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1、激光原理、技术、器件及应用实验指导书目 录激光扫描技术1氦氖激光器4相位式激光测距原理6CO激光器9激光扫描技术转镜扫描原理图旋转多面镜扫描主要应用在激光高速扫描的情况。转镜扫描的最大特点是它的转速高，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，来实现在扫描视场或扫描平面内的重复扫描。下图是转镜扫描的原理：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，由控制系统来驱动。具有N个面的转镜扫描角度用下式表示： =度=弧度（N2） 入射型扫描下面来介绍两种扫描形式转镜系统光路布置:1. 入射型扫描入射型扫描亦称为物空间扫描.入射型扫描如图.出射型扫描激
2、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凹面镜聚焦到扫描平面上.值得注意的是,扫描光斑轨迹在平面上,所以,透镜设计应保证在接受平面上聚焦成像时不产生大于设计要求的像差.因为由图来看,光束经过转镜扫描后会形成一个扇形非匀速扫描平面,称为f-工作状态,据此设计的透镜称为f 透镜.这种透镜工作时能保证:平面聚焦,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.2出射型扫描出射型扫描，也称为像空间扫描，这种扫描的特点是转镜位于扫描透镜之后，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，这样透
3、镜设计就简单了。但出射型扫描的轨迹是一条曲线，曲线中心就是转镜表面上光斑的位置。一般来说，接收信号的存储介质是平面，所以我们往往选择大f数，譬如f/50的透镜，这样，聚焦曲面的弦深会小于扫描光束的焦深，用平面型光电接收器接收时，光信号不会出现任何畸变。比较以上两种，本文建议在激光电视中采用前者，即入射型扫描。所以还需对其中的关键部件f -透镜进行一下说明。设F-透镜焦距为，总扫描角度为2，扫描场的覆盖长度为L。在普通照相物镜中，如果校正了畸变，其像高为： H=.tg 将此式两边对时间微分得： = 可见，对等角速度偏转的入射光束在焦平面上的扫描速度不是一定的。对F-透镜，为得到一定的扫描速度，像
4、高必须为： H=. 这样： 其中，是扫描元件恒定的角速度。这样即可实现在L=2H=2.范围内的等速扫描。这即是要求F-透镜故意产生正的畸变，当扫描角度增大时实际像高比几何光学确定的理想像高小，是它的倍，其线畸变为： H=.tg-.=tg） 其相对畸变为： % 故具有畸变像差量的透镜，对以等角速度偏转的入射光，在焦平面上的扫描速度就是等速的。由于此镜头的像高等于，故常简称为F-透镜。 转镜扫描原理图在各种扫描应用中，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），非等边多面转镜，内多边形转镜及塔形转镜。本实验是用等边多面转镜。这种棱镜主要优点是它能进行重复性直线扫描。由于等边棱镜本
5、身的几何对称性，便于大批量生产，工厂制造时，可以若干块多面镜轴向叠加在一起加工，成本大大降低。一束细激光束照射在转镜镜面上，转镜每转过一个角度，反射光就以角反射出来，随着转镜的转动，光束在镜面上移动，直至镜面的边缘。此时，细激光束的一部分继续完成扫描，而另一部分已射到相邻的镜面，并准备下一次扫描。这个时刻叫“扫描间歇”，这时有一段信号空白。这个状态有以下特点：首先信号或信息的传输是不连续的，因为多面转镜的棱边在转动时会不断产生这种间歇。其次对给定的分辨率，最好增加转镜的直径，这样能使镜面口径增大，以减小空白区间。为了保证足够的镜面工作范围，镜面大小必须数倍于落在其上的光斑大小。如图（b）所示镜
6、面宽度为D，光束直径为W，可以用镜面工作效率来表达它的工作范围U=（D-W）/D。假如D=10W，则U=90%，这意味着在整个扫描时间内，90%的时间在真正地扫描，其余10%的时间就是所谓的“扫描间歇”。U也称占空系数。还由于是细光束照明，只有很少一部分镜面被利用，并且由于转镜不得不增加尺寸，使得高速旋转时，惯性变大，无疑会给材料选择和结构设计带来困难。最后光斑扫描时，在径向偏离预定的轨迹，就产生了所谓的寻迹误差。寻迹误差会造成扫描图形的畸变。它来源于：转镜诸镜面与加工时选定基准面的角误差，这是无法消除的固有误差；转镜与驱动马达的装配误差，它直接造成反射光束的摆动，但可以控制；马达转子在高速旋
7、转时，由于有限的刚性形变和产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。实验目的：掌握转镜激光扫描和f 透镜原理，验证转镜激光扫描和f 透镜原理。实验仪器：He-Ne激光器、He-Ne激光电源氦氖激光器He-Ne激光器的基本组成是放电管、电极和谐振腔。He-Ne激光器是目前应用最广泛的气体激光器，主要产生632.8nm的激光，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。He-Ne激光的放电管由毛细管和贮气管构成。放电的内管直径约23mm，管长几厘米到十几厘米，放电管越长功率越大，相应的放电电压就高。毛细管的
