激光检测技术课件硕士0910

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,一、什么是检测？,二、检测的目的？,三、检测的两个过程？,四、检测的三种功能？,五、检测技术的发展？,1、,检测理论方面,2、,检测领域方面,3、测量工具和方法,1,激光检测技术,主要内容,:,一,、,激光的形成原理,二,、,激光的特性与用途,三、 激光器,四,、,激光检测技术的应用,2,激光技术发展史,1.,1917,年：,爱因斯坦在,关于辐射的量子力学,一文预言了,原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性,;,2.,20,世纪,50,年代：,激光器方案的提出；,3.,1960,年：,梅曼,(Maiman),制成世界上第一台激光器；,4.,1960,年至今：,激光技术飞速发展。,1961,年,9,月中国科学院 长春光学精密机械研究所 制成了我国第一台激光器。,3,激光的形成原理,光和物质的相互作用,基态能级、激发能级、激发态、激发、能级的寿命、,亚稳态,激发态,:,10,-8,s,亚稳态,:,10,-3,s,实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。微观粒子都有它特有的一套能级。任何时刻，一个粒子只能处于与某一个能级相对应的状态（或者简单地表达为处在某一个能级上）。与光相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射一个光子。光子的能量值为此两能级间的能量差,E,，频率为,E/h,（,h,为普朗克常量）。,4,跃迁：,跃迁：,原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。,吸收跃迁：,低,吸收能量,高,辐射跃迁：,高,辐射能量,低,（自发辐射）,5,光和物质的相互作用有三种不同的基本过程：,自发辐射、受激辐射和受激吸收,当外界给予原子一定的能量时，就有可能把电子送到较外层的轨道上去，这时候，我们就说原子从低能级跃迁到高能级；处在高能级上的原子不如在低能级上稳定，它有返回低能级的趋势，当原子自发地从高能级跃迁到低能级时就会发光，这就是,辐射,。,6,自发辐射,处在高能级上的粒子，如存在着可以接纳它的较低能级，即使没有外界的作用，也有一定的概率，自发地从高能级（,E,2,）向低能级（,E,1,）跃迁。同时辐射出能量是,E,2,-,E,1,的光子，称为,自发辐射,。,发光前,发光后,7,普通光源,（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。,非相干光,。,自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：,原子在能级 的平均寿命,只与原子本身性质有关，与辐射场无关,自发辐射是一个随机的过程,处在高能级的原子,什么时候向低能级跃迁发射出光子,带有很大的偶然性,因而气体中原子自发辐射过程中所发射的光子,其相位,偏振态,传播方向都没有确定的关系,.,即自发光波是不相干的,.,8,受激吸收,吸收前,吸收后,受激吸收跃迁几率：,：受激吸收跃迁爱因斯坦系数,只与原子本身性质有关,与原子本身性质和辐射场能量密度有关,处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量时，跃迁到与此能量相适应的较高能级上去。称为,受激吸收,。,9,发光前,发光后,受激辐射,当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。,：受激辐射跃迁爱因斯坦系数,只与原子本身性质有关,受激辐射跃迁几率：,与原子本身性质和辐射场能量密度有关,当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程,10,1917,年爱因斯坦指出，除自发辐射之外，当频率为,=,（,E,2,-,E,1,）,/,h,的光子入射时，粒子也会以一定的概率，迅速地从能级,E,2,跃迁到能级,E,1,，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向等都相同的光子，这个过程称为,受激辐射,。