传感器结构原理与设计

激光器的优点：单色性好、方向性好和亮度高。 种类：激光器种类繁多，按工作物质分类
• 固体激光器（如红宝石激光器） • 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） • 半导体激光器（如砷化镓激光器） • 液体激光器。
1、固体激光器
固体激光器的典型实例就是红宝石激光器，它是人类发明 的第一种激光器，诞生于1960年。红宝石激光器的工作介 质是掺0.5%铬的氧化铝（即红宝石），激光器采用强光灯 作泵浦，红宝石吸收其中的蓝光和绿光，形成粒子数反转， 受激发出深红色的激光（波长约694nm）；
3、半导体激光器
半导体激光器除了具有一般激光器的特点外，还具有体积 小、能量高的特点，特别是它对供电电源的要求极其简单， 使之在很多科技领域得到了广泛应用。
光源分类：热辐射光源、气体放电光源、激光器和电致发光 器件等。
光谱（附加知识点） 光波：波长为10—106nm的电磁波 可见光：波长380—780nm 紫外线：波长10—380nm， 波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线，
红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
种类：氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及 二氧化碳激光器、准分子激光器。它们的波长覆盖了从紫 外到远红外的频谱区域。
（1）氦-氖激光器是实验室常见的激光器，具有连续输出激 光的能力。它能够输出从红外的3.3μm到可见光等一系列 谱线，其中632.8nm谱线在光电传感器中应用最广，该谱 线的相干性和方向性都很好，输出功率通常小于1mW，可 以满足很多光电传感器的要求。
2、气体激光器
特点：
➢ 气体介质的密度低得多，因而单位体积能够实现的离 子反转数目也低得多，为了弥补气体密度低的不足， 气体激光器的体积一般都比较大。
➢ 气体介质均匀，激光稳定性好，另外气体可在腔内循 环，有利于散热，这是固体激光器所不具备的。
➢ 由于气体吸收线宽比较窄，气体激光器一般不宜采用 光泵作激励，更多的是采用电作激励。
➢ 如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就 形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能 粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率 相同的光子（受激发射）；
➢ 由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因 此上述现象称为光的受激辐射放大。
➢ 具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。
光谱分布如图所示。
0.01
波长/μm
0.05 0.1
0.5 1
极远紫外
远 近 可见光 近红外 紫紫 外外
5 10 远红外
一、热辐射光源
定义：热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原 理的光源称为热辐射光源。
实例：白炽灯、卤钨灯 ；
白炽灯特点：白炽灯为可见光源，但它的能量只有15%左 右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约1－ 1.5μm，因此可用作近红外光源。
特例：若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高效 率的氙灯，它的光谱与日光非常接近。目前氙灯又可以分 为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。
三、电致发光器件－发光二极管
定义：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电 致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现 象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体 激光器和电致发光屏等。
② 光电器件将光信号转换为电信号； ③ 电信号经后续电路解调分离出被测信息，实现测量。
特点：频谱宽、不受电磁干扰影响、非接触测量、体积小、 重量轻、造价低等。
辐射源
光学通路
光电器件
输出
被测量
被测量
图7－1 光电式传感器原理图
第一节 光源
光电式传感器对光源的选择要考虑的因素：波长、谱分布、 相干性、体积、造价、功率等。
发光二极管的发光原理：在N型半导体上扩散或者外延生 长一层P型半导体，PN结两边掺杂浓度呈递减分布。当PN 结接正向电压时，N区电子向P区运动，与P区空穴结合时 发出一定频率的光，光子频率取决于PN结ຫໍສະໝຸດ Baidu价带和导带之
间的能隙，改变能隙大小可以改变二极管的发光频谱。
四、激光器
激光产生的过程：
➢ 某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如 特定频率的辐射），从低能级跃迁到高能级上（受激 吸收）；
二、气体放电光源
定义：电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成 的光源称为气体放电光源。
特点：气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及 放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电 电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。
实例：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中 常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为 254nm，钠灯的辐射波长约为589nm，它们经常用作光电检 测仪器的单色光源。
（2）氩离子、氪离子激光器功率比氦氖激光器大，氩离子 发出可见的蓝光和绿光，比较典型的谱线有488nm和 514.5nm等,氪离子发出的是红光（647.1－752.5nm）。
（3）二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的输出 波长为10.6μm。
（4）氮气分子激光器输出波长为337nm，在脉冲工作方式下 功率可达到兆瓦量级，脉冲宽度可达到纳秒量级。能够工 作在紫外的还有一些准分子激光器，目前能够提供从 353nm到193nm的激光输出。
传感器结构原理与设计
机械工程学院仪器系 李云雷
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第七章 光电式传感器
工作原理：被测量光信号电信号（借助光电器件）； 基本组成（见下图）：辐射源、光学通路、光电器件； 工作过程：
① 被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将被测信息调 整到光波上，可改变光波的强度、相位、空间分布和频 谱分布；
Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）是另一种常见的固体 激光器，与红宝石激光器相比，对光泵的要求较低，可见 光甚至近红外都可以作其光泵，这种激光器发出的波长为 1.06μm的红外光。
固体激光器通常工作在脉冲状态下，功率大，在光谱吸收 测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红 宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。