三頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點內(nèi)調(diào)制：

加載調(diào)制信號是在激光振蕩過程中進行的，即以調(diào)制信號來改變激光器的某一參數(shù)，從而改變激光的輸出特性

改變激光器的泵浦強度改變激光器的腔內(nèi)損耗目前四頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點外調(diào)制：激光形成之后進行調(diào)制在激光器外的光路上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號改變調(diào)制器的物理特性，當激光通過調(diào)制器時，會使光波的某個參量發(fā)生變化就會使光波的某參量隨著調(diào)制信號而變化目前五頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點典型的模擬式調(diào)制

單色平面波的表達式為

通過改變激光載波的特征參量，可以對激光載波進行調(diào)制。1.調(diào)幅→振幅調(diào)制：使載波的振幅隨調(diào)制信號的變化而變化。2.調(diào)頻→頻率調(diào)制：使載波的頻率隨調(diào)制信號的變化而變化。3.調(diào)相→相位調(diào)制：使載波的相位隨調(diào)制信號的變化而變化。4.強度調(diào)制：使載波的光強隨調(diào)制信號的變化而變化。目前六頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點設(shè)激光的瞬時電場強度為則光強度為設(shè)調(diào)制信號為

幅值調(diào)制為:

強度調(diào)制為:

頻率調(diào)制為:

相位調(diào)制為:M,調(diào)幅系數(shù)，Mi強度調(diào)制系數(shù),Mf調(diào)頻系數(shù),Mp調(diào)相系數(shù)其中M,Mi遠小于1目前七頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點

典型的模擬式調(diào)制一、振幅調(diào)制——激光光波的振幅隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化。激光光波的瞬時電場強度：為振幅；為角頻率；為相位角(初相位)；

總相角；

目前八頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點振幅調(diào)制時，不再是常數(shù)，而是與調(diào)制信號成比例的函數(shù)。k為比例系數(shù)，為調(diào)制信號；

為調(diào)制信號的振幅，為角頻率；目前九頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點載波調(diào)制信號調(diào)制光目前十頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點①調(diào)幅波的包絡(luò)線的形狀和調(diào)制信號一致；②載波頻率維持不變；③振幅較之未調(diào)制波多了一個與調(diào)制信號成比例的增量。由圖可知：“調(diào)幅系數(shù)”調(diào)幅振蕩中振幅最大增量與振幅平均值之間的比值。目前十一頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點當調(diào)制系數(shù)>1時，調(diào)制波就要發(fā)生畸變；當調(diào)制系數(shù)＝1時，稱為100％的調(diào)制。調(diào)幅的結(jié)果使調(diào)幅波不再是一個簡單的正弦波，根據(jù)傅立葉頻譜分析，它可分解為不同頻率的正弦波之和。由上述討論可知：將記為，由于，則調(diào)幅波表達式可寫為：

目前十二頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點二、頻率調(diào)制和相位調(diào)制——激光載波的頻率或相位受調(diào)制信號的控制而按其規(guī)律變化。

這兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相角的變化，因此統(tǒng)稱為角度調(diào)制。

①頻率調(diào)制——角頻率不再是常數(shù)，而是一個與調(diào)制信號成比例的時間函數(shù)

目前十三頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點是由調(diào)制信號決定的頻率偏移。調(diào)制波的總相角：

為比例系數(shù)；為調(diào)制信號；目前十四頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點若調(diào)制信號為正弦變化，

并令則目前十五頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點調(diào)頻波的表達式：

調(diào)頻系數(shù)，可取任意值；②相位調(diào)制——調(diào)制波的相位多了一個與調(diào)制信號成比例的增量；

目前十六頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點總相角：

若調(diào)制信號為正弦變化，

并令調(diào)相系數(shù)；則有調(diào)相波的表達式：目前十七頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點調(diào)頻或調(diào)相波的頻譜

——可以分解成若干不同頻率的正弦波之和。調(diào)頻和調(diào)相波的統(tǒng)一形式：

目前十八頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點由以上討論，可得出下述結(jié)論：①在正弦調(diào)制下，調(diào)頻和調(diào)相皆為等幅的變周期振蕩，且表達式在形式上相同；②兩者的區(qū)別：a.兩者的調(diào)制方法不同；b.調(diào)頻系數(shù)和調(diào)相系數(shù)的性質(zhì)不同；調(diào)頻：單模激光器調(diào)腔長；調(diào)相：電光晶體調(diào)Q

