范文一:激光三角法测距的基本原理
激光三角法测距传感器的设计与实现
朱尚明合肥经济技术学院机电系 合肥:230052葛运建中科院合肥智能机械研究所 摘要 本文介绍了激光三角法测距的基本原理,利用新型位敏元件PSD设计并实现了一种高分辨率、大量程的测距传感器,并对不同条件下的测试结果进行了分析。
关键词 激光三角法 散射光斑 位敏元件PSD 算术运算电路
近年来,电子学和光学技术的飞速发展使得光电检测已成为自动化技术领域的一个热点,在机器人传感器及工业自动检测领域中应用十分活跃
[1][2]。激光三角法测距传感器就是利用光电技术对距离进行非接触测量的一种新型传感器[3][4]。该传感器具有测量速度快、抗干扰能力强、测量点小、适用范围广等优点,目前在国内外受到了越来越多的重视。
1 激光三角法测距的基本原理 激光三角法测距的基本原理是基于平面三角几何,如图1—1所示。其方法是让一束激光经发射透镜准直后照射到被测物体表面上,由物体表面散射的光线通过接收透镜会聚到高分辨率的光电检测器件上,形成一个散射光斑,该散射光斑的中心位置由传感器与被测物体表面之间的距离决定。而光电检测器件输出的电信号与光斑的中心位置有关。因此,通过对光电检测器件输出的电信号进行运算处理就可获得传感器与被测物体表面之间的距离信息。为了达到精确的聚焦,发射光束和光电检测器件受光面以及接收透镜平面必须相交于一点[5]。在图1—1中,假设发射光束和接收透镜光轴之间的夹角为Η,光电检测器件的受光面和接收透镜光
轴之间的夹角为Υ,接收透镜在基准距离处的物
出被测物体的距和像距分别为E和E′,不难推
距离变化?和光电检测器件图1—1
?之间的关系为
?=E3sinΥ3?[E′3sinΗ-?3sin(Η+Υ)] =(D13?)(D2-?)式中 D1=E3sinΥsin(Η+Υ)
D2=E′3sinΗsin(Η+Υ)
由于式(1—1)的推导不带任何先行假设或近似,因此这一关系是严格精确的,它对任何距离的变化都成立。基于这一关系进行运算处理,便可实现激光三角法测距传感器的高分辨率和大量程
范文二:激光三角法综述
第25卷第4期增刊
仪 器 仪 表 学 报
2004年8月
激光三角法综述
Ξ
王晓嘉 高 隽 王 磊
(合肥工业大学计算机与信息学院图像信息处理研究室 合肥 230009)
(中科院合肥分院智能机械研究所 合肥 230031)
摘要 激光三角法属于主动视觉测量方法,是非接触光学测量的重要形式。文章从硬件架构和信号处理两个方面对该方法进行系统性的解释。文章还分析了光学三角法的优点、存在的问题以及相应的当前国内外的研究现状,并对激光三角法的发展趋势作出了预测。
关键词 激光三角法 非接触测量 光电检测
SurveyontheLaserTriangulation
angXjiaJun Wang Lei
(Lab.ofem,ofComputerandInfor,U,Hefei230009,China)
(M,cademyofSciences,Hefei230031,China)
Abstract Afotriangulationisproposedfromitshardwareconstructionandpro2cessflow.,existingproblemsoflasertriangulationandrecentinternalandaboardre2searchtotheproblemsareanalyzedandaprospectofthelasertriangulationisproposed.Keywords Lasertriangulation Non2contactmeasurement Photoelectricitymeasurement
章介绍激光三角法的基本原理;第三章从激光三角传
1 引 言
随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和测量速度的不断提高,传统的接触式测量已经无法满足工业界的需求。而非接触测量由于其良好的精确性和实时性,已经成为测量领域的热点。同时由于电子学和光学技术的飞速发展,光电检测已经成为非接触测量的一种主要方法。激光三角法(LaserTriangulation)是光电检测技术的一种,由于该方法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等优点在工业中的长度、距离以及三维形貌等检测中有着广泛的应用。
