激光原理與技術(shù)第四章

1、第四章 激光應(yīng)用4.1 激光應(yīng)用概述人們研究任何一種技術(shù)都是為了應(yīng)用，為人們生活、生產(chǎn)和某些特殊目的而利用，其中包括殘酷的戰(zhàn)爭應(yīng)用。激光問世四十多年來，發(fā)展速度之快，應(yīng)用面之廣是非常驚人的。目前，激光應(yīng)用領(lǐng)域主要?dú)w納為下列十五個方面：1. 激光加工，2. 激光印刷，3. 計量檢測，4. 激光通信，5. 激光存儲，6. 光化學(xué)，7. 激光醫(yī)療，8. 激光生物學(xué)，9. 激光核聚變，10. 激光布景，11. 激光雷達(dá)，12. 激光制導(dǎo)，13. 激光致盲，14. 激光測距，15. 激光戰(zhàn)略武器等。在上述應(yīng)用領(lǐng)域中有些已經(jīng)相當(dāng)成熟，有些在探索發(fā)展中。一. 激光應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)1. 激光應(yīng)用是光、機(jī)、電、算相

2、結(jié)合，是光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和電路系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，近幾年又與微機(jī)緊密結(jié)合，所以激光應(yīng)用是復(fù)雜的高科技，要求一個設(shè)計者具備多學(xué)科的知識和總體設(shè)計能力，需要有大協(xié)作的精神和嚴(yán)密的科學(xué)態(tài)度；2. 激光應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，軍民并重，各種應(yīng)用系統(tǒng)要求不同，差異很大，這就增加了設(shè)計的復(fù)雜性和難度。一個設(shè)計者必須使理論與實(shí)踐相結(jié)合，否則是不能設(shè)計出性能優(yōu)良的整機(jī)的；3. 雖然激光應(yīng)用有很大發(fā)展，但是在很多技術(shù)方面遠(yuǎn)是不成熟的，給設(shè)計者提供廣闊的創(chuàng)新機(jī)會。目前激光應(yīng)用整機(jī)遠(yuǎn)不如電子儀器那樣穩(wěn)定和可靠，其成本也比較昂貴，努力提高現(xiàn)有激光應(yīng)用整機(jī)的可靠性，大力降低成本，積極推廣應(yīng)用，是設(shè)計者和開發(fā)者的重任。二. 激光主要

3、應(yīng)用方面1. 激光加工1）仿形切割金屬材料、塑料材料。如金屬薄板，主要應(yīng)用于汽車工業(yè)，造船工業(yè)，廣告牌制造等。在此方面，CO 2激光切割機(jī)、連續(xù)Y AG 激光切割機(jī)近幾年國內(nèi)已制成，用800W 的激光器可切割5mm 以下的鋼板。2）特種材料及特殊元件焊接。如鋼筆尖，項(xiàng)鏈，罐頭盒蓋等焊接，一般用500W CO2激光器或Y AG 激光器。3）激光打孔。用于寶石軸承、發(fā)動機(jī)噴油嘴打孔，香煙濾紙打孔，攝像管的電子束通道打孔等，主要用脈沖Y AG 激光器或CO 2激光器。4）激光打標(biāo)、刻槽?？滩壑饕糜诎雽?dǎo)體元件制造，薄膜電路制造，集成電路元件微調(diào)等，打標(biāo)主要用標(biāo)牌刻字，工件打標(biāo)，裝飾品加工等，目前此應(yīng)

4、用多半采用聲光調(diào)Q YAG 激光器。2. 激光醫(yī)療1）激光眼科治療機(jī)早期用脈沖紅寶石激光器治療視網(wǎng)膜脫落，稱為視網(wǎng)膜凝結(jié)機(jī)，近些年來，氬離子激光器和倍頻YAG 激光器在眼科中獲得越來越多的應(yīng)用。把激光器配備在裂隙燈上已成功的進(jìn)行眼科疾病的檢查與治療。眼科治療機(jī)一般不需要高能量，但定位精度要求極高。目前眼科激光醫(yī)療機(jī)可治療視網(wǎng)膜脫落、白內(nèi)障和青光眼等，給千百萬盲人帶來福音。2）激光理療機(jī)激光理療機(jī)用于穴位照射或皮膚組織局部照射，對消炎止痛有很好的療效。大量應(yīng)用的是He Ne 激光器，Ar 離子激光器和半導(dǎo)體激光器。近幾年倍頻Y AG 激光器也獲得較大應(yīng)用。目前國內(nèi)大中型醫(yī)院有70%以上配備有激光

5、理療機(jī)或激光治療機(jī)。3）激光手術(shù)刀激光手術(shù)刀用于外科手術(shù)，痔、疣切割，配合內(nèi)窺鏡可進(jìn)行各種內(nèi)腔腫瘤及息肉的汽化手術(shù)，如食道、胃、直腸、氣管和支氣管等部位的腫瘤汽化，在國內(nèi)不少大醫(yī)院已開展這方面的激光治療并取得顯著療效。作為手術(shù)刀要求激光功率在30100W 之間，主要用Y AG 激光和CO 2激光，CO 2激光由于目前缺少適用光纖，內(nèi)腔治療還有一定困難，主要用于美容，也可用于痔切割。Y AG 激光手術(shù)刀除用于各種表皮血管瘤（即鮮紅斑志）、五官科、婦科外，最適合于內(nèi)腔疾病的治療，因?yàn)閅AG 激光輸出1.06m 光波，可用現(xiàn)有光纖把激光導(dǎo)入人體內(nèi)臟器官。3. 激光印刷激光印刷是世界上發(fā)展最快，銷售額

6、最多的一種激光產(chǎn)品，86年全世界銷售額就已達(dá)55.3億美元。激光印刷是廣義概念，具體包括激光打印、照排和分色等。基本原理是通過激光掃描使激光束周期照明達(dá)到材料感光，實(shí)現(xiàn)激光打印或照排的目的。目前激光打印機(jī)多用半導(dǎo)體激光器，激光照排多用氬離子激光。4. 激光計量1）激光準(zhǔn)直用于建筑、造船、采礦中，如萬噸巨輪輪胎基線定位、校準(zhǔn)，開隧道定中心，高層樓房、橋梁準(zhǔn)直等，多用He-Ne 激光器，因其可見，光束角小，使用方便，造價低。2）激光測長通稱激光比長儀，其量程為12米，測量精度可達(dá)0.2m ，已研制出雙頻激光測長儀，用拉姆凹陷穩(wěn)頻技術(shù)，使激光光頻穩(wěn)定在±1×107以內(nèi)，測量精度最

