专业实验——脉冲激光淀积
脉冲激光淀积(PLD)方法制备薄膜实验
PLD是一种制备薄膜材料的技术，它是伴随着激光技术的发展而一步步发展起来的。在20世纪60年代，世界上第一台红宝石激光器诞生后不久，人们就开始了激光与物质相互作用方面的研究。1987年，美国贝尔实验室的D.Dijkkamp等人用PLD技术(KrF准分子激光器)成功制备了高温超导薄膜.而后，Greer等人通过激光束扫描靶材的方法制备了较大面积的薄膜，从此在世界范围内掀起了一个用PLD技术制备薄膜的热潮，从而使PLD技术获得迅速发展。现在 PLD 技术己经成为一种很有发展潜力的薄膜生长技术而且它具有极大的兼容性便于引入新技术。现在用它制备的各类薄膜己经超过200种，尤其在制备具有多元素和复杂层状结构的各种氧化物薄膜等方面显示出了其独特的优越性。
一、实验目的
1．了解脉冲激光沉积方法制备薄膜的实验原理
2．学会利用脉冲激光沉积方法制备薄膜
二、实验仪器
中科院沈阳科学仪器研究所生产的PLD450型脉冲激光沉积系统；
德国Lambda Physik公司生产的准分子激光器（型号Compex Pro 102 KrF）；
用于调整光路的紫外光反射镜；用来将紫外激光汇聚到靶表面的凸透镜。
三、实验原理
1. PLD的基本物理过程
PLD是将脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于靶材表面，使靶材表面产生高温及熔蚀，并进一步产生高温高压等离子体，这种等离子体定向局域膨胀发射，并在衬底上沉积而形成薄膜。目前在所用的脉冲激光器中以准分子激光器效果最好。强脉冲激光作用下的靶材物质聚集态迅速发生变化，成为新的状态而跃出，直达基片表面凝结成薄膜，具体可以分为以下三个物理过程。
高强度脉冲激光照射靶材时，靶材吸收光波能量，温度迅速升高至蒸发温度而产生熔蚀，使靶材气化蒸发。瞬时蒸发气化的气化物质与光波继续作用，使其绝大部分电离并形成局域化的高浓度等离子体，表现为一个具有致密核心的闪亮的等离子体火焰。
等离子体火焰形成后，继续与激光束作用，吸收激光束的能量，产生进一步
电离，使等离子体区的温度和压力迅速提高，使其沿靶面法线方向向外作等温（激光作用时)和绝热(激光终止后)膨胀发射，这种高速膨胀发射的轴向约束性，可形成一个沿靶法线方向向外的细长的等离子体区，即所谓的等离子体羽辉。等离子体膨胀到达衬底最终沉积成膜。首先，气相的粒子在衬底上相互集聚在一起，不断地形成所谓的生长核，并且随着不断的沉积，核不断长大，在整个衬底上形成所谓的岛状结构。不断长大的生长岛会逐渐彼此接触并合，一直到形成整体连续的一层膜。根据需要，可以控制沉积条件一层一层的不断生长，直到薄膜的厚度达到预定目标。薄膜的生长是一个十分复杂的过程，其中包括烧蚀粒子(包括原子、分子、离子、原子团等等)与衬底表面的相互作用，粒子之间的相互作用，衬底的温度、粒子的入射能量等等因素、这些因素都对生长过程的演化有着重要影响。
薄膜生长的形态学而一言将薄膜生长分为三种模式:
1.三维岛状生长，Volmer-Weber型原子先凝聚成核进一步吸附入射的原子从而凝聚成岛状。
2.二维逐层生长，Frank-VanderMerwe型。原子一层一层的生长不会形成较大的三维岛。
3.层岛结合生长，Strarski-Krastanov型.原子凝聚以及核的生长介于以上两者之间。
图1 A 三维岛状生长 B二维逐层生长 C层岛结合生长
2．脉冲激光淀积技术制备薄膜的理论模型
早在第一次用激光沉积薄膜的实验开始之后，人们就开始对激光与物质相互作用的复杂机理进行研究，但是用一个完整的、自洽的模型去解释PLD过程中出现的所有的物理现象是非常困难的。在60年代初，建立了最简单的“热效应”模型。这种模型基于当时低功率密度激光与金属表面的相互作用，能够较合理地解释低能量激光照射金属表面时产生的一些现象。但是，当电子Q开关短脉冲激光出现后，激光的功率密度已经超过108W/cm2，这种情况下，“热效应”模型就不能对实验中出现的物理现象给出合理的解释，例如它忽略了激光与烧蚀产生的羽辉之间的相互作用等等。此后，人们又试着建立了许多模型，用来解释PLD过程中的物理现象，如非平衡表面过程模型和冲击波模型等等。但是每一种模型都有其
自身的局限性，只能合理地描述脉冲激光沉积薄膜中的一部分物理现象，尤其是当高能量、短脉冲的激光应用于制备薄膜时，这些模型的局限性更大，同时也就变的不合理。
3.PLD技术的设备和工艺
PLD方法制备薄膜的典型示意图如图2所示。激光经过凸透镜的聚焦，从窗口进入到真空室，照射在靶材上，由于入射到靶面上的脉冲激光峰值功率较高，目的是使靶表面产生很高的温度，并使其熔化、蒸发，在生长室内形成高温高压的等离子体羽辉，羽辉沿着垂直于靶材表面的方向迅速膨胀，最终在衬底上沉积成膜。
PLD设备主要由二部分组成：一是生长室，包括真空系统，加热系统和控制系统：二是准分子激光器。激光器所输出的激光经过2块反射镜的二次反射后，再出凸透镜（焦距50cm）汇聚到靶材上，激光入射方向与靶材表面的夹角45°。
图2 脉冲激光淀积装置
生长室内部有四个可以旋转的靶托和一个放置衬底的底盘，靶和衬底之间的距离在30～70mm之间可调。四个靶托都可以以5～60转/分的转速进行自转（可调），并且可以通过手动或自动调节，实现不同靶的生长，这样可以实现多层膜的生长，衬底的底座也可以以5～60转/分的转速进行自转（可调），这保证了
生长薄膜的均匀性。衬底加热采用电阻加热方式，加热的极限温度为800℃。生长室还配备了三路独立的进气管路，整个气体管路部分采用进口内外抛光的不锈钢管，使用VCR接口以及特种垫片实现连接，保证了真空系统的密封性，通过质量流量计对气体的流量实现精确控制。本设备配备了2XZ-8B机械泵以及KYKY FD-600H涡轮分子泵，系统极限真空可达10-5Torr。
PLD技术的关键设备是激光器。目前，PLD技术中最常见的脉冲激光器是准分子激光器，因此PLD技术的发展与激光器的发展是密切相关的。准分子激光器是一种新型的可调谐激光器，它形成激光的关键是许多激发态分子所储存的能量释放成强紫外光，它需要产生高密度准分子，最常见的准分子是稀有气体和卤化物的分子，它们的波长全部处于紫外区，准分子激光具有高脉冲等优点，并且还能在长脉冲和高重复率下工作。准分子激光器的工作气体为ArF、KrF、XeCl和XeF，其波长分别为193nm、248nm、308nm和351nm，光子能量相应为6.4eV、5.0eV、4.03eV 和3.54eV。准分子激光器一般输出脉冲宽度为20ns左右，脉冲重复频率为1-100Hz，靶面能量密度可达2―5J/cm2。准分子激光为紫外短脉冲激光，其单光子能量高达7.9电子伏特，大于大多数的材料分子的化学键，容易被金属、氧化物、陶瓷、玻璃和高分子残料吸收，而且易于聚焦，有良好的空间分辨率，能有效的利用激光能量。
图3 准分子激光器
本实验室使用的是德国Lambda Physik公司生产的准分子激光器（型号
Compex Pro 102 KrF），如图2.6所示。工作气体为KrF，输出波长248nm，脉
冲宽度20ns，激光的单脉冲能量最大可达400mJ/P，激光的重复率在1～20Hz
内连续可调。
4. PLD工艺参数对成膜质量的影响
我们采用的PLD生长腔体和控制系统是中科院沈阳科学仪器研究所生产的
PLD450型脉冲激光沉积系统，它可以实现基片温度、真空室气流量和氧压、靶和基片间距和旋转等工艺参数的自动控制。在脉冲激光沉积生长薄膜过程中，各
种工艺参数对薄膜质量的影响很大，包括基片温度、真空度、激光能量密度，频
率等。PLD制备薄膜的过程中影响薄膜质量的主要因素有：
,才能使材料 1）激光能量密度E的影响：激光能量密度要超过一定的阈值E
