本书系统地介绍了激光传感与测量的基础知识、基本原理、常用方法和技术及其典型应用。本书内容共分十章，包括激光基本原理及特性，常用激光技术和激光器，双频激光器和激光传感器，激光干涉测量，激光白、混合干涉测量，激光衍射测量，激光全息干涉测量，激光准直测量，激光测距与激光雷达探测，光纤传感与测量。
样章试读
目录
- 目录
前言
第1章 激光基本原理及特性 1
1.1 激光的基本特性 2
1.1.1 激光的方向性 2
1.1.2 激光的亮度 2
1.1.3 激光的相干性 3
1.2 光的受激辐射和光放大 5
1.2.1 原子能级和能级宽度 6
1.2.2 黑体辐射的普朗克公式 7
1.2.3 光与物质的共振相互作用 8
1.2.4 粒子数反转分布与光放大 10
1.2.5 激光介质的增益系数与增益曲线 11
1.3 激光能级系统和激光振荡条件 12
1.3.1 激光能级系统 12
1.3.2 光的自激振荡 13
1.3.3 激光振荡条件 14
1.4 谱线加宽和线型函数 15
1.4.1 概述 15
1.4.2 光谱线加宽类型及机理 17
1.5 光学谐振腔和激光模式 22
1.5.1 光腔的构成和分类 22
1.5.2 共轴球面腔的稳定性条件 23
1.5.3 激光模式 25
1.5.4 光腔的损耗和品质因数 28
1.6 基模高斯光束及其聚焦和准直 30
1.6.1 基模高斯光束及其基本特性 31
1.6.2 薄透镜对基模高斯光束的变换 33
1.6.3 基模高斯光束的聚焦 34
1.6.4 基模高斯光束的准直 36
1.7 激光介质的增益饱和 38
1.7.1 四能级激光系统的速率方程组 38
1.7.2 均匀加宽激光介质的增益饱和 39
1.7.3 非均匀加宽激光介质的增益饱和及烧孔效应 43
1.8 连续波单模激光器的输出功率 45
1.8.1 激光振荡的阈值条件 46
1.8.2 均匀加宽单模激光器的输出功率及最佳透射率 46
1.8.3 非均匀加宽单模激光器的输出功率 48
习题与思考题 49
第2章 常用激光技术和激光器 51
2.1 激光调制技术 51
2.1.1 激光调制的基本概念 51
2.1.2 电光调制技术 52
2.1.3 声光调制技术 57
2.1.4 磁光调制技术 62
2.1.5 直接调制技术 63
2.2 激光调Q技术 64
2.2.1 调Q激光器的振荡阈值 65
2.2.2 调Q激光器的工作原理 66
2.2.3 调Q方法与技术 66
2.3 激光模式选择技术 70
2.3.1 概述 70
2.3.2 激光横模选择原理、方法与技术 70
2.3.3 激光纵模选择原理、方法与技术 72
2.4 激光频率稳定技术 77
2.4.1 频率稳定性及再现性 77
2.4.2 影响频率稳定性的主要因素及简单稳频措施 78
2.4.3 主动稳频技术 79
2.5 He-Ne激光器 85
2.5.1 H-Ne激光器结构及分类 85
2.5.2 H-Ne激光器工作原理 86
2.5.3 H-Ne激光器最佳工作条件 88
2.6 全固态激光器 89
2.6.1 概述 89
2.6.2 端面泵浦全固态激光器系统组成 90
2.6.3 常用端面泵浦全固态激光器 92
2.6.4 单频全固态激光器 95
2.7 光纤激光器 99
2.7.1 概述 99
2.7.2 谐振腔结构及特点 101
2.7.3 掺铒光纤的基本特性 102
2.7.4 光纤光栅的基本知识 103
2.7.5 光纤光栅DBR和DFB掺铒光纤激光器 105
2.7.6 基于饱和吸收体选模原理的单纵模掺铒光纤激光器 106
2.8 半导体激光器 109
2.8.1 半导体与PN结的能带结构 109
2.8.2 半导体激光器的工作原理和阈值条件 112
2.8.3 半导体激光器的常用结构 114
2.8.4 半导体激光器的主要工作特性 117
习题与思考题 118
第3章 双频激光器和激光传感器 120
3.1 双频激光器概述 120
3.1.1 双频激光器的含义及分类 120
3.1.2 双频激光的产生原理及方法 121
3.2 双纵模激光器和塞曼双频激光器 121
3.2.1 双纵模激光器 121
3.2.2 塞曼双频激光器 122
3.3 基于双折射效应的激光纵模分裂原理及方法 126
3.3.1 双折射效应简介 126
3.3.2 激光纵模分裂现象及其产生原理 129
3.3.3 基于自然双折射效应的Nd:YAG激光纵模分裂方法 131
