【正文】 APD附件+二維調(diào)整架、大透鏡（f =150mm）、小透鏡（f = 60mm）、轉(zhuǎn)接桿、 白屏（2個(gè)）、導(dǎo)軌滑塊（4個(gè)）、三角架 【實(shí)驗(yàn)原理】 激光相位測(cè)距的基本原理是以被調(diào)制激光器的調(diào)制波長(zhǎng)作為測(cè)量距離的尺子，通過(guò)測(cè)量激光在A、B兩點(diǎn)之間的相位差，來(lái)確定兩點(diǎn)之間的距離。原則上講，并不是只有激光可用于相位測(cè)距，其他一些波 如超聲波也可用于距離測(cè)量，如汽車(chē)上的倒車(chē)?yán)走_(dá)。之所以采用激光，是由于其具有很好的指向性（發(fā)散角?。┖透叩哪芰棵芏?。在激光相位測(cè)距技術(shù)中使用的激光都是被調(diào)制的，即激光強(qiáng)度是按一定頻率周期性變化的，調(diào)制方法可采用內(nèi)調(diào)制方法：如通過(guò)周期性地改變半導(dǎo)體激光器的工作電流使輸出光強(qiáng)隨之發(fā)生周期性的變化?；蛲庹{(diào)制方法：如使激光竄過(guò)一個(gè)由起偏器、電光晶體、檢偏器組成的系統(tǒng)，并在電光晶體上施加一個(gè)按正弦波變化的電壓，通過(guò)改變激光光束的偏振態(tài)來(lái)改變光強(qiáng)。一個(gè)被頻率f的正弦波調(diào)制的激光束，其波長(zhǎng)由下式?jīng)Q定：λ =C/f C為光速設(shè)想這束光從A點(diǎn)出發(fā)，到達(dá)B點(diǎn)，A B相距L L=C T=C Φ/2πf =λ（m+Δm） （）T為光從A到B的傳輸時(shí)間，Φ為相位，m為總數(shù)部分，可為0、3……，Δm為小數(shù)部分。Δm=ΔΦ/2πL=λm+λΔΦ/2π ，激光的調(diào)制波長(zhǎng)被當(dāng)成了一把測(cè)量距離的尺子。我們?nèi)绻軌蛟跍y(cè)量過(guò)程中得到m和Δm，就可求得L。但是，如果L遠(yuǎn)大于λ，則無(wú)法直接測(cè)得m，當(dāng)然，我們可以降低調(diào)制頻率，使波長(zhǎng)變長(zhǎng)，使L小于λ，這樣m=0，我們只需測(cè)得Δm就行了。但大的λ，往往使測(cè)量精度變壞。為了兼顧大的測(cè)量范圍和高的測(cè)量精度，我們可能不得不使用兩種以上的波長(zhǎng)，來(lái)測(cè)量同一距離。在實(shí)際測(cè)量中我們正是這樣做的。下面我們假使一個(gè)具體的測(cè)量，看看這個(gè)方法是如何工作的：如果現(xiàn)在有一段距離需要測(cè)量，大概有幾百米（不會(huì)超過(guò)600米）。我們有一臺(tái)精度為1%的激光相位測(cè)距儀，它有一個(gè)調(diào)制頻率為500KHz的測(cè)量檔。根據(jù)λ =C/f，調(diào)制波長(zhǎng)約為600米。用這個(gè)波長(zhǎng)測(cè)量，結(jié)果為137米，有近2米的誤差。我們?cè)儆?5MHz的另一測(cè)量檔進(jìn)行一次測(cè)量，此時(shí)，調(diào)制波長(zhǎng)為20米。此時(shí)我們可以確定。第2次測(cè)量的m在這里為6。從上面的一個(gè)舉例中我們看到，通過(guò)兩次不同頻率測(cè)量，我們即獲得了大的測(cè)量范圍，又獲得了較高的測(cè)量精度。在實(shí)際的距離測(cè)量過(guò)程中，將激光發(fā)射器和光接受器分別放置于被測(cè)距離的兩段，往往是不方便和不現(xiàn)實(shí)的，現(xiàn)實(shí)的方法是將發(fā)射和接受同置于一端，將激光照射到另一端的目標(biāo)上，接受器接受從被照射端反射回的激光信號(hào)，如果目標(biāo)表面的光反射性能不好，比如是一個(gè)漫反射表面且反射率不高，則激光的優(yōu)勢(shì)就非常重要和突出了。為了能夠接受到盡量弱的信號(hào)，接受器一般采用光電倍增管或光電雪崩二極管。采用這種往返光路的測(cè)量結(jié)果應(yīng)該是前面分析計(jì)算的結(jié)果除以2。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：1． 