th
烧蚀溅射，这是因为在PLD过程中，激光与靶的作用从本质上区别于热蒸发过程，
激光能量密度必须大到使靶表面出现等离子体，从而在靶表面出现复杂的层状结
一般取0.1- 0.5J / cm2构Knudsen层，这是保证靶膜成分一致的根本原因。E
th
激光能量密度E是决定烧蚀产物中原子和离子类型及这些粒子具有的能量的关键
因素之一。原子和离子的类型很大程度上决定了薄膜的成分和结构，例如在制备
类金刚石薄膜时，激光功率密度高则提高了C3+在等离子体中的比例，进而提高了
膜的质量，原子和离子的能量又影响着薄膜的生长速率。激光能量E不能过低，
但也并非越高越好，存在一个优化值，而优化值应结合靶的成分结构及一些综合
外部条件如气压、靶距等，可建立适当数学模型来求取，这方面工作有待进一步
深入研究。
2）环境气压P的影响：环境气压P主要影响烧蚀产物飞向基体的这一过程，
其对沉积薄膜的影响分为两类:(a)环境气体不参与反应时，气压主要影响烧蚀粒
子内能和平动能，从而影响膜的沉积速率，这时真空度一般达10-3Pa; (b)当环境
气体参与反应时，则气压不仅影响膜的沉积速率，更重要的是会影响薄膜的成分
结构，例如:在制备氧化物薄膜时，反应室通入一定量的氧气，可以避免产生缺
氧薄膜。
3）基体--靶距D的影响：D的设置与脉冲激光能量密度E和环境气压P有关。
中科院物理研究所给出了脉冲激光制备薄膜的有关E,D、P最佳沉积条件的经验公
式为:(E-E
) /D3P=8.78X 10-5j·Cm-5·Pa-1。由此公式可以看出，D越大，气压越th
高，则脉冲激光能量密度要求越高，公式己得到实际证明，可以作为实际应用过
程中D的参考依据。
4）基体对薄膜质量的影响在PLD制备薄膜过程中，对于基体的要求非常高，很大程度上决定了薄膜是否符合要求，其影响包括基体的类型，基体温度的高低及均匀性。主要考虑以下的两种因素:
(a) 合适基体的选择目前用PLD制备的薄膜有超导薄膜、半导体薄膜、铁电薄膜、压电薄膜等，这些膜晶体大多各向异性，因而为了得到符合要求的薄膜，必须保证膜晶粒择优取向生长，而基体类型对证晶粒的生长方向至关重要;同时合适的基体选择将影响薄膜质量包括内部缺陷、力学性能及薄膜与基体的结合强度，因此PLD过程中要求基体与膜的晶格常数匹配、物理性能参数(热膨胀系数、热传导系数等)匹配，但有时单纯依靠基体不能满足要求，由此发展出了缓冲层技术，即通过缓冲层作为膜与基体的中间过渡层，改善膜与基体参数失配。
（b）基体温度的高低及均匀性对薄膜的结构、生长速率等都有影响基体温度的选择目前尚无系统理论指导，只能限于实际中反复实验，从而确定最佳的温度值，但要考虑的因素有:一是对膜结构的影响。这是温度选择时需要考虑的最重要的一点。研究结果表明基体温度不同，膜的晶粒取向就会不一样。当最佳温度确定以后，基体温度如果偏离最佳温度10℃，膜质量就有明显变化；二是基体温度过高，会引起膜的再蒸发，从而降低沉积速率.总之，在 PLD制备薄膜的工艺过程中，实验参数可分为三类:一类是几何参数如偏轴、靶与衬底的距离等;一类是激光参数如激光能量密度，激光波长，脉冲宽度和频率等；还有一类是薄膜生长的工艺参数如衬底温度Ts，气氛压，沉积速率等。PLD技术研究的最终目的，实际上就是通过对实验工艺的研究寻找这三种实验参数的最佳数值和它们之间的最佳匹配，从而实现高效率的制备高性能的质地优良的薄膜。
5. PLD技术的优势和不足
近年来，PLD技术受到广泛重视，发展非常迅速，是由于PLD技术有许多其它薄膜制备技术所不具备的优点:
1）由于PLD过程是在真空条件下进行且只要入射激光能量密度超过一定阈值，靶的各组成元素就具有相同的脱出率，在空间具有相同的分布规律，因而可以保证靶膜成分一致。
2）由于脉冲激光束的能量高，所以溅射出来的粒子出射动能大，这有利于提高薄膜的生长质量。
3）由于激光能量的高度集中，因此利用PLD技术可以蒸发金属、半导体、
陶瓷等无机材料，有利于解决难熔材料的薄膜沉积问题。
4）可引入各种活性气体，如0
2、H
2
等，这对于多元素化合物薄膜的制备，
特别是多元素氧化物薄膜的制备极其有利。
5）易于在较低温度(如室温)下原位生长取向一致的结构膜或外延单晶膜，因此适用于制备高质量的光电、铁电、压电、高温超导等多种功能薄膜。因为等离子体中原子的能量比通常蒸发法产生的粒子能量要大得多(10-1000eV)，使得原子沿表面的迁移扩散更加剧烈，易于在较低的温度下实现二维外延生长;而低的脉冲重复频率(<20Hz)也使原子在两次脉冲发射之间有足够的时间扩散到平衡的位置，有利于薄膜的外延生长。
6）能够沉积高质量纳米薄膜。高的粒子动能具有显著增强二维生长抑制三维生长的作用，促使薄膜的生长沿二维展开，因而能够获得极薄的连续薄膜而不易出现岛化。
7）易于掺杂，可以直接通过所采用靶材的元素比例来进行掺杂。
8）灵活的换靶装置，便于实现多层膜及超晶格薄膜的生长，多层膜的原位沉积便于产生原子级清洁界面；另外，系统中实时监测、控制和分析装置的引入不仅有利于高质量薄膜的制备，而且有利于激光与靶材相互作用的动力学过程和成膜机理等问题的研究。
9）适用范围广，该法设备简单、易控制、效率高、灵活性大，操作简便的多靶台为多元化合物薄膜、多层薄膜及超晶格制备提供了方便，靶结构形态可以多样，因而适用于多种薄膜材料的制备。
PLD方法有如上的很多优点，能够利用它生长出高质量的薄膜，量子点，纳米线等，但是它也存在一些不足:
1）等离子体中含有的微粒、气态原子和分子沉积在薄膜上形成的颗粒物会降低薄膜的质量，虽然可以通过采取一些措施对此加以改善，但是并不能完全消除它的影响。
2）膜厚不够均匀。熔蒸“羽辉”具有很强的定向性，只能在很窄的范围内形成均匀厚度的薄膜。
3）激光与靶长期相互作用会使靶的表面变得粗糙，这会引起沉积速率下降、羽辉方向向激光入射方向偏离等问题。
四、实验步骤
利用本实验室的PLD设备制备薄膜，具体的实验过程可分为如下几步：
1、装靶
将烧结好的靶（本实验采样ZnO陶瓷靶）表面用砂纸打磨后，用丙酮冲洗，去掉残留物，然后放入靶托中，压上盖板，上紧螺丝。因为生长过程中，靶不断旋转，激光在靶上会烧蚀出圆环状的坑，所以在装靶过程中应尽量保证圆环的圆心与靶托的中心重合，避免生长过程中激光打到的位置有高有低，羽辉不稳定，造成薄膜质量的下降。
2、基片的安装
基片在基片托上的位置的薄膜的均匀性影响很大。因为我们的PLD系统中靶台旋转系统的轴与基片台旋转系统的轴是大致重合的，生长过程中羽辉基本上是以靶台到基片台连线为轴的一个旋转椭球体，因此为了生长出均匀的薄膜，基片的位置一定要在基片托的中心上。其次因为生长过程中要对基片加热，基片与基片托的热接触对薄膜的生长也很重要，只有在基片和基片托热接触良好的情况下，才能使基片加热均匀，从而使薄膜生长均匀。我们的基片是采用弹簧片将基本固定到基片台上的，要将基片背面和基片台表面用细砂纸打磨平整，以保证良好的热接触（若想热接触更好建议用银胶将基片粘结在基片台上）。
3、薄膜生长
将靶和基片在靶托和基片托上安装好以后，就可以将它们分别装在靶台和基片台上进行薄膜生长了。在靶托和基片托安装好后，第一步是抽真空，防止腔内的粉尘和气体杂质在薄膜生长过程中产生污染。抽真空过程先是打开机械泵抽，当生长室气压降到5Pa以下时，再开分子泵，等分子泵达到全速以后，开始加热基片，基片温度由自动恒温器控制。
因为用PLD方法生长氧化物薄膜大多需要在一定的氧气氛围中进行，故当温度升到超过150℃后，停分子泵，先用氧气冲洗腔体2次，然后通过氧气流量计设定氧气流量，使PLD生长腔内保持目标氧压。我们实验中采用的氧气压强是30Pa，对应的氧气流量计显示是30。
