電氣測試技術(shù)（第5版）課件：激光式傳感器

28December2024

激光式傳感器3.11.1激光發(fā)射原理3.11.2常用激光器及其原理3.11.3激光的特點(diǎn)3.11.4激光傳感器的應(yīng)用及實(shí)例28December20243.11.1激光發(fā)射原理由物理學(xué)可知，正常分布下的原子，多處于低能級，除非受外界作用，原子將長期保持這一穩(wěn)定狀態(tài)。若在外界光子作用下，原子吸收光子的能量，只要吸收的能量足夠大，原子就從低能級躍遷到高能級，這一過程稱為激發(fā)，見圖3-122a。激發(fā)過程應(yīng)滿足：處于高能級的原子，在外界光子的誘發(fā)下，會從高能級躍遷到低能級，釋放能量而發(fā)射與外界誘發(fā)的光子性質(zhì)完全相同的光子，簡單地說，入射一個光子放大為兩個光子，這一過程稱為光子的受激輻射，見圖3-122b。圖3-122激發(fā)與受激輻射a）受激過程

b）受激輻射過程28December2024產(chǎn)生激光的條件為了形成受激輻射，必須設(shè)法使某一高能級原子數(shù)多于低能級的原子數(shù)。原子數(shù)的這種分布稱為粒子的反轉(zhuǎn)分布。能形成粒子反轉(zhuǎn)分布的工作介質(zhì)稱為增益介質(zhì)。光通過增益介質(zhì)，由于受激輻射的光子數(shù)多于吸收而損失的光子數(shù)而使光子數(shù)不斷增加，強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，這一過程稱為光放大。產(chǎn)生激光必須滿足下列四個條件：1．外界光子能形成受激輻射光源；2．受激光在增益介質(zhì)中多次重復(fù)放大；3．受激光的光能密度不斷增加；4．受激光沿某一方向傳播。28December20243.11.2常用激光器及其原理紅寶石激光器及其原理

紅寶石激光器的工作原理見圖3-163。在橢圓形聚光器4內(nèi)密封紅寶石棒2和脈沖氙燈3。紅寶石棒的基質(zhì)為Al2O3。摻入重量比約0.05%的鉻離子Cr3+，作為增益介質(zhì)，以形成受激輻射。圖3-123紅寶石激光器的原理a）結(jié)構(gòu)圖

b）能級圖1－全反射鏡

2－紅寶石棒

3－脈沖氙燈

4－聚光器

5－部分反射鏡28December2024氦氖激光器及其原理由于氦氖激光器具有穩(wěn)定性好，單色性強(qiáng)，功率小和壽命長等突出的優(yōu)點(diǎn)，因此是應(yīng)用最廣泛的一種激光器。氦氖激光器由放電管V和反射鏡M1、M2組成光學(xué)諧振腔，見圖3-124a。圖3-124氦氖激光器的原理a）結(jié)構(gòu)圖

b）能級圖28December2024半導(dǎo)體激光器及其原理半導(dǎo)體激光器的典型產(chǎn)品是以砷化鎵（GaAs）為增益介質(zhì)的激光器，其結(jié)構(gòu)見圖3-125。圖3-125砷化鎵半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)28December20243.11.3激光的特點(diǎn)激光器發(fā)出的光具有許多普通光不可比擬的特點(diǎn)。1.高方向性2.高亮度3.高單色性4.高相干性

激光是目前最亮的光源，而且其單色性最純，會聚角最小，光束最準(zhǔn)直，射得最遠(yuǎn)和相干性最好。28December20243.11.4激光傳感器的應(yīng)用及實(shí)例激光傳感器可用于測量物體的幾何尺寸、振動、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)角、方向、探傷及成分分析等。由于具有精度高、量程范圍寬、反應(yīng)迅速、非接觸、抗干擾能力強(qiáng)和易于數(shù)字化等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用極為廣泛。利用激光的高方向性制成的車速測量儀，是公路車輛速度監(jiān)測常用的儀器，其工作原理見圖3-126。該儀器有兩套完全相同的光學(xué)系統(tǒng)，見圖3-126a。光學(xué)系統(tǒng)的作用是把激光束經(jīng)發(fā)射透鏡、光柵和接收透鏡后，準(zhǔn)確地投射在光敏元件上。28Dec