發(fā)射部分：包括可見(jiàn)光半導(dǎo)體激光器及驅(qū)動(dòng)電路，可對(duì)半導(dǎo)體激光器的工作電流、調(diào)制頻率、調(diào)制深度等工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整和改變。通過(guò)這些變化我們可以對(duì)激光器的電光特性、閾值電流、電調(diào)制特性進(jìn)行觀察和測(cè)量。2． 接收部分：由于反射回的光往往非常微弱，因此，我們采用了一種高靈敏度的光電傳感器——雪崩光電二極管（APD），作為光接受元件。APD與普通的光電二極管不同，普通的光電二極管一般工作在幾伏到幾十伏的反向偏壓下，而APD的反向偏壓一般為一二百伏，在這樣高的反向偏壓下，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)很強(qiáng)，光照產(chǎn)生的電子和空穴在勢(shì)壘區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)作用下將得到很大的動(dòng)能，他們會(huì)碰撞出新的電子和空穴，這些新的電子和空穴又會(huì)被勢(shì)壘區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)加速，再產(chǎn)生新的電子和空穴，如此下去，象雪崩一樣。這個(gè)過(guò)程在外部看來(lái)，就象其內(nèi)部有光信號(hào)放大作用一樣。這個(gè)內(nèi)部增益可用M數(shù)表示，普通的光電二極管的M小于1，而APD的M可大于100。在高速光信號(hào)探測(cè)時(shí)，為了得到高的響應(yīng)速度，負(fù)載電阻都比較小，這就對(duì)前級(jí)放大器要求很高，具有內(nèi)部放大功能的器件對(duì)前級(jí)放大是很有幫助的。接受部分主要有APD、放大電路和驅(qū)動(dòng)電源構(gòu)成。通過(guò)對(duì)APD反向電壓的調(diào)整和信號(hào)強(qiáng)度的觀察，我們可以觀察了解雪崩二極管的工作原理和工作條件以及使用方法。3． 相位差計(jì)：用來(lái)測(cè)量接受到的光信號(hào)的相位。在此，我們采用了專用電路，可直接給出驅(qū)動(dòng)信號(hào)與接受到的光信號(hào)之間的相位差，其標(biāo)定后的曲線圖如下圖， 其中，水平軸為相位差，垂直軸為表頭指示值。相位差的正負(fù)由曲線斜率的正負(fù)來(lái)決定。在實(shí)驗(yàn)中需注意的是表頭的指示值是半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與接收到的光信號(hào)之間的相位差，這里不僅包含有測(cè)量距離引起的相位差，還包含有電路本身的相位差，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中要通過(guò)減去測(cè)量起點(diǎn)處的相位差來(lái)求出測(cè)量距離引起的相位差。由于電路本身的缺陷，在曲線的頂端和尾端有比較大的誤差。測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量避免?！緦?shí)驗(yàn)步驟】本實(shí)驗(yàn)電器原理圖和實(shí)驗(yàn)安裝結(jié)構(gòu)圖如下， 機(jī)箱面板圖如下：1． 參考實(shí)驗(yàn)安裝結(jié)構(gòu)圖，在光學(xué)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)軌（簡(jiǎn)稱：導(dǎo)軌）依次安裝APD、大透鏡和白屏，在大透鏡的不銹鋼桿上同時(shí)安裝轉(zhuǎn)接桿和半導(dǎo)體激光器（LD），其中APD距大透鏡約150mm，白屏距大透鏡400500mm。2． 將LD與機(jī)箱LD驅(qū)動(dòng)插座相連，APD與機(jī)箱APD驅(qū)動(dòng)和APD光信號(hào)相連。將電流、調(diào)制深度、APD電壓逆時(shí)針旋到頭，調(diào)制頻率打到直流檔。接通220V電源，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)。3． 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電流旋鈕，直到LD工作電流達(dá)到最大，LD發(fā)出紅色激光。