激光器使用前需要预热8分钟，预热结束后，才能设定实验所需激光器的输出能量以及频率。在正式生长薄膜前，首先需要对靶材进行预打，以清除靶材表面可能的污染物，然后才能开始沉积。生长时激光脉冲能量的选取与生长的薄膜材料有关，脉冲能量太弱打出的羽辉太小，均匀性差，且可能造成薄膜的成分与靶的成分产生偏差；脉冲能量太大会从靶中打出大颗粒，也会影响薄膜质量。本实验生长选择的激光脉冲能量是190mJ。靶和基片的距离对薄膜的质量也有很大
影响，此距离的选择和激光脉冲能量和薄膜材料有关，一般选择使羽辉的尖端正好达到基片表面，在实验中选择的6.0cm。在生长结束后，需让基片保温一段时间，然后关闭激光器及加热装置。
五、注意事项
1. 脉冲激光沉积设备放置于超净室内，所以进入实验室需换超净服。进入实验室后要遵守实验室几率。
2. 实验所用的激光是不可见的高能紫外激光，意外进入眼睛（如通过周围物体的反射或散射）可能会致盲。故激光器工作时应离开实验室或戴上防护镜！
3. 开分子泵前一定要先开冷却水，并要保证生长腔气压低于5Pa，否则会导致分子泵的损坏。
4. 电离规要在腔内气压低于1Pa时才能使用，因此电离规启动后不得用气体冲洗，否则会导致电离规的灯丝烧断。
激光脉冲测距实验报告讲解
激光脉冲测距
1 目录 一工作原理 (3) （1）测距仪工作原理 (3) （2）激光脉冲测距仪光学原理结构 (3) （3）测距仪的大致结构组成 (4) （4）主要的工作过程 (4) （5）激光脉冲发射、接收电路板组成及工作原理 (5) 二激光脉冲测距的应用领域 (5) 三关键问题及解决方法 (6) （1）优点 (6) （2）问题及解决方案 (7) 2 一工作原理 （1）测距仪工作原理 现在就脉测距仪冲激光测距简要叙述其工作原理。简单地讲，脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间t，光速c 和往返时间t 的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。一般一个典型的激光测距系统应具备以下四个模块：激光发射模块；激光接收模块；距离计算与显示模块；激光准直与聚焦模块，如图2-1 所示。系统工作时，由发射单元发出一束激光，到达待测目标物后漫
反射回来，经接收单元接收、放大、整形后到距离计算单元计算完毕后显示目标物距离。在测距点向被测目标发射一束强窄激光脉冲，光脉冲传输到目标上以后，其中一小部分激光反射回测距点被测距系统光功能接收器所接受。假定光脉冲在发射点与目标间来回一次所经历的时间间隔为t，那么被测目标的距离 D 为：式中：c 为激光在大气中的传播速度；D 为待测距离；t 为激光在待测距离上的往返时间。 R=C*T/2 (公式1) 图一脉冲激光测距系统原理框图激光脉冲测距仪光学原理结构2（） 3
图二）测距仪的大致结构组成（3 时钟脉冲门控电路、脉冲激光测距仪主要由脉冲激光发射系统、光电接收系统、 振荡器以及计数显示电路组成4）主要的工作过程（其工作过程大致如下：首先接通电源，复原电路给出复原信号，使整机复原，准备进行测量；同时触发脉冲激光发生器，产生激光脉冲。该激光脉冲有一小部分能量由参考信号取样器直接送到接收系统，作为计时的起始点。大部分光脉冲能量射向待测目标，由目标反射回测距仪的光脉冲能量被接收系统接收，这就是回波信号。参考信号和回波信号先后由光电探测器转换成为电脉冲，并加以放大和整形。整形后的参考信号能触发器翻转，控制计数器开始对晶格振荡器发出的时钟脉冲进行计数。整形后的回波信号使触发器的输出翻转无效，从而使计数器停实验装置实止工作。这样，根据计数器的输出即可计算出待测目标的距离。三单片机开放板和激光脉冲发射、接收电路验装置包括“”“”。 4 （5）激光脉冲发射、接收电路板组成及工作原理 激光脉冲发射/接收电路板原理框图如图2.3所示。图中EPM3032为CPLD；MAX3656为激光驱动器；MAX3747为限幅放大器；T22为单端信号到差分信号转换芯片；T23为差分信号到单端信号转换芯片；LD为半导体激光器；PD为光电探测器。板子上端的EPM3032被编程为脉冲发生器，输出重复频率为1KHz，脉冲宽度为48ns的电脉冲信号。此信号经MAX3656放大后驱动LD发光。板子下端的EPM3032被编程为计数器，对125MHz晶振进行计数。其计数的开门信号来自上端的TX信号，关门信号来自PD的输出。计数器的计数结果采用12 位二进制数据输出，对应的时间范围为0~32.7?s。 二激光脉冲测距的应用领域 激光测距仪一般采用两种方式来测量距离:脉冲法和相位法.脉冲法测距的过程是这样的:测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收.测距仪同时记录激光往返的时间.光速和往返时间的乘积的一半.就是测距仪和被测量物体之间的距离.脉冲法测量距离的精度是一般是在+/-1米左右.另外.此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。 激光测距仪已经被广泛应用于以下领域:电力.水利.通讯.环境.建筑.地质.警务.消防.爆破.航海.铁路.反恐/军事.农业.林业.房地产.休闲/户外运动等。 由于激光在亮度、方向性、单色性以及相干性等方面都有不俗的特点，它一出现就吸引了众多科学工作者的目光，并被迅速地被应用在工业生产方面、国防军工方面、房地产业、各级科研机构、工程、防盗安全等各个行业各个领域：激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打孔、钢板打孔、包装印刷打孔等）、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电路、激光布线技术、激光清洗等。有关于激光的研究与生产制造也如火如荼地开展了起来。 5
脉冲激光测距仪的设计-课程设计
目录 第一章绪论 (1) 1.1设计背景 (1) 第二章脉冲激光测距仪的工作原理 (2) 2.1测距仪的简要工作原理 (2) 第三章脉冲激光器的结构及工作过程 (3) 3.1激光脉冲测距仪光学原理结构 (3) 3.1.1测距仪的大致结构组成 (3) 3.2主要的工作过程 (4) 3.3主要部件分析： (4) 3.3.1激光器（一般采用激光二极管） (4) 3.3.2激光二极管的特性 (5) 3.3.3光电器件（采用雪崩光电二极管APD） (6) 第四章影响测距仪的各项因素 (7) 4.1光脉冲对测距仪的影响 (7) 4.2发散角对测距仪的影响 (8) 第五章测距仪的光电读数显示 (9) 5.1距离显示原理及过程 (9) 5.2测量精度分析 (10) 5.3总述 (11) 参考文献 (11)
第一章绪论 1.1设计背景 在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。在很多领域，如电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，军事，农业，林业，房地产，休闲、户外运动等都可以用到激光测距仪。 激光测距仪一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因而应用领域广、行业需求众多，市场需求空间大。 当前激光测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量精度高、系统能耗小、体积小型化方向发展。激光测距仪一般采用两种方法来测量距离：脉冲法和相位法。而其中脉冲激光测距的应用领域也是越来越宽广，比如，地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪以及人造卫星、地球到月亮距离的测量等。脉冲激光测距法是利用激光脉冲持续时间非常短，能量相对集中，瞬时功率很大（可达几兆瓦）的特点，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程；如果只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得的微弱反射信号，也是可以测距的。因而脉冲激光测距法应用较多。
