近代光学

近代光学测量技术

第十一章 纳光学米测量技术

1.纳米材料特点

纳米粒子指尺寸在0.1－100nm之间的粒子，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域

表面效应 体积效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应

2.最终目标：要使人类能够按照自己的意愿任意操纵单个原子和分子，按照人们的期望，在原子和分子的水平上设计和制造全新的物质。这些全新的物质将给人类带来全新的变化。

3.显微镜原理

a扫描隧道显微镜（STM）的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。这种现象即是隧道效应。

b原子力显微镜原理AFM的原理较为简单，它是用微小探针“摸索”样品表面来获得信息．如图所示，当针尖接近样品时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变．悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号传递给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中一系列探针变化就可以获得样品表面信息图像．

第九章 激光光谱技术

1激光光谱学（一门新学科）

使用激光后获得复兴的经典光谱学分支，

一些新兴的分支，如极高分辨率光谱学，非线性光谱学，时间分辨光谱学等

2激光喇曼光谱技术

定义：利用喇曼散射所产生的喇曼位移及强度进行物质定性、结构和定量分析的仪器分析方法。

拉曼效应：当光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为喇曼效应。

基本原理：

3激光喇曼分光计组成：激发光源 前置光路 单色仪 探测放大系统 计算机系统

4荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级→基态（ 多为 S1→ S0跃迁），发射波长为

'2的荧光； 10-7～10 -9 s

磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级→基态（ T1 → S0跃迁）；

5原子吸收光谱法的基本原理：元素特定的原子从基态打到激发态，依据基态原子蒸气对特定谱线的吸收进行定量分析。

原子吸收光谱仪又称原子吸收分光光度计，由光源、原子化器、单色器和检测器等四部分组成。

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第八章 激光多普勒技术

1.激光多普勒测速技术(LDV)的工作原理：是基于运动物体散射光线的多普勒效应，当单频的激光源与探测器处于相对运动状态时，探测器所接收到的光频率将是变化的。当光源固定时，光波从运动的物体散射或反射并由固定的探测器接收时，也可观察到这一现象，这就是光学多普勒效应。

2激光多普勒测速的特点： 优点(1)非接触测量(2)空间分辨率极高(3)动态响应快(4)测量精度高(5)测量量程大(6)测量速度方向的灵敏性好

局限性：(1)被测流体要有一定的透明度，管道要有透明窗口。(2)在测纯净的水或空气速度时，必须由人工掺入适当的粒子作散射中心。(3)流速很高时要求提高激光输出功率，由于信号频率很高而使信号处理困难。(4)价格较贵。(5)使用时要有一定的防震要求，并使管道和光学系统无相对运动。

3激光多普勒测速仪的基本光路

LDV构成：主机(包括激光器，光学发射头，光学收信器，光电探测器和相应的机械调整机构)，多普勒信号处理机和记录仪器。

光路分类：按光学结构的不同大致可分为 参考光束型(基准光束型) 双散射光束型(差动多普勒型或干涉条纹型） 单光束型(对称外差型)

4判断前后向

前向：光学发射头与接受头分别置于试验两侧。后向：光学发射头与接受头置于试验段同侧

6外差技术原理：将多普勒频移信号fD从光频上解调下来，转载到一个比fD高的副载波fs上，然后用无线电解调调频信号的技术将fD上取出来。

7光频调制技术（一）声光调制技术（二）旋转衍射光栅移频法（三）磁光调制移频法（四）电光调制移频法

8信号处理的方法：频谱分析法 频率跟踪法 计数型信号处理法（ 频率计数法） 滤波器组分析法 光子计数相关法 扫描干涉法

第七章 光纤传感技术

1光纤传感器： 定义：光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光源、敏感元件(光纤或非光纤的)、光探测器、信号处理系统以及光纤构成。

原理：光波作为载波经入射光纤传输到传感头, 光波的某些特征参量在传感头内被外界物理量所调制, 含有被调制信息的光波经出射光纤传输到光电转换部分, 经解调后就能得到被测物理量的大小和状态。

2光纤传感器的分类

（1）根据光纤在传感器中的作用

功能型（或称传感型、探测型）光纤传感器：光纤不仅起传光作用,又是敏感元件,即光纤本身同时具有传、感两种功能。

非功能型（或称传光型、结构型、强度型、混合型）光纤传感器： 光纤仅起导光作用，

只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。

（2）根据光受被测对象的调制形式 光强调制型、偏振态调制型、频率调制型、相位调制型、波长调制型

（3）按照被测对象

3耦合器与分光器的认识

光纤耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件。

耦合分为强耦合和弱耦合两种。

有拼接式、熔融拉锥式和腐蚀光纤耦合器。

第六章 光扫描技术

1扫描器件

多面体扫描器－利用多面体（6～12面）的转动来形成扫描，优点是扫描线性好、精度高，缺点是体积大、价格高；

振子扫描器－利用振子在磁场下的摆动来形成扫描，扫描角≤ ±15°。

声光偏转器－利用声光效应使入射光线产生偏转而实现光扫描，声光偏转器的扫描角不大一般±3°左右。

压电扫描器－这时利用最新发展起来的利用逆压电效应产生摆动的新型扫描器，具有无擦、无磨损、无间隙的特点，特别适合于冷环境(≤100K)下实现扫描，浙江大学可提供此器件。