作为当前研究和需求的热点,国内现在缺少专门对于激光三角法的综述性文章,因此对于激光三角法的综述性文章是必要的。文章以下章节安排如下:第二
[1]
感器的硬件架构和工作流程两个角度,对其做了系统性的介绍;第四章分析了激光三角传感器的优点、存在的问题及相应的研究进展,并对激光三角法的发展趋势做出了预测;第五章为总结。
2 激光三角法的基本原理
在激光三角法中,由光源发出的一束激光照射在待测物体平面上,通过反射最后在检测器上成像。当物体表面的位置发生改变时,其所成的像在检测器上也发生相应的位移。通过像移和实际位移之间的关系式,真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到。激光三角法的框图如图1所示。
其中:Α是投影光轴与成像物镜光轴的夹角;Β是光电探测器受光面与成像物镜光轴的夹角,而s和s′
Ξ本文系国家自然科学基金(60175011,60375011)、安徽省优秀青年科技基金(03042044)资助项目。
602仪 器 仪 表 学 报 第25卷
分别是物距和像距,d是传感器上的成像点的偏移,而?为实际的物体表面的偏移。系统的相关参数为:偏置距离(Stand2offDistance)D为从传感器到被测表面参考点的距离;测量范围(MeasurementRange)为最大能检测到的物体表面的偏移,即 ? 的最大值;测量精度,传感器的最小测量单位;分辨率(Resolution)一般指测量的纵向分辨率(VerticalResolution),为测量精度和测量范围之比;横向分辨率(HorizontalResolu2
tion)
为待测物体表面上所取测量点的最小间距。
系统的放大倍率决定了系统的分辨率,而放大倍率不但取决于系统参数,还是像移d的函数。
3 激光三角传感器的硬件架构和信号处理
311 硬件结构
激光三角传感器从光路设计上主要可以分为以下两种:(1)直射式:投射激光束垂直于待测物体表面,检测器主要接收散射(Scatter)和漫反射光(DiffuseRe2
flection)适用于表面粗糙度较高的被测面,特点是分
辨率低,体积小,测量范围大,信噪比低;(2)斜射式,投射光束和待测物体表面的法线成一个夹角,检测器主要接收镜面反射光(SpecularReflection),适用于表面粗糙度近于镜面的被测面,特点是分辨率高,体积大,测量范围小。下面介绍激光三角传感器的主要硬件组成:
光源一般采用激光二级管,,重量轻,点。
(1)采用焦距为2毫米以下
图1[1]
[2]
;(2)先用焦距为几十毫米的单透镜准直,
[2]
然后用光阑控制光斑直径大小;(3)光纤自准直棒。
,拉格条件(Scheim);成像面、物面和透镜主面必须相交于同一直线,如图1中X点所示。系统的非线性的输入输出函数为:
?=)s′sinΑ-dsin(Α+Β又可以写为:
?=
检测器主要采用以下两种:电荷耦合器件CCD
(ChargeCoupledDevice)和位置敏感器件PSD(Posi2tionSensitiveDevice)。两者的区别主要如下:(1)分辨
率:CCD分辨率受限于其像素间的间距(通常为4~
(1)
6Λm)通常只能达到Λm级,低于PSD分辨率(可以达
到012~013Λm);(2)响应速度:CCD的响应速度比
PSD慢;(3)后续处理:CCD的后续处理比PSD的复
[3~4]杂;(4)线性方面:CCD的线性优于PSD。
(2)
B-d
其中:A=,B=为三角测量系统的))sin(Α+Βsin(Α+Β
固定参数。当物体偏移?较小时,(1)式可以近似为线
当检测器采用PSD时,需要设置光电信号输出前置处理电路。PSD属于半导体器件,具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点,其弱点主要是非线性。作为新型器件,PSD已经被广泛应用在位置坐标的精确测量上,如:兵器制导和跟踪、工业自动控制、或位置变化等技术领域上。前置处理电路主要目的是在多方面干扰和噪声中提取微弱信号,同时要考虑消除光源以及目标反射特性的不同对精度造成的影响。在消除暗电流和外界杂散光的影响中,可以考虑调制法电路和采样保持法电路。
当检测器采用CCD时,获取的信号是一副图像。其处理主要是图像处理软件过程和算法。与普通的图像处理不同的是,其处理需要对激光在CCD上的投影点的位置做到亚像素(Sub2pixel)级的精度的估计。