,所以是相干的。,可以设想，如果大量原子处在高能级,E,2,上，当有一个频率,的光子入射，从而激励,E,2,上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子又激励,E,2,能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。,它使入射光波,(,外来光,),加强,增加其通量密度。,这种在受激辐射过程中产生并被放大的光，就是,激光,。,激光就是受激辐射的光放大。,简单地说，普通光是物质的原子自发辐射产生的，而激光是物质的原子受激辐射产生的。,11,Laser,“激光”,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,“,通过受激辐射实现光放大”,形象的音译为“镭射”，在,1964,年，根据钱学森的建议，将其改称为“激光”。这也就是我们目前最常见的称呼了。,12,结论：,1.,其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。,2.,热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故,正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。,受激辐射的相干性,自发辐射：,相互独立、互不相关。,受激辐射：,受激辐射产生的光子与引起受激辐射的,外来光子具有相同的特征（频率、相,位、振动方向及传播方向均相同）。,受激辐射光子与入射光子属同一光子态。,不相干,相干光,13,粒子数反转分布及泵浦过程,受激辐射的概念爱因斯坦,1917,提出，激光器却在,1960,年问世，相隔,43,年，为什么？主要原因是普通光源中的粒子，产生受激辐射的概率极小。,当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，因受激辐射使光子数增加，受激吸收使光子数减小。物质处于热平衡态时，处在较低能级,E,1,的粒子数必,大于,处在较高能级,E,2,的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级,E,2,的粒子数大于处在低能级,E,1,的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为,粒子数反转分布.,粒子的反转分布是产生激光的必要条件。,14,能够形成粒子数反转分布的工作物质称为,增益介质,。,工作介质具有亚稳态是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。,现已有工作物质近千种，可以产生波长从紫外到远红外波段的激光。,为使工作物质中出现粒子数反转，必须用一定的方法激励原子体系，使处于高能级的粒子数增加，就需不断地将处于低能级的原子抽运到高能级上去， 激励源形象地称为,泵,。,把原子送上高能级。把粒子从基态激发到高能级，使在某两个能级之间实现粒子数反转的过程称为,泵浦,。,实现泵浦的方法有很多，通常采用以下几种：,(1),光泵浦,脉冲光源去照射工作物质,(2),电泵浦,用气体放电的办法激发物质原子,(3),化学反应,15,谐振腔的共振作用与激光的形成,光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子发生作用，才能获得越有效的光放大。但是把工作物质作得无限长是不现实的。,所谓,光学谐振腔,，实际上是,在增益介质的两端,面对面地,安装两块,反射率很高,相互平行的反射镜，一块为全反射镜（反射率近似为,1,），另一块为部分反射镜（反射率必须大于某一值），,让光大部分反射，少部分透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。,构成一个光学共振腔（又称谐振腔）。