Η αρχή και η εφαρμογή του αισθητήρα λέιζερ

Οι αισθητήρες λέιζερ είναι αισθητήρες που χρησιμοποιούν τεχνολογία λέιζερ για τη μέτρηση. Αποτελείται από ένα λέιζερ, έναν ανιχνευτή λέιζερ και ένα κύκλωμα μέτρησης. Ο αισθητήρας λέιζερ είναι ένας νέος τύπος οργάνου μέτρησης. Τα πλεονεκτήματά του είναι ότι μπορεί να πραγματοποιήσει μέτρηση μεγάλων αποστάσεων χωρίς επαφή, γρήγορη ταχύτητα, υψηλή ακρίβεια, μεγάλη εμβέλεια, ισχυρή αντιφωτεινή και ηλεκτρική ικανότητα παρεμβολής κ.λπ.
Φως και λέιζερ Τα λέιζερ ήταν ένα από τα πιο σημαντικά επιστημονικά και τεχνολογικά επιτεύγματα που εμφανίστηκαν τη δεκαετία του 1960. Αναπτύχθηκε γρήγορα και έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορες πτυχές όπως η εθνική άμυνα, η παραγωγή, η ιατρική και η μη ηλεκτρική μέτρηση. Σε αντίθεση με το συνηθισμένο φως, ένα λέιζερ πρέπει να δημιουργηθεί από ένα λέιζερ. Για την ουσία εργασίας του λέιζερ, υπό κανονικές συνθήκες, τα περισσότερα άτομα βρίσκονται σε σταθερό χαμηλό ενεργειακό επίπεδο Ε1. Κάτω από τη δράση εξωτερικού φωτός κατάλληλης συχνότητας, τα άτομα στο χαμηλό ενεργειακό επίπεδο απορροφούν την ενέργεια των φωτονίων και διεγείρονται για μετάβαση στο υψηλό ενεργειακό επίπεδο Ε2. Η ενέργεια φωτονίων E=E2-E1=hv, όπου h είναι η σταθερά του Planck και v η συχνότητα των φωτονίων. Αντίθετα, υπό την επαγωγή φωτός με συχνότητα v, τα άτομα στο ενεργειακό επίπεδο Ε2 θα μεταβούν σε χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας για να απελευθερώσουν ενέργεια και να εκπέμψουν φως, το οποίο ονομάζεται διεγερμένη ακτινοβολία. Το λέιζερ καταρχήν κάνει τα άτομα της λειτουργικής ουσίας ασυνήθιστα σε υψηλό επίπεδο ενέργειας (δηλαδή την κατανομή αντιστροφής πληθυσμού), που μπορεί να καταστήσει κυρίαρχη τη διαδικασία διεγερμένης ακτινοβολίας, έτσι ώστε το επαγόμενο φως της συχνότητας v να ενισχύεται και να μπορεί να περάσει παράλληλοι καθρέφτες Η ενίσχυση τύπου χιονοστιβάδας σχηματίζεται για να παράγει ισχυρή διεγερμένη ακτινοβολία, η οποία αναφέρεται ως λέιζερ.

Τα λέιζερ έχουν 3 σημαντικές ιδιότητες:
1. Υψηλή κατευθυντικότητα (δηλαδή υψηλή κατευθυντικότητα, μικρή γωνία απόκλισης της ταχύτητας του φωτός), το εύρος επέκτασης της δέσμης λέιζερ απέχει μόνο μερικά εκατοστά από μερικά χιλιόμετρα.
2. Υψηλή μονοχρωματικότητα, το πλάτος συχνότητας του λέιζερ είναι περισσότερο από 10 φορές μικρότερο από αυτό του συνηθισμένου φωτός.
3. Η υψηλή φωτεινότητα, η μέγιστη θερμοκρασία πολλών εκατομμυρίων βαθμών μπορεί να δημιουργηθεί με τη χρήση της σύγκλισης δέσμης λέιζερ.

