激光傳感器特性以及工作原理

1、激光傳感器特性以及工作原理 教學目的與要求：理解激光產(chǎn)生的原理，掌 握激光和激光器的特性，了解激光傳感 器的工作原理與應用；重點內(nèi)容：激光傳感器的工作原理難點內(nèi)容：激光產(chǎn)生的原理教學方法：講授法超市收銀臺用激光掃描器檢測商品的條形碼激光掃描器發(fā)出激光并被條形碼反射 汽車雷達測速雷達測速頭 激光技術(shù)已在生產(chǎn)過程控制、國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生等許多方面被廣泛應用，如激光精密加工、激光通信、激光武器、激光檢測等。 激光檢測可測量長度、速度、振動等，具有測量精度高、范圍大、響應快、非接觸等特點。 激光怎么產(chǎn)生、有什么特點、如何進行測量？一、激光產(chǎn)生的基本概念 1、光的發(fā)射與光的吸收 光的發(fā)射：當原子從高能級

2、向低能級躍遷時，兩能級之差部分以光子形式發(fā)射出去的現(xiàn)象；光的吸收：當原子從低能級向高能級躍遷時，將吸收兩能級之差部分的光子能量的現(xiàn)象；光的發(fā)射和吸收規(guī)律：兩能級之差決定發(fā)射和吸收光子的頻率2、光發(fā)射的三種躍遷過程1) 自發(fā)輻射：處在高能級的原子以一定的幾率自發(fā)的向低 能級躍遷，同時發(fā)出一個光子的過程，(a)圖；2 )受激輻射過程：滿足兩能級之差的外來光子的激勵下，處在高能級的原子以一定的幾率自發(fā)向低能級躍遷，同時發(fā)出另一個與外來光子頻率相同的光子，(b)圖； 自發(fā)輻射過程是隨機的，發(fā)出一串串光波的相位、傳播方向、偏振態(tài)都彼此無關(guān)，輻射的光波為非相干光； 受激輻射的光波，其頻率、相位、偏振狀態(tài)、

3、傳播方向均與外來的光波相同，輻射的光波是相干光。3)受激吸收過程：在滿足兩能級之差的外來光子的激勵下，處在低能級的原子向高能級躍遷，c)圖 受激輻射與受激吸收過程同時存在：實際物質(zhì)原子數(shù)很多，處在各個能級上的原子都有，在滿足兩能級能量之差的外來光子激勵時，兩能級間的受激輻射和受激吸收過程同時存在。當吸收過程占優(yōu)勢時,光強減弱；當受激輻射占優(yōu)勢時，光強增強。 3、粒子數(shù)分布 當一束光通過具有能級E1和E2（假定E2E1)的介質(zhì)時：1) 正常分布：高能級E2上原子數(shù)N2少于低能級E1上原子數(shù)N1 ， N2/ N11激活介質(zhì)或增益介質(zhì)：能引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)。增益系數(shù)G ：單位長度光強的放大率。

4、 設(shè)光在增益介質(zhì)z處的光強為I(z)，經(jīng)dz距離后光強改變dI，則介質(zhì)的增益系數(shù)為 dI=GIdz，積分得： I0為z=0處的光強二、激光的工作原理 產(chǎn)生激光的條件：諧振腔、增益介質(zhì)、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)1、光學諧振腔 作用：對入射光的頻率、方向選擇，產(chǎn)生極好的 方向性和單色性、高亮度的激光束。 結(jié)構(gòu)：由兩個反射鏡和增益介質(zhì)組成，這兩個反 射鏡可以是凸面鏡、凹面鏡或平面鏡,下圖 穩(wěn)定腔：近軸光線在諧振腔內(nèi)部多次來回反射 時，光線離軸的高度不會無限增大，稱此 腔為穩(wěn)定腔。 穩(wěn)定條件：兩鏡的距離（稱腔長）為L，曲率半徑為R1、R2，光學諧振腔的穩(wěn)定條件為 不滿足上條件的腔稱非穩(wěn)定腔。非穩(wěn)定腔 光線逸出的多，

