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简介
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激光传感技术 目录 1. 激光 2. 激光传感器 3. 激光器 3.1.固体激光器 3.2.气体激光器 3.3.液体激光器 3.4.半导体激光器 3.5.自由电子激光器 4. 激光传感器主要的应用 1.激光 激光在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。 1.激光 红外线是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，其波长 在750纳米至1毫米之间，是波长比红光长的非可见光。 1.激光 两者性质不同： 1.激光 激光可见吗？ 红外线可见吗？ 激光都是红色的吗？ 2.激光传感器 激光传感器：利用激光技术进行测量的传感器。 由激光器、激光检测器和测量电路组成（如图一）。 3.激光器 3.激光器 工作物质：激光器的核心，是由激活粒子（都为金属） 和基质两部分组成。 聚光系统：一个是将泵浦源与工作物质有效的耦合；另 一个是决定激光物质上泵浦光密度的分布， 从而影响到输出光束的均匀性、发散度和光学畸变。 泵浦系统：泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级 间的粒子数翻转。（使粒子产生跃迁） 光学谐振腔：光学谐振腔除了提供光学正反馈维持激光持续振荡以形成受激发射，还对振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光的高单色性和高定向性。 冷却与滤光系统：冷却与滤光系统是激光器必不可少的辅助装置。 激光器的分类 激光器的按工作物质分5类 固体激光器 工作物质：固体 气体激光器 工作物质：气体 激光器 液体激光器 工作物质：液体 半导体激光器 工作物质：半导体 自由电子激光器 工作物质：高速运动自由电子束 3.1.固体激光器 固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃 作为固体激光器基质材料。 3.1.固体激光器 激光传感器 3.激光器 掺饵YAG固体激光器 玻璃或晶体基质材料中的稀土离子特有四能级 激光系统. 3.激光器 铒激光器就效率和输出能量而言，并不吸引人。 但是，由于具有两种令人感兴趣的波长，故而引人注意。 研究表明YAG等晶体如果掺入高浓度的铒，就可以 输出2.9um左右波长的激光。掺铒的磷酸盐玻璃可以 输出1.54um波长的激光（用于军事）。这两种波长的 激光都能被水吸收因此输出波长为2.9um的激光器可以 用于医疗， 对人将不会造成伤害。 3.1.固体激光器 固体激光器的优缺点 特点：小而坚固、功率高 应用：测距、跟踪、 打孔、大气检测等。 不足：玻璃激光工作物质荧光谱线较宽，热性能较差， 不适于高平均功率下工作。晶体激光工作物质获得优质 大尺寸材料的晶体生长技术复杂。 发展趋势：材料和器件的多样化，增大输出功率，改善 光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工作寿命等。 3.2.气体激光器 气体激光器：这是一类以气体为工作物质的激光器。 此处所说的气体可以是纯气体，也可以是混合 气体；可以是原子气体激光器子气体，也可以是 分子气体；还可以是离子气体、金属蒸气等。 多数采用高压放电方式泵浦。最常见的有氦-氖 激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦-镉 激光器和铜蒸气激光器。 3.2.气体激光器 气体激光器利用气体或蒸气作为工作物质产生激光的 器件。它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔 和激励源等三个主要部分组成（图1）。主要激励方式有电 激励、气动激励、光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。 3.2.气体激光器 气体激光器分类 3.2.气体激光器 原子气体激光器 包括各种惰性气体激光器和各种金属蒸气激光器，如氦氖 激光器和铜蒸气激光器。其中氦氖激光器是气体激光器最 早研究成功的，并且仍在普遍使用。 工作物质：氦的氖 特点：氦氖激光器输出的激光功率只有几毫瓦到100毫瓦， 效率约为0.1%。