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光电探测技术实验报告 班级：08050341X 学号：28 姓名：宫鑫
实验一光敏电阻特性实验 实验原理: 光敏电阻又称为光导管,是一种均质的半导体光电器件,其结构如图(1)所示。由于半导体在光照的作用下,电导率的变化只限于表面薄层,因此将掺杂的半导体薄膜沉积在绝缘体表面就制成了光敏电阻，不同材料制成的光敏电阻具有不同的光谱特性。光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。 实验所需部件: 稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、 各种光源、遮光罩、激光器、光照度计（由用户选配） 实验步骤: 1、测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻 观察光敏电阻的结构,用遮光罩将光敏电阻完全掩 盖,用万用表测得的电阻值为暗电阻 R暗,移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的 阻值为亮电阻，暗电阻与亮电阻之差为光电阻，光 电阻越大，则灵敏度越高。 在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻， 试作性能比较分析。 2、光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流 按照图(3)接线，电源可从+2~+8V间选用，分别在暗光和正常环境光照下测出输出电压V暗和V亮则暗电流L暗=V暗/R L,亮电流L亮=V亮/R L，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。 分别测出两种光敏电阻的亮电流，并做性能比较。 图（2）几种光敏电阻的光谱特性 3、伏安特性: 光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。 按照图(3)分别测得偏压为2V、4V、6V、8V、10V、12V时的光电流，并尝试高照射光源的光强，测得给定偏压时光强度的提高与光电流增大的情况。将所测得的结果填入表格并作出V/I曲线。 注意事项: 实验时请注意不要超过光电阻的最大耗散功率P MAX, P MAX=LV。光源照射时灯胆及灯杯温度均很高，请勿用手触摸，以免烫伤。实验时各种不同波长的光源的获取也可以采用在仪器上的光源灯泡前加装各色滤色片的办法，同时也须考虑到环境光照的影响。
脉冲激光沉积PZT
脉冲激光沉积PZT/LSMO薄膜结构及输运特性的研究 摘要 锆钛酸铅（Pb(Zr x Ti1-x)O3，简称PZT）材料因其具有优良的铁电、压电、热释电、电光和非线性光学等特性而备受关注。同时，PZT作为一类典型的铁电材料，其显著的反常光生伏打效应，为新型太阳能电池材料的研究创造条件。本文利用脉冲准分子激光在STO单晶基片上淀积了LSMO和P ZT的.并通过高频溅射将Pt蒸镀在PZT薄膜上作为上电极;用X射线衍射表征了PZT铁电薄膜和该多层膜的晶相结构，测量了PZT的铁电性能和介电特性。讨论了PZT/薄膜的制备工艺。以及工艺条件对晶相结构和薄膜性能的影响。在密封的液氮杜瓦瓶里用四探针法对薄膜的输运特性进行了测试，. 关键词：PZT薄膜激光脉冲淀积电滞回线，漏电流
Study on structure and Transport Characteristic of PZT/LSMO Thin Film By Pulsed-Laser Deposition Abstract
绪论. PZT具有一系列优异的性能，如压电、铁电、热释电、介电、光电等，利用这些性质可以成 性能优良的器件。与其他铁电材料相比，PZT具有很多优点，例如：较高的居里点（200℃以上）且可以通过改变锆钛含量比实现对居里温度的控制；它的热释电系数较大，同时介电常数和介电 损耗较小，而且可以通过对PZT掺杂入Mn、Bi等其他元素或单纯改变PZT的锆钛含量比的方 式来改善其性能；在准同型相界附近具有优异的压电性能。因此PZT是一种优异的压电、铁电 和热释电材料，已在众多领域被广泛的应用 1.PTZ铁电薄膜 随着铁电薄膜和微电子技术相结合而发展起来的集成铁电学的出现，铁电薄膜的制备、结构、性能及其应用已成为国际上新材料研究十分活跃领域，其中钙钛矿结构的锆钛酸铅(PZT)铁电薄膜由于具有优越铁电、介电、压电、热释电以及能够与半导体技术兼容等特点，使之在微机电系统(MEMS)等领域具有广泛的应用前景。由于基于PZT的器件具有工作带宽广、反应速度快和灵敏性高等优点，因此PZT薄膜可以用于MEMS领域的各个方面，例如压电激励器、焦热红外探测器、随机存储器和超声器件。为了满足不断提高的微纳米机械器件的要求和与硅基器件的兼容，在硅衬底上生长高质量的PZT薄膜就变得越来越重要. 1.1 铁电薄膜材料的研究现状,7]。 目前，铁电薄膜的研究主要集中在以下几个方面：新的合成技术与沉积技术，薄膜的检测与表征技术，结构与性能的关系以及工艺与微结构关系，界面特性（包括金属-铁电薄膜界面和铁电薄膜与半导体兼容），新薄膜材料的研究等方向。应用研究则主要集中在：光电子学（电光应用、光学相位调制、光折变、集成光学等），压电应用（SAW器件、微控制器、微马达、微机械阀等），热释电学（单元探测器和线性阵列探测器）和铁电随机存储器[8]。 1.2 铁电材料的自发极化和电滞回线 自发极化是指在没有外电场时，铁电体内正、负电荷中心不重合，形成有一定规则排列的电偶极矩而产生的极化。电滞回线是指自发极化强度P滞后于外加电场强度E的变化轨迹，如图1.1所示。图中O点是指外加电场为0时的状态，电偶极矩呈杂乱分布，总电矩为0，所以通常情况下铁电体不显电性。当场强较弱时，极化强度随场强近似呈线性变化，如OA段。当场强逐渐变大，P随场强呈非线性变化并迅速达到饱和，如ABC，做BC的反向延长线与纵轴的交点E称为饱和极化强度P s，B点处电偶极矩受外加电场的影响基本趋于同一方向。当场强逐渐减小时，曲线不按照原轨迹返回，呈BD段，当外界场强减小到0时，存在剩余极化强度P r，反方向增加场强，极化强度下降，当场强达到E c时，极化强度变为0，E c称为矫顽场强，此时总的电偶极矩为0。场强继续增大，极化强度反向增加，直至达到饱和，如FG所示。如电场再次减小而后反向增加，曲线呈GHC变化，最后形成一条封闭的曲线。P r和E c是反映铁电性能的重要指标，回线矩形度越好表明铁电性能越强，所以电滞回线是检测铁电性的一个重要标志[9]。
激光脉冲测距实验报告
百度文库- 让每个人平等地提升自我 激光脉冲测距 组长：孙汉林(制作PPT) 组员：张莹（讲解） 吕富敏（制作报告）
目录 一工作原理 (3) （1）测距仪工作原理 (3) （2）激光脉冲测距仪光学原理结构 (3) （3）测距仪的大致结构组成 (4) （4）主要的工作过程 (4) （5）激光脉冲发射、接收电路板组成及工作原理 (5) 二激光脉冲测距的应用领域 (5) 三关键问题及解决方法 (6) （1）优点 (6) （2）问题及解决方案 (7)