Τα λέιζερ μπορούν να χωριστούν σε 4 τύπους ανάλογα με την ουσία εργασίας:
1. Λέιζερ στερεάς κατάστασης: Η ουσία λειτουργίας του είναι στερεή. Συνήθως χρησιμοποιούνται λέιζερ ρουμπίνι, λέιζερ γρανάτη αλουμινίου υττρίου με πρόσμειξη νεοδυμίου (δηλαδή λέιζερ YAG) και λέιζερ γυαλιού νεοδυμίου. Έχουν περίπου την ίδια δομή και χαρακτηρίζονται από το ότι είναι μικρά, στιβαρά και υψηλής ισχύος. Τα λέιζερ από γυαλί νεοδυμίου είναι αυτή τη στιγμή οι συσκευές με την υψηλότερη ισχύ εξόδου παλμού, που φτάνει τα δεκάδες μεγαβάτ.
2. Λέιζερ αερίου: η ουσία λειτουργίας του είναι αέριο. Τώρα υπάρχουν διάφορα λέιζερ ατόμων αερίου, ιόντων, ατμών μετάλλου, μορίων αερίου. Συνήθως χρησιμοποιούνται λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα, λέιζερ νέον ηλίου και λέιζερ μονοξειδίου του άνθρακα, τα οποία έχουν σχήμα συνηθισμένου σωλήνες εκκένωσης και χαρακτηρίζονται από σταθερή απόδοση, καλή μονοχρωματικότητα και μεγάλη διάρκεια ζωής, αλλά με χαμηλή ισχύ και χαμηλή απόδοση μετατροπής.
3. Υγρό λέιζερ: Μπορεί να χωριστεί σε χηλικό λέιζερ, ανόργανο υγρό λέιζερ και λέιζερ οργανικής βαφής, το πιο σημαντικό από τα οποία είναι το λέιζερ οργανικής βαφής, το μεγαλύτερο χαρακτηριστικό του είναι ότι το μήκος κύματος είναι συνεχώς ρυθμιζόμενο.
4. Λέιζερ ημιαγωγών: Είναι ένα σχετικά νεαρό λέιζερ, και το πιο ώριμο είναι το λέιζερ GaAs. Χαρακτηρίζεται από υψηλή απόδοση, μικρό μέγεθος, μικρό βάρος και απλή δομή και είναι κατάλληλο για μεταφορά σε αεροπλάνα, πολεμικά πλοία, τανκς και πεζικό. Μπορεί να γίνει αποστασιόμετρο και σκοπευτικά. Ωστόσο, η ισχύς εξόδου είναι μικρή, η κατευθυντικότητα είναι κακή και επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Εφαρμογές αισθητήρα λέιζερ
Χρησιμοποιώντας τα χαρακτηριστικά της υψηλής κατευθυντικότητας, της υψηλής μονοχρωματικότητας και της υψηλής φωτεινότητας του λέιζερ μπορεί να πραγματοποιήσει μέτρηση μεγάλων αποστάσεων χωρίς επαφή. Οι αισθητήρες λέιζερ χρησιμοποιούνται συχνά για τη μέτρηση φυσικών μεγεθών όπως το μήκος, η απόσταση, οι κραδασμοί, η ταχύτητα και ο προσανατολισμός, καθώς και για την ανίχνευση ελαττωμάτων και την παρακολούθηση των ατμοσφαιρικών ρύπων.