。（在非正弦調(diào)制下，兩者不同，此時可以看出調(diào)頻與調(diào)相的差別）目前十九頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點角度調(diào)制目前二十頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點三、強度調(diào)制——光載波電場振幅的平方與調(diào)制信號成比例，?！敵龅募す廨椛鋸姸劝凑照{(diào)制信號的規(guī)律變化。

目前二十一頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點激光調(diào)制通常多采用強度調(diào)制形式。原因在于：光接收器（探測器）一般直接響應(yīng)其所接收的光強度變化。

光載波的強度定義為電場的平方，

因此，有調(diào)制光強：為比例系數(shù)；目前二十二頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點若調(diào)制信號為正弦變化，

強度調(diào)制系數(shù)

此時有，

這是當調(diào)制系數(shù)時，比較理想的光強調(diào)制公式。目前二十三頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點調(diào)制方法

（一）電光調(diào)制KDP晶體的Pockel效應(yīng)（四）感應(yīng)主軸的方向相對于原主軸旋轉(zhuǎn)45o。KDP晶體變?yōu)殡p軸晶體。目前二十四頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點

調(diào)制方法電光調(diào)制

（一）原理電光效應(yīng)：某些材料在外加電場的作用下，其折射率發(fā)生變化Xyz光軸偏轉(zhuǎn)45度，主折射率分裂為：線偏振光分裂為兩束線振光，X’，y’方向相位差為

目前二十五頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點當一束線偏振光沿著Z軸方向射入晶體，且E矢量沿X方向進入晶體（Z＝0）即分解為沿和方向的兩個垂直偏振分量。

目前二十六頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點當它們經(jīng)過長度L之后，所走的光程分別為和?！旃?/p>

——慢光

電光相位延遲目前二十七頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點電光調(diào)制相位差Δφ與所加電壓v成正比，通常稱為線性電光效應(yīng)或Pockels效應(yīng)一般把引起π相位差的電壓作為電光材料的性能：稱為半波電壓，Vπ或者Vλ/2表示

目前二十八頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點（二）電光強度調(diào)制

1.△縱向電光調(diào)制器

縱向電光效應(yīng)：電場方向與通光方向一致；核心部件目前二十九頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點光強調(diào)制Kdp引起相位?波片：π/2

目前三十頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點2.電光相位延遲

以KDP類晶體Z向加壓，光波沿Z方向傳播為例：

起偏目前三十一頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點電光相位調(diào)制Ein∥感應(yīng)主軸無檢偏裝置偏振狀態(tài)不發(fā)生改變邊頻振蕩間隔等于外加電壓的頻率目前三十二頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點三、聲光調(diào)制Raman-Nath聲光衍射Bragg衍射目前三十三頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點四、磁光調(diào)制

原理:

法拉第旋光效應(yīng):線性偏振光經(jīng)過磁性介質(zhì)后,投射光偏振方向 會發(fā)生偏轉(zhuǎn)φ(t)=φsLH

rf

HDCsinωt目前三十四頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點五、電源調(diào)制/直接調(diào)制定義:直接將調(diào)制信號加載于激光電源，從而使激光器發(fā)射的激 光強度或激光脈沖參數(shù)隨調(diào)制信號而變化的調(diào)制，稱為電

源調(diào)制成直接調(diào)制目前三十五頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點六、干涉調(diào)制邁克耳遜干涉儀調(diào)制光強目前三十六頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)目前三十七頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點半導(dǎo)體激光器的基本特性半導(dǎo)體激光器目前三十八頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點半導(dǎo)體激光器的基本特性半導(dǎo)體激光器目前三十九頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點半導(dǎo)體激光器的基本特性半導(dǎo)體激光器目前四十頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點激光技術(shù)發(fā)展簡史之一美國休斯公司實驗室一位從事紅寶石熒光研究的年輕人梅曼在利用紅寶石棒首次觀察到激光；梅曼在7月7日正式演示了世界第一臺紅寶石固態(tài)激光器；他在Nature(8月16日)發(fā)表了一個簡短的通知。Maiman目前四十一頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點激光技術(shù)發(fā)展簡史之一Maiman的第一臺激光器目前四十二頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點目前四十三頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點中國第一臺激光器（1961）目前四十四頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點我國激光器研究情況激光器的第一臺研制成功時間研制人紅寶石激光器（我國第一臺)1961年11月鄧錫銘、王之江He-Ne激光器1963年7月鄧錫銘等摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1963年12月王守武CO2分子激光器1965年9月王潤文等目前四十五頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點激光技術(shù)發(fā)展簡史之三激光應(yīng)用技術(shù)信息技術(shù)方面的應(yīng)用：光通訊，光存儲，光放大，光計算，光隔離器檢測技術(shù)方面的應(yīng)用：測長，測距，測速，測角，測三維形狀激光加工：焊接，打孔，切割，熱處理，快速成型醫(yī)學應(yīng)用：外科手術(shù)，激光幅照（皮膚科、婦產(chǎn)科），眼科手術(shù)，激光血照儀，視光學測量科學研究方面的應(yīng)用：激光核聚變，重力場測量，激光光譜，激光對生物組織的作用，激光制冷，激光誘導(dǎo)化學過程等等目前四十六頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點目前四十七頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點目前四十八頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點光盤存儲器原理—激光刻蝕與讀出目前四十九頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點激光全息防偽人民幣（建國50周年紀念幣）目前五十頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點激光顯示重慶三峽廣場----水幕激光Video目前五十一頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點激光陀螺儀目前五十二頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點