一工作原理 （1）测距仪工作原理 现在就脉测距仪冲激光测距简要叙述其工作原理。简单地讲，脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间t，光速 c 和往返时间t 的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。一般一个典型的激光测距系统应具备以下四个模块：激光发射模块；激光接收模块；距离计算与显示模块；激光准直与聚焦模块，如图2-1 所示。系统工作时，由发射单元发出一束激光，到达待测目标物后漫反射回来，经接收单元接收、放大、整形后到距离计算单元计算完毕后显示目标物距离。在测距点向被测目标发射一束强窄激光脉冲，光脉冲传输到目标上以后，其中一小部分激光反射回测距点被测距系统光功能接收器所接受。假定光脉冲在发射点与目标间来回一次所经历的时间间隔为t，那么被测目标的距离 D 为：式中：c 为激光在大气中的传播速度；D 为待测距离；t 为激光在待测距离上的往返时间。 R=C*T/2 (公式1) 图一脉冲激光测距系统原理框图 （2）激光脉冲测距仪光学原理结构
超声波测距实验报告
电子信息系统综合设计报告 超声波测距仪
目录 摘要 (3) 第一章绪论 (3) 1.1 设计要求 (3) 1.2 理论基础 (3) 1.3 系统概述 (4) 第二章方案论证 (4) 2.1 系统控制模块 (5) 2.2距离测量模块 (5) 2.3 温度测量模块 (5) 2.4 实时显示模块 (5) 2.5 蜂鸣报警模块 (6) 第三章硬件电路设计 (6) 3.1 超声波收发电路 (6) 3.2 温度测量电路 (7) 3.3 显示电路 (8) 3.4 蜂鸣器报警电路 (9) 第四章软件设计 (10) 第五章调试过程中遇到的问题及解决 (11) 5.1 画PCB及制作 (11) 5.2 焊接问题及解决 (11) 5.3 软件调试 (11) 实验总结 (13) 附件 (14) 元器件清单 (14) HC-SR04超声波测距模块说明书 (15) 电路原理图 (17) PCB图 (17) 程序 (18)
摘要 该系统是一个以单片机技术为核心,实现实时测量并显示距离的超声波测距系统。系统主要由超声波收发模块、温度补偿电路、LED显示电路、CPU处理电路、蜂鸣器报警电路等5部分组成。系统测量距离的原理是先通过单片机发出40KHz 方波串，然后检测超声波接收端是否接收到遇到障碍物反射的回波，同时测温装置检测环境温度。单片机利用收到回波所用的时间和温度补偿得到的声速计算出距离，显示当前距离与温度，按照不同阈值进行蜂鸣报警。由于超声波检测具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制的特点，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在生产生活中得到广泛的应用，例如超声波探伤、液位测量、汽车倒车雷达等。 关键词：超声波测距温度测量单片机 LED数码管显示蜂鸣报警 第一章绪论 1.1设计要求 设计一个超声波测距仪，实现以下功能： (1)测量距离要求不低于2米； (2)测量精度±1cm； （3）超限蜂鸣器或语音报警。 1.2理论基础 一、超声波传感器基础知识 超声波传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的特性，实现对各种参量的测量。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，与环境条件也有关： 在气体中，超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度为C=331.5+0.607t/0C (m/s) 式中，t为环境温度，单位为0C. 二、压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 三、超声波测距原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在空气中传播的距离较远，因而超声波
脉冲发射的相位式激光测距技术研究
西安电子科技大学 硕士学位论文 脉冲发射的相位式激光测距技术研究 姓名：王刚 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：曾晓东 20100101
中文摘要I 中文摘要 激光测距技术，尤其是相位式激光测距技术，是一种应用广泛的距离测量技术，具有精度高、昼夜可用且性能可靠等特点，受到工程测量部门的广泛使用。一般情况下，相位式激光测距是用一调制信号对发射连续的光波进行光强调制，利用混频技术和自动测相技术，测量“调制光波”往返于被测距离的相位差，间接求得待测距离。然而对光强的连续调制存在调制波形易变形，且随着调制频率的增加，调制深度会降低，特别是在高频时就更为严重；并且与脉冲式激光测距相比，连续光强调制消耗功率大，测量距离不远等不足。从而限制了相位式激光测距技术的应用。针对连续光波光强调制存在的不足，分析相位式激光测距的检相过程，发现对检相有用的信号是整形过程中的过零点的部分，而连续信号的其他部分对数据处理没有贡献，反而这些部分使激光器连续工作，既损耗着功率，也在减少激光器的寿命。根据信号的傅里叶变换理论、频谱分析方法，脉冲（方波）与同频正弦信号之间的关系，并借鉴脉冲式激光测距技术的优点，产生了基于脉冲信号调制的相位式激光测距想法。 该方法是通过用等周期脉冲调制激光光波来代替连续光强调制激光光波，即脉冲出现的位置代表原连续调制信号的过零点位置，而激光光波脉冲的幅度和宽度不变。因此，当激光功率不稳定时，发射的激光脉冲强度变化时不会影响到调制信号的相位信息。利用等周期激光脉冲光波往返于被测距离的相位差，求得待测距离。根据该激光测距原理，本文利用DDS频率合成技术和高频电路设计知识，设计了激光测距系统方案，并对该方案进行分析，包括高频连续正弦信号与同频脉冲（方波）信号之间的关系，产生高精度高频率脉冲（方波）的方法，高频脉冲（方波）信号的混频技术以及基于CPLD的数字鉴相技术等。随后进行了电路制作，硬件实现和系统调试等工作。这样即实现了脉冲测距的测程远，功耗小的优点，也实现了相位式激光测距的高精度优点，有效地解决了相位法测距中测程与测量精度之间的矛盾，具有实际使用价值。 总之，随着激光技术和电子技术的发展，激光测距向着高精度、大量程的方向发展，势必在多种领域得到更为广泛的应用。尤其是在激光大气通信，非合作目标的高精度、远距离激光测距的应用方面具有很大的应用空间。 关键词：激光测距技术、相位、脉冲
激光脉冲测距实验报告
激光脉冲测距 组长：孙汉林(制作PPT) 组员：张莹（讲解） 吕富敏（制作报告）
目录 一工作原理 (3) （1）测距仪工作原理 (3) （2）激光脉冲测距仪光学原理结构 (3) （3）测距仪的大致结构组成 (4) （4）主要的工作过程 (4) （5）激光脉冲发射、接收电路板组成及工作原理 (5) 二激光脉冲测距的应用领域 (5) 三关键问题及解决方法 (6) （1）优点 (6) （2）问题及解决方案 (7)