[5]
性关系:
?=
s′sinΑ
(3)
激光三角法的另一项重要的参数为线性度(Lin2
earity),就是三角测量法输入和输出关系的线性近似
程度。可以证明,在三角测量中,可以通过缩小测量范围,增大接收透镜的共轭矩,增大三角测量系统的角度,缩小接收透镜的放大倍率,达到线性测量的结果。
此外,由(1)式对d求导,得到输入输出曲线的斜率,即激光三角法的放大倍率Θ:
==Θ)]2d[s′sinΑ-sin(Α+Β
[11]
(4)
第4期增刊 激光三角法综述603
而根据系统所采用的光源和检测器,激光三角法又可以做如下改进:(1)由激光投射光条与一个面阵探测器一起组成,一次获取一条扫描线上的数据,具有快速、简单和因工件在生产线上移动而实现自扫描的优越性。具有较快的速度;(2)采用对二维图像进行编码将一个光面直接投射到物体表面上,完成三维在线测量,具有高速、高密度等优点,但该系统信号处理较繁琐,结构复杂,价格昂贵。而在以上的两种改进中一般采用CCD为检测器,这也就是CCD在现在的三角测量中被广泛应用的原因。
312 信号处理
[6]
镜面象差以及电子系统方面的残余非线性,以确定三角测量系统的参数,如(1)式中的A和B。标定的方法有:(1)测量几个特定点对应的物体表面位移和像位移的数值,求解非线性方程组确定其系数;(2)用查表和
[8]
线性内插的方法相结合确定参数;(3)文献[8]中提
出了一种基于曲线拟合的标定方法。系统通过标定后通常可以建立一个像移和物体位移的对应的查找表
(Look2UpTable,LUT),在实际运行中将获得的像移
值通过查找表得到最后的物体表面的实际偏移。
4 激光三角传感器特性分析及研究现状
激光三角传感器的主要优点有:(1)与非接触测量相比,它解决了接触测量中接触侧头与工件之间的接触压力;解决了接触侧头半径较大带来的横向分辨率问题
[12]
激光三角法的信号处理流程为:首先,由光源投射可控制的光点、光条或光面结构光到物体表面形成特征点,并由检测器获取信号;其次,对检测器获取的信号进行处理,获得特征点在像平面上的位移;最后,利用三角法测量原理可求得特征点的深度信息。而实际的激光三角传感器在投入使用前还必须进行标定。
当检测器采用PSD时,其输出为电流量的模拟值,后续处理主要由前文所述的硬件电路进行较为简单的信息处理。其处理框图如图2所示。图2中,的运算包括对电流信号的求和,
[7]
;提高了检测速度(kHz极,而接触式测量为
1Hz左右)。(2):具有大的偏置
,而离焦检。,:采用半导体激光;激光方向性好,光功率高,从而使测量仪器分辨率高、稳定性,测量精度高;与计算机结合,形成智能测试系统;在生产现场实现在线检测;适用范围广。
激光三角传感器的主要问题及相应的解决方法:在传感器系统方面:
(1)入射光束的焦深限制:一般的高斯光束聚焦为
[2]
[13]
入射光时,会出现光斑尺寸随测量范围变大而离焦变大的情况,使系统很难满足高分辨率和大测量范围的
图2 PSD前置电路框图
要求。当采用CCD为检测器时,相应的改进方法是采用重心法取CCD输出矩形脉冲的中心位置
[14]
;而采用
当检测器采用CCD时,获取的信号是一副图像。而图像处理就成为决定激光三角传感器的精度和速度的重要步骤,其处理目的主要是得到图像传感器上像移的精确值。一般采取的图像处理步骤有阈值变换(二值化),图像增强,图像的细化。与一般的图像处理不同的是,其处理需要对激光在CCD上的投影点的位置做到亚像素(Subpixel)级的精度的估计。通常是获得图像边缘的像素级信息(粗定位),之后通过插值拟合的方法得到亚像素级的精度(细定位),主要方法有
LaplacianofGaussian(LOG)技术,灰阶矩量法(GreyLevelMomentEdgeOperator)[10]和双边指数法(twosidedexponentialedgeoperator)[11]。
[9]
PSD为检测器时可以较好的避免光斑形状的影响,但
仍会影响系统的分辨率。在文献[15]中提出采用无衍射光束作为光源解决这个问题。
(2)光学系统的像差使得物体上任一点发出的光
束通过光学系统后,不能汇聚于一点,而是形成一个弥散斑或者使像不能严格表现出原物的形状。相应的改进方法是在接收透镜的设计中考虑像差的因素。
(3)非线性的输入和输出之间的关系。改进的方法
