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1、 第 1 页 共 31 页1 1 绪论绪论光学科学和光学技术因激光的诞生获得了新的生命，并导致新产业的兴起。激光使人们能够有效地利用先进的方法和前所未有的手段来提高效率，促进生产力发展。激光测距（laser distance measuring）是以激光器所发出的光作为光源进行测距的手段。激光测距技术是一项自动的非接触测量方法，测量的精度高，抗干扰的能力强，对电磁的干扰不敏感。与普通光学测距手段相比，它具有系统简单、操作方便及夜晚和白天全可以工作的优势。与雷达测距技术相比，激光测距具有很高的精度和良好的抗干扰性。基于激光工作的方式可以分为连续激光器，脉冲激光器。氪镉、氩离子、氦氖一些气体激光器
2、工作于连续输出状态，适用于相位式测距；双异质砷化镓半导体激光器，适用于红外测距探测；钕玻璃、红宝石等固体激光器，适用于脉冲式激光测距手段。由于激光测距设备发出的激光方向性强、单色性好一些特点，另外由于电子线路半导体集成化，和光电测距仪器相比，不仅可以提高测距精度而且能日夜作业，显著减少功耗及重量，使测量到月球、人造地球卫星等远目标的距离得以实现。激光测距技术综合了信号处理技术、光子探测技术、激光器技术等诸多技术。测程大，可靠性高，测距精度十分高，能够满足空间大测程、测距目标高精度的要求。它在空间测量领域得到了广泛用途。 激光测距在激光应用当中运用的比较早，发展历经 40 余年，在航天，军事等很
3、多领域得到广泛应用，最近技术手段不断进步，市面上出现了各种适合研究利用的激光测距产品。光纤传感器是近几十年发展起来的新型传感器，它有灵敏度高、电绝缘性好、抗电磁干扰等诸多优势。把激光测距和光纤技术结合在一起，激光经过光纤进行传导，使之成为一种非功能型的光纤传感器。基于相位式激光测距的光纤传感器避免了在不良工作环境下的对测量人员的辐射，腐蚀，电击，水浸，及化学损伤等潜在工作危险。在提倡安全第一，人权至上的今天，让测试工作人员远离潜在工作危险，是十分有必要的。科学是人类的科学，社会是人类的社会，科学的目的是为了让人类更美好的生活，让社会有更和谐的相处环境，从这个方面考虑，基于相位式激光测距的光纤传
4、感器注定了它存在的意义1 。第 2 页 共 31 页2 2 激光测距技术激光测距技术2.12.1 激光发展背景及意义激光发展背景及意义爱因斯坦在 1917 年提出受激辐射的概念后，经过了漫长的 40 年，到 1958 年，两位美国的微波领域科学家肖洛和汤斯打破沉寂的局面，发表了著名文章红外与光学激射器 。他们指出受激辐射为主发光的可能性，和必要条件来实现“粒子数反转” 。这篇论文使得光学领域工作的科学家们马上兴奋起来，纷纷设想出各种实现粒子数反转的解决办法和实验方案，此后开辟了崭新的激光探索领域。同年苏联科学家普罗霍罗夫和巴索夫联合发表了实现三能级粒子数反转和半导体激光器建议的论文，1959
5、年 9 月汤斯提出制造红宝石激光器的建议。加州休斯实验室的梅曼在 1960 年 5 月 15 日制成了世界上第一台红宝石激光器，得到了波长为694.3nm 的激光。他利用用发光密度很高的脉冲氙灯做激发光源，红宝石进体做发光材料。1964 年，诺贝尔物理学奖分别颁予汤斯、巴索夫和普罗霍夫。1961 年 8 月在中国科学院长春光学精密机械研究所研制出中国第一台红宝石激光器。这台激光器在结构上相比于梅曼所设计的有了新的改进，特别是在当时工业水平比美国低得多的我国，研制环境十分艰难，归功于研究人员动手制造、自己设计。从这以后，我国的这方面的技术也得到了迅猛发展，在各个交叉领域得到了广泛应用和推广。欧美
