激光测量技术概论PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1激光技术概述 1

1.1.1受激辐射与量子跃迁 1

1.1.2激光器的组成 2

1.1.3激光的基本特性 5

1.1.4常用激光器件 6

1.1.5激光主要评价参数 9

1.1.6激光锁模技术 10

1.1.7激光倍频技术 11

1.2光导纤维概述 12

1.2.1光纤结构 13

1.2.2光纤分类 14

1.2.3偏振保持光纤 14

1.3激光测量技术 14

1.3.1测量技术 14

1.3.2激光测量技术的内涵 15

1.3.3测量学主要名词术语 15

1.4误差与测量不确定度 16

1.4.1测量误差 16

1.4.2测量不确定度 17

参考文献 19

第2章 激光测距技术 20

2.1激光测距原理 20

2.1.1脉冲式激光测距 20

2.1.2相位式激光测距 21

2.1.3干涉法激光测距 22

2.1.4三种测距方法性能比较 23

2.2激光测距机的组成及关键技术 23

2.2.1激光发射技术 24

2.2.2激光回波接收技术 24

2.2.3信息处理技术 24

2.3激光测距机的校准 25

2.3.1最大测程校准 25

2.3.2最小测程校准 29

2.3.3测距精度校准 29

2.3.4基于时间延时测距能力和测距精度校准 30

2.3.5光学模拟法测距能力与测距精度校准 31

2.4激光三维空间坐标测量技术 32

2.4.1激光雷达测量仪 32

2.4.2激光雷达测量仪校准方法 33

2.5激光高度计 35

2.5.1激光高度计概述 35

2.5.2激光高度计的工作原理 36

2.5.3激光高度计的结构特点 38

2.6基于飞秒激光频率梳的绝对测距技术 39

2.6.1飞秒光梳的原理 39

2.6.2光谱干涉法测距 41

2.6.3频域干涉法测距 42

2.7异步应答激光测距技术 44

2.7.1异步应答激光测距原理 44

2.7.2异步应答测距公式 45

2.8单向激光测距技术 45

2.8.1单向激光测距基本概念 45

2.8.2单向激光测距原理 46

2.8.3空间飞行器测量端光子接收能力 46

2.8.4单向激光测距技术的实际应用 46

2.9光子计数激光测距 48

2.9.1微脉冲测距方程 48

2.9.2微脉冲测距系统构成和工作过程 49

2.9.3微脉冲激光测距技术的应用 50

2.9.4基于光子数比较的激光测距法 51

参考文献 53

第3章 激光多普勒测量技术 54

3.1激光多普勒测量的物理基础 54

3.1.1多普勒效应 54

3.1.2激光多普勒效应 54

3.1.3光外差技术 55

3.2激光多普勒测速技术 55

3.2.1激光多普勒测速的光路模式 55

3.2.2参考光模式激光固体多普勒测速原理 57

3.2.3差动型激光多普勒固体测速的基本原理 58

3.2.4激光多普勒液体流速测量 59

3.2.5基于激光回馈效应的多普勒测速 60

3.2.6多普勒测风激光雷达及其校准 62

3.2.7双光束后向散射差动激光多普勒测速仪 64

3.2.8激光多普勒测速仪的标定 65

3.3激光多普勒测振技术 68

3.3.1多普勒测振原理 68

3.3.2激光多普勒振动仪 69

3.3.3差动多普勒测振技术 69

3.3.4激光扭振测量技术 70

3.3.5纯扭振和纯弯曲振动的激光多普勒测量 71

3.3.6激光多普勒颤振的测量 72

3.3.7全光纤激光多普勒测振仪 73

3.4激光测振技术在声学测量中的应用 74

3.4.1激光测振技术用于声换能器近场全息测量 74

3.4.2激光测振技术用于校准水听器灵敏度 75

3.4.3激光声纳 76

3.5激光测振仪校准 78

3.5.1振动校准法 79

3.5.2冲击校准法 79

3.5.3调频信号校准法 80

3.5.4光频调制法校准激光测振仪 81

3.6多普勒和偏振干涉相结合的微位移测量 83

3.6.1基于多普勒效应和偏振干涉的微位移测量原理 83

3.6.2测量装置及环境要求 84

3.7激光多普勒扭矩测量技术 85

3.7.1激光多普勒扭矩测量基本原理 85

3.7.2激光多普勒扭矩测量装置 87

3.8爆炸冲击的激光多普勒远距离测量 87

3.8.1激光多普勒位移测量原理 88

3.8.2激光多普勒爆炸冲击测量系统的组成 89

参考文献 89

第4章 激光干涉法几何量测量技术 91