5、又稱高損耗諧振腔。 R1=R2的穩(wěn)定腔稱對稱腔。2、激光產(chǎn)生的閾值條件 光在諧振腔中的工作物質(zhì)里傳播時，會存在各種損耗，只有當光在腔內(nèi)來回一次所得到的增益大于或等于各種損耗之和時，才可能形成激光輸出。 如圖，設(shè)AB反射鏡的反射系數(shù)為r1、r2，在A鏡面處光強為I0，在增益介質(zhì)中傳播L距離到達B鏡面，光強為G為增益系數(shù)。經(jīng)B鏡反射后，光強減小為 ，此光強的光又經(jīng)過L距離返回到A鏡，光強變?yōu)?，經(jīng)A鏡反射后光強變?yōu)?。這樣經(jīng)過一個來回，光線能繼續(xù)增強傳播必須滿足 ，稱 為形成激光必須滿足的閾值條件 r1ABr2L3、激光的損耗 激光的損耗包括兩方面：在工作物質(zhì)內(nèi)部的損耗和在反射面上的損耗。 在物質(zhì)

6、內(nèi)部的損耗包括：1）介質(zhì)的不均勻性造成光線的折射或散射，使得光線偏離軸線方向飛出腔外.氣體激光器中這類損耗較小，固體激光器中這類損耗較大2）介質(zhì)中存在某些能級差正好與激光頻率對應，引起光能吸收。 在諧振腔兩鏡面上的損耗主要包括：光線從鏡透出去和兩鏡面對光的吸收。 令總損耗系數(shù)為 ，等于單位距離內(nèi)光強的損耗率，則在傳播過程中光強的變化為： 考慮損耗時，閾值條件改寫為 激光的工作原理：在介質(zhì)中存在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的情況下，當增益一旦超過損耗時，光強將以指數(shù)形式增加，隨著光在兩反射面之間的來回反射，放大過程不斷重復，就可得到激光。這束光的一部分由激光諧振腔的前端鏡射出。 產(chǎn)生激光必須具備下列條件： 穩(wěn)定的

7、光學諧振腔； 光在諧振腔內(nèi)傳播滿足閾值條件 ； 外部能量泵浦使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 問題1 光在介質(zhì)中的放大一直持續(xù)下去？ 問題2 怎樣實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？ 問題3 一個激光器只發(fā)射出一個波長的激光？ 答1 不會。因為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度隨高低能級粒子數(shù)的比值而減小，每經(jīng)過一次受激躍遷，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度都要降低，當增益不再超過損耗時，放大就停止。 答2 用外界光子去激發(fā)處在低能級的原子，使原子處在高能級上，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。這種用來激發(fā)低能級原子向高能級躍遷的作用稱泵浦。E1E2。泵浦/抽運激光躍遷三、激光的特性 激光與普通光源發(fā)射的光相比，具有方向性好，相干性好，亮度高，單色性好的特性。 1）方向性好：普通

8、點光源發(fā)射光為4 立體角，面光源發(fā)射光的立體角為2 ，而激光發(fā)射光的立體為角 。 2）高亮度：由于激光發(fā)射的立體角很小，所以它的亮度高，比普通光源亮20個數(shù)量級。 3 ）單色性好：激光的譜線寬度可小于而單色性最好的普通光源的譜線寬度在 以上。 4）相干性好 時間相干性：來自光源同一點不同時刻發(fā)出的光擾動之間的關(guān)聯(lián)程度。相干時間越長 ，相干性越好，相干圖象越明顯。時間相干性取決于光的單色性，相干時間等于光譜寬度的倒數(shù)。 空間相干性：同一時刻，兩不同位置點上的光波的相干性。空間相干性取決于光的方向性，相干長度與光束的發(fā)散角成反比。 激光的相干長度 在100m以上，比普通光源的大1000倍，相干時間

9、比普通光源的至少大10000倍。四、激光器的種類與結(jié)構(gòu) 種類：按工作物質(zhì)（增益介質(zhì)）分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器。 固體激光器：以絕緣晶體或玻璃為工作物質(zhì)。少量的過渡金屬離子或稀土離子摻入晶體或玻璃，經(jīng)光泵激勵后產(chǎn)生受激輻射作用。主要有紅寶石激光器、鈦寶石激光器； 氣體激光器：如He-Ne激光器、氬離子激光器、CO2激光器、N2分子激光器等； 液體激光器：采用液體作為激光器的工作物質(zhì)。 半導體激光器：見后 三種激光器的典型結(jié)構(gòu) 1、固體激光器 以紅寶石激光器為例， 結(jié)構(gòu)右圖。在工作物質(zhì)紅寶石(Al203)中摻入少量鉻離子，紅寶石棒一端磨平并鍍銀成為全反射面，另一端面半鍍