7、高可達(dá)0.005。3）激光測徑激光在線測量已成功用于電纜、拉絲、鋼管制造等自動監(jiān)測中，激光掃描尺寸檢測儀可高速、精確地測量一定范圍的外徑尺寸，在0.5-50mm 范圍內(nèi)測量精度可小于0.5，激光器主要用He-Ne 。5. 激光光譜分析該技術(shù)是用聚焦激光束打在微量物質(zhì)上使其氣化，然后使氣化物質(zhì)通過高壓電極引起放電，發(fā)出物質(zhì)特征光譜。通過光譜分析便可知道微量物質(zhì)的化學(xué)成分。激光光譜儀對分析微量物質(zhì)有獨(dú)特的優(yōu)越性，它不需要把分析物質(zhì)做成樣塊，可直接激發(fā)，且靈敏度極高，廣泛用于地質(zhì)勘探、采礦和理化分析實(shí)驗(yàn)中。光譜分析一般用高能脈沖激光器。6. 激光全息照相激光全息照相是用物光及參考光的干涉記錄在全息片

8、上，然后再通過再現(xiàn)可獲得物體的空間立體像，全息照相還可通過體全息圖記錄與存儲文獻(xiàn)、資料等。用雙脈沖全息照相可進(jìn)行無損檢驗(yàn)，激光全息術(shù)已成為一門獨(dú)立的學(xué)科，是激光出現(xiàn)后發(fā)展較為迅速的一種應(yīng)用。目前全息照相多用紅寶石激光器和倍頻Y AG 激光器。7. 激光通信激光通信有直接通訊和光纖通訊兩種體制。激光空間通訊是用激光作載波傳遞信息，可以是聲音或文字、圖像等，其激光是直接在空間傳播，這種通訊可用于衛(wèi)星上或海島之間，具有良好地抗干擾性和保密性，光纖通訊幾乎全是用半導(dǎo)體激光器，它是把激光載波攜帶的信息通過光纖傳輸激光實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊，光通訊具有傳播信息量大，不受干擾的特點(diǎn)。目前光纖通訊已達(dá)到大量應(yīng)用的程度

9、，但是其造價目前還是偏高。8. 激光測距用ns 級窄脈沖激光，測量其發(fā)射和返回的時間，然后再乘以光速，便得到光信號往返距離的2倍，目前激光測距已達(dá)到相當(dāng)成熟的地步。激光測距主要用在步兵測距機(jī)、坦克測距機(jī)等方面，作用距離可達(dá)2030公里，利用合作目標(biāo)，測距可達(dá)幾千公里，并且測月已經(jīng)成功。激光測距主要用調(diào)Q 或鎖模Y AG 激光器。我國許多人造衛(wèi)星觀測站都裝備了高頻激光測距機(jī)，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軌道的精確測量。9. 激光雷達(dá)用激光束搜索、捕獲目標(biāo)并將捕獲目標(biāo)成像在顯示屏上，是激光雷達(dá)的主要功能。與無線電雷達(dá)相比，它的抗干擾性強(qiáng)，跟蹤精度高，機(jī)動靈活。但是目前光雷達(dá)還有許多技術(shù)關(guān)鍵需要解決：一是研制大角度大

10、屏幕激光掃描器，二是研制特高重復(fù)頻率高功率激光器。目前我國還沒有研制出適用的光雷達(dá)，光雷達(dá)作為遠(yuǎn)程警戒還有困難，但是用于戰(zhàn)術(shù)防空或武裝直升機(jī)上對地搜索是切實(shí)可行的。10. 激光制導(dǎo)激光制導(dǎo)目前有兩種方案，一是用反射激光束實(shí)現(xiàn)末制導(dǎo)，二是用激光束直接進(jìn)行照射制導(dǎo)，即所謂駕束制導(dǎo)。前一種方案可用于炮射導(dǎo)彈末制導(dǎo)或空投炸彈末制導(dǎo)，其主要原理是在彈上裝有四象限激光探測器，用激光照射目標(biāo)，其反射光被彈上探測器接受，彈上的探測裝置通稱為尋的器。它是一個靈敏度均勻的四象限探測器，當(dāng)反射激光照在四象限探測器上，如果探測器表面與光束不垂直，則四個象限的探測器接收反射激光信號不相等，通過光信號的合差處理控制彈的尾

11、舵使其改變方向，并沿光束方向前進(jìn)，直至打在目標(biāo)上。激光駕束制導(dǎo)，原理與末制導(dǎo)相同，只是激光束直接照在彈上，進(jìn)行駕束控制，駕束制導(dǎo)的激光束直接安裝在投導(dǎo)彈的飛機(jī)上。它需要的激光能量很小，作用距離遠(yuǎn)，而激光末制導(dǎo)（也稱半主動制導(dǎo)）需要炮射前沿的戰(zhàn)士用激光照射器去照射攻擊目標(biāo)。目前我國引進(jìn)俄羅斯激光制導(dǎo)技術(shù)，已很快的實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化并能迅速裝備部隊(duì)。11. 激光致盲用強(qiáng)激光直接傷害人眼，使人致盲，或用激光束燒毀紅外熱像儀、夜視儀、光學(xué)瞄準(zhǔn)具等，稱為激光致盲。在戰(zhàn)時，只要破壞敵方的觀瞄儀器，使其失靈，便稱為致盲。比如用激光毀傷光電探測器、顯示屏等。根據(jù)計算，為了有效破壞1020公里處的各種靈敏光電元件，需

12、要致盲激光束達(dá)到500MW 的峰值功率。12. 激光炮用強(qiáng)激光束摧毀坦克履帶，破壞巡航導(dǎo)彈，燒毀低空飛機(jī)已能期望接近實(shí)戰(zhàn)，為達(dá)此目的，激光輸出功率至少在10萬瓦以上，此外還需要具有機(jī)動性和戰(zhàn)場條件下的供電能力。死光武器在6070年代曾鼓噪一時，經(jīng)過40多年的發(fā)展，死光武器的魔影越來越清楚的浮現(xiàn)了。美國和俄羅斯都在積極進(jìn)行戰(zhàn)略激光殺傷武器的研制。已達(dá)到能擊毀空中靶機(jī)和導(dǎo)彈的程度，但用于摧毀衛(wèi)星和洲際導(dǎo)彈目前還有相當(dāng)大的困難。在研究戰(zhàn)略激光武器方面，美國以自由電子激光器為主，但是不放棄化學(xué)（D *F ）激光器，準(zhǔn)分子激光器，戰(zhàn)術(shù)激光器以CO 2氣動激光器和氟化氘化學(xué)激光器為主。4.2激光加工激光加

13、工主要包括切割，打孔，焊接，打標(biāo)，熱處理等。根據(jù)應(yīng)用不同，對激光器的要求也不同，目前高功率激光加工機(jī)用得最多的是橫流CO 2激光器，近幾年高功率Y AG 激光加工機(jī)也有很大進(jìn)步。廣泛用于焊接和打孔中。一. 激光加工機(jī)的種類及現(xiàn)狀目前主要以橫流CO 2激光加工機(jī)為主，激光器輸出功率有1000W ，2000W ，5000W 和一萬瓦等系列，主要用于汽車工業(yè)，造船工業(yè)，機(jī)械制造工業(yè)等領(lǐng)域。目的是快速仿形切割鋼板或其他金屬板，近幾年Y AG 激光加工機(jī)也有較大發(fā)展，國內(nèi)已研制出500W 和800W 的YAG 激光切割機(jī)。大型切割機(jī)的方框圖如圖4.1。它主要包括激光器，供電電源，聚焦鏡頭，傳動機(jī)構(gòu)和控制