,反射镜,激励源,工作物质,激光,谐振腔,16,光学谐振腔的原理,：,谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。具有良好的,定向性和相干性,。,谐振腔对光的模式有选择作用，即对光的频率、相位、偏振及传播方向有严格的选择。,17,选择光传播方向,18,要形成激光，首先必须利用激励能源，即泵浦激活介质内部的一种粒子，使其在某些能级间实现粒子数反转分布，这是形成激光的前提条件。同时，还必须增益介质和使光产生共振作用的谐振腔。,泵浦、增益介质和谐振腔是激光产生的三要素。,同时光在谐振腔内来回一次所获得的增益必须等于或大于它所遭受的各种损耗之和。,19,激光的特性与用途,激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激光产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激光具有不同于普通光的一系列性质。,激光的高方向性：,激光器发射的激光，光束的发散度极小，大约只有,0.001,弧度，接近平行。地球离月球的距离约,38,万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。,20,普通光源发出的光是向各个方向辐射并随着传播距离的增加而衰减。主要原因是这些光源发的光是组成光源的大量分子或原子在自发辐射过程中 “各自为政”辐射光子。,激光不像普通光源向四面八方传播，几乎在一条直线上传播，我们称激光的准直性好。因为激光要在谐振腔内来回反射，若光线偏离轴线，则多次反射后终将逸出腔外，因此从部分透明的反射镜射出的激光方向性好。良好的方向性使激光是射得最远的光，应用于测距、通讯、定位方面。,根据这一特性可制成激光准直仪；,21,激光的高亮度：,利用激光能量高度集中的特性，进行精密焊接、打孔及切割 ；,一般光源发光是向很大的角度范围内辐射，如电灯泡不加约束是向四面八方辐射。激光的辐射范围在,110,-3,rad,（,0.06,）左右，因此既使普通光源与激光光源的辐射功率相同，激光的亮度将是普通光源的上百万倍。,1962,年人类第一次从地球上发出激光束射向月球，由于激光的方向性好、亮度高，加上颜色鲜红，所以能见到月球上有一红色光斑。激光的高亮度在激光切割、手术、军事上有重要应用，现正研究用高亮度的激光引发热核反应。,空间高度集中：,亮度比太阳表面高 倍。,时间高度集中：,功率峰值为 瓦。,22,激光的高单色性,：,在小孔、细丝、狭缝等小尺寸的衍射测量中得到了广泛的应用；,激光的光波的波长的分布范围可以低于,10,-8,nm,。,激光的单色性很好，像普通氦,-,氖激光器所发射的波长约,6328,埃（,1,埃,=10,-10,米）的红光来说，它的波长范围相差只有一千分之一埃。,23,光的颜色取决于光的波长，通常把亮度为最大亮度一半的两个波长间的宽度定义为这条光谱线的宽度，,谱线宽度,越小，光的单色性越好。可见光部分的颜色有七色，每种颜色的谱线宽度为,40-50nm,，激光的单色性远远好于普通光源，如氦,-,氖激光器输出的红色激光谱线宽度只有,10,-8,nm,。激光良好的单色性使激光在测量上优势极为明显。,24,激光的高相干性：,有很好的时间相干性和空间相干性。,当激光束分成两束进行迭加时，产生的干涉条纹非常清晰。,全息摄影就是利用了激光相干性好的这一特征。,25,时间相干性高,谱线窄，单色性好；,空间相干性好,波前上各点都是相干的。,即一方面激光是定向强光束，另一面是单色的相干光束。,26,现在人们已经按照实际应用的需求，造出了各种各样的激光器。通常可以按工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几方面来进行分类。,一按工作物质分类,1,、,固体激光器,工作物质有红宝石、钕玻璃等，是在作为基质的材料的晶体或玻璃中均匀地掺入少量离子，称为激活离子。产生激光发射作用的是掺入的离子。可作为激活离子的有过渡族金属离子如铬离子,(Cr,3+,),、稀土金属离子如钕离子,(Nd,3+,),、锕系离子等。