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(xué)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(yīng)用；重點(diǎn)內(nèi)容：激光傳感器的工作原理難點(diǎn)內(nèi)容：激光產(chǎn)生的原理教學(xué)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?yán)走_(dá)測速雷達(dá)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(yīng)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(yīng)快、非接觸等特點(diǎn)。 激光怎么產(chǎn)生、有什么特點(diǎn)、如何進(jìn)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(dāng)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(dāng)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(jī)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(dāng)吸收過程占優(yōu)勢時,光強(qiáng)減弱；當(dāng)受激輻射占優(yōu)勢時，光強(qiáng)增強(qiáng)。 3、粒子數(shù)分布 當(dāng)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(qiáng)的放大率。

4、 設(shè)光在增益介質(zhì)z處的光強(qiáng)為I(z)，經(jīng)dz距離后光強(qiáng)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(qiáng)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(xué)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(xué)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(dāng)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(qiáng)為I0，在增益介質(zhì)中傳播L距離到達(dá)B鏡面，光強(qiáng)為G為增益系數(shù)。經(jīng)B鏡反射后，光強(qiáng)減小為 ，此光強(qiáng)的光又經(jīng)過L距離返回到A鏡，光強(qiáng)變?yōu)?，經(jīng)A鏡反射后光強(qiáng)變?yōu)?。這樣經(jīng)過一個來回，光線能繼續(xù)增強(qiáng)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(yīng)，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(qiáng)的損耗率，則在傳播過程中光強(qiáng)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(dāng)增益一旦超過損耗時，光強(qiáng)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(fù)，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(xué)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(dāng)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(yùn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)上的光波的相干性?？臻g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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(xué)科相結(jié)合形成多個應(yīng)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(xué)，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(xué)，超快激光學(xué)，激光化學(xué)，量子光學(xué)，激光雷達(dá)，激光制導(dǎo)，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。激光的應(yīng)用主要包括 ： 激光加工系統(tǒng)

12、:包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加 工機(jī)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(biāo)、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(jī)、電氣機(jī)殼、電子機(jī)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(yīng)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(yīng)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(jī)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(jìn)程中，激光技術(shù)與其他技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)合有以下方面：激光化學(xué)：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(yù)期的反應(yīng)。 激光醫(yī)療：激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用分為兩大類：激光診斷與激光治療。當(dāng)前激光醫(yī)學(xué)的出色應(yīng)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??；準(zhǔn)分子激光角膜成形術(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(yīng)用；激光在口腔、頜面外科及牙科方面的應(yīng)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(yīng)用的起點(diǎn)，將其應(yīng)用到火炮系統(tǒng)，大大提高了火炮射擊精度。激光雷達(dá)相比于無線電雷達(dá)，激光制導(dǎo)導(dǎo)彈，以及模擬戰(zhàn)場上使用的激光武器技術(shù)運(yùn)用。激光武器的優(yōu)點(diǎn)；無需進(jìn)行彈道計算；無后坐力；操作簡便，機(jī)動靈活，使用范圍廣；無放射性污染，效費(fèi)比高。 六、激光傳感器的應(yīng)用1、激光測距基本原理如圖所示，測距機(jī)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(dá)目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)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(biāo)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(dá)原理，激光雷達(dá)還可測量目標(biāo)的方向、速度、加速度。 問題：說明用激光雷達(dá)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(xué)）3、激光測長度 （自學(xué)） 半導(dǎo)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(yùn)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(dǎo)體材料的能級是能帶。 能帶分為價帶、導(dǎo)帶和禁帶（帶隙）。下圖導(dǎo)帶：自由電子能帶，沒有自由電子時導(dǎo)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(dǎo)電的。禁帶：導(dǎo)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(dǎo)帶，此時在價帶上留下空穴位置。半導(dǎo)體的禁帶比絕緣體小，導(dǎo)帶上有少量電子；導(dǎo)體無禁帶 二、半導(dǎo)體中的能帶結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體光源的核心是PN結(jié)，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體相接觸就能形成PN結(jié)。 在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。若摻入的雜質(zhì)能給導(dǎo)帶提供電子，稱N型半導(dǎo)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(dǎo)體，如摻入的雜質(zhì)是鍺等。 當(dāng)P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)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(kuò)散，導(dǎo)致P區(qū)失去空穴而留下帶負(fù)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(kuò)散方向相反，起阻擋擴(kuò)散的作用，稱為勢壘。 在P區(qū)接電源正極，N區(qū)接負(fù)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(dǎo)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(dǎo)體激光二極管(LD) 半導(dǎo)體激光二極管，簡稱半導(dǎo)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?fù)诫s，當(dāng)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(dāng)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(yīng)增益增大。 2 光學(xué)諧振腔：半導(dǎo)體的光學(xué)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(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)與光學(xué)諧振腔如下圖。3 激光器的光學(xué)電學(xué)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