10、銀成為能透射的部分反射面。螺旋形閃光氙燈作為激勵光源(泵浦源)，上下反射器起聚光作用。激活離子鉻離子替代晶體中部分Al離子位置，氙燈發(fā)出激勵光時，被處于基態(tài)的鉻離子吸收躍遷到高能級，向低能級躍遷發(fā)射光子經(jīng)紅寶石放大產(chǎn)生激光。受激發(fā)射的光波長單一？如何實現(xiàn)單色出射光？2、氣體激光器 以氦氖激光器為例。工作物質(zhì)為8:1混合氣體密封在放電管A內(nèi)，激勵源是3kV以上的直流電源經(jīng)C、C接入采用反射峰在 的反射面，可抑制其他波長光波的諧振 ，得到單色出射激光。 其中 由什么決定？反射面如何實現(xiàn)反射峰在 處？ 3、染料激光器平面光柵的作用：改變光柵的傾斜角度，用來調(diào)節(jié)光柵衍射角，使某一波長的光能在諧振腔縱軸

11、方向產(chǎn)生衍射極大而形成光振蕩，出射單一波長的激光。 若連續(xù)改變光柵的傾斜角，可實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的激光輸出。 總之，受激發(fā)射產(chǎn)生的光子含有不同波長成分，可采用反射面的確定反射峰或光柵衍射極大來實現(xiàn)單一波長的激光輸出。 五、激光的應用綜述 世界上第一臺激光器誕生于1960年，我國于1961年研制出第一臺激光器。激光技術(shù)已與多個學科相結(jié)合形成多個應用技術(shù)領(lǐng)域，比如光電技術(shù)，激光醫(yī)療與光子生物學，激光加工技術(shù)，激光檢測與計量技術(shù)，激光全息技術(shù)，激光光譜分析技術(shù)，非線性光學，超快激光學，激光化學，量子光學，激光雷達，激光制導，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。激光的應用主要包括 ： 激光加工系統(tǒng)

12、:包括激光器、導光系統(tǒng)、加 工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)。激光加工工藝包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。激光焊接：汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。激光切割：汽車行業(yè)、計算機、電氣機殼、電子機件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。 激光打孔：激光打孔主要應用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的

13、生產(chǎn)中。在未來推動光電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的進程中，激光技術(shù)與其他技術(shù)應用領(lǐng)域的結(jié)合有以下方面：激光化學：激光攜帶著高度集中而均勻的能量，可精確地打在分子的鍵上，改變兩激光束的相位差，則控制了該分子的斷裂過程。也可利用改變激光脈沖波形的方法，十分精確和有效地把能量打在分子身上， 觸發(fā)某種預期的反應。 激光醫(yī)療：激光在醫(yī)學上的應用分為兩大類：激光診斷與激光治療。當前激光醫(yī)學的出色應用研究主要表現(xiàn)在以下方面：光動力療法治癌；激光治療心血管疾?。粶史肿蛹す饨悄こ尚涡g(shù)；激光治療前列腺良性增生；激光美容術(shù)；激光纖維內(nèi)窺鏡手術(shù)；激光腹腔鏡手術(shù)；激光胸腔鏡手術(shù)；激光關(guān)節(jié)鏡手術(shù)；激光碎石術(shù)；激光外科手術(shù)；激光在吻合術(shù)

14、上的應用；激光在口腔、頜面外科及牙科方面的應用；弱激光療法等。 新型激光武器研究：激光測距儀是激光在軍事上應用的起點，將其應用到火炮系統(tǒng)，大大提高了火炮射擊精度。激光雷達相比于無線電雷達，激光制導導彈，以及模擬戰(zhàn)場上使用的激光武器技術(shù)運用。激光武器的優(yōu)點；無需進行彈道計算；無后坐力；操作簡便，機動靈活，使用范圍廣；無放射性污染，效費比高。 六、激光傳感器的應用1、激光測距基本原理如圖所示，測距機由激光發(fā)射系統(tǒng)和探測系統(tǒng)組成（如圖中虛線框所示）。激光器發(fā)射激光束，穿過大氣到達目標，經(jīng)目標反射后返回，并由探測器接收。測出從激光發(fā)射到反射光被接收所經(jīng)歷的時間t， 即可求出目標的距離D： D=tc/2

