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什么是激光测距仪?

作者:zhenbing 发布时间:2022-04-08 11:11:09点击:225

什么是激光测距仪?

激光LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),全称为“受激辐射光放大";

处于高能级的原子自发的向较低能级跃迁,并发射一个光子,这种过程称为自发辐射。通俗的可以理解为:一个球在地面是它最合适的位置,当这个球被外力推到半空中(称为泵浦),在外力消失的瞬间,球从高空掉落下来,并释放一定能量。如果这个球是特定的原子,那么这个原子在跃迁的过程中就会释放一个光子。1960年,美国休斯研究实验室梅曼制成了第一台红宝石激光器,发出了694.3nm的红色激光,成为世界上公认的第一台激光器。

梅曼这台激光器发射的激光波长为694.3nm,是可见光范围内的波长,因此可以看到这束激光呈现红色。在人们后续的研发过程中,人们又发明了不同波长的激光器,目前最常见的激光波长为1064nm,波长在可见光范围以外,因此人眼不可见。

二、激光器的分类

人们掌握了激光产生的原理后,开始研发不同形态的激光器,如果按照激光工作物质来分类的话,可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器等…

1、气体激光器分类有:原子、分子、离子;气体激光器的工作物质是气体或金属蒸汽,特点是激光输出波长范围宽。最常见的为CO2激光器,其中CO2作为工作物质,通过放电激发产生10.6um的红外激光。

由于气体激光器工作物质为气体,激光器整体构造太大,并且气体激光器输出的波长太长,材料加工性能并不好。因此气体激光器很快就被市场淘汰了,只有在某些特定的领域,如某些塑料件的激光标记上使用。

2、固体激光器分类:红宝石、Nd:YAG等;

固体激光器的工作物质有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石(YAG)等,是在作为基质的材料的晶体或玻璃中均匀的掺入少量离子,称为激活离子。固体激光器是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。下图中中间的黑色方块是激光晶体,外观看上去是一块浅色透明的玻璃,它的组成是在一块透明晶体中掺杂稀土金属。正是稀土金属原子结构的特殊性,在受到光源照射时形成粒子数反转(简单理解很多地面上的球被推到空中),然后当粒子跃迁发射光子,当光子数量足够多时,形成激光。为了保证发射的激光朝一个方向输出,于是有了全反射镜(左边的镜片),和半反射输出镜(右边镜片)。当激光输出后在经一定的光学设计,形成激光能量。

由于照射激光的氙灯存在一定的损耗量,如同家里的日光灯用一段时间后会损坏,于是人们对日光灯照射的激光器进行改进。如果将日光灯改进成半导体,通过半导体内部电子跃迁发射光子,则激光器的寿命会延长很多。人们从两方面对YAG固体激光器进行改进,一方面将激发激光的氙灯(耗材)改进为半导体(光电二极管),一方面将激光晶体棒改进为直接在光纤中掺杂稀土离子。这样,一个庞大的固体激光器就被整合成一个小型的激光发生器。整合后,人们将这种激光器称为光纤激光器。

说到半导体激光器,可简单理解为一个光电二极管,二极管中有PN结,当加入一定的电流后,形成半导体中电子跃迁释放光子,于是产生激光。

当半导体释放的激光能量较小时,可以将小功率半导体器件作为光纤激光器的泵浦源(激发源),于是就形成了光纤激光器。

如果将半导体激光器的功率进一步提高,提高到可以直接输出来加工材料,则成为直接半导体激光器。目前市面上直接半导体激光器已达到万瓦级别。

工业上的激光应用主要有激光切割、激光标记、激光焊接。

激光工作原理是,将输出的激光通过聚焦镜聚焦后作用于工件表面,激光的高温将工件融化或者挥发。

工件表面融化后则可实现激光焊接。

除了上述几种激光器外,人们还发明了液体激光器,也称燃料激光器。液体激光器体积和工作物质相比固体更复杂,很少被使用。

三、激光测距仪的原理

除了工业上使用激光进行材料加工外,其他领域,比如航空航天、军事等领域也在不断开发激光的应用。其中航空和军事上所使用的激光在不断增加,该领域激光应用主要为激光测距。激光测距的原理——距离等于速度乘以时间。光速是确定的,而光的传播时间可以通过检测装置检测到,则可以计算出待测物体的距离。

如果将激光测距仪直接做成手持设备,就是下面这样。其中一个窗口为激光发射装置,另外一个窗口为激光接收装置。通过发射和接收的时间计算出待测物体的距离。

对激光测距仪的精度影响较大的是激光发散因子。什么是发散因子?比如一个人拿着手电筒、另一个人拿着激光笔。激光笔的照射距离比手电筒大,因为手电筒光线更发散,衡量光线的发散程度的称为发散因子。激光理论上为平行光,但当作用距离较远时,存在光线的发散。如果压缩光线的发散角,控制激光的发散程度是提高激光测距仪精度的方式。下图是在不同距离时照射到动物上的激光光束。


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