14、系統(tǒng)等五部分。聚焦鏡頭一般用單塊或組合型鏡頭，它把激光束聚焦成幾十微米的光斑，達(dá)到很高的功率密度，把材料加熱到高溫使其汽化，實(shí)現(xiàn)切割的目的。對于CO 2激光，波長為10.6m ，聚焦鏡頭可用鍺，硒化鋅（ZnSe ）等材料，聚焦鏡頭設(shè)計在密封盒內(nèi)，并通入氧氣，吹到焦點(diǎn)助燃，同時還有保護(hù)鏡頭不被汽化物污染的作用。傳動機(jī)構(gòu)一般是平面二維移動，通常用兩個力矩電動帶動x 、y 方向傳動，電機(jī)由微機(jī)程控，把加工程序編制在軟盤中，用不同的軟件控制各種仿形切割，至于激光器和微機(jī)部分都是通用的，只是根據(jù)不同需要配備接口件即可。 圖4.1 CO2激光加工機(jī)方框圖下面介紹激光打孔機(jī)和激光微調(diào)機(jī)1. 激光打孔機(jī)激光打

15、孔用于微型孔和高強(qiáng)度物質(zhì)打孔，如鐘表軸承、拉絲模、柴油機(jī)噴嘴等打孔。激光器多用脈沖激光器，脈沖激光打孔可引起材料飛濺，不是全部熔化，因此可大大節(jié)省激光能量，激光打孔不易獲得理想孔形，需要做工藝研究，為了加工出適合的孔形和孔徑，一般采取下列技術(shù)：1）改變聚焦透鏡焦距；2）改變工件表面與透鏡焦距的位置；3）調(diào)節(jié)單次脈沖能量；4）用重復(fù)頻率或序列激光脈沖打孔。如果加工微小直徑的深孔，用重復(fù)頻率激光多個脈沖打出一個深孔，可減少錐度和粗糙度。特別是用序列脈沖激光器對加工直徑均勻的微孔是很有效的。2. 激光微調(diào)機(jī)激光微調(diào)機(jī)可用于薄膜電路，組合件生產(chǎn)工藝中，激光刻字，刻圖，打標(biāo)也列入此類儀器，微調(diào)機(jī)多采用聲

16、光調(diào)Q 的高頻Y AG 激光器，頻率范圍在1kc 20kc 之間，峰值功率為100010000瓦，脈沖寬度200ns 左右。微調(diào)機(jī)能開出小于3的金屬槽，用于自動化薄膜電阻微調(diào)是非常成功的，每小時微調(diào)電阻達(dá)萬只，精度能達(dá)到0.010.02。 二. 激光加工主要參數(shù)計算在激光加工中，最關(guān)心的參數(shù)是激光聚焦光斑尺寸，激光功率密度，材料達(dá)到的溫度以及所需激光總功率等。1. 光斑直徑與功率密度設(shè)激光輸出功率為P ，光束角為，用焦距為f 的透鏡聚焦，由幾何光學(xué)知識可得到光斑直徑d= f (4.2-1 功率密度20224/4d PW P f=（4.2-2）激光輸出功率和光束角可通過測量獲得，代入（4.2-2

17、）式算出聚焦點(diǎn)的功率密度。在加工中總是希望光斑尺寸盡量小，但是光斑尺寸是受衍射限制的，我們可通過衍射理論算出激光光斑直徑。如果把激光束的高斯光束近似看成平面波，則聚焦透鏡后焦平面上光斑衍射花樣應(yīng)是夫朗和菲衍射，即焦點(diǎn)處的衍射光斑是透鏡處光強(qiáng)分布的付里葉變換。激光光強(qiáng)假定是均勻的，設(shè)其光強(qiáng)為單位光強(qiáng)，并垂直照射加工件，則透鏡處的照明函數(shù)為1，透射函數(shù)為激光限孔的圓域函數(shù)。即透鏡處的光強(qiáng)分布函數(shù)為(1r U r circ a = 式中a 為限孔半徑。 在焦點(diǎn)處的光振動分布(2U C=F r circ a ，式中C 為常數(shù)，由圓域函數(shù)的付里葉變換得到(212/U CaJ a = （4.2-3）其中(

18、12J a 為一階貝塞爾函數(shù)，rf=焦點(diǎn)處光強(qiáng)分布(221202J a I I =（4.2-4）式中(20I C a = 把rf=代入（4.2-4）式中，做(I r 與r 的曲線如下： r第一個零點(diǎn)對應(yīng)0/1.22Dr f =，D 為限孔直徑，D 2a ，所以01.22r fD= （4.2-5）通常認(rèn)為02r 為激光在焦點(diǎn)處的光斑直徑，此時的功率密度為：2200220.67/DW P r f=（4.2-6）2. 材料溫度光強(qiáng)為I 0的激光射到加工工件表面上，一部分被反射，一部分被吸收，特別是金屬，根據(jù)金屬的性質(zhì)，入射到表面的激光深入不到一個波長便可全部吸收，吸收的光能變成熱量使材料溫度升高，在

19、表面深度為x 處的光強(qiáng)為：0xI I e-=0I 為金屬表面的入射光強(qiáng)，為金屬材料吸收系數(shù)，一般是很大的。為了求出x 處的溫度，我們利用熱力學(xué)的熱傳導(dǎo)方程，設(shè)光斑直徑為a ，強(qiáng)度均勻分布，光脈沖為矩形脈沖，作用時間為t ，則瞬間加熱的傳導(dǎo)方程為：(22, , 1T x t T x t xt=式中T 為溫度，是深度x 和作用時間t 的函數(shù)。KC=為熱擴(kuò)散率，K 為熱導(dǎo)率，為密度，C 為比熱。設(shè)邊界條件為x 0，t 0時，T （0，0）0，t>0時，T （0，t ）常數(shù)。則傳導(dǎo)方程的解為：1/22x F t T erfc K = （4.2-7） (erfc z 表示高斯誤差函數(shù)，其形式為(2

20、1z yerfc z edy -=- F表示熱流，即單位時間通過單位面積的熱能。2PF a=在加工表面0x =，得到0T =（4.2-8） 3. 激光加工對能量的估算為了使材料汽化，需要使材料溫度升到熔點(diǎn)變成液態(tài)，然后再升到沸點(diǎn)使其汽化，因此需要總熱量為：(s m m e v v Q M C T L C T L =+ （4.2-9）式中m T 表示工作溫度與熔點(diǎn)之差， v T 熔點(diǎn)與汽化點(diǎn)之差， m L 熔化熱 v L 汽化熱M 被汽化部分材料的質(zhì)量。 因?yàn)镸 等于體積乘以密度，所以24M d l =（4.2-10）e 為加工深度，d 為加工孔徑直徑，為密度。上式忽略了傳導(dǎo)、對流和輻射，認(rèn)為所