一工作原理 （1）测距仪工作原理 现在就脉测距仪冲激光测距简要叙述其工作原理。简单地讲，脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间t，光速 c 和往返时间t 的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。一般一个典型的激光测距系统应具备以下四个模块：激光发射模块；激光接收模块；距离计算与显示模块；激光准直与聚焦模块，如图2-1 所示。系统工作时，由发射单元发出一束激光，到达待测目标物后漫反射回来，经接收单元接收、放大、整形后到距离计算单元计算完毕后显示目标物距离。在测距点向被测目标发射一束强窄激光脉冲，光脉冲传输到目标上以后，其中一小部分激光反射回测距点被测距系统光功能接收器所接受。假定光脉冲在发射点与目标间来回一次所经历的时间间隔为t，那么被测目标的距离 D 为：式中：c 为激光在大气中的传播速度；D 为待测距离；t 为激光在待测距离上的往返时间。 R=C*T/2 (公式1) 图一脉冲激光测距系统原理框图 （2）激光脉冲测距仪光学原理结构
图二 （3）测距仪的大致结构组成 脉冲激光测距仪主要由脉冲激光发射系统、光电接收系统、门控电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路组成 （4）主要的工作过程 其工作过程大致如下：首先接通电源，复原电路给出复原信号，使整机复原，准备进行测量；同时触发脉冲激光发生器，产生激光脉冲。该激光脉冲有一小部分能量由参考信号取样器直接送到接收系统，作为计时的起始点。大部分光脉冲能量射向待测目标，由目标反射回测距仪的光脉冲能量被接收系统接收，这就是回波信号。参考信号和回波信号先后由光电探测器转换成为电脉冲，并加以放大和整形。整形后的参考信号能触发器翻转，控制计数器开始对晶格振荡器发出的时钟脉冲进行计数。整形后的回波信号使触发器的输出翻转无效，从而使计数器停止工作。这样，根据计数器的输出即可计算出待测目标的距离。三实验装置实验装置包括“激光脉冲发射、接收电路”和“单片机开放板”。
光电探测实验报告
光电探测技术 实验报告 班级：10050341 学号：05 姓名：解娴
实验一光敏电阻特性实验 一、实验目的 1.了解一些常见的光敏电阻的器件的类型； 2.了解光敏电阻的基本特性； 3.测量不同偏置电压下的光敏电阻的电压与电流，并作出V/A曲线。 二、实验原理 伏安特性显示出光敏电阻与外光电效应光电元件间的基本差别。这种差别是当增加电压时，光敏电阻的光电流没有饱和现象，因此，它的灵敏度正比于外加电压。 光敏电阻与外光电效应光电元件不同，具有非线性的光照特性。各种光敏电阻的非线性程度都是各不相同的。 大多数场合证明，各种光敏电阻均存在着分析关系。这一关系为 式中，K为比例系数；是永远小于1的分数。 光电流的增长落后于光通量的增长，即当光通量增加时，光敏电阻的积分灵敏度下降。 这样的光照特性，使得解算许多要求光电流与光强间必需保持正比关系的问题时不能利用光敏电阻。 光照的非线性特性并不是一切光敏半导体都必有的。目前已有就像真空光电管—样，它的光电流随光通量线性增大的光敏电阻的实验室试样。光敏电阻的积分灵敏度非常大，最近研究出的硒—鎘光敏电阻达到12A／lm，这比普通锑、铯真空光电管的灵敏度高120，000倍。
三、实验步骤 1、光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流 按照图1接线，电源可从+2V～+8V间选用，分别在暗光和正常环境光照下测出输出电压V暗和V亮。则暗电流L暗=V暗/RL,亮电流L亮=V亮/RL，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。 2、伏安特性 光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系即为伏安特性。按照图1接线，分别测得偏压为2V、4V、6V、8V、10V时的光电流，并尝试高照度光源的光强，测得给定偏压时光强度的提高与光电流增大的情况。将所测得的结果 填入表格并做出V/I曲线。 图1光敏电阻的测量电路 偏压2V4V6V8V10V12V 光电阻I 四、实验数据 实验数据记录如下： 光电流： E/V246810 U/V0.090.210.320.430.56 I/uA1427.54255.270.5 暗电流：0.5uA 实验数据处理：
激光脉冲测距实验报告
激光脉冲测距实验报告 一．实验目的 通过学习激光脉冲测距的工作原理，了解激光脉冲测距 系统的组成，搭建室模拟激光器系统进行正确测距，为今后 的工程设计奠定理论基础和工程实践基础。 二．实验原理 激光脉冲测距与雷达测距在原理上是完全相同的，如图2.1所示。 在测距点激光发射机发射激光脉冲，光脉冲经过光纤到达接收端，并被测距机上的探测系统接收。测出从激光发射时刻到被接收时刻之间的时间间隔t，根据已知光速，即可求出光纤的长度R为 R=/2 (2-1) 式中c为光速。真空中的光速是一个精确的物理常数 C1=299792458 m/s 光纤中的平均折射率n为 n=1.45（查阅得知） 故光纤中的光速为 C=299710000 可见，激光测距的任务就是准确地测定时间间隔t。当不考虑光纤中光速的微小变化时，测距精度⊿R主要是由测时精度⊿t确定的 ⊿R=C⊿t/2 (2-2) 实际脉冲激光测距机中是利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来测定时间间隔 t的。时钟晶体振荡器用于产生固定的频率的电脉冲振荡，脉冲计数器的作用是对晶体产生的电脉冲个数进行计数。设晶体振荡器产生的电脉冲频率为f，则脉冲间隔T=1/f。若从激光脉冲发出时刻脉冲计数器开始计数，到光脉冲被接收时刻停止计数。设这段时间脉冲计数器共计得脉冲个数为m，则可计算出被测光纤的长度为 R=cmT=cm/f=1.6m (2-3) 相应的测距精度为
⊿R =Ct=c/f (2-4) 可见，脉冲激光测距机的测距精度由晶振的频率决定。常用军用激光测距仪的晶振频率有15MHz、30MHz、75MHz和150MHz等，与其相对应的测距精度分别为正负10m、正负5m 、正负2m和正负1m。晶振的频率愈高，测距精度就愈高， 但随之而来的，不仅是计数器的技术难度增加，而且要求激光脉冲的宽度愈窄，激光器的难度也增加。 对脉冲测距系统，计数器的“开门”信号是由取出一小部分发射激光脉冲经光探测器转换成电信号形成的。这两个信号既可由同一探测器提供，也可以用两个探测器提供。 激光脉冲测距机由激光器、发射光学系统、接收及瞄准光学系统、取样及回波探测放大系统、技数及显示器和电源几部分组成，如图2.2所示 系统操作人员一旦下达发射激光命令，激光器发射一束窄激光脉冲，经发射光学系统扩束后射向接收系统，其中一小部分经取样后启动计数器开始计数。激光回波经测距机的接收和瞄准光学系统，聚焦到前面有窄带滤光片的光探测器上。由探测器将其转换成电信号，再经取样及回波探测放大系统处理后产生“关门”信号用于关闭计数器。由计数器计得的脉冲个数计算出光纤得电源计数及显示器激光器长度，再通过显示器显示出来。 三．实验装置 实验装置包括“激光脉冲发射/接收电路板”、电脑和“单片机开放板”。 1.激光脉冲发射/接收电路板组成及工作原理 激光脉冲发射/接收电路板原理框图如图2.3所示。图中ＥＭＰ 3032为ＣＰＬＤ；ＭＡＸ3656为激光驱动器；ＭＡＸ3747为限幅放大器；Ｔ22为单端信号到分差信号转换芯片；Ｔ23为差分信号单短信号转换芯片；ＬＤ为半导体激光器；ＰＤ为光探测器。板子上端的ＥＭＰ3032被编程为脉冲发生器，输出重复频率为1KHz,脉冲宽度为48ns的电脉冲信号。此信号经MAX3656放大后驱动LD发光。板子下端的ＥＭＰ 3032被编程为计数器，对125MHz 晶振计数器。其计数的开门信号来自上端的TX信号，关门信号来自PD的输出。计数器的计数结果采用12位二进制数据输出，对应时间围为0~32.76us.