4.1激光干涉测量几何量的原理 91

4.1.1用于长度测量的迈克尔逊干涉仪 91

4.1.2双频激光外差干涉法 92

4.1.3带有补偿的单频激光干涉仪 93

4.1.4基于塞曼效应的双频激光干涉仪 94

4.1.5基于声光频移的双频激光干涉仪 94

4.1.6激光干涉仪的细分技术 95

4.1.7基于迈克尔逊干涉仪的角度测量 97

4.2激光干涉仪测长精度的校准 100

4.2.1激光测长的误差源 100

4.2.2测长精度的双光路校准方法 101

4.2.3测长精度单光路校准方法 101

4.3基于激光干涉仪的速度测量 102

4.3.1激光干涉测速原理 102

4.3.2流速校准车速度校准 103

参考文献 103

第5章 激光干涉法光学元件面形测量技术 104

5.1光的干涉基础 104

5.1.1光的波动性 104

5.1.2波动方程中各特征量的意义 104

5.1.3干涉条纹强度分布 106

5.1.4干涉条件及其测量保证 107

5.1.5评价波面的质量指标 108

5.2光学元件面形测量 109

5.2.1光学元件面形测量装置的组成 109

5.2.2移相干涉测量原理 110

5.2.3光学元件面形测量方法 111

5.2.4数字激光干涉仪的计量检定 113

5.3光纤点衍射干涉法光学元件面形测量 116

5.3.1光纤点衍射干涉仪的基本原理 116

5.3.2双光纤相移点衍射干涉仪的基本原理 118

5.4用于光学元件面形测量的典型激光干涉仪 119

5.4.1用于激光晶体棒测量的激光干涉仪 119

5.4.2大口径平面干涉仪 120

5.4.3移相斐索式红外干涉仪 120

5.4.4大口径球面干涉仪 122

参考文献 123

第6章 激光测径与激光衍射测量技术 124

6.1扫描激光测径技术 124

6.1.1扫描激光测径仪的工作原理 124

6.1.2激光扫描测径系统的组成 125

6.2二维扫描激光测径技术 126

6.2.1二维激光扫描测量的原理 126

6.2.2二维扫描测径系统的组成 127

6.2.3采用标准棒法提高稳定性 128

6.3激光衍射基本概念 128

6.3.1光的衍射现象 128

6.3.2衍射的主要类型 130

6.4激光衍射法细小测径技术 130

6.4.1激光衍射法测径基本原理 130

6.4.2激光衍射法测径系统组成 132

6.4.3测径系统标定 132

6.5激光衍射法微内径测量 133

6.5.1激光衍射法微内径测量原理 133

6.5.2激光衍射法微内径测量装置 135

6.6激光衍射法颗粒度测量技术 135

6.6.1激光衍射法颗粒度测量的理论基础 135

6.6.2激光衍射散射式测粒仪的构造 137

6.7激光衍射法板材厚度测量技术 137

6.7.1激光衍射法板材厚度测量原理 137

6.7.2激光衍射法板材厚度测量装置 141

6.8激光衍射法表面张力和表面压测量 142

6.8.1基于激光衍射原理的表面张力测量装置 142

6.8.2基于激光衍射原理的表面张力测量理论分析 143

参考文献 144

第7章 激光位移传感器 145

7.1激光位移传感器工作原理 145

7.1.1直射式三角法测量原理 145

7.1.2斜射式三角法测量原理 146

7.1.3两种三角位移传感器特性的比较 146

7.2激光位移传感器的构成 147

7.2.1 CCD激光位移传感器 147

7.2.2对称式激光位移传感器 148

7.3激光位移传感器的标定 150

7.3.1激光位移传感器标定原理 151

7.3.2激光位移传感器标定系统的组成 151

7.3.3标定系统的阿贝误差 152

7.4激光位移传感器的应用 152

7.4.1激光位移传感器用于物体表面形状测量 152

7.4.2激光位移传感器用于角度测量 153

7.4.3激光位移传感器用于输送带垂度测量 155

7.4.4激光位移传感器用于内锥形貌测量 155

7.4.5激光位移传感器用于工件曲率测量 157

参考文献 158

第8章 激光散射测量技术 159

8.1目标的散射特性概述 159

8.1.1面散射特性 159

8.1.2体散射特性 160

8.1.3散射特性的表述 160

8.1.4散射的分类 162

8.2激光散射式能见度测量 163

8.2.1透射式能见度仪 163

8.2.2散射式能见度仪 164

8.3激光散射式烟雾浓度测量 170

8.3.1激光散射法烟雾浓度测量原理 170

8.3.2激光散射法烟雾浓度测量仪的构成 170