21、有吸收能量都用于汽化材料，如果考慮損失光能，需要激光能量還要大些。但實(shí)際上所需能量比計算值要小，這是因?yàn)榧庸r，由于急驟加到液化點(diǎn)，材料將產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象，因此并不需把鉆孔處或切口處的材料全部汽化。但是對于焊接應(yīng)用必須盡量減少材料的飛濺，此時需要熱量為：(s m e v m s m m M C T C T L Q M C T L +>>+ （4.2-11）當(dāng)光滑金屬表面存在反射時，需要熱量為：(4.21Q Pt R =- （4.2-12）在計算時熱量單位取焦耳，功率P 單位為瓦，上式中R 為平均反射率，熱量Q 乘以4.2是因?yàn)?卡=4.2 焦耳。4.3 激光醫(yī)療激光醫(yī)療是一門新興的激光

22、應(yīng)用技術(shù)，目前國際上推出的激光醫(yī)療儀器有40多種，包括診斷、治療和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究等。目前我國激光醫(yī)療器械生產(chǎn)廠家約有六、七十家，形成了以上海、北京、吉林省、江蘇省、湖北省、安徽省等多處生產(chǎn)基地。主要產(chǎn)品是YAG 激光治療機(jī)，CO 2激光治療，He-Ne 激光理療機(jī)三大類別。此外，氬離子激光治療機(jī)也有少量產(chǎn)品。激光治療在許多醫(yī)科都得到應(yīng)用。最成功的是表皮鮮紅斑痣光動力療法，有效率90%以上，配合內(nèi)窺鏡治療內(nèi)腔腫瘤和息肉也達(dá)到顯效程度，此外，眼科治療，耳鼻喉科手術(shù)，婦科，泌尿科也獲得成功應(yīng)用，特別是用激光結(jié)合搭橋術(shù)治療心肌梗塞在北京安貞醫(yī)院等也取得成功。所以說，激光治療大有發(fā)展前途，在世界上正處于蒸

23、蒸日上的發(fā)展趨勢！ 一. 激光治療機(jī)理激光對生物體的作用以及治療機(jī)理，目前還有許多問題需進(jìn)一步研究。但是 已經(jīng)肯定的方面是光化學(xué)反應(yīng)，熱效應(yīng)，光壓和電磁場作用等。 1. 光化學(xué)反應(yīng)生物有機(jī)體吸收激光產(chǎn)生生物化學(xué)反應(yīng)，使細(xì)胞內(nèi)某些物質(zhì)分解，生物體組織內(nèi)有各種色素，它們有選擇的吸收激光并由化學(xué)反應(yīng)而引起破壞，細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核之間有許多黑色素顆粒，吸收一定的激光能量就會破壞整個細(xì)胞，如果這些細(xì)胞是病變組織，那么破壞后就相當(dāng)抑制了病變的發(fā)展。在激光治療中，總希望病變組織大量吸收激光而破壞，而對于正常組織和皮膚不產(chǎn)生影響，所以在選擇激光時，要綜合考慮，如果病變組織吸收率為A ，正常組織透射率T ，則AT

24、的乘積越大越好，其最大值為1。特別是治療皮下病變，比如血管瘤，選擇大的AT 值非常重要。例如YAG 和CO 2激光器，前者工作波長為1.06，皮膚透過率在90º左右，而血液吸收很大，所以治療皮下血管瘤非常適合。而CO 2激光器工作波長為10.6，皮膚吸收很大，所以對表皮手術(shù)或皮膚切割比較合適。 2. 激光熱效應(yīng)強(qiáng)激光可以在金屬板上打孔、切割，可想而知產(chǎn)生的溫度是相當(dāng)高的，因此切割人的皮膚和肌肉當(dāng)然不在話下。按醫(yī)學(xué)和生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，溫度保溫在50，人體內(nèi)的脂肪和蛋白質(zhì)就要受到破壞，造成細(xì)胞損傷。當(dāng)溫度達(dá)到2001000，人體內(nèi)所有肌肉組織都要逐漸汽化、蒸發(fā)。100W 的連續(xù)激光器，即或不聚

25、焦，也能在一秒鐘的時間內(nèi)把耐火磚燒紅，達(dá)到600-800的高溫。如果用光學(xué)鏡聚焦，在0.1秒便可達(dá)到1000以上，激光手術(shù)，切割病變組織就是利用激光的熱效應(yīng)，在瞬間達(dá)到高溫而使組織汽化。 3. 光壓作用光有壓力是眾所周知的，但是普通光的壓力不為人們所感知，而強(qiáng)激光的光壓是明顯的，如果激光能量密度達(dá)到108W/cm2，產(chǎn)生的光壓力約為3.4×104達(dá)因cm 2，相當(dāng)于3.4×102大氣壓，這個壓力對人體內(nèi)部是不可忽略的，它能使人體組織產(chǎn)生膨脹、變形等。 4. 電磁場效應(yīng)大家知道，用微波能夠理療，激光也是電磁波的一個波段，當(dāng)聚焦后，功率密度達(dá)到106W/cm2將會產(chǎn)生103V/

26、cm的電場強(qiáng)度，這種電磁場在局部會使肌肉組織中的分子或原子產(chǎn)生振動，促使肌體細(xì)胞增加活力，使變形細(xì)胞組織復(fù)位，從而達(dá)到消炎止痛的作用。 二. 激光治療機(jī)簡介 1. 激光眼科治療機(jī) 最簡單的激光眼科治療機(jī)是早期的紅寶石視網(wǎng)膜凝結(jié)機(jī)，其光路如圖4.2，觀察光路與激光光路垂直，激光由雙色分束板反射到患者眼中，反射板對激光產(chǎn)生全反射，而對自然光具有高透。觀察鏡實(shí)際是一個短焦瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，通過鏡筒中的十字叉絲對準(zhǔn)治療部位。激光器輸出光的位置可通過調(diào)整裝置把聚焦光點(diǎn)精確調(diào)到瞄準(zhǔn)鏡十字叉對準(zhǔn)的地方，激光器前面加濾光片和光闌是為了消除雜散光，衰減器是旋轉(zhuǎn)可變衰減器，根據(jù)治療需要調(diào)節(jié)激光能量的大小，由衰減器調(diào)節(jié)激

27、光能量要比直接調(diào)節(jié)激光器工作電壓更精確、可靠，在眼科治療中，激光輸出的穩(wěn)定性和可靠性是非常重要的。用于視網(wǎng)膜焊接的眼科治療機(jī)，激光能量在0.10.5焦左右，聚焦光斑直徑約為0.20.8左右。如果治療青光眼或白內(nèi)障，一般用調(diào)Q 強(qiáng)激光脈沖，對于青光眼是把激光聚焦到眼球后膜上，但要避開視網(wǎng)膜，用強(qiáng)激光造成后膜光學(xué)穿孔，滲出眼球玻璃體減輕眼壓，恢復(fù)眼球調(diào)節(jié)能力，從而恢復(fù)視力。對于白內(nèi)障則需把強(qiáng)激光聚到眼表障層上，用強(qiáng)激光打穿障層，恢復(fù)視覺功能。對于眼科治療機(jī)，激光輸出能量不太高，在技術(shù)上是容易達(dá)到的，關(guān)鍵技術(shù)是精確的瞄準(zhǔn)和定位，而且要求激光有良好的重復(fù)性。 2. 激光手術(shù)刀目前主要有CO 2和YAG