,一般来说固体激光器具有器件体积小，坚固，使用方便，输出功率大的特点。,27,2,、气体激光器,工作物质是气体或金属蒸气。气体激光的特点是激光输出波长范围较宽。常用的氦,-,氖激光器，是通过气体放电使,Ne,原子产生粒子数反转，输出激光的波长为,632.8nm,（红光）。气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便、光束质量好以及能长时间较稳定连续工作的特点，是目前品种最多应用最广泛的激光器。,3,、半导体激光器,以半导体为工作物质，产生激光的方法有,p-n,结注入式、电子束激发、光激发、雪崩式击穿等。,如砷化镓二极管激光器,28,它体积小重量轻，寿命长，结构简单而坚固，特别适于飞机、车辆、宇宙飞船之用。现在的光驱、,VCD,、,DVD,的激光头都是一个小型半导体激光发射器。,4,、液体激光器,常用有机染料作工作物质，大多数情况是把有机染料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽状工作的。液体激光器的工作原理比较复杂，但输出的波长连续可调，且覆盖面宽。,6,、,其他激光器,X,射线、薄膜、光纤激光器等,激光器,5,、化学激光器,如碘原子激光器,29,三按激励方式分类,可分为光泵式激光器，电激励式激光器，化学激励激光器（又称化学激光器），核泵激光器。,四按输出激光的波段范围分类,可分为远红外激光器、中红外激光器、近红外激光器、可见激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、,X,射线激光器等。,二按运转方式分类,可分为连续激光器、单次脉冲激光器、重复脉冲激光器，调,Q,激光器、锁模激光器、单模和稳频激光器、可调谐激光器等等。,30,激光器的结构与工作原理,以氦氖激光器为例,除,激励电源,之外，氦氖激光器通常包括,放电管、电极和谐振腔,等基本组成部分。在放电管中按一定比例和压力充上氦氖混合气体。根据放电管和组成谐振腔的两块反射镜的连接方式，可将氦氖激光器分为以下三种结构型式。,1、内腔式,内腔式结构又称全腔式结构，其放电管和谐振腔固定在一起,2、,外腔式,外腔式结构又称全外腔式结构，即放电管与谐振腔完全分开,3、半内腔式,半内腔式结构也可称做半外腔式结构，其谐振腔中的一块反,射镜与放电管固定在一起，而另一块反射镜与放电管分开,31,He-Ne,激光管的结构形式,（,a,）,内腔式,（,b,）,外腔式,（,c,）,半内腔式,32,33,工作原理：,把氖原子从基态激发到,3,S,态，以实现,3,S,对,2,P,之间的粒子数反转分布，除了气体放电时，电子与氖原子碰撞，直接将部分氖原子激发到,3,S,能级之外，起主要作用的还是氦原子。,当激光器通电后，氦氖混合气体在外加电场的高电压作用下产生电离，而加在放电管两端电极上的电压又使自由电子和离子加速。当电子与氦原子碰撞时，便把能量传递给氦原子，从而使大量的氦原子被激发到高能级，并落在寿命较长的亚稳态,2,1,S,和,2,3,S,上。其中,2,1,S,态的能量与,Ne,原子,3,S,能级的能量很相近。因而，当处于,2,1,S,态上的,He,原子与处于基态的,Ne,原子相互碰撞时，,He,原子就把能量交给,Ne,原子，使,Ne,原子激发到,3,S,态，而自己回到基态。大量的,Ne,原子被激发到,3,S,态，即可构成对于,2,P,态的粒子数反转分布,。,34,激光的应用,激光在各个技术领域中的有着广泛应用：激光通讯、激光测距、激光定向、激光准直、激光切削、激光手术、激光武器、激光显微光谱分析、激光受控热核反应等方面，主要是利用激光第一方面的特性；而激光全息、激光干涉、激光测流速等领域，主要是利用激光第二方面的特性。,35,（三）概述,激光多普勒测速技术,(,奥地利科学家多普勒于,1842,年首次进行,波源和接收器的相对运动引起的波运动（电磁波或其他形式的波）的频率变化即,多普勒频移,。,一、激光多普勒测速原理,激光多普勒测速技术（,LDV,）,是基于运动物体散射光线的多普勒效应。利用激光多普勒效应测量流体速度，其基本原理可以简述如下：,当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，激光被运动着的微粒所散射。