8.3.3激光散射法烟雾浓度测量仪的标定 172

8.4激光散射法表面粗糙度测量 173

8.4.1散射光强一维分布的粗糙度测量方法 173

8.4.2散射光强二维分布的粗糙度测量方法 176

8.5激光散射式颗粒度测量 177

8.5.1激光散射式颗粒度测量原理 177

8.5.2激光散射式颗粒度测量装置 178

8.5.3粒度分布求解算法 179

8.6瑞利散射海水温度及大气密度测量 180

8.6.1相干瑞利散射海水水下温度测量 180

8.6.2紫外激光瑞利散射大气密度测量 181

8.7激光散射法液体表面张力测量 183

8.7.1液体表面的毛细波 183

8.7.2固定频率测量波长的方法 184

8.7.3固定波长测量频率的方法 184

8.8基于激光散射的干涉法水下信号探测 186

8.8.1激光干涉法水下信号探测原理 186

8.8.2基于激光散射的干涉法水下信号探测装置 188

8.9激光布里渊散射水下目标探测 188

8.9.1激光布里渊散射水下目标探测原理 189

8.9.2激光布里渊散射目标探测方法 189

8.9.3激光布里渊散射法盐度及温度不同海水中的声速测量 193

参考文献 194

第9章 激光共焦测量技术 195

9.1激光共焦法测量原理 195

9.1.1共焦三维测量的理论基础 195

9.1.2激光共焦测量原理 196

9.1.3激光差动共焦法测量原理 197

9.2激光共焦测量技术用于光学元件参数测量 198

9.2.1激光共焦法曲率半径测量 198

9.2.2差动共焦法曲率半径测量 200

9.2.3光栅尺测长式激光差动共焦曲率半径测量 202

9.2.4激光差动共焦法透镜中心厚度测量 204

9.3非扫描共焦测量技术 208

9.3.1并行共焦三维测量的基本理论 208

9.3.2并行共焦测量系统 210

9.3.3并行像散共焦微结构形貌检测 212

9.4激光共焦扫描显微镜 215

9.4.1激光共焦显微镜概述 215

9.4.2激光共焦扫描显微镜的成像原理 215

9.4.3激光共焦扫描显微镜的关键技术 218

9.4.4激光干涉扫描共焦显微镜 219

9.4.5激光扫描共焦显微镜的应用 221

参考文献 221

第10章 激光干涉型光纤传感器 223

10.1光纤激光干涉仪 223

10.1.1光纤迈克尔逊干涉仪 223

10.1.2光纤马赫-曾德尔干涉仪 223

10.1.3相位调制与解调技术 224

10.2光纤弱磁场传感器 224

10.2.1光纤磁场传感器的分类 224

10.2.2磁致伸缩光纤弱磁场传感系统 225

10.3激光干涉型光纤电场传感器 227

10.3.1电致伸缩干涉型光纤弱电场传感器 228

10.3.2压电干涉型光纤电场传感器 229

10.3.3基于反压电效应反射式全光纤电压传感器 231

10.4激光干涉型光纤水听器 234

10.4.1激光干涉型光纤水听器基本原理 234

10.4.2激光干涉型光纤水听器相位产生载波检测 235

10.4.3光电检测系统的输出信号 236

10.5法布里-珀罗干涉型光纤压力传感器 236

10.5.1光纤法布里-珀罗干涉型光纤压力传感器原理 236

10.5.2光纤法布里-珀罗干涉型光纤压力传感器的构成 238

10.6光纤干涉型温度传感器 238

10.6.1干涉型光纤温度传感器的基本原理 238

10.6.2马赫-曾德尔干涉型光纤温度传感器 239

10.6.3法布里-珀罗干涉型光纤温度传感器 241

10.6.4嵌入式干涉型光纤温度传感器 242

10.7干涉型光纤应变传感器 243

10.7.1干涉型光纤应变传感器的基本原理 243

10.7.2迈克尔逊干涉型光纤应变传感器 244

10.7.3马赫-曾德尔干涉型光纤应变传感器 245

10.7.4萨格奈克干涉型光纤应变传感器 245

10.7.5法布里-珀罗干涉型光纤应变传感器 246

10.7.6偏振态调制干涉型光纤应变传感器 247

参考文献 248

第11章 激光偏振测量技术 249

11.1激光的偏振特性概述 249

11.1.1偏振光学主要名词术语及定义 249

11.1.2偏振特性的描述 249

11.1.3正交偏振激光 251

11.2正交偏振激光角度测量 251

11.2.1基于光强差的检测 251

11.2.2基于相位差的检测 253

11.2.3基于频率差的检测 256

11.3偏振-米散射激光雷达用于云层探测 258

