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光學工程
激光傳感器的原理及其應用

激光傳感器是利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表,它的優點是能實現無接觸遠距離測量,速度快,精度高,量程大,抗光、電干擾能力強等。

光和激光器激光是20世紀60年代出現的最重大的科學技術成就之一。它發展迅速已廣泛應用于國防、生產、醫學和非電測量等各方面。激光與普通光不同,需要用激光器產生。激光器的工作物質,在正常狀態下,多數原子處于穩定的低能級E1,在適當頻率的外界光線的作用下,處于低能級的原子吸收光子能量受激發而躍遷到高能級E2。光子能量E=E2-E1=hv,式中h為普朗克常數,v為光子頻率。反之,在頻率為v的光的誘發下,處于能級E2的原子會躍遷到低能級釋放能量而發光,稱為受激輻射。激光器首先使工作物質的原子反常地多數處于高能級(即粒子數反轉分布),就能使受激輻射過程占優勢,從而使頻率為v的誘發光得到增強,并可通過平行的反射鏡形成雪崩式的放大作用而產生強大的受激輻射光,簡稱激光。

激光具有3個重要特性:

①高方向性(即高定向性,光速發散角小),激光束在幾公里外的擴展范圍不過幾厘米;

②高單色性,激光的頻率寬度比普通光小10倍以上;

③高亮度,利用激光束會聚最高可產生達幾百萬度的溫度。

激光器按工作物質可分為4種:

①固體激光器:它的工作物質是固體。常用的有紅寶石激光器、摻釹的釔鋁石榴石激光器(即YAG激光器)和釹玻璃激光器等。它們的結構大致相同,特點是小而堅固、功率高,釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件,已達到數十兆瓦。

②氣體激光器:它的工作物質為氣體。現已有各種氣體原子、離子、金屬蒸氣、氣體分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器,其形狀如普通放電管,特點是輸出穩定,單色性好,壽命長,但功率較小,轉換效率較低。

③液體激光器:它又可分為螯合物激光器、無機液體激光器和有機染料激光器,其中最重要的是有機染料激光器,它的最大特點是波長連續可調。

④半導體激光器:它是較年輕的一種激光器,其中較成熟的是砷化鎵激光器。特點是效率高、體積小、重量輕、結構簡單,適宜于在飛機、軍艦、坦克上以及步兵隨身攜帶。可制成測距儀和瞄準器。但輸出功率較小、定向性較差、受環境溫度影響較大。

激光傳感器應用

利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點可實現無接觸遠距離測量。激光傳感器常用于長度、距離、振動、速度、方位等物理量的測量,還可用于探傷和大氣污染物的監測等。

激光測長:精密測量長度是精密機械制造工業和光學加工工業的關鍵技術之一。現代長度計量多是利用光波的干涉現象來進行的,其精度主要取決于光的單色性的好壞。激光是最理想的光源,它比以往最好的單色光源(氪-86燈)還純10萬倍。因此激光測長的量程大、精度高。由光學原理可知單色光的最大可測長度L與波長λ和譜線寬度δ之間的關系是L=λ/δ。用氪-86燈可測最大長度為38.5厘米,對于較長物體就需分段測量而使精度降低。若用氦氖氣體激光器,則最大可測幾十公里。一般測量數米之內的長度,其精度可達0.1微米。

激光測距:它的原理與無線電雷達相同,將激光對準目標發射出去后,測量它的往返時間,再乘以光速即得到往返距離。由于激光具有高方向性、高單色性和高功率等優點,這些對于測遠距離、判定目標方位、提高接收系統的信噪比、保證測量精度等都是很關鍵的,因此激光測距儀日益受到重視。在激光測距儀基礎上發展起來的激光雷達不僅能測距,而且還可以測目標方位、運運速度和加速度等,已成功地用于人造衛星的測距和跟蹤,例如采用紅寶石激光器的激光雷達,測距范圍為500~2000公里,誤差僅幾米。目前常采用紅寶石激光器、釹玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化鎵激光器作為激光測距儀的光源。

激光測振:它基于多普勒原理測量物體的振動速度。多普勒原理是指:若波源或接收波的觀察者相對于傳播波的媒質而運動,那么觀察者所測到的頻率不僅取決于波源發出的振動頻率而且還取決于波源或觀察者的運動速度的大小和方向。所測頻率與波源的頻率之差稱為多普勒頻移。在振動方向與方向一致時多普頻移fd=v/λ,式中v為振動速度、λ為波長。在激光多普勒振動速度測量儀中,由于光往返的原因,fd=2v/λ。這種測振儀在測量時由光學部分將物體的振動轉換為相應的多普勒頻移,并由光檢測器將此頻移轉換為電信號,再由電路部分作適當處理后送往多普勒信號處理器將多普勒頻移信號變換為與振動速度相對應的電信號,最后記錄于磁帶。這種測振儀采用波長為6328埃(┱)的氦氖激光器,用聲光調制器進行光頻調制,用石英晶體振蕩器加功率放大電路作為聲光調制器的驅動源,用光電倍增管進行光電檢測,用頻率跟蹤器來處理多普勒信號。它的優點是使用方便,不需要固定參考系,不影響物體本身的振動,測量頻率范圍寬、精度高、動態范圍大。缺點是測量過程受其他雜散光的影響較大。

激光測速:它也是基多普勒原理的一種激光測速方法,用得較多的是激光多普勒流速計(見激光流量計),它可以測量風洞氣流速度、火箭燃料流速、飛行器噴射氣流流速、大氣風速和化學反應中粒子的大小及匯聚速度等。

 


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