但是，氦氖激光器具有单色性好、方向性 强、使用简便、结构紧凑坚固等。 应用：精密测量、准直和测距。 优点：平均功率高、重复率高等。 3.2.气体激光器 离子气体激光器 在惰性气体和金属蒸气的离子的电子态能级之间建立粒子数 反转，其激光波长大多在紫外和可见光区域。 工作物质：氩离子、氪离子、和氦镉。 特点：输出激光功率较大。应用最多的是氩离子激光器。它可以产生多条波长的激光。连续输出激光功率为几百毫瓦至几百瓦， 效率很低，约为0.1%。 应用：应用于光谱学、光泵染料激光器、激光化学和医学等。 3.2.气体激光器 分子气体激光器 工作物质是中性分子气体的气体激光器。 工作物质：氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等 特点：波长范围很广，效率高，可以获得很高激光功率，连续 输出功率高达万瓦，脉冲器件输出可达万焦耳每脉冲级。 应用：用于加工和处理（如焊接、切割和热处理）、光通信、 测距、同位素分离和高温等离子体研究等方面。其中波导二氧 化碳激光器是一种结构紧凑、增益高和可调谐的激光器，特别 适用于激光通信和高分辨光谱学。 3.2.气体激光器 准分子激光器 利用准分子的束缚高能态和排斥性或弱束缚的基态之间的 受激发射的激光器。 工作物质：惰性气体准分子和惰性气体卤化物准分子。 特点：由于基态寿命极短，可实现高效率和高平均功率。 激光发射波长主要在紫外和真空紫外区域，输出能量已达 百焦耳量级。 应用：用于光泵染料激光器、同位素分离和激光化学。 3.3.液体激光器 液体激光器 液体激光器也称染料激光器，因为这类激光器的激活物质 是某些有机染料溶解在乙醇、甲醇或水等液体中形成的溶液。 为了激发它们发射出激光，一般采用高速闪光灯作激光源， 或者由其他激光器发出很短的光脉冲。 3.3.液体激光器 有机化合物液体（染料） 无机化合物液体 染料激光器是液体激光器的典型代表。常用的有机染料 有四类：吐吨类染料、香豆素类激光染料、花菁类染料。 特点：液体激光器的波长覆盖范围为紫外到红外波段，激 光波长连续可调是染料激光器最重要的输出特性。器件特 点是结构简单、价格低廉。染料溶液的稳定性比较差。 液体激光应用 2. 医疗： 肿瘤治疗；眼科手术：视网膜焊接、近视 治疗；美容；外科手术等。 3. 科研： 全息成像、非线性光学等需要高相干性、 大功率光源的项目；可控核聚变；光镊、 冷冻原子。 3.4. 半导体激光器 半导体激光器：半导体激光器是用半导体材料作为工 作物质的激光器。 3.4. 半导体激光器 半导体激光测距技术不断完善，激光测距在 防撞领域中的应用越来越广泛。表一为上述 测距方式的特点比较，激光测距具有相对 明显优势。 3.4. 半导体激光器 半导体激光器 用半导体材料作为工作物质的激光器。 优点：半导体激光器具有发光颜色种类多，体积小，重量轻，效率高，寿命长，结构简单，应用最广。 应用：激光雷达、大气窗口、自由空间通信、大气监视和化学、光谱学光盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用。 缺点：半导体激光器最大的缺点是激光性能受温度影响大， 光束发射角较大，所以方向性、单色性和相干性等方 面较差。 3.5.自由电子激光器 自由电子激光器 一种利用自由电子的受激辐射，把相对论电子束的能量转换 成相干辐射的激光器件。 3.5.自由电子激光器 工作原理：利用通过周期性摆动磁场的高速电子束和光辐 射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光 辐射而使其辐射强度增大。 特点： 自由电子激光器在短波长、大功率、高效率和波长 可调节这四大主攻方向上，为激光学科的研究开辟 了一条新途径。 应用: 它可望用于对凝聚态物理学、材料特征、激光武器、 激光反导弹、雷达、激光聚变、等离子体诊断、表面 特性、非线性以及瞬态现象的研究，在通讯、激光推 进器、光谱学、激光分子化学、光化学、同位素分离、 遥感等领域。 4.激光传感器的应用 测长 激光传感器 主要的应用 测距 双频激光干涉仪 理论推导： 双纵模双频激光精密测距仪 理论推导： 激光传感器 汽车防装探测器 车流量监控及车轮廓描述 激光测车速 激光测距与船只安全 激光测距与石油化工 激光传感器与铁道交通 谷歌第二代无人车：配备激光传感器 激光传感器的应用（工程应用） 完结…... 谢谢~
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