11.3.1偏振-米散射激光雷达探测原理 258

11.3.2偏振-米散射激光雷达结构和技术参数 259

11.4激光偏振测量技术的其他应用 260

11.4.1激光偏振干涉位移测量 260

11.4.2激光偏振干涉技术测量磷酸二氢钾（KDP）晶体柱面生长速率 262

11.4.3激光偏振干涉技术用于硬度测量 262

11.5偏振器件相位延迟测量 264

11.5.1利用λ/4波片法测量任意波片的相位延迟 264

11.5.2 λ/4波片相位延迟量测量 266

11.5.3多功能波片测量装置 268

参考文献 271

第12章 激光全息测量技术 272

12.1激光全息技术 272

12.1.1全息技术的产生 272

12.1.2全息的基本过程 272

12.1.3全息的实现 273

12.1.4全息图的特点 273

12.1.5数字全息术及其应用 274

12.2实时数字全息测量温度场 274

12.2.1数字全息干涉温度场测量原理 274

12.2.2数字全息干涉温度场测量装置 275

12.3激光数字全息颗粒场分布测量 276

12.3.1数字全息测量颗粒场理论基础 276

12.3.2颗粒直径计算 277

12.3.3激光数字全息颗粒场测量装置 278

12.4激光数字全息两相流三维空间速度测量 279

12.4.1两相流三维空间速度测量的光学原理 279

12.4.2速度测量原理 280

12.4.3两相流速度场测量装置 281

12.5数字全息微光学元件检测 281

12.5.1微光学元件折射率分布与面形测量 282

12.5.2基于数字全息显微断层成像的光纤折射率测量 283

12.5.3数字全息显微成像微光学元件三维面形检测 285

12.6数字全息表面粗糙度检测 287

12.6.1数字全息表面粗糙度检测原理 287

12.6.2数字全息表面粗糙度测量装 288

参考文献 289

第13章 激光功率能量测量技术 290

13.1激光参数计量基准 290

13.1.1激光功率基准 290

13.1.2激光能量基准 296

13.2激光参数计量标准 298

13.2.1激光功率计量标准 298

13.2.2激光能量计量标准 302

13.2.3脉冲激光峰值功率计量标准 307

13.3激光功率和能量测量 310

13.3.1光电型激光功率能量计 311

13.3.2热释电型激光功率能量计 311

13.3.3光辐射计型激光功率能量计 311

13.3.4体吸收型激光功率能量计 312

13.3.5量热计型激光功率能量计 313

13.3.6流水式激光功率能量计 314

13.4高能激光功率与能量测量 314

13.4.1烧蚀称量法 314

13.4.2相对式测量法 315

13.4.3绝对式测量法 316

13.4.4高能激光能量计校准 317

13.5激光损伤阈值测量 318

13.5.1激光损伤阈值的基本概念 318

13.5.2损伤阈值基本测量方法 318

13.5.3几种典型测量装置 319

参考文献 321

第14章 激光空域和时域等参数测量技术 322

14.1激光空域特性测量技术 322

14.1.1光束直径与发散角测量 322

14.1.2传播因子的测量 325

14.1.3高能激光空域特性测量 325

14.1.4高能激光空域特性典型测量装置 328

14.1.5激光空域参数测量的溯源与标定 336

14.2激光时域特性参数测量 337

14.2.1直接测量法 337

14.2.2脉冲激光重复率测量 338

14.2.3纳秒、皮秒量级激光时域特性测量 338

14.2.4飞秒脉冲测量技术 345

14.2.5超短激光脉冲测量的标定 357

14.3激光波长测量 363

14.3.1迈克尔逊干涉型波长测量 363

14.3.2利用斐索干涉测量激光波长 364

14.3.3利用法布里-珀罗干涉仪测量激光波长 365

14.3.4基于虚合成波长原理的激光频率（波长）测量方法 366

14.4激光的偏振特性测量 367

14.4.1基于斯托克斯参量测量的一般方法 367

14.4.2分光棱镜型分振幅光度式偏振测量 369

14.4.3光栅分振幅光偏振测量 370

14.4.4基于液晶的激光偏振测量 372

14.5激光频率测量 373

14.5.1基于谐波光频链的激光频率的绝对测量 373

14.5.2基于光频间隔内分频率链的光频绝对测量方法 374

14.5.3基于光学频率梳的光频直接绝对测量方法 374

参考文献 377