激光散斑测量实验报告
实验报告 陈杨 PB05210097 物理二班 实验题目:激光散斑测量 实验目的: 了解单光束散斑技术的基本概念，并应用此技术测量激光散斑的大小和毛玻璃的面内位移。 实验内容： 本实验中用到的一些已知量：(与本次实验的数据略有不同) 激光波长λ = 0.0006328mm 常数π = 3.14159265 CCD像素大小=0.014mm 激光器内氦氖激光管的长度d=250mm 会聚透镜的焦距f’=50mm 激光出射口到透镜距离d1=650mm 透镜到毛玻璃距离=d2+P1=150mm 毛玻璃到CCD探测阵列面P2=550mm 毛玻璃垂直光路位移量dξ和dη， dξ=3小格=0.03mm，dη=0 光路参数：P1=96.45mm ρ(P1)=96.47mm P2= 550mm dξ=3小格=0.03mm （理论值） 数据及处理： 光路参数： P1+d2=15cm P2=52.5cm
d1=激光出射口到反射镜的距离+反射镜到透镜距离=33.6+28.5=62.1cm f ’=5cm d=250mm λ=632.8nm (1)理论值S 的计算： 经过透镜后其高斯光束会发生变换，在透镜后方形成新的高斯光束 由实验讲义给的公式： 2'2 012'11 '' 2)()1(d f W f d d f f λπ+--- = πλd W 01= 201W d πλ= 代入数据，可得： '' 1 21 221''12 2 22 01 02 2 2 2101102 d 15(1)() 5 62.11559.6332439.63362.12515511f d f cm P d d f f cm cm P cm cm cm cm cm cm cm cm d W W d d W d f f W λπ πλ???? ? ? ???? ?????? ?? ? ? ? ? ? ? ? ????? ???? -=-=--+-=-+ =≈-+= = -+-+= 可得 由公式-31.80010cm ≈? 此新高斯光束射到毛玻璃上的光斑大小W 可以由计算氦氖激光器的
激光测距仪原理
激光测距仪激光测距基本原理 激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下列表示。 D=ct/2 式中：D——测站点A、B两点间距离；c——光在大气中传播的速度；t——光往返A、B 一次所需的时间。 由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。 相位式激光测距仪 相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。 相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。由于其精度高，一般为毫米级，为了有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。 若调制光角频率为ω，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间t 可表示为： t=φ/ω 将此关系代入（3-6）式距离D可表示为 D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω=c/(4πf) (Nπ+Δφ) =c/4f (N+ΔN)=U(N+) 式中：φ——信号往返测线一次产生的总的相位延迟。 ω——调制信号的角频率，ω=2πf。 U——单位长度，数值等于1/4调制波长 N——测线所包含调制半波长个数。 Δφ——信号往返测线一次产生相位延迟不足π部分。 ΔN——测线所包含调制波不足半波长的小数部分。 ΔN=φ/ω
在给定调制和标准大气条件下，频率c/(4πf)是一个常数，此时距离的测量变成了测线所包含半波长个数的测量和不足半波长的小数部分的测量即测N或φ，由于近代精密机械加工技术和无线电测相技术的发展，已使φ的测量达到很高的精度。 为了测得不足π的相角φ，可以通过不同的方法来进行测量，通常应用最多的是延迟测相和数字测相，目前短程激光测距仪均采用数字测相原理来求得φ。 由上所述一般情况下相位式激光测距仪使用连续发射带调制信号的激光束，为了获得测距高精度还需配置合作目标，而目前推出的手持式激光测距仪是脉冲式激光测距仪中又一新型测距仪，它不仅体积小、重量轻，还采用数字测相脉冲展宽细分技术，无需合作目标即可达到毫米级精度，测程已经超过100m，且能快速准确地直接显示距离。是短程精度精密工程测量、房屋建筑面积测量中最新型的长度计量标准器具。
超声波测距实验报告
目录 1、课题设计的目的和意义 (3) 2、课题要求 (3) 2.1、基本功能要求 (3) 2.2、提高要求 (4) 3、重要器件功能介绍 (4) 3.1、CX20106A红外线发射接收专用芯片 (4) 3.2、AT89C51系列单片机的功能特点 (5) 3.3、ISD1700优质语音录放电路 (6) 4、超声波测距原理 (8) 4．1、超声波测距原理图 (8) 4.2、超声波测距的基本原理 (9) 5、硬件系统设计 (10) 5.1、超声波发射单元 (10) 5.2、超声波接收单元 (11)
5.3、显示单元 (11) 5.4、语音单元 (12) 5.5、硬件设计中遇到的难题： (12) 6、系统软件设计 (14) 7、调试与分析 (15) 7.1调试 (15) 7.2误差分析 (15) 8、总结 (16) 9、附件 (17) 9.1、总电路 (17) 9.2、主要程序 (18) 10、参考文献 (22)
1课题设计的目的及意义 随着科学技术的快速发展，超声波在测距仪中的应用越来越广，但就目前技术水平而言，人们可以利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。如声纳的发展趋势：研究具体的高定位精度的被动测距声纳，以满足军事和渔业等的发展需求，实现远程的被动探测和识别。毋庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。 超声波测距在某些场合有着显著的优点，因为这种方法是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，因此它是一种非接触式的测量，所以他就能够在某些场合或环境比较恶劣的环境下使用。比如测有毒或者有腐蚀性化学物质的液面高度或者高速公路上快速行驶汽车之间的距离。 随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最注重发展到具有创造力。在新的时代，测距仪将发挥更大的作用。 2课题要求 以单片机AT89C51为中心控制单元，配以超声波发射、接收装置，实现超声波发射及接收其遇到障碍物发生反射形成的回波信号，并根据超声波在介质中的传播速度及超声波从发射到接收到回波的时间，计算出发射点距障碍物的距离，设计出一套基于单片机的脉冲反射式超声波测距系统，利用单片机进行操作控制，用数码管作输出显示，设计发射、接收、检测、显示硬件电路和测距系统软件。
光速测量实验报告