3.4 双折射双频He-Ne激光器 135
3.4.1 频差可调谐双折射双频H-Ne激光器 135
3.4.2 定常频差双折射双频H-Ne激光器 137
3.5 双折射双频固体激光器 138
3.5.1 自然双折射双频Nd:YAG激光器 138
3.5.2 电光双折射双频Nd:YAG激光器 142
3.5.3 热光双折射双频铒镱玻璃激光器 144
3.5.4 应力双折射双频Nd:YAG激光器 146
3.6 双和双双频激光器$48
3.6.1 可调谐双轴双频Nd:YAG激光器 148
3.6.2 THz频差可调谐双轴双频Yb:KGW激光器 150
3.6.3 双双频Nd&YAG激光器$5$
3.6.4 双双频He-Ne激光器$54
3.7 双频光纤激光器 155
3.7.1 保偏光纤Bragg光栅的主要特性 155
3.7.2 饱和吸收体选模双波长单纵模掺铒光纤激光器 157
3.7.3 DBR型双波长单纵模掺镱光纤激光器 161
3.7.4 应力双折射双频DBR光纤激光器 162
3.7.5 可双双波长掺铒光纤激光器$64
3.8 激光传感器 166
3.8.1 激光传感器概述 166
3.8.2 气体激光传感器 167
3.8.3 固激光传感器$68
3.8.4 光纤激光传感器$70
3.9 激光陀螺 172
3.9.1 Sagnac效应和环形激光陀螺 173
3.9.2 环形激光陀螺基本结构 174
3.9.3 典型环形激光陀螺 175
3.9.4 环形激光陀螺信号读出方法 179
习题与思考题 180
第4章 激光干涉测量 181
4.1 光的干涉现象 181
4.1.1 两列光波的叠加及干涉现象 181
4.1.2 光拍现象 185
4.2 激光干涉测量原理与系统 186
4.2.1 激光干涉测量原理 186
4.2.2 迈克耳孙干涉仪 186
4.2.3 马赫-曾德尔干涉仪 188
4.2.4 泰曼-格林干涉仪 191
4.2.5 法布里-珀罗干涉仪 193
4.3 激光外差干涉测量 196
4.3.1 塞曼双频激光干涉仪 197
4.3.2 声光外差式激光干涉仪 199
4.3.3 激光超外差干涉测量 201
4.4 激光合成波干涉测量 202
4.4.1 合成波干涉绝对距离测量原理 202
4.4.2 双频激光合成波纳米测量干涉仪 205
4.5 激光频波干涉测量 206
4.5.1 调频连续波干涉 206
4.5.2 半导体激光器线性调频连续波绝对距离干涉测量 207
4.5.3 半导体激光器正弦调频连续波纳米测量干涉仪 209
4.6 激光干涉探针测量 209
4.6.1 表面形貌两维评定参数 210
4.6.2 干涉测量方法 212
习题与思考题 215
第5章 激光自混合干涉测量 216
5.1 激光自混合干涉现象及测量系统组成 216
5.1.1 激光自混合干涉现象 216
5.1.2 三镜腔模型及理论分析 216
5.1.3 影响自混合干涉条纹特性的几个参数 218
5.1.4 激光自混合干涉测量系统组成 221
5.2 常用激光器的自混合干涉特性 222
5.2.1 He-Ne激光器自混合干涉特性 222
5.2.2 Nd：YAG激光器自混合干涉特性 223
5.2.3 半导体激光器自混合干涉特性 223
5.3 激光自混合干涉绝对距离测量 225
5.3.1 半导体激光器自混合干涉绝对距离测量 225
5.3.2 全固态激光器自混合干涉绝对距离测量 226
5.3.3 光纤激光器自混合干涉绝对距离测量 227
5.4 激光自混合干涉位移和振动测量 229
5.4.1 双折射双频He-Ne激光器自混合干涉位移测量 229
5.4.2 半导体激光器自混合干涉位移测量 230
5.4.3 全固态激光器自混合干涉位移和振动测量 233
5.4.4 全光纤半导体激光器自混合干涉位移和振动测量 235
5.5 激光自混合干涉速度测量 236
5.5.1 半导体激光器自混合散斑干涉流体速度测量 236
5.5.2 DFB-LD自混合散斑干涉速度测量 238
5.5.3 双频Nd:YAG激光器自混合干涉速度测量 239
习题与思考题 240
第6章 激光衍射测量 241
6.1 光的衍射基本原理 241
6.1.1 菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式及其近似处理 241
6.1.2 巴比涅原理 244
6.2 激光衍射测量原理 244