8、尺寸和质量是决定激光器输出性能的关键因素。贮气管与毛细管相连，并且毛细管的一端有隔板，这是为了使放电只限于毛细管，贮气管的作用是增加了放电管的工作气体总量，延长器件寿命。普通的He-Ne激光器的放电管一般用GG17硬质玻璃制成，对输出功率和波长要求稳定性高的器件通常用热胀系数更小的石英玻璃制作。光学谐振腔由一对高反射率的多层介质膜反射镜组成，一般采用平凹镜形式，平面镜为输出镜。毛细管长度约1520cm的He-Ne激光器的输出镜的反射率98.599.5。谐振腔的轴线和放电毛细管轴偏离不超过0.1mm。凹面镜为全反镜，要求反射率接近100%。 管内主要按5：110：1的比例充入氦氖混合气体达到总气
9、压约200400Pa。 He-Ne激光器结构分为三部分：既放电管、谐振腔和激发的电源。He-Ne激光器的放电电极多采用冷阴极形式，冷阴极材料多用溅射率小和电子发射率高的铝或铝合金。为了增加电子发射面积和减低阴极溅射，阴极通常制成圆筒状，并有尽可能大的尺寸，阳极一般用钨针制成。连续工作的He-Ne激光器多采用支流放电激励的方式，起辉电压和工作电压与激光器的结构参数和放电条件有关，放电长度为1米的激光器，起辉电压在8千伏左右，He-Ne激光器的工作电流在几毫安到几十毫安的范围。氦氖激光器产生激光跃迁的是氖原子，氦是辅助气体。氦氖激光器是一种典型的四能级系统。氦氖激光器还存在最佳总气压和最佳气体配比
10、，如毛细管直径为3毫米管内气体配比为He3:Ne20=5:1,总气压p=1.5乇(1乇=133Pa, 1乇1mm汞柱，1Pa为1N/m2) ，毛细管直径2.56mm时He3:Ne20=7：1,总气压p=1.4乇。He-Ne激光器特点是在燃火管子之初给出高于管子着火电压的高压，正常放电以后，电源提供的电压则不宜过份高于激光管的工作电压。以免电源功率过多消耗在限流电阻上而降低效率。所以一般He-Ne激光器电源，获得高于激光管着火电压的瞬时高压后，电源电压马上降至略高于激光管的工作电压，但远比激光管的着火电压为低的水平。如下是一个采用四倍压触发，二倍压工作的450mm长的He-Ne管电源，该管工作电
11、压为1.8-2.0kV，着火电压为4.5-5.5 kV，工作电流为8-10mA ；限流电阻选用8个8 W， 30的电阻串联；整流二极管耐压大于5kV，电流为0.05A；变压器选用输出1150V，功率30W；电容选C1，C2为0.47，耐压为1.6 kV； 对于C3，C4为容量为，耐压为5kV的瓷片电容。实验目的：掌握He-Ne激光器原理与特性、了解He-Ne激光电源特点。实验仪器：He-Ne激光器、He-Ne激光电源、转镜和f 透镜组件实验步骤：1、熟悉He-Ne激光器使用、2、观察He-Ne激光光束特点相位式激光测距原理 将相位式激光测距仪整置于点（称测站），反射器整置于另一点（称镜站）。测
12、距仪发射出连续的调制光波，调制波通过测线到达反射器，经反射后被仪器接收器接收。调制波在经过往返距离2后，相位延迟了。如将两点之间调制光的往程和返程展开在一直线上，用波形示意图将发射波与接收波的相位差表示出来。发射波与接收波的相位激光测距原理 设调制波的调制频率为，它的周期，相应的调制波长。调制波往返于测线传播过程所产生的总相位变化中，包括个整周变化和不足一周的相位尾数，即 发射波与接收波的相位展开根据相位和时间的关系式，其中为角频率，则 式中 ： 测尺长度； 整周数； 不足一周的尾数。由此可以看出，这种测距方法同钢尺量距相类似，用一把长度为的“尺子”来丈量距离，式中为整尺段数，而等于为不足一尺
13、段的余长。则 式中，为已知值，或为测定值。 现今的激光测距仪采用两个以上的固定频率为测尺的频率，不同的测尺频率的或由仪器的测相器分别测定出来，然后按一定计算方法求得待测距离。 相位式激光测距仪的工作原理相位式激光测距仪的工作原理图 由光源所发出的激光进入调制器后，被来自主控振荡器（简称主振）的高频测距信号所调制，成为调幅波。这种调幅波经外光路进入接收器，会聚在光电器件上，光信号立即转化为电信号。这个电信号就是调幅波往返于测线后经过解调的高颇测距信号，它的相位已延迟了。 这个高频测距信号与来自本机振荡器（简称本振）的高频信号经测距信号混频器进行光电混频，经过选频放大后得到一个低频（）测距信号，用
14、表示。仍保留了高频测距信号原有的相位延迟。为了进行比相，主振高频测距信号的一部分称为参考信号与本振高频信号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（）参考信号，表示，由于没有经过往返测线的路程，所以不存在象中产生的那一相位延迟。因此，和同时送人相位器采用数字测相技术进行相位比较，在显示器上将显示出测距信号往返于测线的相位延迟结果。 当采用一个测尺频率时，显示器上就只有不足一周的相位差所相应的测距尾数，超过一周的整周数所相应的测距整尺数就无法知道，为此，相位式测距仪中还包含一组粗测尺的振荡频率，若用粗测尺频率进行同样的测量，把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。实验目的：学习激光测距原理、与使用。实验原理：（略）实验步骤：调好光路、用示波器和频谱分析找到两个频率并纪录，呼出测距波形。本实验有关人身和设备的安全事项1、本实验有高压和强辐射，注意人身安全。2、激光器打开时，绝不允许移动功率探头，因功率探头外壳是铝制，铝对红外线反射较强，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。-
