激光原理及激光測(cè)距技術(shù)的相關(guān)知識(shí)
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， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 先來看下面這張圖：
處于高能級(jí)的原子自發(fā)地向較低能級(jí)躍遷，并發(fā)射一個(gè)光子，這種過程稱為自發(fā)輻射。
通俗的可以理解為:一個(gè)球在地面是它最合適的位置，當(dāng)這個(gè)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(gè)球是特定的原子，那么這個(gè)原子在躍遷的過程中就會(huì)釋放一個(gè)特定波長(zhǎng)的光子。
二、激光器的誕生
1960年，美國(guó)休斯研究實(shí)驗(yàn)室梅曼制成了第一臺(tái)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(tái)激光器。
梅曼這臺(tái)激光器發(fā)射的激光波長(zhǎng)為694.3nm，是可見光范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，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(zhǎng)的激光器，現(xiàn)在最常見的激光波長(zhǎng)為1064nm，波長(zhǎng)在可見光范圍以外，因此人眼不可見。
第一臺(tái)激光器看上去感覺很Low，但正是這臺(tái)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…
3.1、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(diǎn)是激光輸出波長(zhǎng)范圍寬。最常見的為CO2激光器，其中CO2作為工作物質(zhì)，順利獲得放電激發(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(zhǎng)太長(zhǎng)，材料加工性能并不好。因此氣體激光器很快就被市場(chǎng)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。
3.2、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(shí)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（簡(jiǎn)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(shí)，形成激光。
為了保證發(fā)射的激光朝一個(gè)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(jì)，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，順利獲得紅色氙燈進(jìn)行照射，形成激光，激光經(jīng)耦合進(jìn)光纖傳輸后，達(dá)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(shí)間后會(huì)損壞，于是人們對(duì)日光燈照射的激光器進(jìn)行改進(jìn)。
如果將日光燈改進(jìn)成半導(dǎo)體，順利獲得半導(dǎo)體內(nèi)部電子躍遷發(fā)射光子，則激光器的壽命會(huì)延長(zhǎng)很多。
人們從兩方面對(duì)YAG固體激光器進(jìn)行改進(jìn)，一方面將激發(fā)激光的氙燈（耗材）改進(jìn)為半導(dǎo)體（光電二極管），一方面將激光晶體棒改進(jìn)為直接在光纖中摻雜稀土離子。
這樣，一個(gè)龐大的固體激光器就被整合成一個(gè)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(jiǎn)單理解為一個(gè)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(shí)，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(jìn)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。
現(xiàn)在市面上直接半導(dǎo)體激光器已達(dá)到萬(wàn)瓦級(jí)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，將輸出的激光順利獲得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(shí)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(cè)距儀的原理
除了工業(yè)上使用激光進(jìn)行材料加工外，其他領(lǐng)域，比如航空航天、軍事等領(lǐng)域也在不斷開發(fā)激光的應(yīng)用。
其中航空和軍事上所使用的激光在不斷增加，該領(lǐng)域激光應(yīng)用主要為激光測(cè)距。
激光測(cè)距的原理——距離等于速度乘以時(shí)間。
光速是確定的，而光的傳播時(shí)間可以順利獲得檢測(cè)裝置檢測(cè)到，則可以計(jì)算出待測(cè)物體的距離。
示意圖如下：
如果將激光測(cè)距儀直接做成手持設(shè)備，就是下面這樣。其中一個(gè)窗口為激光發(fā)射裝置，另外一個(gè)窗口為激光接收裝置。
順利獲得發(fā)射和接收的時(shí)間計(jì)算出待測(cè)物體的距離。
人們順利獲得手持式激光測(cè)距儀進(jìn)行狩獵，物體發(fā)射激光的情形如下：
對(duì)激光測(cè)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(gè)人拿著手電筒、另一個(gè)人拿著激光筆。激光筆的照射距離比手電筒大，因?yàn)槭蛛娡补饩€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(shí)，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(cè)距儀精度的方式。
