激光式传感器

1、4.11 激光式传感器,简介,激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴技术，激光技术发展速度是十分惊人的，目前在生产和科研等许多方面都已有很多应用。它的出现，不但使现代光学应用技术出现了一个飞越，同时也促进了物理学和其他相关科学的发展。 激光式传感器(Laser sensor)包括激光发生器、激光接收器及其相应的有关电路。在这里，简单介绍一下激光的产生、激光的特点以及激光器在检测方面的应用,目录,4.11.1 激光发射原理 4.11.2 常用激光器及其原理 4.11.3 激光的特点 4.11.4 激光传感器的应用及实例,4.11.1 激光发射原理,由物理学可知，正常分布下的原子，多处于低

2、能级 ，除非受外界作用，原子将长期保持这一稳定状态。若在外界光子作用下，原子吸收光子的能量为 ，只要吸收的能量足够大，原子就从低能级 跃迁到高能级 ，这一过程称为激发，见图4-122a。激发过程应满足： 式中，E为光子能量。 处于高能级 的原子，在外界光子的诱发下，会从高能级 跃迁到低能级 ，释放能量而发射与外界诱发的光子性质完全相同的光子，简单地说，入射一个光子放大为两个光子，这一过程称为光子的受激辐射，见图4-122b,图4-122 激发与受激辐射 a）受激过程 b）受激辐射过程,4.11.1 激光发射原理,产生激光的条件,为了形成受激辐射，必须设法使某一高能级原子数多于低能级的原子数。原

3、子数的这种分布称为粒子的反转分布。能形成粒子反转分布的工作介质称为增益介质。 光通过增益介质，由于受激辐射的光子数多于吸收而损失的光子数而使光子数不断增加，强度不断增强，这一过程称为光放大。 产生激光必须满足下列四个条件： 外界光子能形成受激辐射光源； 受激光在增益介质中多次重复放大； 受激光的光能密度不断增加； 受激光沿某一方向传播,4.11.2 常用激光器及其原理,红宝石激光器及其原理 红宝石激光器的工作原理见图4-123。在椭圆形聚光器4内密封红宝石棒2和脉冲氙灯3。红宝石棒的基质为Al2O3 。掺入重量比约0.05%的铬离子Cr3+，作为增益介质，以形成受激辐射,图4-123 红宝石激

4、光器的原理 a）结构图 b）能级图 1全反射镜 2红宝石棒 3脉冲氙灯 4聚光器 5部分反射镜,限流电阻,储能电容,激光的产生过程,红宝石激光器包括类似相机闪光灯的疝气管、红宝石棒和两面反射镜（其中一面为半反射镜面）。红宝石棒是激光介质，脉冲疝气管是泵激源,1. 未发射状态的激光器,2. 闪光管闪光并将光线射入红宝石棒。光线激发红宝石内的原子,3. 其中的部分原子释放出光子(受激辐射,4. 部分光子沿红宝石轴的平行方向运动，因而在两块反光镜之间来回反弹。它们经过红宝石晶体时，还会继续激发其他原子,5. 单色、单相柱状光线通过半反射镜射出红宝石棒，形成激光,氦氖激光器及其原理,由于氦氖激光器具有

5、稳定性好，单色性强，功率小和寿命长等突出的优点，因此是应用最广泛的一种激光器。 氦氖激光器由放电管V和反射镜M1、M2组成光学谐振腔，见图4-124a,图4-124 氦氖激光器的原理 a）结构图 b）能级图,3.39m,1.15m,0.6238m,半导体激光器及其原理,半导体激光器的典型产品是以砷化镓（GaAs）为增益介质的激光器，其结构见图4-125。它利用相同材料的 P型和N型半导体构成 PN结。当两电极施加 适当高的正向电压时 ，靠PN结正向注入电 流来激发增益介质， 通常称这种“注入 方式”为泵激方式。 直接利用垂直于GaAs 半导体PN结的两个端 面为谐振腔(110面)， 因而受激发

6、的光子得到放大，而发射激光,图4-125 砷化镓半导体激光器的结构,4.11.3 激光的特点,激光器发出的光具有许多普通光不可比拟的特点，如： 1.高方向性：高平行度，光束的发散角小。 2.高亮度：光束发散角小、光能在空间高度集中的缘故。 3.高单色性：谱线宽度很窄的一段光波。 4.高相干性：相干性是指相干波在迭加区得到稳定的干涉条纹所表现的性质，而激光式最好的相干光源。 综上：激光是目前最亮的光源，而且其单色性最纯，会聚角最小，光束最准直，射得最远和相干性最好,4.11.4激光传感器的应用及实例,激光传感器可用于测量物体的几何尺寸、振动、位移、速度、加速度、转角、方向、探伤及成分分析等。由于具有精度高、量程范围宽、反应迅速、非接触、抗干扰能力强和易于数字化等一系列优点，因此应用极为广泛。 利用激光的高方向性制成的车速测量仪，是公路车辆速度监测常用的仪器，其工作原理见图4-126。该仪器有两套完全相同的光