激光式傳感器

1、4.11 激光式傳感器,簡(jiǎn)介,激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)，激光技術(shù)發(fā)展速度是十分驚人的，目前在生產(chǎn)和科研等許多方面都已有很多應(yīng)用。它的出現(xiàn)，不但使現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用技術(shù)出現(xiàn)了一個(gè)飛越，同時(shí)也促進(jìn)了物理學(xué)和其他相關(guān)科學(xué)的發(fā)展。 激光式傳感器(Laser sensor)包括激光發(fā)生器、激光接收器及其相應(yīng)的有關(guān)電路。在這里，簡(jiǎn)單介紹一下激光的產(chǎn)生、激光的特點(diǎn)以及激光器在檢測(cè)方面的應(yīng)用,目錄,4.11.1 激光發(fā)射原理 4.11.2 常用激光器及其原理 4.11.3 激光的特點(diǎn) 4.11.4 激光傳感器的應(yīng)用及實(shí)例,4.11.1 激光發(fā)射原理,由物理學(xué)可知，正常分布下的原子，多處于低

2、能級(jí) ，除非受外界作用，原子將長(zhǎng)期保持這一穩(wěn)定狀態(tài)。若在外界光子作用下，原子吸收光子的能量為 ，只要吸收的能量足夠大，原子就從低能級(jí) 躍遷到高能級(jí) ，這一過(guò)程稱為激發(fā)，見(jiàn)圖4-122a。激發(fā)過(guò)程應(yīng)滿足： 式中，E為光子能量。 處于高能級(jí) 的原子，在外界光子的誘發(fā)下，會(huì)從高能級(jí) 躍遷到低能級(jí) ，釋放能量而發(fā)射與外界誘發(fā)的光子性質(zhì)完全相同的光子，簡(jiǎn)單地說(shuō)，入射一個(gè)光子放大為兩個(gè)光子，這一過(guò)程稱為光子的受激輻射，見(jiàn)圖4-122b,圖4-122 激發(fā)與受激輻射 a）受激過(guò)程 b）受激輻射過(guò)程,4.11.1 激光發(fā)射原理,產(chǎn)生激光的條件,為了形成受激輻射，必須設(shè)法使某一高能級(jí)原子數(shù)多于低能級(jí)的原子數(shù)。原

3、子數(shù)的這種分布稱為粒子的反轉(zhuǎn)分布。能形成粒子反轉(zhuǎn)分布的工作介質(zhì)稱為增益介質(zhì)。 光通過(guò)增益介質(zhì)，由于受激輻射的光子數(shù)多于吸收而損失的光子數(shù)而使光子數(shù)不斷增加，強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，這一過(guò)程稱為光放大。 產(chǎn)生激光必須滿足下列四個(gè)條件： 外界光子能形成受激輻射光源； 受激光在增益介質(zhì)中多次重復(fù)放大； 受激光的光能密度不斷增加； 受激光沿某一方向傳播,4.11.2 常用激光器及其原理,紅寶石激光器及其原理 紅寶石激光器的工作原理見(jiàn)圖4-123。在橢圓形聚光器4內(nèi)密封紅寶石棒2和脈沖氙燈3。紅寶石棒的基質(zhì)為Al2O3 。摻入重量比約0.05%的鉻離子Cr3+，作為增益介質(zhì)，以形成受激輻射,圖4-123 紅寶石激

4、光器的原理 a）結(jié)構(gòu)圖 b）能級(jí)圖 1全反射鏡 2紅寶石棒 3脈沖氙燈 4聚光器 5部分反射鏡,限流電阻,儲(chǔ)能電容,激光的產(chǎn)生過(guò)程,紅寶石激光器包括類似相機(jī)閃光燈的疝氣管、紅寶石棒和兩面反射鏡（其中一面為半反射鏡面）。紅寶石棒是激光介質(zhì)，脈沖疝氣管是泵激源,1. 未發(fā)射狀態(tài)的激光器,2. 閃光管閃光并將光線射入紅寶石棒。光線激發(fā)紅寶石內(nèi)的原子,3. 其中的部分原子釋放出光子(受激輻射,4. 部分光子沿紅寶石軸的平行方向運(yùn)動(dòng)，因而在兩塊反光鏡之間來(lái)回反彈。它們經(jīng)過(guò)紅寶石晶體時(shí)，還會(huì)繼續(xù)激發(fā)其他原子,5. 單色、單相柱狀光線通過(guò)半反射鏡射出紅寶石棒，形成激光,氦氖激光器及其原理,由于氦氖激光器具有

5、穩(wěn)定性好，單色性強(qiáng)，功率小和壽命長(zhǎng)等突出的優(yōu)點(diǎn)，因此是應(yīng)用最廣泛的一種激光器。 氦氖激光器由放電管V和反射鏡M1、M2組成光學(xué)諧振腔，見(jiàn)圖4-124a,圖4-124 氦氖激光器的原理 a）結(jié)構(gòu)圖 b）能級(jí)圖,3.39m,1.15m,0.6238m,半導(dǎo)體激光器及其原理,半導(dǎo)體激光器的典型產(chǎn)品是以砷化鎵（GaAs）為增益介質(zhì)的激光器，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4-125。它利用相同材料的 P型和N型半導(dǎo)體構(gòu)成 PN結(jié)。當(dāng)兩電極施加 適當(dāng)高的正向電壓時(shí) ，靠PN結(jié)正向注入電 流來(lái)激發(fā)增益介質(zhì)， 通常稱這種“注入 方式”為泵激方式。 直接利用垂直于GaAs 半導(dǎo)體PN結(jié)的兩個(gè)端 面為諧振腔(110面)， 因而受激發(fā)

6、的光子得到放大，而發(fā)射激光,圖4-125 砷化鎵半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu),4.11.3 激光的特點(diǎn),激光器發(fā)出的光具有許多普通光不可比擬的特點(diǎn)，如： 1.高方向性：高平行度，光束的發(fā)散角小。 2.高亮度：光束發(fā)散角小、光能在空間高度集中的緣故。 3.高單色性：譜線寬度很窄的一段光波。 4.高相干性：相干性是指相干波在迭加區(qū)得到穩(wěn)定的干涉條紋所表現(xiàn)的性質(zhì)，而激光式最好的相干光源。 綜上：激光是目前最亮的光源，而且其單色性最純，會(huì)聚角最小，光束最準(zhǔn)直，射得最遠(yuǎn)和相干性最好,4.11.4激光傳感器的應(yīng)用及實(shí)例,激光傳感器可用于測(cè)量物體的幾何尺寸、振動(dòng)、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)角、方向、探傷及成分分析等。由于具有精度高、量程范圍寬、反應(yīng)迅速、非接觸、抗干擾能力強(qiáng)和易于數(shù)字化等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用極為廣泛。 利用激光的高方向性制成的車(chē)速測(cè)量?jī)x，是公路車(chē)輛速度監(jiān)測(cè)常用的儀器，其工作原理見(jiàn)圖4-126。該儀器有兩套完全相同的光