[16]
有,通过较优的标定方法制作查找表,之后在测量过程中查表得到具体的物体位移值。
在待测物体方面:
(1)由于被测表面倾斜产生的阴影和死区对测量
[5]
标定的目的是补偿光学传感器部分的几何扭曲,
产生的影响,相应的方法有,采用声光调制器(AOD)
604仪 器 仪 表 学 报 第25卷
发出的衍射光从两个方向对被测物进行扫描的双向扫描三角测量法
[13]
介绍当前的研究现状并对其主要发展方向做了展望。 参考文献
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,使用单光源,双检测器,最后进行数
[17]
据融合的激光双三角法。
(2)由于被测表面的阶越,比如孔或者缝,使得传
感器无法接受到反射或漫反射光。解决方法有采用旋转对称性的光学三角传感器。
(3)被测面由于颜色、材料、粗糙度、光学性质以及
[18]
表面形状等方面的差异导致同一光源入射时,物体表面对光的反射和吸收程度不同,特别是由于物体表面的粗糙度和折射率等因素引起的成像光斑或光条有像差。改进的方法有,使测量工作平面(由传感器的入射透镜和接收透镜的光轴决定的平面)平行于待测表面的纹理,可接受到足够的光强,有利于提高测量分辨率。
(4)高度镜面反射使得像点会被散斑噪声腐蚀。解
析.西安工业学院学报,1998,18(2):153~156.
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在外界环境影响方面:
(1)温度,[20]
[19]
;2)采用线性偏振光作为光源,利
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9 Marr,E.C.HTdetection.Proc.
用了线性偏振光的参数随着金属表面的镜面反射改变
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统设计。
[24]
[[23]
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11 LiY.S.,YoungT.Y.,JosephA.M.subpixeledge
detectionandestimationwithalinescancamera,pro2
;采用完全对称双面双光路系
(2)外界和环境光线的干扰,解决方法有采用PSD
~675.ceedingofIECON,1987,667
12 阳道善,陈吉红,周会成.线结构激光—机器视觉三角测
检测器时使用调制法电路;使用偏振光为光源;使用窄带滤光片隔离环境光。
根据激光三角法的问题以及改进,作者认为激光三角测量的发展趋势主要可以概括为以下几个方面:
(1)通过引入新的光学器件、先进的传感器技术以及精
[5]
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[25]
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(下转第608页)
5 总 结
分析了激光三角法的系统组成、工作流程和特性,
608仪 器 仪 表 学 报 第25卷
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(1)置charge(S)为{C C∈nodes(S)}∩{C order
(C)≤minS’∈NOTH(S)maxC’出现在S’中 order(C’)}。
(2)若charge(S)=<>
否则,对每一个C∈charge(S),且对于关于C的每一个溯因文字Α(C),若Α(C)是NOTH(S)中某个集合S’中的一个元素,且不存在S’∈HS,使得S’ΑS∪
{Α(C)},则
~1400.den:Morgan2KaufmannPublishers,1999.1393
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animportant
.Proc.10thEuropeanchallengeandtouchstoneforAI
如果S∪{Α(C)}是一个碰集,那么将S∪{Α(C)}添加入HS中;
否则,将S∪{Α(C)}添加到CONSIDER中。
(3)返回Step2。
~3):197~222.
