激光原理與測距技術(shù)詳解

本文介紹了激光原理及激光測距技術(shù)。

一、什么是激光？

激光LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)，全稱為“受激輻射光放大"；讀起來很繞口，也不好理解，我們先來看下面這張圖：

處于高能級的原子自發(fā)地向較低能級躍遷，并發(fā)射一個光子，這種過程稱為自發(fā)輻射。 通俗的可以理解為:一個球在地面是它最合適的位置，當(dāng)這個球被外力推到半空中（稱為泵浦），在外力消失的瞬間，球從高空掉落下來，并釋放一定能量。如果這個球是特定的原子，那么這個原子在躍遷的過程中就會釋放一個特定波長的光子。 二、激光器的誕生 1960年，美國休斯研究實驗室梅曼制成了第一臺紅寶石激光器，發(fā)出了694.3nm的紅色激光，成為世界上公認(rèn)的第一臺激光器。 梅曼這臺激光器發(fā)射的激光波長為694.3nm，是可見光范圍內(nèi)的波長，因此可以看到這束激光呈現(xiàn)紅色。 在人們后續(xù)的研發(fā)過程中，人們又發(fā)明了不同波長的激光器，目前最常見的激光波長為1064nm，波長在可見光范圍以外，因此人眼不可見。

第一臺激光器看上去感覺很Low，但正是這臺激光器的發(fā)明，奠定了后面激光廣泛被使用的基礎(chǔ)。

三、激光器的分類

人們掌握了激光產(chǎn)生的原理后，開始研發(fā)不同形態(tài)的激光器，如果按照激光工作物質(zhì)來分類的話，可分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器等… 1、氣體激光器分類有：原子、分子、離子； 氣體激光器的工作物質(zhì)是氣體或金屬蒸汽，特點是激光輸出波長范圍寬。最常見的為CO2激光器，其中CO2作為工作物質(zhì)，通過放電激發(fā)產(chǎn)生10.6um的紅外激光。

由于氣體激光器工作物質(zhì)為氣體，激光器整體構(gòu)造太大，并且氣體激光器輸出的波長太長，材料加工性能并不好。因此氣體激光器很快就被市場淘汰了，只有在某些特定的領(lǐng)域，如某些塑料件的激光標(biāo)記上使用。

2、固體激光器分類：紅寶石、Nd:YAG等；

固體激光器的工作物質(zhì)有紅寶石、釹玻璃、釔鋁石榴石（YAG）等，是在作為基質(zhì)的材料的晶體或玻璃中均勻的摻入少量離子，稱為激活離子。 固體激光器是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。 下圖中中間的黑色方塊是激光晶體，外觀看上去是一塊淺色透明的玻璃，它的組成是在一塊透明晶體中摻雜稀土金屬。正是稀土金屬原子結(jié)構(gòu)的特殊性，在受到光源照射時形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（簡單理解很多地面上的球被推到空中），然后當(dāng)粒子躍遷發(fā)射光子，當(dāng)光子數(shù)量足夠多時，形成激光。 為了保證發(fā)射的激光朝一個方向輸出，于是有了全反射鏡（左邊的鏡片），和半反射輸出鏡（右邊鏡片）。當(dāng)激光輸出后再經(jīng)一定的光學(xué)設(shè)計，形成激光能量。

下圖是一張典型的YAG光纖傳導(dǎo)激光設(shè)備，圖中灰色為激光晶體棒，里面摻雜Nd離子，通過紅色氙燈進行照射，形成激光，激光經(jīng)耦合進光纖傳輸后，達到加工件表面。

由于照射激光的氙燈存在一定的損耗量，如同家里的日光燈用一段時間后會損壞，于是人們對日光燈照射的激光器進行改進。 如果將日光燈改進成半導(dǎo)體，通過半導(dǎo)體內(nèi)部電子躍遷發(fā)射光子，則激光器的壽命會延長很多。 人們從兩方面對YAG固體激光器進行改進，一方面將激發(fā)激光的氙燈（耗材）改進為半導(dǎo)體（光電二極管），一方面將激光晶體棒改進為直接在光纖中摻雜稀土離子。 這樣，一個龐大的固體激光器就被整合成一個小型的激光發(fā)生器。整合后，人們將這種激光器稱為光纖激光器。

說到半導(dǎo)體激光器，可簡單理解為一個光電二極管，二極管中有PN結(jié)，當(dāng)加入一定的電流后，形成半導(dǎo)體中電子躍遷釋放光子，于是產(chǎn)生激光。

當(dāng)半導(dǎo)體釋放的激光能量較小時，可以將小功率半導(dǎo)體器件作為光纖激光器的泵浦源（激發(fā)源），于是就形成了光纖激光器。 如果將半導(dǎo)體激光器的功率進一步提高，提高到可以直接輸出來加工材料，則成為直接半導(dǎo)體激光器。 目前市面上直接半導(dǎo)體激光器已達到萬瓦級別。

工業(yè)上的激光應(yīng)用主要有激光切割、激光標(biāo)記、激光焊接。

激光工作原理是，將輸出的激光通過聚焦鏡聚焦后作用于工件表面，激光的高溫將工件融化或者揮發(fā)。 工件表面融化后則可實現(xiàn)激光焊接。

激光焊接的作用過程如圖：

除了上述幾種激光器外，人們還發(fā)明了液體激光器，也稱燃料激光器。液體激光器體積和工作物質(zhì)相比固體更復(fù)雜，很少被使用。

四、激光測距儀的原理

激光測距的原理——距離等于速度乘以時間。 光速是確定的，而光的傳播時間可以通過檢測裝置檢測到，則可以計算出待測物體的距離。

示意圖如下：

如果將激光測距儀直接做成手持設(shè)備，就是下面這樣。其中一個窗口為激光發(fā)射裝置，另外一個窗口為激光接收裝置。 通過發(fā)射和接收的時間計算出待測物體的距離。

人們通過手持式激光測距儀進行狩獵，物體發(fā)射激光的情形如下：

對激光測距儀的精度影響較大的是激光發(fā)散因子。什么是發(fā)散因子？比如一個人拿著手電筒、另一個人拿著激光筆。激光筆的照射距離比手電筒大，因為手電筒光線更發(fā)散，衡量光線的發(fā)散程度的稱為發(fā)散因子。 激光理論上為平行光，但當(dāng)作用距離較遠(yuǎn)時，存在光線的發(fā)散。如果壓縮光線的發(fā)散角，控制激光的發(fā)散程度是提高激光測距儀精度的方式。 下圖是在不同距離時照射到動物上的激光光束。

五、激光測距儀發(fā)展方向

目前激光測距儀向著體積更小、精度更高、測量距離更遠(yuǎn)的方向發(fā)展，其中市面上主流激光測距儀廠家有基恩士和徠卡。

中國企業(yè)也在激光測距領(lǐng)域努力發(fā)展！

總結(jié)

被稱為”最快的刀”和”最準(zhǔn)的尺”的激光將應(yīng)用在人們生活的方方面面中。

審核編輯：黃飛