光速测量实验报告 实验目的： 1. 了解和掌握光调制的基本原理和技术 2. 学习和使用示波器测量同频正弦方波信号相位差的方法 3. 测量光在空气中的速度 实验仪器： 激光器、信号发生器、光接收器、示波器、反射镜等 实验原理 相位φ=κ*d ，其中φ为相位差，κ为波数，d 为光程差。实验采用平面镜改变光程差d,实验中可以通过测量平面镜之间的距离来确定光程差d 。信号发生器为直流方波输出，则激光器发出激光脉冲。激光接收器收到激光信号后输出基频信号，且输出的信号为一正弦波，前后移动平面反射镜的距离，并测出移动的距离进而测出光程差Δd,由于光程差的改变，则信号反射光的信号的相位发生变化，由示波器上可以确定时间t1和t2，计算出时间差Δt=∣t1-t2∣，所以光速c=Δd/Δt 。下面是测量图： 1. 预习实验的内容，了解实验的目的，理解实验的原理，思考应当怎样把实验 做好，实验过程中都要做什么，同时，复习一下示波器一些基本的使用和各个按键的功能。为实验做好准备工作。 2. 实验前，认真读完实验仪器的操作说明，了解实验仪器的基本结构，以及实 验仪器各部分在实验中的功能和作用，分析实验中应该怎样正确的使用仪器，进入实验状态。 3. 在对实验分析的基础上，正确的连接线，把实验仪器连接摆放好 4. 调试实验仪器，由于如果反射镜离的太远，不利于实验中对实验仪器的调试， 因此，在调试仪器阶段应当使反射镜离激光器近。同时，反射镜，激光器，信号接收器应该保持在同一水平面上。由信号发生器发出一矩形方波，作用在激光器上使激光器发出光脉冲，由反射镜反射的信号由接收器转换成正弦波，把正弦波与方波同时输入示波器，由于方波是很稳定的不随反射镜位置的变化，把触发信号选择成方波。 5. 选择合适的反射镜位置作为基点，然后移动反射镜的位置，测量实验数据Δd 和Δt ，处理实验数据，可以用线性来求。 示波器 信号发生器 激光接收器 激光器 平面反射镜 Δd
激光测距
： 在脉冲式激光测距仪的设计当中，时差测量（time of flight measurement）成为了一个影响整个测量精度最关键的因素。德国acam 公司设计的时间数字转换芯片TDC-GP2为激光测距的时间测量提供了完美的解决方法。本文着重介绍了应用TDC-GP2 在设计激光测距电路当中的优势，以及在应用中给出一些建议和提出了需要注意的一些问题。 1. 概述 在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。在很多领域，电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，农业，林业，房地产，休闲/户外运动等都可以用到激光测距仪。激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法脉冲式激光测距仪是通过测量激光从发射到返回之间的时间来计算距离的。因此时间测量对于脉冲式激光测距仪来说是非常重要的一个环节。由于激光的速度特别快，所以发射和接收到的激光脉冲之间的时间间隔非常小。。例如要测量1 公里的距离，分辨率要求1cm，则时间间隔测量的分辨率则要求高达67ps。德国acam 公司的时间数字转换器TDC-GP2 单次测量分辨率为典型65ps，功耗超低，集成度高，测量灵活性高，是脉冲式激光测距仪时差（TOF）测量非常理想的选择。 2. TDC-GP2 激光测距原理 TDC-GP2 的激光测距基本原理如图1 所示： 图1：TDC-GP2 激光测距原理 激光发射装置发射出光脉冲同时将发射脉冲输入到TDC-GP2 的start 端口，触发时差测量。一旦从物体传回的反射脉冲达到了光电探测器（接收电路）则给TDC 产生一个Stop 信号，这个时候时差测量完成。那么从Start 到Stop 脉冲之间的时差被TDC-GP2精确记录下来，用于计算所测物体与发射端的距离。在这个原理中，单片机对于TDCGP2进行寄存器配置以及时间测量控制，时间测量结果传回给单片机通过算法进行距离的精确计算，同时如果有显示装置的话，将距离显示出来。在这个原理当中距离的测量除了与TDC-GP2 的时差测量精度有关外还与很多其他因素有关系： - 激光峰值功率 - 激光束发散程度 - 光学元件部分 - 光传输的媒体(空气，雨天，雾天等) - 物体的光反射能力
激光测距实验报告
激光脉冲测距实验 1.实验目的 通过学习激光脉冲测距的工作原理；了解激光脉冲测距系统的组成；搭建室内模拟激光脉冲测距系统进行正确测距，为今后的工程设计奠定理论基础和工程实践基础。 2.实验原理 激光脉冲测距与雷达测距在原理上是完全相同的，如图2.1所示。 在测距点激光发射机发射激光脉冲，光脉冲经过光纤到达接收端，并被测距机上的探测系统接收。测出从激光发射时刻到被接收时刻之间的时间间隔t，根据已知光速，即可求出光纤的长度R为 R=/2 (2-1) 式中c为光速。真空中的光速是一个精确的物理常数 C1=299792458 m/s 光纤中的平均折射率n为 n=1.000275266 故光纤中的光速为 C=299710000 可见，激光测距的任务就是准确地测定时间间隔t。当不考虑光纤中光速的微小变化时，测距精度⊿R主要是由测时精度⊿t确定的 ⊿R=C⊿t/2 (2-2) 实际脉冲激光测距机中是利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来测定时间间隔 t的。时钟晶体振荡器用于产生固定的频率的电脉冲振荡，脉冲计数器的作用是对晶体产生的电脉冲个数进行计数。设晶体振荡器产生的电脉冲频率为f，则脉冲间隔T=1/f。若从激光脉冲发出时刻脉冲计数器开始计数，到光脉冲被接收时刻停止计数。设这段时间内脉冲计数器共计得脉冲个数为m，则可计算出被测光纤的长度为 R=1/2cmT=cm/f=1.6m (2-3) 相应的测距精度为 ⊿R =1/2Ct=c/(2f) (2-4) 可见，脉冲激光测距机的测距精度由晶振的频率决定。常用军用激光测距仪的晶振频率有15MHz、30MHz、75MHz和150MHz等，与其相对应的测距精度分别为正负10m、正负5m 、正负2m和正负1m。晶振的频率愈高，测距精度就愈高， 但随之而来的，不仅是计数器的技术难度增加，而且要求激光脉冲的宽度愈窄，激光器的难度也增加。 对脉冲测距系统，计数器的“开门”信号是由取出一小部分发射激光脉冲经光探测器转换成
脉冲激光沉积(激光分子束外延)系统特点
脉冲激光沉积技术 所谓“脉冲激光沉积技术”是将脉冲准分子激光所产生的高功率脉冲激光束 聚焦作用于真空室内的靶材表面，使靶在极短的时间内加热熔化、气化直至使靶材表面产生高温高压等离子体，形成一个看起来像羽毛状的发光团—羽辉；等离子体羽辉垂直于靶材表面定向局域膨胀发射从而在衬底上沉积形成薄膜。 脉冲激光沉积（PLD）是一种新型的制膜技术，PLD制备薄膜大体可分为三个过程：激光与靶材相互作用产生等离子体；等离子体在空间的输运；等离子体在基片上沉积形成薄膜。与其它制膜技术相比，PLD具有以下特点和优势： 一、所沉积形成的薄膜可以和靶材成分保持一致。由于等离子体的瞬间爆炸性发射，不存在成分择优蒸发效应以及等离子体发射的沿靶轴向的空间约束效应，因此膜与靶材的成分保持一致。由于同样的原理，PLD可以制备出含有易挥发元素的多元化合物薄膜。 二、可在较低温度下原位生长织构膜或外延单晶膜。由于等离子体中原子的能量比通常蒸发法产生的离子能量要大得多，原子沿表面的迁移扩散更剧烈，故在较低温度下也能实现外延生长，而低的脉冲重复频率也使原子在两次脉冲发射之间有足够的时间扩散到平衡的位置，有利于薄膜的外延生长。PLD的这一特点使之适用于制备高质量的高温超导、铁电、压电、电光等多种功能薄膜。 三、能够获得连续的极细薄膜，制备出高质量纳米薄膜。由于高的离子动能具有显著增强二维生长和抑制三维生长的作用，故PLD促进薄膜的生长沿二维展开，并且可以避免分离核岛的出现。 四、生长速率较快，效率高。比如，在典型的制备氧化物薄膜的条件下，1小时即可获得1微米左右的膜厚。 五、生长过程中可原位引入多种气体，包括活性和惰性气体，甚至它们的化合物。气氛气体的压强可变范围较大，其上限可达1torr.甚至更高，这点是其它技术难以比拟的。气氛气体的引入，可在反应气氛中制膜，使环境气体电离并参与薄膜沉积反应，对于提高薄膜质量具有重要意义。 六、由于换靶位置灵活，便于实现多层膜及超晶格薄膜的生长，这种原位沉积所形成的多层膜具有原子级清洁的界面。 七、成膜污染小。由于激光是一种十分干净的能源，加热靶时不会带进杂质，这就避免了使用柑祸等加热镀膜原材料时对所沉积的薄膜造成污染的问题。 正因为脉冲激光沉积技术具有上述突出优点，再加上该技术设备较简单，操作易控制，可采用操作简便的多靶台，灵活性大，故适用范围广，并为多元化合物薄膜、多层膜及超晶格膜的制备提供了方便。目前，该技术已被广泛运用于各种功能性薄膜的制备和研究，包括高温超导、铁电、压电、半导体及超晶格等薄膜，甚至可用于制备生物活性薄膜，显示出广泛的应用前景。