28、 兩種激光手術(shù)刀，對于小手術(shù)也可用氬離子激光器，CO 2激光手術(shù)刀用于外科手術(shù)，而YAG 激光手術(shù)刀除用于外科，還可用于內(nèi)腔治療，CO 2激光是用導(dǎo)光臂把激光束引到切割或治療部位，而YAG 激光多用光纖耦合到治療部位，由于光纖可通過內(nèi)窺鏡引到人體內(nèi)臟器官，所以適合治療各種內(nèi)腔疾病。關(guān)于CO 2激光和YAG 激光及氬離子激光的醫(yī)療特性可見下表： 下面是一種連續(xù)YAG 激光手術(shù)刀的基本光路，如圖4.3 鏡光闌鏡透鏡光刀頭圖4.3 連續(xù)激光手術(shù)刀光路高功率連續(xù)YAG 激光治療機(jī)一般采用平-平腔，輸出鏡透射率T=10%-30%，腔長盡量緊湊，諧振腔內(nèi)的光闌是為了治療時用于腳踏開關(guān)，控制激光是否輸出，短

29、焦距透鏡選取焦距在20mm 左右，它把激光束聚焦成幾十微米的光點(diǎn)，照在光纖的端面上。光纖對準(zhǔn)焦點(diǎn)是通過五維調(diào)整架完成的。用光纖直接輸出即可治病，比如治療表皮血管瘤，通過內(nèi)窺鏡治療直腸、胃、食道息肉、腫瘤等。如果做切割手術(shù)，需要把激光聚焦，光刀頭就是一組光學(xué)透鏡，把激光聚焦到一定距離，一般焦距至少大于5cm ，否則在治療時易污染鏡頭。當(dāng)用CO 2激光器時，只能用導(dǎo)光臂耦合，導(dǎo)光臂實(shí)際是多個反射鏡組成的傳光系統(tǒng)，每次反射為一節(jié)，一般用五節(jié)即可達(dá)到靈活曲向，最多可制成7節(jié)，每個反射節(jié)放置一塊平面全反射鏡，光束以45°角入射。正好使反射光與入射光垂直，當(dāng)反射鏡以入射光為軸旋轉(zhuǎn)時，不影響反射特

30、性。但是卻能使光束在平面上轉(zhuǎn)360°, 用多塊反射鏡便可實(shí)現(xiàn)全方位自由轉(zhuǎn)向。4.4激光計量在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國防建設(shè)中經(jīng)常需要對長度進(jìn)行精密計量，而且需要高精度和高速度。由于激光具有亮度高，相干長度長的特點(diǎn)，在長度精密相干測量中是十分有效的，其測量精度是以往無法達(dá)到的。目前激光測長儀多種多樣，下面僅介紹幾個典型代表。 一. 激光干涉測長儀該儀器通常用He-Ne 激光，激光器取單模穩(wěn)頻激光器，要求頻率穩(wěn)定度達(dá)到±1710-，并用擴(kuò)束鏡將激光束擴(kuò)展到56mm ，成為平行光束，其光路圖如圖4.4。 8 長度顯示器6 接收器 A5 接收器B 10 穩(wěn)頻He Ne 激光器1 半反

31、半透鏡 2 全反鏡7 光楔4 錐棱鏡B 3 錐棱鏡A 9 塊規(guī)11 可移動平臺圖4.4 激光干涉測長儀光路圖裝置中激光是線偏振的，電矢量振動方向垂直或平行入射面，錐體棱鏡反回的光線與入射光線平行，但有一定位移d ，其距離可通過上下平移錐體棱鏡來調(diào)節(jié)，錐體棱鏡三個互相垂直的平面全鍍金屬反射膜，反射光線保持原來的偏振方向。根據(jù)雙光束干涉理論，干涉場可寫成12cos I I I =+ 為兩光束振動方向夾角，為位相差，=2K 。為程差，接受器5和6均接收相干光，每一路都等效于泰曼干涉儀，移動錐體棱鏡3，接受器5和6交替出現(xiàn)明暗光斑。當(dāng)兩光束振動方向平行時，, 0=則有cos 22121A A A A

32、A I I I I I +=(+=cos 22121B B B B B I I I I I （4.4-1）位相差中出現(xiàn)是因?yàn)閮蓚€接收器處于不同光路中，A 、B 兩光路產(chǎn)生附加位相差，調(diào)節(jié)光楔7或改變接收器位置可使=2，對于接收器A2K m = 時為極大值+=212m 時為極小值 每出現(xiàn)一次極大，接收器便記錄一個脈沖，若光錐3移動距離為S ，則22S=。如果出現(xiàn)極大次數(shù)為m ，即測量時共記錄m 個脈沖，則222m S=，2S m=，記錄下m 數(shù)便可知道移動距離S ，也就是被測物體長度，而絕對誤差為2, 1=S m 即。在此方案中采用兩個接收器，是為了記錄長度在02之間變化時的精確值。由干涉公式0

33、2cos 2A A I I S=+ 直流分量02cos 2B B I I S =+ 直流分量（4.4-2）當(dāng)把A I 加到示波器X 偏轉(zhuǎn)上，而B I 加到Y(jié) 偏轉(zhuǎn)上，調(diào)節(jié)2=，00A B I I =，則示波器上兩個輸入信號位相差為2時，相當(dāng)兩個正交余弦信號疊加，其合成信號為圓軌跡。即當(dāng)22S=變化時（實(shí)際是S 變化），在示波器上形成的李沙如圖形為圓，當(dāng)位相差隨S 改變，在示波器上合成的光點(diǎn)將掃出一個圓，光點(diǎn)位置與的關(guān)系如下：y(IB yyy =2/=2= 示波器上光點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一周，對應(yīng)的變化量2=，由22dS=。22dS =，所以實(shí)際長度222L S dS m=+=+ （4.4-3）整數(shù)m 可由顯

34、示器的計數(shù)得到，可在示波器上光點(diǎn)位置（最后停留位置）求出。的測量精度由示波器掃描圓大小和光點(diǎn)尺寸大小決定，也就是說，如何精確測出光點(diǎn)位置是實(shí)際測量精度的技術(shù)關(guān)鍵，在示波器屏幕上加上角度讀盤和用讀數(shù)顯微鏡觀察可使的測量值精確到1度以內(nèi)，因此長度測量精度可達(dá)12360。二. 雙頻激光測長儀雙頻激光測長儀能克服工作點(diǎn)漂移，抗干擾能力強(qiáng)，測量范圍寬，其分辨率可達(dá)0.005。雙頻激光器是通過加柱形磁鐵產(chǎn)生塞曼劈裂制成的，它產(chǎn)生一個左旋圓偏振光和一個右旋圓偏振光。兩個光波的頻率略有差別，其差頻一般為幾兆赫的量級，關(guān)于雙頻激光器的結(jié)構(gòu)與原理可參考“激光技術(shù)”P203（華中理工大學(xué)，蘭信鉅等人編寫）。圖4.5