散射光的频率和入射光的频率相比较，有正比于流体速度的频率偏移。测量这个频率偏移，就可以测得流体速度。,36,首先讨论光源和光接收器沿同一直线方向运动时的多普勒效应:,37,两个波面之间的距离就是光源所发射出的单色平面光波的波长,：,光源不断地以频率,f,1,发射出一系列波面。这些波面相对于运动着的光源的速度是,c,一,v,1,，,而相对于在同一直线上相向运动的光接收器,R,的速度是,c,一,v,2,。,两个相邻的波面，先后到达光接收器，这个时间间隔就是光接收器所接收到的光波的周期,2,：,光接收器接收到的光波与光源所发出的光波之间的频率偏移,f,D,为：,38,对于光源和光接收器,R,之间任意相对运动（不论是一维的还是多维的）情况下的多普勒效应，上述基本表达式仍然是正确的，只不过应该用,向量,形式来表示光源和光接收器的运动速度，并且要规定光传播方向上的,单位向量,。,上式表达了光源与光接收器之间的任意相对运动下的多普勒效应,有两种特殊情况对于激光多普勒测速特别重要：,（1）若光源静止不动，而光接收器,R,以速度 运动,（,2,）若光源以速度 运动，而光接收器静止不动,39,激光多普勒效应测速原理,40,微粒,A,所接收到的光波频率,f,a,是：,接收器所接收到的散射光的频率,f,r,为：,可得到固定接收器接收到的光频率与固定光源发射出的光频率之间的多普勒频移,f,D,为：,41,考虑到 ,c,，,上式可简化为,设 与 之间的夹角为,，,与（,）之间的夹角为 ，则,42,若设,v,n,= v,cos ，,则,就是激光多普勒效应测速原理的基本表达式。只要入射激光波长,i,一定，入射光方向与微粒到光接收器的散射光方向之间的夹角,一定，那么，微粒在（,）方向上速度分量,v,n,就与多普勒频移,f,D,成简单的线性关系，测量多普勒频移，可求得流体的速度。,43,二、激光多普勒测速仪的组成,由激光器、光学系统、信号处理系统等部分组成,1,激光器,由于多普勒频移相对光源波动频率来说变化很小，因此，必须用频带窄及能量集中的激光作光源。为便于连续工作，通常使用气体激光器，如,He-Ne,激光器,2,光学系统,激光多普勒测速仪按光学系统的结构不同，可分为参考光束系统、单光束系统和双光束系统三种光路。,参考光束系统,44,单光束系统,3、光电元件,激光测速仪的光电元件一般采用光电倍增管，它特别适用于微弱信号的测量,4、信号处理系统,多普勒信号是一种不连续的、变幅调频信号，由于微粒通过测点时体积的随机性、通过时间有限等原因，信号的处理比较困难。信号处理系统的任务是从这些复杂的信号中提取那些反映流速的真实信息，现已有多种多普勒信号处理方法，如频谱分析法、频率计数法,45,计数式处理器,计数式处理器基本上是一种计时装置，它的主要工作过程是对带通滤波后的多普勒信号，测量规定数目的多普勒信号周期所对应的时间。这个时间就是粒子穿越测量体中同样条目的条纹所需的时间。,固定周期计数法,多普勒频率,这就是时域法的频率测量,46,9. 5,散射粒子,激光流速计测得的流速，并不真正是流体质点的速度，而是悬浮于流体内的发射散射光的粒子运动速度。,要求：流体中的散射粒子有良好的跟随性和较强的散射光的能力；不能污染被测介质，弄脏观察镜；微粒浓度适中。,激光测速优点,：如不干扰流动，具有一切非接触测量的优点，尤其是对小尺寸管道流速的测量、困难环境条件下（如低温、低速、高温、高速等）的流速测量更加显示出它的重要价值。此外激光测速还有动态响应快、测量准确、仅对流速敏感而与流体其它参数（如温度等）无关的特点。,47,激光全息干涉测量技术,48,全息技术,是,1948,年英国科学家盖伯提出的一种新的成像原理，“全息”一词引处希腊语，是“完全”的意思。但由于当时没有好的相干光源，因而无法获得好的相干像片。激光的出现，使全息术飞速发展成为一个新领域，盖伯因此获,1971,年诺贝尔物理学奖。,普通照像,是把从物体表面发出的光经过透镜，在感光底片上记录下物体的光强分布，再翻印到相纸上，呈现出物体的平面图像。