激光传感器发射激光波的原理

激光传感器由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。常见的是激光测距传感器，它通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。

激光传感器发射激光波的原理

激光是媒质的粒子（原子或分子）受激辐射产生的，但它必须具备下述的条件才能得到。

粒子数反转

如何才能实现光放大呢？当媒质处于热平衡状态时，它的粒子在各能级上的分布遵从一定的统计规律。在恒定的温度下，粒子数据能量的分布用下式表示

式中，N1和N2分别为对应于E1和E2能级上的粒子数；T为绝对温度；k为玻尔兹曼常数。

上式说明，对应于T＞0的任意值，只要在，E2＞E1就有况N1＞N2，这说明处于低能级上的粒子数大于处于高能级上的粒子数。在这种情况下，光吸收是主要的。要实现光的放大，必须使N2＞N1，这种不平衡状态分布叫做粒子数反转，可以通过气体放电或光照射等从外界供给能量的方法来获得粒子数反转分布。下图（a）表示媒质中粒子能级的正常分布，媒质中大部分粒子处在低能级（以黑点表示），只有少数粒子处于高能级（以圆圈表示）。下图（b）表示在外界激发的条件下形成了粒子数反转。

图 媒质中粒子能级的正常分布和粒子数反转

激发器的光振荡放大

要想产生激光，单靠外界激发而得到的初级受激辐射是不行的。实际的激光器都是由一个粒子数反转的粒子系统（叫做工作物质）和一个光学共振腔组成。光学共振腔由两端为各种形状的曲面反射镜构成。最简单的光学共振腔是两面相互平行的平面反射镜，镜面对光有很高的反射率，而工作物质封装在有两个反射镜的封闭体中。

当工作物质产生受激福射时，受激辐射在两反射镜之间作一定次数的往返反射，而每次返回时都会经过建立了粒子数反转分布的工作物质，这样将使受激辐射一次又一次地加强，如下图所示。这样几十次、几百次的往返，直至能获得单方向的强度非常集中的激光输出为止。我们把激光在共振腔内的往返放大过程叫做振荡放大。被激发的工作物质中的某些原子受激辐射而放出光子，如果发射方向正好和腔轴线平行，则可能在腔内起放大作用。一部分偏离轴线方向的光子则跑出腔外面而成为一种损耗，如图（a）所示。若光在来回反射过程中，放大作用克服了各种衰减作用（如共振腔的透射、工作物质对光的散射和吸收等），就形成稳定的光振荡而产生激光，以很好的方向沿轴向输出，如图（b）和图（c）所示。

图 光振荡器的工作过程

在实际应用中，激光器发出的光按受激方法不同，有连续激光器和脉冲激光器之分。前者的激光输出是连续光，如氮氖气体激光器；后者的激光输出是脉冲式的，如固体红宝石激光器，它的持续时间约1〜2 ms，由脉冲氙灯激励。

激光输出

激光光束在激光器的共振腔内往返振荡放大，那么怎样输出呢？共振腔内的反射镜起着反射光束使其往返振荡作用，从光放大角度看，反射率越高，光损失越小，放大效果越好。在实际设计中，尽量使一侧反射镜对激光波长的反射率接近100%，而另一侧反射镜则稍低一些，例如98%以上。这样输出端的透镜将有激光穿透，该端即为激光的输出端。

对于输出端透镜的反射率要适当选择，如果反射率太低，虽然透光能力强了，但对腔内光束损失太大，就会影响振荡器的放大倍数，这样输出必然减弱。目前，最佳反射率一般在给定激光条件下由实验来确定。