35、是雙頻激光測長儀光路圖。激光器用雙頻穩(wěn)頻He-Ne 激光器，它產(chǎn)生左旋和右旋圓偏振光，二者差頻控制在2MHz ，通過擴(kuò)束鏡和4波片使兩束圓偏振光變成兩光變成兩個互相垂直的線偏振光。分束鏡將光分為兩路，一路通過偏振片1，該偏振器的透光軸與兩個線偏振光的振動方向均成45º角，因此兩個偏振光均能部分透過，在差頻接收器1中產(chǎn)生差拍，得到2MHz 左右的拍頻信號，并由計數(shù)器1記錄拍頻信號，記錄的實(shí)際是脈沖個數(shù)。設(shè)脈沖個數(shù)為N ，透過分束器的光在偏振分光鏡上使S 波反射到參考鏡上，而P 波射入可動鏡，S 光波和P 光波再反回，振動方向不變，通過偏振片2在接收器2中產(chǎn)生差拍，如果可動鏡是靜止的，則

36、兩路接收信號的差頻是相同的，當(dāng)可動鏡前后運(yùn)動時，由于多普勒效應(yīng)使P 光波產(chǎn)生頻移，產(chǎn)生頻差為2V, 式中V 為棱鏡沿著光線方向的移動速度，逆方向移動V 取正值，順方向移動V 取負(fù)值，計數(shù)器2單位時間內(nèi)記下的脈沖數(shù)比計數(shù)器1記錄的脈沖數(shù)產(chǎn)生差別，其差值應(yīng)為多普勒頻移數(shù)，即2Vm =在1t 至2t 時間內(nèi)，棱鏡移動距離221122t t t t S V dt m dt M=（4.4-4）而21t t M m dt =是時間1t 至2t 時間間隔內(nèi)兩個計數(shù)器記錄脈沖數(shù)的差值。所以記錄到M 值便可知道可動鏡移動的距離了。計數(shù)器只能記錄整數(shù)，小數(shù)部分可用比相方法測定。 圖4.5 雙頻激光測長儀光路我們設(shè)

37、計數(shù)器1記錄的信號為(110cos I I t =+直流成分計數(shù)器2記錄的信號為(2202cos 2t I I t S =+直流成分 是左旋光與右旋光的角頻率之差，(22S t 是干涉儀P 分量與S 分量位相差，當(dāng)1t t =時調(diào)整相差為零或2的整數(shù)倍，如果把信號1I 加到雙線示波器的2通道，則時間2t 時兩個信號在示波器上的波形為下圖： 計數(shù)器 1計數(shù)器 2根據(jù)兩個波形峰值的偏移，可求出位相偏移。 實(shí)際測量長度(2S M =+ （4.4-5）是一個小數(shù)，如果計數(shù)器1的波峰對應(yīng)計數(shù)器2波形的0值，則為1/4左右。 三. 激光測徑儀對于金屬細(xì)絲、光纖、電纜的直徑可用激光進(jìn)行非接觸測量，甚至可進(jìn)行

38、在線測量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控。圖4.6是激光掃描自動測徑儀的光路原理圖。 圖4.6 激光掃描測徑儀光路原理圖光學(xué)轉(zhuǎn)鼓將入射激光掃成扇面，轉(zhuǎn)鼓反射點(diǎn)處于透鏡1的焦點(diǎn)上，其出射光變成上下掃描的平行光，再經(jīng)過透鏡2聚到光電接收器上，光電探測器把光信號轉(zhuǎn)變成一定時間寬度的電訊號。設(shè)轉(zhuǎn)鼓掃描頻率為f ，周期則為1T f=，當(dāng)掃描寬度為L 時，則平行掃描速度LfT L v =。若被測線徑擋光時間為t , 則線徑t v d = （4.4-6）只要測出t 便可求出線徑d ，時間t 記錄是用高頻振蕩器輸入到一個計數(shù)器中完成的。在線徑擋光起始，打開計數(shù)器的門控，讓高頻信號輸入到計數(shù)器，擋光結(jié)束關(guān)閉計數(shù)器，記錄到的脈

39、沖個數(shù)乘以高頻振蕩器的振蕩周期，就是擋光時間t ，通常把計數(shù)器的數(shù)碼直接轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制尺寸顯示。用上述方法可測量0.150mm 直徑，其測量精度可達(dá)1左右。4.5激光通信用激光通信，由于光頻高，通信傳遞信息容量大，抗干擾能力強(qiáng)，具有廣泛發(fā)展前景。我國激光通信早已進(jìn)入適用階段，在一些大城市間已經(jīng)鋪設(shè)幾百萬公里光纜，用半導(dǎo)體激光作光源，除了造價較高外，已解決了光通信的各種技術(shù)。激光通信也可以通過空間傳輸，如同電磁波發(fā)射一樣，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)光通信。傳遞信息需要一定的載波帶寬，比如電話一般需4千赫的帶寬，電視傳輸需4MHz 載波帶寬，為了不互相干擾，不同的電視臺必須占有不同帶寬，因此無線電波同時傳遞信息的發(fā)射

40、臺受載波帶寬的限制，不能無限增多。激光頻帶寬，能同時傳輸信息的載波路數(shù)相當(dāng)多。比如，一個發(fā)射臺的通頻帶為30MHz, 則3000 MHz 的微波只能同時傳輸100路，即最多設(shè)立100個發(fā)射臺，而用1的激光做載波，其帶寬為31410Hz ，同樣用于30 MHz通信的裝備，可達(dá)到107路的傳輸能力。一. 激光通信基本原理不論激光空間通信還是光纖傳輸通信，其原理是相同的，只是傳播方式不同。所有的光通信都包括發(fā)射與接受兩部分。下面是激光通信系統(tǒng)方框原理圖。 圖4.7 激光通信機(jī)原理方框圖激光作為載波可以是連續(xù)的也可以是脈沖的，由不同的通信方法決定?？臻g通信多用YAG 或2CO 激光器，光纖通信一般用半

41、導(dǎo)體激光，調(diào)制器由晶體制成，如3LiNbO ，P KD *，1552O NaNb Ba 等，調(diào)制方式可調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)偏振，把要傳遞的信號加到光載波上，如果信號變化引起光波振幅改變稱為調(diào)幅，如果信號引起位相改變稱為調(diào)相，事實(shí)上，激光振幅和位相穩(wěn)定性較差，而且易受大氣湍流和混沌態(tài)影響，所以應(yīng)用起來受到限制，通常是采用偏振調(diào)制的脈沖編碼數(shù)字法，偏振調(diào)制的方案可采用如下簡單光路。 全反鏡固定偏振器輸出鏡半波電壓偏振耦合器圖4.8 偏振調(diào)制光路圖當(dāng)固定偏振器與偏振耦合器的透光軸平行時，調(diào)制器（比如P KD *晶體）加有2電壓時，光是反射輸出，而不加電壓時是透射輸出。當(dāng)調(diào)制器上所加電壓在0/2V 之