6、等几大公司在上世纪九十年代初相继生产出可供商用半导体激光二极管，使激光更加具备实际应用价值。其他机理的激光器过于复杂，重量特别大，功耗高等原因，使其体积，极大限制了激光的应用。半导体激光器应运而生，解决上述大部分问题。随着半导体激光器的价格逐步降低，技术进一步成熟，其应用领域和应用批量不断扩大，就目前发展情况而讲，其具备不可比拟的巨大应用前景。半导体激光器使用安全、体积小、价格低廉、重量轻、结构简单、可靠性高、能直接调制、转换效率高、驱动电源简单、功耗低，所以应用领域非常的广泛。如激激光照排、光打印、条码扫描、激光测距、测试测量仪器、工业探测、光存储、激光显示、舞台灯光及激光水平尺及各种标线定
7、位、激光表演等。半导体激光器的很多独特优点使之非常合适于军事上的应用，例如对潜通信制导、引信、射击模拟系统、致盲、野外测距、枪炮等的瞄准、安防等。因为可以用普通电源驱动，使一些便携式武器装备激光技术设备成为可第 3 页 共 31 页能。其中 1310 nm、1550 nm 大部分应用于光纤通讯的领域。405nm-670 nm,是可见光波波段，780nm-1550 nm 是红外光波波段，390 nm-370 nm 是紫外光波波段。在重复测距时，扫描空间用细激光束，获得目标的角度、距离和速度等信息，这就是激光雷达的原理。激光雷达能够实现很多传统雷达所达不到的性能和要求。激光能量集中，发散角小。能够
8、实现极高的探测分辨率和灵敏度；它极短的波长让系统和天线尺寸集成的很小，这是传统雷达不可比拟的优点。与微波雷达比较，激光测距仪重量轻、体积小、方向性好。2.22.2 激光原理概述激光原理概述2.2.1 激光器的结构激光器一般包括三个部分：（1）激光工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转世非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从紫外到远红外，非常广泛。（2）激励源为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一
9、般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。（3）谐振腔有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光
10、在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，部分从反射镜子一端输出。第 4 页 共 31 页图 2.1 红宝石激光器输出原理图2.2.2 激光特性激光是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光，激光的特点有：（1）方向性好一般光源包括荧光灯、白炽灯、太阳光等的发光方向是四面八方的，而激光的发光就可以束缚在几个毫弧度立体角以内，几乎平行，其照度是相应与普通光源数千万倍。激光的这一个特性可以应用于激光测距、导向、准直当中。人类的第一次用激光照射相对于地球38万公里的月球其表面留下的光斑不足2公里，相比于可以覆盖整个月球表面的普
11、通光源来说，其聚光，准直的效果非常好 2 。（2）亮度高在当代，最亮的光莫属激光了，甚至只有氢弹爆炸的瞬间发光才能与其相比。太阳光亮度是103cdcm2 而一个功率很大的激光器输出的亮度是太阳的1071014倍。虽然激光的总功率不是最大的，可是其能量较为集中，极易在很小的聚焦点上产生很大的高压和温度。激光焊接、切割、打孔和外科手术就是利用的这个特性。（3）单色性好光的本质也是电磁波。所以光的颜色取决于光频率。能够发射单种颜色光的光源称为单色光源，这种光源发射的光波波长较为单一，而可见光光波长在380nm-780nm之间，对应着各种颜色，所以我们所见的太阳光并非单色光。而激光波长的光谱波段十分窄