5 欧阳丹彤,姜云飞.基于一致性的中心诊断及中心溯因诊
例2 反相器电路模型与观测行为详见文献
[12],其中:
F={{s0(I1),s1(I1),short(I1),s0(I2),s1(I2),short(I2)},{ok(I2),s0(I2),short(I3)},{ok(I2),s0(I2),s1(I2),ok(I1),s0(I1),short(I1)},{ok(I2),s0(I2),s1(I2),ok(I1),s0(I1),s1(I1)}}。
={I1,I2}。不妨设order(I2)<>
断.计算机学报,1998,21(6):540~545(被EI收录).
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8 KarpR..Rbinatorialproblems.
ofComputerCom2M图4中标识为“√”的结点为F的极小碰集,即极小诊断,
这与直观上的解释也是一致的。
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generatingprimeimplicants.puters,1970,19(4).
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录).
(上接第604页)
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范文三:激光冷却法原理
激光冷却法原理
激光冷却法的基本原理是 光压 在 光的传播 路径上会对物质产生一定压力 称之为 光压 在进行冷却的时候用多束激光从不同方向照射目标体 使其粒子 受到光压的作用以阻止其热振动以达到冷却的效果,激光冷却法是现在最先进 的冷却方法之一,可以打到非常接近 绝对零度 的超低温。
众所周知,激光是高功率的光束,它能产生高温,因而有激光手术、 激光 焊接 等应用。但是激光居然还能用来冷却,而且可以冷却到绝对温度百万分之 一度以下,却似乎有点不太好理解。
激光冷却涉及到多个物理原理,概括起来主要有 光的多普勒效应 、 原子能 级量子化 、 光具有动量。 另外, 激光的高度单色性和可调激光技术也非常重要。 光的 多普勒效应 是指, 如果你迎着光源的方向运动, 观察到光的频率将会增加; 如果背离光源方向运动,观察到的光的频率将会降低。
原子可以吸收 电磁辐射 的能量,使其本身的能量升高;也可以释放出电磁 辐射,同时自身的能量降低。原子的能级量子化,是指原子只能吸收和放出某 些特定频率的电磁波。按量子理论,电磁波的能量只能以某种不可分割的单位 --能量子 --与别的物质相作用。 而每一份能量子所含的能量正比电磁波的频率, 所以,只吸收和释放某些特定频率的电磁波,就意味着原子的能量只能取某些 特定的值,故称为能级量子化。
光与其它实物粒子一样,也具有动量。当一个 原子吸收 一份电磁波的能量 子 (即光子 ) 时,它同时也获得了一定的动量。光的动量与光的波长成反比,方 向与光的传播方向相一致。
现在假设某种原子只吸收频率为 f0的电磁波。 如果我们把激光的频率调在 略小于 f0的频率上 (可调激光技术可以让我们精确地调节所需激光的频率 ) , 并 把这样一束激光射在由那种原子组成的样品上,将会发生什么现象呢?