42、間變化時，輸出光強(qiáng)度也隨之變化。 t t當(dāng)我們用傳輸信息，比如語音，去控制調(diào)制器上的電壓，則被調(diào)制的光波便攜帶了語音信息，在接收端通過濾波、解調(diào)和信號放大，便把原來的語言信息復(fù)原。二. 激光脈沖編碼通信機(jī)激光通信最成功的應(yīng)用是激光脈沖編碼通信機(jī)，它是用一個高頻脈沖激光器做發(fā)射源，為了傳遞信息快，激光器的重復(fù)頻率越高越好，為了一路電視傳播要求激光重復(fù)頻率在2 MHz 左右，一般采用連續(xù)激光鎖模放大激光器，重復(fù)頻率可達(dá)500 MHz ，當(dāng)傳遞信息量很少時，用連續(xù)激光聲光調(diào)Q 或電光調(diào)Q 有時也能滿足使用要求。光路原理圖與圖4.7相同，但是此時的調(diào)制器不是改變光強(qiáng)變化，而是控制脈沖以一定的編碼形式輸

43、出，當(dāng)我們把信息以二進(jìn)制加到脈沖列上，輸出一個脈沖表示“1”，脈沖熄滅表示“0”，則編碼率與脈沖頻率相同，調(diào)制程序如下圖。 111111激光發(fā)射脈沖激勵器電壓調(diào)制器上電壓實(shí)際輸出脈沖/2tt tt/2如果再以4個脈沖編碼成數(shù)字、文字或圖形，便可用發(fā)射脈沖的不同編碼傳遞信息了。發(fā)射機(jī)中的調(diào)制器，通常用兩塊正交偏振器中間加一塊調(diào)制晶體而構(gòu)成，晶體多用P KD *或3LiNbO ，晶體上的矩形脈沖電壓峰值總是等于V 2/，當(dāng)晶體加壓時有脈沖輸出。 出加壓輸出如果是空間通信，接收天線實(shí)際是一個較大口徑的望遠(yuǎn)鏡，它的方案可采用伽利略式或卡塞格倫式，接收鏡把光會聚到接收器中，接收器可用光電倍增管或硅雪崩二

44、極管，接收到的編碼脈沖光信號轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)放大還原便得到傳遞信息。在某些接收機(jī)中，有的采用動態(tài)交叉場門控電路，即在探測器上所加電壓是高頻電壓（脈沖形式），其頻率與激光發(fā)射脈沖相同，并與接收時的脈沖同步，即在脈沖到來的瞬間才加上脈沖電壓。這種方案可大大降低干擾和熱噪聲，提高增益，使接收光電元件不產(chǎn)生“疲勞”現(xiàn)象。4.6 激光測距激光測距主要用于軍事偵察、地理測繪、遙測遙控等方面，目前國內(nèi)至少有生產(chǎn)廠家十個以上。 一. 基本原理激光測距實(shí)際是記錄激光脈沖發(fā)射時間與目標(biāo)反回時間間隔，也就是測光波往返時間，該時間差乘以光速便是被測目標(biāo)距離的2倍。測距機(jī)方框原理圖如圖4.9。 圖4.9 激光測距機(jī)方框原

45、理圖測距機(jī)包括三部分：1. 發(fā)射系統(tǒng)激光器、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡、取樣裝置；2. 接收系統(tǒng)接收望遠(yuǎn)鏡、干涉濾光片、光探測器、放大器； 3. 距離顯示系統(tǒng)距離選通電路、門控門電路、計數(shù)器。 下面分別說明三個系統(tǒng) 1. 發(fā)射系統(tǒng)激光器目前多采用YAG 激光器或CO 2激光器，單脈沖發(fā)射或重復(fù)頻率脈沖發(fā)射，激光器必須是調(diào)Q 或鎖模的，因?yàn)槊}寬越窄測距精度越高。調(diào)Q 激光器脈寬在10ns 量級，鎖模激光器根據(jù)鎖模方式不同脈寬也不同，聲光主動鎖模脈寬一般在300500ps 之間，被動鎖模脈寬最窄可達(dá)2030ps ，主、被動鎖模脈寬在200300ps 左右，發(fā)射機(jī)可以是單一級振蕩器，也可以是多級系統(tǒng)，在人衛(wèi)測距系統(tǒng)

46、中激光器多采用兩級放大或三級放大系統(tǒng)。發(fā)射望遠(yuǎn)鏡有伽利略式和卡塞格倫式（即折反式）。單純測距總希望壓縮光束角達(dá)到極限，但是跟蹤測距，光束角不能太小，否則對跟蹤不利。取樣信號是由一個光電接收器完成的，光信號可從發(fā)射機(jī)輸出端耦合一小部分或利用激光器后向微弱輸出，取樣信號是為計數(shù)器提取一個開門信號，打開門控，讓計數(shù)器開始計數(shù)。2. 接收系統(tǒng)當(dāng)用小口徑接收鏡時，一般用伽利略直筒式，如手提便攜式測距機(jī)，人衛(wèi)測距多用卡塞格倫折反式，此時發(fā)射與接收共用一個光學(xué)系統(tǒng)。干涉濾光片的作用是濾除雜光、太陽光、背景光等，中心波長透過率不低于60%，帶寬在2030oA 左右，根據(jù)通帶波形不同可分為矩形干涉濾光片和鐘形濾

47、光片，由于中心波長不一定很準(zhǔn)，通常設(shè)計成角度可調(diào)，調(diào)整范圍一般在5度以內(nèi)。通過調(diào)整干涉濾光片的光入射角可微調(diào)中心透射波長，使其與發(fā)射激光波長嚴(yán)格一致。光電探測器接收回波光信號并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，接收器光譜響應(yīng)與發(fā)射激光波長相匹配，要具有高的靈敏度和低噪聲，目前常用光探測元件有光電倍增管、雪崩管、硅光電二極管等。放大器是脈沖信號放大器，將光探測器的微弱信號放大增強(qiáng)以便能夠觸發(fā)計數(shù)器的門控開門，放大器要有足夠的帶寬，至少需要60MHe 以上，否則放大信號將產(chǎn)生畸變，放大器的放大倍數(shù)由探測器不同而異。光電倍增管通常需200300倍，用硅光電二極管或雪崩管需要1000倍以上，有時需5000倍。3. 距離顯

