激光原理与测距技术详解

本文介绍了激光原理及激光测距技术。

一、什么是激光？

激光LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)，全称为“受激辐射光放大"；读起来很绕口，也不好理解，我们先来看下面这张图：  

处于高能级的原子自发地向较低能级跃迁，并发射一个光子，这种过程称为自发辐射。   通俗的可以理解为:一个球在地面是它最合适的位置，当这个球被外力推到半空中（称为泵浦），在外力消失的瞬间，球从高空掉落下来，并释放一定能量。如果这个球是特定的原子，那么这个原子在跃迁的过程中就会释放一个特定波长的光子。   二、激光器的诞生   1960年，美国休斯研究实验室梅曼制成了第一台红宝石激光器，发出了694.3nm的红色激光，成为世界上公认的第一台激光器。   梅曼这台激光器发射的激光波长为694.3nm，是可见光范围内的波长，因此可以看到这束激光呈现红色。   在人们后续的研发过程中，人们又发明了不同波长的激光器，目前最常见的激光波长为1064nm，波长在可见光范围以外，因此人眼不可见。  

第一台激光器看上去感觉很Low，但正是这台激光器的发明，奠定了后面激光广泛被使用的基础。

三、激光器的分类

人们掌握了激光产生的原理后，开始研发不同形态的激光器，如果按照激光工作物质来分类的话，可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器等…   1、气体激光器分类有：原子、分子、离子；   气体激光器的工作物质是气体或金属蒸汽，特点是激光输出波长范围宽。最常见的为CO2激光器，其中CO2作为工作物质，通过放电激发产生10.6um的红外激光。  

由于气体激光器工作物质为气体，激光器整体构造太大，并且气体激光器输出的波长太长，材料加工性能并不好。因此气体激光器很快就被市场淘汰了，只有在某些特定的领域，如某些塑料件的激光标记上使用。

2、固体激光器分类：红宝石、Nd:YAG等；

固体激光器的工作物质有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石（YAG）等，是在作为基质的材料的晶体或玻璃中均匀的掺入少量离子，称为激活离子。   固体激光器是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。   下图中中间的黑色方块是激光晶体，外观看上去是一块浅色透明的玻璃，它的组成是在一块透明晶体中掺杂稀土金属。正是稀土金属原子结构的特殊性，在受到光源照射时形成粒子数反转（简单理解很多地面上的球被推到空中），然后当粒子跃迁发射光子，当光子数量足够多时，形成激光。   为了保证发射的激光朝一个方向输出，于是有了全反射镜（左边的镜片），和半反射输出镜（右边镜片）。当激光输出后再经一定的光学设计，形成激光能量。  

下图是一张典型的YAG光纤传导激光设备，图中灰色为激光晶体棒，里面掺杂Nd离子，通过红色氙灯进行照射，形成激光，激光经耦合进光纤传输后，达到加工件表面。  

由于照射激光的氙灯存在一定的损耗量，如同家里的日光灯用一段时间后会损坏，于是人们对日光灯照射的激光器进行改进。   如果将日光灯改进成半导体，通过半导体内部电子跃迁发射光子，则激光器的寿命会延长很多。   人们从两方面对YAG固体激光器进行改进，一方面将激发激光的氙灯（耗材）改进为半导体（光电二极管），一方面将激光晶体棒改进为直接在光纤中掺杂稀土离子。   这样，一个庞大的固体激光器就被整合成一个小型的激光发生器。整合后，人们将这种激光器称为光纤激光器。  

说到半导体激光器，可简单理解为一个光电二极管，二极管中有PN结，当加入一定的电流后，形成半导体中电子跃迁释放光子，于是产生激光。  

当半导体释放的激光能量较小时，可以将小功率半导体器件作为光纤激光器的泵浦源（激发源），于是就形成了光纤激光器。   如果将半导体激光器的功率进一步提高，提高到可以直接输出来加工材料，则成为直接半导体激光器。   目前市面上直接半导体激光器已达到万瓦级别。  

工业上的激光应用主要有激光切割、激光标记、激光焊接。  

激光工作原理是，将输出的激光通过聚焦镜聚焦后作用于工件表面，激光的高温将工件融化或者挥发。   工件表面融化后则可实现激光焊接。  

激光焊接的作用过程如图：  

除了上述几种激光器外，人们还发明了液体激光器，也称燃料激光器。液体激光器体积和工作物质相比固体更复杂，很少被使用。  

四、激光测距仪的原理

激光测距的原理——距离等于速度乘以时间。   光速是确定的，而光的传播时间可以通过检测装置检测到，则可以计算出待测物体的距离。  

示意图如下：

如果将激光测距仪直接做成手持设备，就是下面这样。其中一个窗口为激光发射装置，另外一个窗口为激光接收装置。   通过发射和接收的时间计算出待测物体的距离。  

人们通过手持式激光测距仪进行狩猎，物体发射激光的情形如下：  

对激光测距仪的精度影响较大的是激光发散因子。什么是发散因子？比如一个人拿着手电筒、另一个人拿着激光笔。激光笔的照射距离比手电筒大，因为手电筒光线更发散，衡量光线的发散程度的称为发散因子。   激光理论上为平行光，但当作用距离较远时，存在光线的发散。如果压缩光线的发散角，控制激光的发散程度是提高激光测距仪精度的方式。   下图是在不同距离时照射到动物上的激光光束。  

五、激光测距仪发展方向

目前激光测距仪向着体积更小、精度更高、测量距离更远的方向发展，其中市面上主流激光测距仪厂家有基恩士和徕卡。  

中国企业也在激光测距领域努力发展！  

总结

被称为”最快的刀”和”最准的尺”的激光将应用在人们生活的方方面面中。    

审核编辑：黄飞