4． 取下導(dǎo)軌上的白屏和小透鏡，將激光打到測(cè)量目標(biāo)上，如遠(yuǎn)處的白色墻面或三角架上的白屏。在大透鏡后面用白屏仔細(xì)尋找反射回來(lái)的激光光斑。由于遠(yuǎn)處反射表面可能是漫反射表面，因此反射回的光斑可能非常微弱，請(qǐng)認(rèn)真仔細(xì)地尋找。5． 仔細(xì)調(diào)整LD的指向和大透鏡與APD之間的相對(duì)位置，使激光光斑焦點(diǎn)打在APD探測(cè)器的小透鏡上。6． 將示波器的兩個(gè)通道分別與機(jī)箱波形插座相連，以調(diào)制深度旋鈕下的波形作為示波器的觸發(fā)信號(hào)。7． 為防止調(diào)制頻率換檔時(shí)，對(duì)LD沖擊過(guò)大，先將電流旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將LD工作電流降低，將調(diào)制頻率打到500KHz，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電流、調(diào)制深度和APD電壓旋鈕，觀察APD光信號(hào)的波形變化。仔細(xì)調(diào)整這3個(gè)旋鈕，使APD光信號(hào)盡量的完美，體會(huì)LD工作電流、調(diào)制深度和APD電壓的作用，改變APD電壓，觀察光信號(hào)波形的幅度變化，估計(jì)APD的雪崩電壓。（當(dāng)反向電壓增大到一定程度時(shí)。信號(hào)幅度會(huì)急劇增大，此時(shí)的反向偏壓值即為雪崩電壓，雪崩電壓一般有一個(gè)范圍，并受溫度影響。反向偏壓太低，信號(hào)放大率較小，太高，噪聲會(huì)急劇增加。選擇適當(dāng)?shù)姆聪螂妷菏欠浅＠щy和重要的。）8． 分別在5M和15M的調(diào)制頻率上重復(fù)步驟7的操作，仔細(xì)體會(huì)LD工作電流、調(diào)制深度和雪崩電壓的作用和影響，了解LD和APD的特性和工作條件。9． 選定一個(gè)調(diào)制頻率做距離測(cè)量，如500KHz，仔細(xì)調(diào)整光路和激光器工作電流、調(diào)制深度和APD的反向偏壓，將APD光信號(hào)調(diào)到最佳（信號(hào)無(wú)震蕩，較大的信號(hào)幅度和較下小的噪聲）在示波器上估算兩個(gè)信號(hào)的相位差。取下示波器信號(hào)線，從相位差表頭讀取相位差計(jì)指示值（示波器信號(hào)線對(duì)相位差指示值有一定的影響），前后小幅度移動(dòng)被測(cè)目標(biāo)，判斷相位差的符號(hào)是“正”還是“負(fù)”。記下這個(gè)值A(chǔ)。將白屏和小透鏡放回到導(dǎo)軌的滑塊上，仔細(xì)調(diào)整LD的指向和小透鏡的位置，使導(dǎo)軌白屏上的光斑成像在APD上，重新連接示波器信號(hào)線，觀察接受到的信號(hào)波形。調(diào)制APD位置，使信號(hào)幅度與步驟9中的信號(hào)幅度大致相同（不可再調(diào)整工作電流、調(diào)整深度和反向偏壓旋鈕）。在示波器上再次估算兩個(gè)信號(hào)的相位差，并與步驟9中的示波器估算值相比較。取下信號(hào)線，前后小幅度移動(dòng)被測(cè)目標(biāo)（白屏），判斷相位差的符號(hào)是“正”還是“負(fù)”。記錄下此時(shí)的相位差計(jì)指示值B。11. 從標(biāo)定曲線圖中查出 A、B對(duì)應(yīng)的相位差值。兩值相減即為兩點(diǎn)之間的相位差θ。根據(jù) 500 KHZ的光波調(diào)制波長(zhǎng)和θ，可求出兩點(diǎn)之間的距離。特別注意：在步驟9中第一次調(diào)整好APD光信號(hào)后，LD工作電流、調(diào)制深度和APD電壓都應(yīng)盡量不動(dòng)，以盡量減少誤差。，如15MHz，重復(fù)步驟11中的操作，體會(huì)波長(zhǎng)對(duì)測(cè)量精度的影響，提高上次測(cè)量的精度。【注意事項(xiàng)】1. 避免激光直射入人眼，以免對(duì)眼睛造成損傷。，調(diào)整調(diào)制深度旋鈕時(shí)，應(yīng)保證驅(qū)動(dòng)波形不出現(xiàn)二次諧波，而是一近似正弦波或三角波為佳。否則誤差較大。