48、示距離顯示系統(tǒng)核心是計數(shù)器，當(dāng)取樣信號通過門電路，打開計數(shù)器門開關(guān)，使一個固定周期的方波信號輸入到計數(shù)器中開始計數(shù)，即記錄脈沖個數(shù)。當(dāng)回波信號反回時再經(jīng)過門電路把門關(guān)閉，使計數(shù)停止，在此期間記錄的脈沖數(shù)乘以脈沖周期便得到測量光信號的往返時間。即t nT=n 為脈沖數(shù)，T 為脈沖周期。距離1122R C t C nT= （4.6-1）例如，選取每記錄一個脈沖代表一米距離，則112C T =所以周期方波頻率881310/1.510H z=150MH z22C f T=米秒米計數(shù)器有 二進(jìn)制和十進(jìn)制兩種，當(dāng)然十進(jìn)制也是以二進(jìn)制為基礎(chǔ)，二進(jìn)制是以許多雙穩(wěn)態(tài)電路為基礎(chǔ)，例如8位二進(jìn)制計數(shù)器，用亮燈明暗表

49、示數(shù)，其排列是：1 2 4 8 16 32 64計數(shù)數(shù)值 O O O O O O O 亮燈排列總計數(shù)等于所有位的數(shù)字相加。十進(jìn)制則為個、十、百、千、萬進(jìn)位，比如 O O O O O 個位 十位 百位 千位 萬位距離選通是由線路中設(shè)計一種控制門電路的特殊方式，其思想是在開門后不能馬上關(guān)門，需要一段延遲時間后才能關(guān)門，在此時間內(nèi)即或有外部回波信號也不能關(guān)門。選通的目的是排除近距離的干擾信號使計數(shù)器不產(chǎn)生誤記，距離選通有固定選通和選擇選通，固定選通是使開門后延遲時間固定，選擇選通是使延遲能根據(jù)測距遠(yuǎn)近而調(diào)節(jié)。 二. 測距機(jī)光學(xué)天線光學(xué)天線就是發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)。發(fā)射望遠(yuǎn)鏡加發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的目的是

50、準(zhǔn)直激光束，減小發(fā)散角。若激光自然發(fā)射角為1，需要把光束角壓縮到2，則要求發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的放大倍率為12=對于跟蹤測距系統(tǒng)，一般要求22m rad =，而多模激光器發(fā)射角通?？蛇_(dá)68m rad，所以應(yīng)取34倍。設(shè)光束在輸出腔片端面光斑直徑為6，設(shè)計目鏡有效孔徑為10，則物鏡直徑D 應(yīng)取3040范圍。在單一測距系統(tǒng)中，希望2接近衍射極限，即使21.22D=，發(fā)射鏡口徑越大衍射角越小，根據(jù)后面的測距方程可知，發(fā)射光束越小測量距離越遠(yuǎn)。接收望遠(yuǎn)鏡接收望遠(yuǎn)鏡口徑越大接收的光能量就越多，作用距離就越遠(yuǎn)，但是接收鏡的尺寸大將增加重量，提高造價，對便攜式是不行的，因此，必須根據(jù)適用要求而選擇。步兵用測距機(jī)，接收

51、鏡口徑不超過100，而人衛(wèi)測距機(jī)接收鏡口徑一般超過400mm ，接收望遠(yuǎn)鏡要加光闌，限制接收視場，以減小背景噪聲，通常設(shè)計接收視場角略大于發(fā)射視場角。視場限定光闌放在焦點(diǎn)處（目鏡），光闌直徑由d f =決定，f 為物鏡焦距，為接收視場角。下面是幾種典型的發(fā)射光學(xué)天線和接收光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。 典型發(fā)射望遠(yuǎn)鏡： 伽利略直透式 卡塞格倫折反式 物鏡伽利略式 物鏡圖4.10 幾種典型的發(fā)射與接收光路圖三. 激光測距能力理論分析 設(shè)激光器發(fā)射功率為t P ，經(jīng)過發(fā)射天線后的激光發(fā)散角為t ，則經(jīng)過距離R 到達(dá)目標(biāo)處激光光斑直徑為(/22t D tg R=(2/22/2t t tD Rtg R R =

52、 （4.6-2）目標(biāo)處的功率密度222/24t t t t D W PT PT R = （4.6-3） 式中T 為距離R 內(nèi)大氣透射率，設(shè)目標(biāo)為漫反射體，反射率為s K ，目標(biāo)有效面積為s A ，（若s A 大于照射光斑則以光斑面積為有效面積）激光在目標(biāo)反射后光能量在2空間內(nèi)均勻分布。由上面設(shè)定，目標(biāo)反射總功率0t s s W W A K =（4.6-4）當(dāng)反射光波再回到接收天線，其功率密度20/2s W W T R=2/2t s s W A K T R=222/24tts s PT R A K T R = 22422t s stP T A K R =（4.6-5）設(shè)接收天線物鏡有效孔徑為r

53、A ，接收系統(tǒng)與發(fā)射系統(tǒng)總的光學(xué)傳遞效率為k，這里的k 等于發(fā)射望遠(yuǎn)鏡透射率，接收鏡透射率及干涉濾光片透射率的乘積，如果k 達(dá)到0.6也就很不容易了。因此，接收器實(shí)際接收到的功率22422t s r sr s r tP T A A K K P W A K R =（4.6-6）接收到的功率必須大于探測器靈敏度，因此最小可探測功率決定測距機(jī)測距能力。而最小可探測功率是由探測器靈敏度和總的噪聲決定的，當(dāng)r P 接近最小可探測功率時，測距機(jī)作用距離24222t s r sr tP T A A K K R P =（4.6-7）式中：t P 激光發(fā)射功率 s A 目標(biāo)面積rP 最小可探測功率 r A 接收

54、天線面積T 大氣透射率 s K 目標(biāo)反射率 t 激光發(fā)射角 K 光學(xué)總效率由上式可以從理論上算出測距能力，同時也可以看出各參數(shù)對測距能力的貢獻(xiàn)。由公式可見，當(dāng)激光輸出功率提高10倍，測距能力僅提高1.74倍，而光束角壓縮10倍，測距能力可提高3倍多。如果目標(biāo)尺寸大于激光在目標(biāo)處的光斑，比如山頭、樹林等，則目標(biāo)有效面積即為照射光斑面積，224tA s R =代入測距公式中22r2P t r sP T A K K R =（4.6-8）此時測距能力顯著提高。 四. 合作目標(biāo)測距對衛(wèi)星、測月或靶場跟蹤導(dǎo)彈都采用合作目標(biāo)測距，合作目標(biāo)是頂角全為90°的四面體，它可以把射入的光線反射到原發(fā)射地點(diǎn)

55、，也就是合作目標(biāo)是定向反射，它極大地提高回波功率，因此測距能力有數(shù)量級的提高。設(shè)合作目標(biāo)有效面積為A 。，反射率為K r ，反射光束角為r ，則合作目標(biāo)反射總功率00t rW W A K = （4.6-9）到達(dá)接收天線處，回波光斑直徑r r D R = （4.6-10）光斑面積224r rS R =（4.6-11）接收天線處功率密度Ws = W0T / 4 R 2 2t （4.6-12） 若接收天線面積仍為 Ar ，光學(xué)總傳遞效率仍為 K ，則 Pr = Ws Ar K = W0TAr K / 4 R 2 r 2 = Wt A0 K rTAr K / 4 R 2 r 2 = PT / R 2 r 2 i A0 K