Μέτρηση μήκους λέιζερ:
Η ακριβής μέτρηση του μήκους είναι μία από τις βασικές τεχνολογίες στη βιομηχανία κατασκευής μηχανημάτων ακριβείας και τη βιομηχανία οπτικής επεξεργασίας. Η σύγχρονη μέτρηση μήκους πραγματοποιείται κυρίως χρησιμοποιώντας το φαινόμενο παρεμβολής των κυμάτων φωτός και η ακρίβειά της εξαρτάται κυρίως από τη μονοχρωματικότητα του φωτός. Το λέιζερ είναι η πιο ιδανική πηγή φωτός, η οποία είναι 100.000 φορές πιο καθαρή από την καλύτερη μονόχρωμη πηγή φωτός (λάμπα κρυπτών-86) στο παρελθόν. Επομένως, το εύρος μέτρησης μήκους λέιζερ είναι μεγάλο και η ακρίβεια είναι υψηλή. Σύμφωνα με την οπτική αρχή, η σχέση μεταξύ του μέγιστου μετρήσιμου μήκους L του μονοχρωματικού φωτός, του μήκους κύματος λ και του πλάτους της φασματικής γραμμής δ είναι L=λ/δ. Το μέγιστο μήκος που μπορεί να μετρηθεί με μια λάμπα krypton-86 είναι 38,5 cm. Για μεγαλύτερα αντικείμενα, πρέπει να μετρηθεί σε τμήματα, γεγονός που μειώνει την ακρίβεια. Εάν χρησιμοποιηθεί λέιζερ αερίου ηλίου-νέον, μπορεί να μετρήσει έως και δεκάδες χιλιόμετρα. Γενικά μετρήστε το μήκος μέσα σε λίγα μέτρα και η ακρίβειά του μπορεί να φτάσει τα 0,1 μικρά.
Εύρος λέιζερ:
Η αρχή του είναι η ίδια με αυτή του ραδιοραντάρ. Αφού το λέιζερ στοχεύει στον στόχο και εκτοξεύεται, μετράται ο χρόνος μετ' επιστροφής του και στη συνέχεια πολλαπλασιάζεται με την ταχύτητα του φωτός για να ληφθεί η απόσταση μετ' επιστροφής. Επειδή το λέιζερ έχει τα πλεονεκτήματα της υψηλής κατευθυντικότητας, της υψηλής μονοχρωματικότητας και της υψηλής ισχύος, αυτά είναι πολύ σημαντικά για τη μέτρηση μεγάλων αποστάσεων, τον προσδιορισμό του προσανατολισμού του στόχου, τη βελτίωση της αναλογίας σήματος προς θόρυβο του συστήματος λήψης και τη διασφάλιση της ακρίβειας μέτρησης . έλαβε όλο και περισσότερο την προσοχή. Το lidar που αναπτύχθηκε με βάση τον αποστασιόμετρο λέιζερ μπορεί όχι μόνο να μετρήσει την απόσταση, αλλά και να μετρήσει το αζιμούθιο, την ταχύτητα και την επιτάχυνση του στόχου. Ραντάρ, που κυμαίνεται από 500 έως 2000 χιλιόμετρα, το σφάλμα είναι μόνο λίγα μέτρα. Προς το παρόν, λέιζερ ρουμπίνι, λέιζερ γυαλιού νεοδυμίου, λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα και λέιζερ αρσενιδίου γαλλίου χρησιμοποιούνται συχνά ως πηγές φωτός για αποστασιοποιητές λέιζερ.

Μέτρηση κραδασμών με λέιζερ:
x
Μέτρηση ταχύτητας λέιζερ:
Είναι επίσης μια μέθοδος μέτρησης της ταχύτητας με λέιζερ που βασίζεται στην αρχή Doppler. Χρησιμοποιείται περισσότερο το ροόμετρο λέιζερ Doppler (βλ. ροόμετρο λέιζερ), το οποίο μπορεί να μετρήσει την ταχύτητα ροής αέρα της σήραγγας ανέμου, την ταχύτητα ροής καυσίμου πυραύλων, την ταχύτητα ροής αέρα πίδακα αεροσκάφους, την ταχύτητα ατμοσφαιρικού ανέμου και το μέγεθος σωματιδίων και την ταχύτητα σύγκλισης σε χημικές αντιδράσεις κ.λπ.