我们知道,在高于绝对零度的任何温度下,组成样品的原子都在作无规则 的热运动。当其中某个原子的运动方向指向激光的光源时,由于多普勒效应, 在这个原子看来激光的频率会略高一些。因为我们把激光的频率调在略低于 f0,多普勒效应可以使得飞向光源方向的原子看到的激光频率正好等于 f0。这 样,这个原子就有可能吸收激光的能量。在它吸收能量时,它同时也获得了动 量。由于激光传播的方向与原子运动的方向相反,获得的动量将使原子的运动 速度变慢。
1
如果另一个原子的运动方向背离激光的光源时,由于多普勒效应,这个原 子看到的激光频率将降低,这样将更加远离它能吸收的电磁波的频率,所以这 个原子不会吸收激光的能量,也不会从激光那里获得使它加速的动量。
如果我们多设置几个激光源,从多个方向照射那个样品。那么按上面的分 析,无论样品的原子往哪个方向运动,它都只吸收迎面而来的激光,因而其运 动速度总是被降低。这些原子就好象处在粘稠的糖浆中,它的运动一直受到阻 挠,直到几乎完全停止。所以激光冷却装置又被称为“光学糖浆”。
这样,在激光的照射下,组成样品的原子的热运动速度不断降低,它的温 度也就不断地降低。那么用这种办法有没有可能达到绝对零度呢?答案是否定 的。因为样品原子在吸收了光子之后,其自身能级将升高,因而并不稳定。它 会再次释放光子,使自己处于更稳定的状态。释放光子时,它也会失去一部分 动量,从而产生相反方向的加速。释放光子的方向是随机的,所以在长期平均 来看,它并不产生净的加速。但是它毕竟使原子获得了随机的瞬间速度,这本 身也是一种热运动,所以要达到绝对零度是不可能的。只是这种热运动的幅度 很小,其对应的温度对大多数原子来讲在千分之一开以下。
激光制冷
大家都知道激光有亮度高的特点 , 利用这个特点可以在极短的时间内在极 小的范围内使被激光照射的物体接受到极高的能量 . 用这种技术可以进行 金属 焊接 和施行人体手术等 . 而现在科学家们还能利用激光制冷 , 并把研究对象的温 度降低到只有几微开 (10-6K),已经非常接近绝对零度了 .
激光冷却技术的原理可以用右图说明 . 图中 激光束 a 和激光束 b 相向传播 , 光的频率相同 , 都略低于 原子吸收光谱 线的中心频率 , 即比原子的共振吸收频率 低一些 . 现在考虑一个往右方运动的原子 A, 这个原子是迎着激光束 b 运动的 , 根 据多普勒效应 , 这个原子感受到的激光束 b 的频率升高 , 即激光束 b 的频率进一 步接近了原子的共振吸收峰值的位置 . 原子从激光束 b 吸收光子的几率增大 . 这 个原子的运动方向和激光束 a 的传播方向相同 , 所以它感受到激光束 a 的频率减 小 , 根据多普勒效应 , 这个原子感受到的激光束 a 的频率降低 , 即激光束 a 的频率 进一步远离了原子的共振吸收峰值的位置 , 原子从激光束 a 吸收光子的几率减 小 . 着意味着原子 A 将受到把它往左推的作用力 , 阻止它往右运动 , 即原子 A 的速 度减慢 . 同样 , 图中向左运动的原子 B 将受到激光束 a 的推力 , 阻止它向左运动 , 运动速度也减慢 . 那么 , 用上下 , 左右 , 前后三对这样的激光束 , 就可以让朝各个
2
方向运动的原子都减慢运动速度 . 而物体的温度正是由物体分子平均动能的标 志 , 所以这种方法能够达到制冷的目的 . 目前 , 用这个办法已经可以把原子冷却 到微开 .
激光冷却时利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的 高新技术。
主要应用
这一技术早期的主要目的是为了精确测量各种原子参数,用于高分辨率激 光光谱和超高精度的量子频标 (原子钟 ) , 后来成为实现原子玻色 -爱因斯坦凝聚 的关键实验方法。虽然早在 20世纪初人们就注意到光对原子有辐射压力作用, 只是在激光器发明之后,才发展了利用光压改变原子速度的技术。激光冷却有 许多应用,如:原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊子、玻色 -爱因 斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等 理论发展
人们发现,当原子在频率略低于原子跃迁能级差且相向传播的一对激光束 中运动时,由于多普勒效应,原子倾向于吸收与原子运动方向相反的光子,而 对与其相同方向行进的光子吸收几率较小 ; 吸收后的光子将各向同性地自发辐 射。 平均地看来, 两束激光的净作用是产生一个与原子运动方向相反的阻尼力, 从而使原子的运动减缓 (即冷却下来 ) 。 1985年美国国家标准与技术研究院的菲 利浦斯 (willam D.Phillips) 和斯坦福大学的朱棣文 (Steven Chu) 首先实现了激 光冷却原子的实验, 并得到了极低温度 (24μK) 的钠原子气体。 他们进一步用三 维激光束形成磁光阱将原子囚禁在一个空间的小区域中加以冷却,获得了更低 温度的
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范文四:三角法 激光测距
第27卷第12期2010年12月
机
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