激光探测器(传感器)

2、激光测流速
激光测速应用得最多的是激光多普勒流速计，它可以测量火 箭燃料的流速，飞行器喷射气流的速度，风洞气流速度以及化学 反应中粒子的大小及会聚速度等。
基于多普勒原理的激光多普勒流速计如图6.52所示。所谓多 普勒原理就是光源或者接收光的观察者相对于传播流体的介质而 运动，则观察者所测得的流速不仅取决于光源，而且还取决于光 源或观察者的运动速度的大小和方向。当激光照射到跟流体一起 运动的微粒上时，激光被运动着的微粒所散射，根据多普勒效应， 散射光的频率相对于入射光将产生正比于流体速度的偏移。若能 测量散射光的偏移量，那么就能得到流体的速度。
传感检测技术基础
激光探测器(传感器)
自1960年激光问世以来，虽然历史不长，但发展速度很快， 激光技术已经成为近代最重要的科学技术之一，并已广泛用于工 业、国防、医学等非电量测量的各方面。
1.1 激光特性
பைடு நூலகம்1．激光产生的机理
原子在正常分布状态下，总是稳定地处于低能级E1，如无外
界作用，原于将长期保持这种稳定状态。一旦原子受到外界光子
图6.52 激光多普勒流速计原理图
3、激光测长
激光测长是光学测长的近代发展。由于激光是理想的光源，
使激光测长能达到非常精密的程度。实际测量中，在数米长度内，
其测量精度可在0.1μm内。从光学原理可知，某单色光的最大可
测长度L与该单色光源波长及某光谱宽度关系为：
2
L
（6-18）
用普通单色光源，如氪-86(=6057A)，光谱宽度=0.0047A，
测量的最大长度仅为L＝38.5cm。若要测量超过38.5cm的长度，
必须分段测量，这样将降低了测量精度。苦用氦氖激光器作光源 (=6328A)，由于它的谱线宽度比氪小4个数量级以上，它的最大
可测量长达几十公里。
传感检测技术基础
目标，再测量经目标反射到激光器的往返一次所需的时间间隔t， 然后，按下式求出激光探测器到目标的距离D：
D＝ ct/2
(6-17)
式中c为激光传播速度(3×108m／s)， t为激光往返回目标与激光
接收器所需的时间。
时间间隔t可利用精密时间间隔测量仪测量。由于激光方向性
强，功率大，单色性好，这些对于测量远距离、判别目标方位、
作这个用过，程赋称予为原光子的一受定激能吸量收E后。,光原受子激就后从，低其能吸级收E能1跃量迁为到：高能级E2，
E＝hv＝E2－E1 式中： E1、E2——光子的能量；
v——光的频率；
（6-16）
h——普朗克常数(6.626×10-34J·s)。
在外来光的激发下，如果受激辐射大于受激吸收，原子在某 高能级的数目就多于低能级的数目，相对于原子正常分布状态来 说，称之为粒子数反转。当激光器内工作物质中的原子处于反转 分布，这时受激辐射占优势，光在这种工作物质中传播时，会变 得愈来愈强，通常把这种处于粒子数反转分布状态的物质称为增 益介质。
（4）半导体激光器
半导体激光器是继固体和气体激光器之后发展起来的一种效 率高、体积小、重量轻、结构简单、输出功率小的激光器，其中 有代表性的是砷化镓激光器。
1.3 激光探测器的应用
1、激光测距
激光测距是激光测量中一个很重要的应用，如飞机测量其前
方目标的距离，激光潜艇定位等。激光测距首先将测量激光射向
（2）液体激光器
液体是它的工作物质，液体激光器最大特点是它发出的激光 波长可在一波段内连续可调，连续工作，而不降低效率。液体激 光器可分为有机液体染料激光器、无机液体激光器和螯合物激光 器等，较为重要的是有机染料激光器。
（3）气体激光器
工作物质是气体，其特点是小巧，能连续工作，单色性好， 但是输出功率不及固体激光器。目前，已开发了各种气体原子、 离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有CO2激光器、氦氖 激光器和CO激光器等。
增益介质通过外界提供能量激励，使原子从低能级跃迁到高 能级，形成粒子数反转分布，外界能量就是激光器的激励能源。
当工作物质实现了粒子数反转分布后，只要满足式(6-16)条 件的光就可使增益介质受激辐射。为了使受激辐射的光强度足够 大，通常还设计一个光学谐振腔。光学谐振腔由两个平行对置的 反射镜构成，一个为全反射镜，另一个为半反射镜，其间放有工 作物质。当原子发出来的光沿谐振腔轴向传播时，光子碰到反射 镜后，就被反射折回，在两反射镜间往返运行．不断碰撞工作物 质，使工作物质受激辐射，产生雪崩放大，从而形成了强大的受 激辐射光，该辐射光称为激光，激光由半反半透镜输出。
2、激光的特性
激光与普通光相比，具有如下的特点：
（1）方向性强
激光具有高平行度，发散角小，一般约为0.18度，比普通光 和微波小2-3个数量级。立体角一般可小至10-3rad，激光光束在 几公里之外扩展范围不到几厘米。能量高度集中，一般比同能量 的普通光源高几百万倍。
（2）单色性好
激光的频率宽度很窄、比普通光频率宽度的1／10还小，因 此、激光是最好的单色光。
提高接收系统的信噪比和保证测量的精确性等起着很重要的作用。
激光测距的精度主要取决于时间间隔测量的精度和激光的散射。
例 如 ， D＝1500km， 激 光 往 返 一 次 所 需 要 的 时 间 间 隔 为 10ms±1ns，±1ns为测时误差。若忽略激光散射，则测距误差为 ±15cm；若测时精度为±1ns，则测距误差可达±1.5cm。若采 用无线电波测量，其误差比激光测距误差大得多。
（3）相干性好
由于激光的传播方向、振动态、频率、相位完全一致，激 光的时间相干性和空间相干性都很好。所谓相干性好就是指两束 光在相遇区域内发出的波形叠加，并能形成较清晰的干涉图样或 能接收到稳定的拍频信号。
1.2 激光器原理与特性
1. 激光器结构原理 激光器是一种新型发光器件，与常见光源相比，有方向性强、单色性
好、相干性好、亮度高等突出优点。产生激光要具备三个条件，三者结合 在一起的装置称为激光器：形成粒子数反转分布的工作物质(增益介质)、 激励能量(光源)和光学谐振腔。
2.激光器的种类
到目前为止，激光器按增益介质可分为：
（1）固体激光器
其增益介质为固态物质，其种类很多，但结构大致相同，体 积小而坚固，功率大，输出功率可达几十兆瓦，常用的固体激光 器有红宝石激光器和钕玻璃激光器等。