12、。例如如氦氖激光器发出的激光光波长是632.8纳米，它的变化只在万分之一纳米以内。所以，激光的单色性远远超过其他光源。激光的单色性是科学家们所青睐的特性之一，所以在激励某些化学反应等科学实验和精密仪器测量等方面提供了非常有利的手段。（4）相干性好由于激光属于电磁波，所以它有着波的一些属性。以上陈述了激光具有很高的方向性和良好的单色性，所以注定了激光的相干性必然极好。第 5 页 共 31 页（5）能量密度极大光子的能量公式是 E=h*f， h 为普朗克常量，f 为频率。通过公式可以知道，频率越高，能量越大。由于激光频率范围 3.846*1014Hz 到7.895*10 14Hz，所以，其能量密度
13、很大2.2.3 激光产生激光（LASER）是 20 世纪 60 年代被发明出的一种特殊光源。LASER 的意思是英文单词“受激放射光放大”的首字母组合。激光器分为很多种，尺寸从大到足球场小到米粒。无论是气体激光器还是半导体激光器抑或固体激光器，它们都有自己独特的产生激光的方式。（1）自发辐射为方便解决问题，我们只考虑原子上的两个能级 E2 和 E1，并且有 E2-E1=hv；单位体积内处于两能级的电子数分别用 N2 和 N1 表示。处于高能级 E2 的一个原子自发的向 E1 跃进，并发射一个能量为 hv 的光子，这种过程被称为自发跃迁，由电子自发跃迁并发出光子称为自发辐射。自发跃迁，只与原子本
14、身性质有关，而与辐射场无关，自发跃迁的几率只决定于原子自身的特性。（2）受激吸收处于低能态 E1 的一个电子，在频率为 v 的辐射场作用下，激发到 E2 能级并吸收一个能量为 hv 的光子，这个过程为受激吸收跃迁。自发跃迁与受激跃迁是本质不同的两个物理过程：受激跃迁不仅与原子性质有关，还与辐射场 v 成正比，而自发跃迁只与原子本身性质相关。（3）受激辐射受激吸收的反过程就是受激辐射跃迁。图 2.2 自发吸收、自发辐射、受激辐射示意图第 6 页 共 31 页以上三种不同过程的具体模型可用以下图分别分析说明：第 7 页 共 31 页如上所述，原子中具有 E2 和 E1 两个能量不同的能级，其上的电
15、子分布为 N2 和 N1两个能级之间发生着自发辐射，受激辐射，受激吸收等过程。当受激辐射产生激光时，与入射光具有同样的频率，相位，偏振方向和传播方向。因此，很多的粒子在同一个相干辐射场的激发下，所产生的受激发射光同样是相干的。受激辐射和受激吸收的几率正比于辐射场单色能量密度。两个能级 N2 和 N1 相同时，两个过程几率相等。如果N2N1，自发吸收占主要地位。同样外界因素可以导致热平衡被破坏 N2N1，我们称之为粒子数反转。这时受激辐射占主要位置。我们在两个平行的反射镜中间放置一段激活物质，要求其中一个反射镜是可以部分透射出光线的，这就是光学谐振腔。高能级粒子发生自发辐射，非轴向的光射出谐振腔
16、。轴向光可以在腔内反复折返，当在工作物质中传播时，光强就会增大。如果单程小信号增益大于单程损耗，就会产生自激振荡。同样，光子入射到谐振腔内，并且被吸收的话，电子从低能级向高能级跃迁，发生受激吸收；受到入射光子影响的另一个过程是高能级粒子跃迁到低能级释放光子，称之为受激辐射。这些过程在谐振腔内是同时进行的。当满足一定的条件下，受激辐射大于受激吸收，那么在谐振腔内必将积累大量的高能量的同相位的光子，在其中一个反射镜面透射出去后，就形成了激光 3 。2.2.4 激光应用目前激光应用范围广泛，其应用范围如下表格所示：E2E1 E2E1O自发辐射 hv=E2-E1E2E1E2E1O入射光 hv=E2-E1原子吸收入射光子并跃迁至高能级2.3 自发辐射原理图2.4 受激吸收原理图E2E1 E2E1O入射光 hv=E2-E1入射光 hv=E2-E1受激辐射 hv=E2-E1图 2.5 受激辐射原理图第