普通照像只记录了物体表面的光强分布，没有记录到物体各部分到观察者的远近和角度，即没记录下物体发出光线的相位分布，这样的像没有立体感。,49,全息照像,是用相干光照射物体，从物体反射或漫射的光不是用透镜成像而是直接照射到全息底片上，用干涉现象把那些光的光强分布和相位记录下来。底片上没有被拍物体的形象，在显微镜下可看到的是一幅长短不一、间距不等、走向不同的复杂干涉条纹，称为,全息图,。,要想看到图样，用相干光按一定方式照射全息图，在一定方向可看到物体的像，称为,再现,。再现的是从物体反射或漫射的光束本身，所以像是立体的。,50,激光准直测量技术,激光准直仪按工作原理可分为振幅测量法、干涉测量法和偏,振测量法。,干涉测量法是在以激光束作为直线基准的基础上，又以光的,干涉原理进行读数来进行直线度测量的。,1,楔形板干涉法,楔形板干涉法原理,1-,激光器；,2-,倒置望远镜；,3-,靶基座；,4-,楔形分光板；,5-,观察屏,51,2.,双频激光干涉法,双频激光干涉法原理,1-,激光器；,2-1/4,波片；,3-,半反半透镜；,4-,偏振分光器；,5-,双面反射镜；,6-,全反射镜；,7-,检偏器；,8-,光电接收器；,9-,计算机,52,激光准直测量的应用,机床导轨不直度的激光准直测量原理图,53,激光的载波测温技术,激光载波测温原理方框图,54,激光载波测温的发射部分,RT-,热敏电阻；,V1-,单结晶体管；,V2-,晶闸管；,T1,，,T2-,脉冲变压器,脉冲调频波与温度的关系,55,调频波解调原理,(a) LC,谐振电路；（,b,）谐振曲线；（,c,）调频波及调幅波,56,激光测距,激光测距的基本原理,：将光速为,c,的激光脉冲射向被测目标，测量它返回的时间，由此求得激光器与被测目标间的距离,d,，即,d,c,t/2,式中,t,激光发出与接收到返回信号之间的时间间隔。,可见这种激光测距的精度取决于测时精度。,57,为了提高精度，要求激光脉冲宽度窄，光接收器响应速度快。所以，远距离测量常用输出功率较大的固体激光器与二氧化碳激光器作为激光源；近距离测量则用砷化镓半导体激光器作为激光源。,在激光测距仪的基础上，进一步发展了激光雷达，它除了可以测定运动目标的距离外，还可以测定运动目标的方位和运动状态。与一般雷达相比，激光雷达具有测量精度高，探测距离远，抗干扰能力强等优点。,58,中国设计师设计的激光测距仪,你还在用卷尺丈量长短距离吗？尤其是在装修房子，布置家具的时候，是否感觉到卷尺并不是太方便？中国设计师黄乔昆设计的这款激光测距仪（,The Red Point Measure）,如果真能产品化，相信会让丈量变的很简单。只要用激光确定左右2点，激光测距仪就会自动计算出这2点之间的距离。,59,60,61,62,激光测长,从光学原理可知，单色光的最大可测长度,L,与光源波长,和谱线宽度,的关系为,:,用普通单色光源测量，最大可测长度,L,仅为,78cm,。若被测对象超过,78cm,，就须分段测量，这将降低测量精度。若用氦氖激光器作光源，则最大可测长度可达几十公里。通常测长范围不超过,10m,，其测量精度可保证在,0.1m,以内。,63,激光测车速,利用激光具有高方向性的特点可以测量汽车、火车等运动物体的速度。,当被测物体进入相距为,S,的两个激光器区间,(,测速区,),内时，先后遮断两个激光器发出的激光光束。利用计数器记录主振荡器在先后遮断两激光束的时间间隔内的脉冲数,N,，即可求得被测物体的速度：,式中,f,主振荡器的振荡频率。,这种激光测速仪的测量精度较高，当被测对象时速为,200km,时，精度可达,1.5%,；时速为,100km,时，精度为,0.8%,。,64,激光测速仪方块原理图,65,激光用在加工领域,利用激光的亮度高和方向性好可以在机加工领域大有作为。,如可以在零件上打一般钻头不能打的异形孔和尺寸达微米级的小孔。利用激光进行切割，具有速度快，切面光洁，不发生形变的特点。激光焊接可焊一般焊接法不能焊的难熔金属。还可以利用激光亮度高、能量集中、可通过理论计算进行控制的特点对金属工件表面进行改造处理。,66,激光通信,激光通信是利用激光束单色性好，方向性好的特点。