15、， c為激光傳播速度 激光測距是激光雷達原理，激光雷達還可測量目標的方向、速度、加速度。 問題：說明用激光雷達測量在高速公路上行使汽車的速度、方向和加速度的原理，需要測量哪些參數(shù)，如何測量？2、激光測流速 （自學）3、激光測長度 （自學） 半導體激光器 一、能級的基本概念 能級：電子在原子的各層軌道上運動，在每個軌道上都具有一定的能量，稱能級。固體和氣體介質(zhì)的能級是分立的。 能帶：原子很多時，所有電子能級分裂，形成一組密集的、有一定寬度的帶狀結(jié)構(gòu)，稱能級帶，簡稱能帶。半導體材料的能級是能帶。 能帶分為價帶、導帶和禁帶（帶隙）。下圖導帶：自由電子能帶，沒有自由電子時導帶是空的價帶：共價鍵束縛電子

16、所占據(jù)的能帶。價帶被電子填滿，是不導電的。禁帶：導帶與價帶之間的能帶，又稱帶隙，電子不存在的區(qū)域。價電子獲得足夠的能量就成為自由電子，從價帶躍遷到導帶，此時在價帶上留下空穴位置。半導體的禁帶比絕緣體小，導帶上有少量電子；導體無禁帶 二、半導體中的能帶結(jié)構(gòu) 半導體光源的核心是PN結(jié)，將P型半導體和N型半導體相接觸就能形成PN結(jié)。 在本征半導體中摻入微量雜質(zhì)可使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。若摻入的雜質(zhì)能給導帶提供電子，稱N型半導體，如摻入的雜質(zhì)是錫、碲等；若摻入的雜質(zhì)能給價帶提供空穴，稱P型半導體，如摻入的雜質(zhì)是鍺等。 當P型半導體與N型半導體結(jié)合后，在它們之間出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差，電子和空

17、穴都要從高濃度的地方向低濃度的地方擴散，導致P區(qū)失去空穴而留下帶負電的離子，N區(qū)失去電子而留下帶正電的離子。由于物質(zhì)不能移動，在接觸面附近就形成一個很薄的空間電荷區(qū)，稱P-N結(jié)。P-N結(jié)內(nèi)電場由N指向P，內(nèi)電場的方向與多數(shù)載流子擴散方向相反，起阻擋擴散的作用，稱為勢壘。 在P區(qū)接電源正極，N區(qū)接負極，外加電場與內(nèi)電場反向，外電場使N區(qū)電子向P區(qū)移動，即電子從低能級向高能級移動（勢壘就是帶隙），實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。P區(qū)可看作導帶區(qū)，N區(qū)可看作價帶區(qū)。 P-N結(jié)又稱有源層。 PN-+P-N結(jié)四、半導體激光二極管(LD) 半導體激光二極管，簡稱半導體激光器，是通過受激輻射發(fā)光的一種閾值器件，適合用作

18、高速、大容量、長距離光纖通信系統(tǒng)的光源。1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光增益：在LD中通過向N、P層中重摻雜，當增益區(qū)載流子濃度超過一定值時，載流子的能量超過PN結(jié)正向偏置下的帶隙，就實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當受激輻射速率超過受激吸收速率時，就產(chǎn)生了增益。增益區(qū)載流子的增加是通過注入電流（泵浦載流子）實現(xiàn)的。增益區(qū)載流子濃度增高對應增益增大。 2 光學諧振腔：半導體的光學諧振腔的兩端的解理面起反射鏡作用，反射率R由增益介質(zhì)的折射率n決定，R=(n-1)/(n+1)2,這種諧振腔稱為F-P腔。 半導體激光器的基本結(jié)構(gòu)與光學諧振腔如下圖。3 激光器的光學電學特性參數(shù) P-I曲線：LD的發(fā)射光功率P與注入電流I的關(guān)系曲線。開始發(fā)射受激輻射時的電流Ith稱閾值電流。典型的P-I曲線如下圖。 光輸出功率（P0或Pf）：在閾值以