激光加工與熱處理

激光焊接、切割、打標、表面處理和工業(yè)機器人結(jié)合，為未來的制造業(yè)提供先進的、精密的、靈巧的特殊加工工具Video1Video2目前五十三頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點激光眼科治療目前五十四頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點激光嫩膚激光脫毛激光去斑激光點痣激光美容激光嫩膚激光去斑激光脫毛 激光點痣目前五十五頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點黃鐘律管累黍造尺

激光精密測量從開始有測量的時間起，才開始有科學。沒有量度，精密科學就沒有意義。

——門捷列夫黃鐘律管累黍造尺目前五十六頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點米定義的三次變更目前五十七頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點一、飛行時間法二、真空波長法三、穩(wěn)頻激光器米定義的復(fù)現(xiàn)一、飛行時間法二、真空波長法三、穩(wěn)頻激光器目前五十八頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點飛秒激光的典型應(yīng)用——微納米加工目前五十九頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點納米牛Ti:S780nm,150fs,76MHz1.4NA高倍顯微物鏡聚焦SCR500resin(JSR,Japan)+urethaneacrylate(尿脘丙烯酸脂）光聚合分辨率120nm牛尺寸10μm×7μmNature,Vol.412,697.2001（H.B.Sunetal))目前六十頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點目前六十一頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點納米彈簧a.原始狀態(tài)b.伸展狀態(tài)c.阻尼振蕩恢復(fù)曲線目前六十二頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點功能器件匈牙利科學院PeterGalajda，A.P.L,vol.78,2001目前六十三頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點飛秒高速攝影光源：飛秒激光時間分辨率：163ns

重復(fù)頻率：6.1MHz快門速度：440ps目前六十四頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點激光核聚變可控核聚變磁約束核聚變慣性約束核聚變托卡馬克

激光核聚變 粒子束核聚變 電流脈沖核聚變目前六十五頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點激光核聚變的四個階段目前六十六頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點

激光武器直接利用高度集中的激光能量對敵人和敵人的武器進行殺傷、破壞的武器。

特點：

1）不需計算彈導(dǎo)，“指哪打哪”。

2）不需計算提前量，“說時遲，那時快”。特

別適合攻擊高速運動的目標。

3）無后座之擾；

4）不受電子干擾。Laser局限：

受天氣影響，云霧、雨雪都有是激光難以逾越的障礙。目前六十七頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點聚焦、光學激光束跟蹤系統(tǒng)高能激光束目標探測器 升降機發(fā)散角0.01毫弧度，跟蹤精度1’’發(fā)射望遠鏡直徑1m。安裝在15米高的望遠鏡上。激光排氣/熱激光器激光燃料箱據(jù)稱可破壞10公里外的低空直升

飛機的蒙皮和20

公里遠的紅外制

導(dǎo)導(dǎo)彈和光學傳 感器前西德高能激光防空坦克目前六十八頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點激光控制核聚變目前六十九頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點天文臺（激光導(dǎo)航星）來自納層的反射光（高度約100km)最大高度約35km來自空氣分子的Rayleigh光目前七十頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點激光測距與激光雷達目前七十一頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點激光切割目前七十二頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點長度測量目前七十三頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點生物和醫(yī)學應(yīng)用目前七十四頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點飛秒激光的典型應(yīng)用——微納米加工目前七十五頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點納米牛Ti:S780nm,150fs,76MHz1.4NA高倍顯微物鏡聚焦SCR500resin(JSR,Japan)+urethaneacrylate(尿脘丙烯酸脂）光聚合分辨率120nm牛尺寸10μm×7μmNature,Vol.412,697.2001（H.B.Sunetal))目前七十六頁\總數(shù)八十四頁\編于十五點目前七十七頁