,要想提高传递信息容量比较有效的办法是提高载波的频率，如用波长,10cm,的电波代替波长,100m,的电波，通信容量可以提高,1,千倍，所以从,19,世纪开始不断发展短波通信，最初使用波长几千米的无线电通信（长波通信），后来发展为波长几百米的中波通信，,20,世纪,50,年代又发展厘米级的微波通信，波长再缩短进入光波波段，光波的频率在,10,14,H,Z,-10,15,H,Z,之间，厘米波的频率是,10,10,H,Z,左右，所以光波通信的容量又比微波通信提高,1,万倍到,10,万倍。,67,但普通光源发出光波是不能作通信载波的，因为普通光源发出的光单色性不好，若用这种光波作载波，相当于同时有多套频率的节目到达接收器，所以效果差。激光提供了单色性很好的光波，光波通信才进入实用化阶段。利用光波的载波通信做法与微波通信类似，激光器输出的光束经过光电调制器调制后送到发射天线（一只光学反射镜）发射出去，在用户接收端，接收天线（也是反射镜）把传送过来的光信号汇集到光电接收器上转换为电信号，再经电放大和解调后就可以得到所传递的信息。在实际应用中为避免光波在大气中传播的损失，光信号是在光纤内传递的，光信号在光纤中的损耗很小。,68,激光用于医学领域,现在激光技术已成为医学中的新技术，并开始形成一个新的医学分支,激光医学。如：,激光刀,是用光学系统聚焦的激光束作用于生物体组织，在短时间内使之烧灼和气化。当光束以一定速度移动时，能把组织切开，起到手术刀的作用。激光的能量还能烧结封闭组织中的血管、淋巴管，减少出血量。脉冲激光作用时间短（小于千分之一秒），可以用作精细的眼科手术，病人的眼睛还来不及转动，“刀”已经下去了，不会伤及其它部位。同时激光刀与手术部位是非接触性作用，因而是自身消毒的手术。,69,以色列开发出激光焊接手术伤口技术,手术伤口激光焊接技术，不仅可使伤口快速愈合，还可减少感染和留下较大疤痕的危险。,将一种特殊蛋白作为生物黏合剂，涂到手术切口两侧并用,激光,加热后，生物黏合剂会形成一种,“,硬壳,”,，保护伤口不受感染并促其快速愈合。,以前也曾尝试用激光焊接技术缝合手术伤口，但由于,温度,难以控制，容易产生过热伤及人体组织。为此，研究人员使用了可控温二氧化碳激光器和卤化银，使加热温度能有效地控制在适宜范围内，避免产生过热或灼伤现象。预计几年内可广泛应用。,（2008，12，05 新闻网）,70,激光作为武器，有很多独特的优点。首先，它可以用光速飞行，每秒,30,万公里，任何武器都没有这样高的速度。它一旦瞄准，几乎不要什么时间就立刻击中目标，用不着考虑提前量。另外，它可以在极小的面积上、在极短的时间里集中超过核武器,100,万倍的能量，还能很灵活地改变方向，没有任何发射性污染，因而具有常规威慑力量。,激光用于军事领域,71,日常应用,激光打印机,电脑光驱,CD/VCD,条形码扫描器,激光防伪,激光霓虹灯,激光的应用，已展示出广阔的前景。它给我们带来方便。,72,激光视觉三维测量技术,视觉检测技术,分为主动视觉检测和被动视觉检测两大类。,主动视觉检测,是采用结构光照明，通过结构光在被测物体上的精确定位来获取被测信息。利用激光做光源来获取结构光的主动视觉检测，称之为,激光视觉检测技术,。被动视觉采用非结构光照明，它是根据被测空间点在不同像面上的相关匹配关系，来获得空间点的三维坐标。由于视觉检测技术具有非接触、速度快、精度适中、可实现在线等优点，已广泛地应用于工业生产中的在线检测。,73,激光视觉检测的原理,激光三角法,是激光视觉检测技术的基础。下面以单点式激光三角法为例说明激光三角法测量原理。,单点式激光三角法测量常采用直射式和斜射式两种结构,。激光器,1,发出的光线，经会聚透镜,2,聚焦后垂直人射到被测物体表面,3,上，物体移动或表面变化，导致入射光点沿入射光轴移动。接收透镜,4,接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在光电位置探测器,5,（如,PSD,、,CCD,）,敏感面上。若光点在成像面上的位移为,x,可求出被测面的位移为：,74,式中，,a,为激光束光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离；,b,为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；,为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角。