下圖是在不同距離時(shí)照射到動(dòng)物上的激光光束。
五、激光測(cè)距儀的應(yīng)用有哪些？
激光測(cè)距儀在航空航天上使用較多，阿波羅15號(hào)在登月時(shí)帶上了一套特別設(shè)備——大型角反射器，用來反射從地球發(fā)射過來的激光光束，順利獲得記錄往返時(shí)間來計(jì)算地月距離。
同時(shí)，在航空航天其它領(lǐng)域?qū)す鉁y(cè)距儀也有使用：
5.1、激光測(cè)距儀在軍事上的應(yīng)用
戰(zhàn)斗機(jī)和陸戰(zhàn)裝備上的光電搜跟系統(tǒng)許多都裝備有激光測(cè)距儀，可準(zhǔn)確知道敵人的距離相應(yīng)實(shí)行防御準(zhǔn)備。
其中陸戰(zhàn)武器如陸戰(zhàn)步槍中部分裝備有激光測(cè)距儀，可知悉敵我距離。
伴隨著激光測(cè)距儀在軍事上的應(yīng)用，人們也在不斷研究激光武器偵查系統(tǒng)。
其中，采用紅外相機(jī)可觀察到激光光束，根據(jù)激光光束追蹤到光源，對(duì)激光束進(jìn)行定位，如圖采用紅外相機(jī)所觀察到的激光源的情形：
5.2、激光測(cè)距在地形的勘察與測(cè)繪中的應(yīng)用
在地形的勘察與測(cè)繪中的激光測(cè)距儀一般稱為激光高度計(jì)，主要是搭載在飛機(jī)或衛(wèi)星上測(cè)量高程數(shù)據(jù)。例如，“嫦娥一號(hào)”與“嫦娥二號(hào)”激光高度計(jì)是月球探測(cè)衛(wèi)星的主要載荷之一，擔(dān)任著獲取月球表面三維高程數(shù)據(jù)的科學(xué)任務(wù)。
“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星于2007 年發(fā)射，“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星于2010 年發(fā)射，其高程數(shù)據(jù)與CCD立體相機(jī)的影像相結(jié)合，取得了月球表面的基本地貌，劃分構(gòu)造單元，初步編制了月球地質(zhì)與構(gòu)造綱要圖。
“嫦娥二號(hào)”激光高度計(jì)除了高程數(shù)據(jù)外，還取得了月面反射率信息，為后續(xù)軟著陸給予了參考數(shù)據(jù)。
5.3、激光測(cè)距在航天器自主著陸中的應(yīng)用
利用無(wú)人探測(cè)器著陸到月球、火星或者小行星等目標(biāo)天體表面進(jìn)行實(shí)地勘探甚至采樣返回是人類探索宇宙的一條重要途徑，也是未來深空探測(cè)活動(dòng)開展的熱點(diǎn)之一。發(fā)射衛(wèi)星或探測(cè)器在其他星球表面進(jìn)行軟著陸是進(jìn)行空間探測(cè)的一個(gè)重要的方向。
5.4、激光測(cè)距在空間自主交會(huì)對(duì)接中的應(yīng)用
空間自主交會(huì)對(duì)接是一個(gè)極其復(fù)雜和精密的過程。
交會(huì)過程指兩個(gè)或兩個(gè)以上的飛行器在空間軌道上按預(yù)定位置和時(shí)間相會(huì)，作用距離為100km～10m，由遠(yuǎn)到近需要GPS引導(dǎo)，微波雷達(dá)、激光雷達(dá)、光學(xué)成像敏感器的測(cè)量手段，空間對(duì)接指兩個(gè)飛行器在空間軌道上相會(huì)后在機(jī)械結(jié)構(gòu)上連成一個(gè)整體，作用距離為10～0m，主要利用先進(jìn)視頻制導(dǎo)敏感器(AVGS)完成。
5.5、激光測(cè)距在空間碎片探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用
空間碎片的探測(cè)是現(xiàn)在深空激光探測(cè)技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。
召開空間活動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)的美、俄兩國(guó)，所產(chǎn)生的空間碎片約占總數(shù)的90%以上。沒人能夠數(shù)清空間碎片的確切數(shù)目。人類現(xiàn)在只能對(duì)直徑10 厘米以上的碎片進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，這類碎片現(xiàn)在共有一萬(wàn)七千余個(gè)，世界上只有美國(guó)和俄羅斯有能力對(duì)其進(jìn)行全部監(jiān)測(cè)，美國(guó)國(guó)家航空航天局為每個(gè)碎片都進(jìn)行了編號(hào)。小于1 厘米的碎片據(jù)估計(jì)有數(shù)千萬(wàn)乃至數(shù)億，航天器已經(jīng)根本無(wú)法避免與其相撞，只能順利獲得加強(qiáng)自身的防護(hù)能力來應(yīng)對(duì)。
為了安全、持續(xù)地開發(fā)和利用空間資源，必須不斷提高對(duì)空間碎片的跟蹤監(jiān)視技術(shù)，增強(qiáng)對(duì)空間碎片環(huán)境的分析預(yù)測(cè)能力，同時(shí)尋求控制空間碎片的有效措施。
五、激光測(cè)距儀開展方向
現(xiàn)在激光測(cè)距儀向著體積更小、精度更高、測(cè)量距離更遠(yuǎn)的方向開展，其中市面上主流激光測(cè)距儀廠家有基恩士和徠卡。
中國(guó)企業(yè)也在激光測(cè)距領(lǐng)域努力開展！
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，它將在航空和軍事上得到廣泛的應(yīng)用！
激光——是一種工具！也是一種武器！
參考資料：1、程鵬飛《大動(dòng)態(tài)范圍高精度激光測(cè)距關(guān)鍵技術(shù)研究》
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