6.2.1 夫琅禾费衍射 244
6.2.2 激光衍射测量原理 248
6.3 激光衍射测量方法及应用 250
6.3.1 激光衍射间隙测量法及应用 251
6.3.2 激光反射衍射测量法及应用 253
6.3.3 激光衍射分离间隙测量法及应用 254
6.3.4 激光衍射互补测量法及应用 256
6.3.5 激光衍射艾里斑测量法及应用 257
习题与思考题 257
第7章 激光全息干涉测量 258
7.1 光学全息术及其基本原理 258
7.1.1 概述 258
7.1.2 全息图的记录和再现 258
7.1.3 全息图的种类 261
7.2 全息干涉测量原理 261
7.2.1 全息干涉测量的特点 261
7.2.2 全息干涉测量原理 261
7.3 全息干涉测量方法 262
7.3.1 二次曝光法 262
7.3.2 单次曝光法 265
7.3.3 时间平均法 266
7.4 激光全息干涉测量的应用 267
7.4.1 全息光栅位移测量 267
7.4.2 长度比较测量 270
7.4.3 光学玻璃均匀性测量 271
习题与思考题 272
第8章 激光准直测量 273
8.1 概述
8.1.1 激光准直测量基本原理 273
8.1.2 激光准直测量系统组成 279
8.2 激光直线度测量 285
8.2.1 直线度测量概述 285
8.2.2 激光直线度测量 286
8.2.3 直线度测量误差分析 289
8.3 激光多自由度准直测量 291
8.3.1 滚转角测量 292
8.3.2 四自由度同时测量 293
8.3.3 五自由度同时测量 296
8.3.4 六自由度同时测量 297
8.4 激光扫平仪 297
8.4.1 概述 297
8.4.2 激光扫平仪工作原理及系统组成 298
习题与思考题 300
第9章 激光测距与激光雷达探测 301
9.1 激光测距仪概述 301
9.1.1 激光测距仪的特点及分类 301
9.1.2 激光测距仪的主要技术指标 302
9.1.3 激光测距系统 302
9.2 脉冲式激光测距 303
9.2.1 脉冲式激光测距原理 303
9.2.2 时间间隔测量 303
9.2.3 卫星激光测距 304
9.3 相位式激光测距 305
9.3.1 相位式激光测距原理 305
9.3.2 双频率法相位测距原理 305
9.4 激光雷达概述 306
9.4.1 激光雷达大气探测的物理基础 306
9.4.2 激光雷达的分类 307
9.5 激光雷达大气探测原理及方法 308
9.5.1 激光雷达的基本原理 308
9.5.2 激光雷达方程 309
9.5.3 激光雷达方程的解 309
9.6 多普勒激光雷达大气风场探测 312
9.6.1 激光多普勒测风、达原理及分类 313
9.6.2 相干多普勒测风激光雷达 313
9.6.3 非相干多普勒测风激光雷达 314
9.7 米散射激光雷达及气溶胶探测 317
9.7.1 大气气溶胶 317
9.7.2 米散射激光雷达系统组成 317
9.8 激光雷达大气温度探测 320
9.8.1 瑞利散射激光雷达大气温度探测原理 320
9.8.2 转动拉曼散射激光雷达大气温度探测原理 321
习题与思考题 323
第10章 光纤传感与测量 324
10.1 概述 324
10.1.1 光纤传感与测量原理 324
10.1.2 光纤传感与测量的分类 324
10.1.3 光纤传感与测量的特点 324
10.2 光在波导介质中传输的基本理论 325
10.2.1 平板波导介质中的光波模式 325
10.2.2 光在光纤中的传输规律 327
10.3 光纤传感与测量方法 330
10.3.1 光强调制型光纤传感器 330
10.3.2 相位调制型光纤传感器 332
10.3.3 偏振调制型光纤传感器 336
10.3.4 波长调制型光纤传感器 337
10.4 复用式和分布式光纤传感与测量系统 339
10.4.1 复用式光纤传感与测量系统 339
10.4.2 分布式光纤传感与测量系统 340
10.5 光纤传感与测量的应用 341
10.5.1 压力传感与测量 342
10.5.2 温度传感与测量 346
10.6 光纤陀螺 348
10.6.1 光纤陀螺的工作原理和基本结构 348
10.6.2 开环光纤陀螺 349
10.6.3 闭环光纤陀螺 351
习题与思考题 352
参考文献 353
京公网安备 11010102004214号