2光扫描方法主要分两种

光调制扫描法 所谓光调制法，就是不测时间而测位相，即不用光点来扫描工件，而用空间调制光束来扫描工件

外差扫描法 原理 用一束细的激光束来扫描有振动的被测物体，检测反射光和参考光之间的位相，利用参考光与入射光之间微小的频率差，即用拍频的方法检测位相。

3定位技术

利用显微镜成像实现定位，原理

当狭缝中心处于图b）中的（a），（b），（c），（d），（e），（f），（g），（h），（i），九种位置上作扫描振动时，光电输出信号的波形如图c）所示。当狭缝中心在（a），（i）位置，无光电讯号输出，表示显微镜视轴（用狭缝中心位置表示）在标准尺分划刻线之外，狭缝上无刻线成像。移动显微镜到（b），（h）位置，有一点刻线信号，继续移动到（c）或（g）的位置，出现较大的刻线讯号。到（d）或（f）位置，波形开始分裂，当狭缝中心刚好与刻线中心重合时（e的位置），波形一分为二，且完全对称。由波形的对称性就可以判定是否完全对准刻线

利用激光与f-θ透镜的扫描结合进行精密定位

第五章 光衍射技术

1衍射计量的基本公式

Rnwxn Xn第n级暗纹中心距中央零级条纹中心的距离

R为观察屏距单缝平面的距离

2衍射计量技术的两个基本方案

（1）记录固定点衍射强度的方法（图5-5a中A和B点）

（2）记录衍射分布特征尺寸(指衍射射分布极值点之间的距离或角量)的方法（图5-5b中的t）

3第二方案的几种方法

（1）间隙测量法（2）反射衍射法（3）分离间隙法（4）互补测量法（5）爱里圆测量法

（1）间隙测量法

原理:基于单缝衍射原理,如图，1为激光器2为柱面扩束透镜3为工件4是参考物5是成像物镜，6为观察屏或者接收平面，7为微动结构，用于衍射条纹的调零或者定位。采用激光作为光源，柱面透镜作为聚光镜光能以平行光方式高度集中在狭缝上，因此，能获得明亮而清晰的衍射条纹，当Rw2/时，观察屏离开工件较远，这时还可取消物镜

5，

直接在观察屏6上测量衍射条纹。观察屏上的衍射条纹可直接用线纹尺测量，也可用照相记录测量或光电测量

（3）分离间隙法

原理：是利用参考物和试件不在一个平面内所形成的衍射条纹是不对称的。原理图如上，

4应用

一、间隙或间隙变化的测量二、位移与间隙的远距离测量 三、表面缺陷的自动检测

四、细丝及薄带尺寸的测量五、角度的精密测量六、全场测量七、波前测量

5如何实现多次测量

第一章 光干涉技术

1技术现状

光电测试技术原理上的三个特点

1）从主观光学发展成为客观光学，也就是用光电探测器取代人眼这个主观探测器，提高了测试精度与测试效率

2）用激光这个单色性、方向性、相干性、稳定性都极好的光源来取代常规光源，获得方向性极好的实际光线用于各种光学测量

3）从光机结合的模式向光机电算一体化的模式转换，实现测量与控制的一体化

从功能上说主要有以下三点

1）从静态测量发展成为动态测量

2）从逐点测量发展成为全场测量

3）从低速度测量发展成快速的，具有存储、记录功能的测量。

2泰曼格林干涉仪

原理图P23

适用范围1、大光程差的测试（激光器高度的时间相干性）

2、既适应各种静态测试，也适应大位移的动态测试

3共路与非共路区别

4斐索共路干涉仪

原理图P27

原理：一针孔被置于准直物镜的焦点处，单色光源的尺寸受针孔限制，单色光经针孔及准直物镜后形成准直光束，直接射向参考平面和被检表面。当参考平面和被测表面之间形成很小的空气契时，平面P小孔后的人眼就可观察到由两者形成的等厚条纹，如果参考平面被认为是理想的、则等厚条纹的任何形状变化就可以认为是被检表面的缺陷。

注意:我们把空气间隔很小时的斐索干涉仪称为共路型斐索干涉仪，而把空气间隔较大且无法在结构上把两者连成一体的斐索干涉仪称为非共路型。

5波面错位干涉仪

a所谓波面错位干涉技术，就是通过一定的装置（某种错位元件），将一个具有空间相干性的波面分裂为两个完全相同或相似的波面，并且使这两个波面彼此错位，因为波面上的各点是相干的，在两个波面的重叠区将产生干涉，考察和分析处理干涉条纹就可以了解有关原始波面的信息。

b波面错位的方式

c实现错位的装置：平行平板 三角板

6共路错位扫描干涉仪

原理图

原理P68

平行平板M的作用 产生横向错位

1/2波片作用 使得两干涉光路的光强大致相等

1/4波片作用 调节偏振方向，和检偏器P组成位相调制器

7动镜问题

a逆向反射器

b三种动镜的优缺点 构造

8干涉条纹的移相

移相的目的：是为了判别激光测长时动镜的移动方向和信号倍频的需要，它是将干涉条纹用一定的方法一分为二，并使两部分的位相偏移90°

移相的方法：翼型板移相 狭缝移相法 在分束镜上镀分束膜移相法 偏振干涉方法