,75,激光视觉测量的基本原理,：利用激光作光源产生各种结构光，用一个或多个,CCD,摄像机来接收，通过一定算法来获取结构光所携带的被测物体的三维信息。,把由结构光和,CCD,摄像机组成的测量装置称为,激光视觉传感器,。,激光视觉三维测量技术在露天煤场存煤量自动计量中的应用,燃煤电厂露天煤场存煤量的计量目前尚未很好解决。基于激光视觉三维测量技术的旋转式自动盘煤装置正是为解决这一工程实际问题而研制的。该装置适用于露天煤场存煤量的计量，对煤场的形状及大小无严格要求，适用面广，测量速度快，操作过程简单，应用前景广泛。,76,旋转式自动盘煤装置的设计原理,（1）基于主动三角形法的定点测距成像,CCD,与激光器刚性连接在同一水平位置上如图所示，,A,是激光器光束在物体上形成的光斑，,A,是,A,在经过透镜后成的像点，,A*,是,A,在,CCD,上的投影，即,A,在,CCD,所成的像点。设,CCD,与激光器二者间的距离为,B,，,f,是镜头的焦距，,y,是像点的像距，其大小可通过图像处理软件可从计算机读出，基于光学成像的相似三角形原理得,B/s=y/f,，,即由,s=Bf/y,算出光斑到,激光源,的距离,s,。,77,（,2,）,选择二维转台作为旋转驱动装置,。将,CCD,与激光器水平固定在转台的台面上并安装在具有一定高度的支架上。由计算机发布俯仰和水平旋转指令使装置按极坐标方式转动扫描实现区域内的定点测量,（3）,基于直角坐标系的体积计算,下图为系统定点测高原理示意图，,B,为待测点，用上面介绍的光学三角形成像的原理计算激光源与待测点间的距离,S，,近似为,CCD,与待测点的距离。,78,a,是转台的俯仰角度，,b,是转台的水平转角，,L,是支架的高度，依据直角三角形的关系得：定点,B,的高度为,z=L-scosa,定点,B,的水平位置,x=ssinacosby=ssinasinb,在直角坐标系里将煤场底面分成若干相等的方块，根据每个方块内所有落点的高度平均值作为该小柱体的高度，从而求出小柱体的体积。再求和得整个煤场的存煤体积。,旋转式自动盘煤装置的组成,（,1,）系统硬件的组成,高分辨率,CCD,摄像机、三可变高倍高精度特种镜头、二维高精度转台、大功率固体激光器及位置调整仪、,640480,线图像卡。,79,（2）系统软件的组成,系统软件由激光盘煤系统管理程序、像素读取及点距测量子系统、体积计算子系统、转台控制子系统和镜头控制子系统组成。,旋转式自动盘煤装置中有关参数的设计原理,根据光学相似三角形成像原理得装置测距相对误差计算公式：综合考虑装置测量总误差，应尽量减少各项的相对误差。,(1),镜头焦距的合理分段,根据装置的测量范围可选择不同焦距测量不同的距离。从而使测量的距离范围在,CCD,上所占的线数最大。,80,(2),中心点的选择,根据三角形的成像原理，当,CCD,中心线和激光束平行时，物距的成像总是在,CCD,靶面的一侧，故整个测量范围仅占,320,线。为扩大成像范围，使,CCD,中心线和激光束之间有一个微小的倾角，让距离为,90,m,的物距在,CCD,靶面的中心成像、距离小于或大于,90,m,的物距在中心点两侧成像。在安装调试过程中是通过激光器位置微型调整仪实现的。,(3),CCD,中心和激光器光源中心安装间距的选择,从理论上看间距,B,的值大，对提高装置的计量精度有利，但物距的成像范围会随之减小，同时考虑到其工程实现，在旋转的二维转台上二者安装跨度越大，越不利于设备的稳定性。故因兼顾二者综合考虑。,81,(4),B,、,f,的相对误差在安装调试过程中的修正,在同一光束上按不同焦距下的测量范围选定两点目标，通过微调,f,使物距的测量值逼近计算值。由此可以同时减少,B,和,f,两项的相对误差。,装置在测距过程产生最大误差的地方是在最远物距处。通过上述处理，经实践证明：以最远测距,200,m,为例装置测距的最大相对误差为,0.5%,。,将整套装置用于现场中进行试验，装置的测量精度可以满足用户要求，且装置的测量速度很快。,82,