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4 11激光式传感器 4 11 1激光发射原理4 11 2常用激光器及其原理4 11 3激光的特点4 11 4激光传感器的应用及实例 4 11 1激光发射原理 由物理学可知 正常分布下的原子 多处于低能级 除非受外界作用 原子将长期保持这一稳定状态 若在外界光子作用下 原子吸收光子的能量 只要吸收的能量足够大 原子就从低能级跃迁到高能级 这一过程称为激发 见图4 122a 激发过程应满足 处于高能级的原子 在外界光子的诱发下 会从高能级跃迁到低能级 释放能量而发射与外界诱发的光子性质完全相同的光子 简单地说 入射一个光子放大为两个光子 这一过程称为光子的受激辐射 见图4 122b 图4 122激发与受激辐射a 受激过程b 受激辐射过程 产生激光的条件 为了形成受激辐射 必须设法使某一高能级原子数多于低能级的原子数 原子数的这种分布称为粒子的反转分布 能形成粒子反转分布的工作介质称为增益介质 光通过增益介质 由于受激辐射的光子数多于吸收而损失的光子数而使光子数不断增加 强度不断增强 这一过程称为光放大 产生激光必须满足下列四个条件 1 外界光子能形成受激辐射光源 2 受激光在增益介质中多次重复放大 3 受激光的光能密度不断增加 4 受激光沿某一方向传播 4 11 2常用激光器及其原理 红宝石激光器及其原理红宝石激光器的工作原理见图4 163 在椭圆形聚光器4内密封红宝石棒2和脉冲氙灯3 红宝石棒的基质为Al2O3 掺入重量比约0 05 的铬离子Cr3 作为增益介质 以形成受激辐射 图4 123红宝石激光器的原理a 结构图b 能级图1 全反射镜2 红宝石棒3 脉冲氙灯4 聚光器5 部分反射镜 氦氖激光器及其原理 由于氦氖激光器具有稳定性好 单色性强 功率小和寿命长等突出的优点 因此是应用最广泛的一种激光器 氦氖激光器由放电管V和反射镜M1 M2组成光学谐振腔 见图4 124a 图4 124氦氖激光器的原理a 结构图b 能级图 半导体激光器及其原理 半导体激光器的典型产品是以砷化镓 GaAs 为增益介质的激光器 其结构见图4 125 图4 125砷化镓半导体激光器的结构 4 11 3激光的特点 激光器发出的光具有许多普通光不可比拟的特点 1 高方向性2 高亮度3 高单色性4 高相干性激光是目前最亮的光源 而且其单色性最纯 会聚角最小 光束最准直 射得最远和相干性最好 4 11 4激光传感器的应用及实例 激光传感器可用于测量物体的几何尺寸 振动 位移 速度 加速度 转角 方向 探伤及成分分析等 由于具有精度高 量程范围宽 反应迅速 非接触 抗干扰能力强和易于数字化等一系列优点 因此应用极为广泛 利用激光的高方向性制成的车速测量仪 是公路车辆速度监测常用的仪器 其工作原理见图4 126 该仪器有两套完全相同的光学系统 见图4 126a 光学系统的作用是把激光束经发射透镜 光栅和接收透镜后 准确地投
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