激光原理與測距技術詳解

本文介紹了激光原理及激光測距技術。

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，我們先來看下面這張圖：

處于高能級的原子自發地向較低能級躍遷，并發射一個光子，這種過程稱為自發輻射。 通俗的可以理解為:一個球在地面是它最合適的位置，當這個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。如果這個球是特定的原子，那么這個原子在躍遷的過程中就會釋放一個特定波長的光子。 二、激光器的誕生 1960年，美國休斯研究實驗室梅曼制成了第一臺紅寶石激光器，發出了694.3nm的紅色激光，成為世界上公認的第一臺激光器。 梅曼這臺激光器發射的激光波長為694.3nm，是可見光范圍內的波長，因此可以看到這束激光呈現紅色。 在人們后續的研發過程中，人們又發明了不同波長的激光器，目前最常見的激光波長為1064nm，波長在可見光范圍以外，因此人眼不可見。

第一臺激光器看上去感覺很Low，但正是這臺激光器的發明，奠定了后面激光廣泛被使用的基礎。

三、激光器的分類

人們掌握了激光產生的原理后，開始研發不同形態的激光器，如果按照激光工作物質來分類的話，可分為氣體激光器、固體激光器、半導體激光器等… 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是氣體或金屬蒸汽，特點是激光輸出波長范圍寬。最常見的為CO2激光器，其中CO2作為工作物質，通過放電激發產生10.6um的紅外激光。

由于氣體激光器工作物質為氣體，激光器整體構造太大，并且氣體激光器輸出的波長太長，材料加工性能并不好。因此氣體激光器很快就被市場淘汰了，只有在某些特定的領域，如某些塑料件的激光標記上使用。

2、固體激光器分類：紅寶石、Nd:YAG等；

固體激光器的工作物質有紅寶石、釹玻璃、釔鋁石榴石（YAG）等，是在作為基質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、泵浦系統、諧振腔和冷卻、濾光系統構成的。 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構的特殊性，在受到光源照射時形成粒子數反轉（簡單理解很多地面上的球被推到空中），然后當粒子躍遷發射光子，當光子數量足夠多時，形成激光。 為了保證發射的激光朝一個方向輸出，于是有了全反射鏡（左邊的鏡片），和半反射輸出鏡（右邊鏡片）。當激光輸出后再經一定的光學設計，形成激光能量。

下圖是一張典型的YAG光纖傳導激光設備，圖中灰色為激光晶體棒，里面摻雜Nd離子，通過紅色氙燈進行照射，形成激光，激光經耦合進光纖傳輸后，達到加工件表面。

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間后會損壞，于是人們對日光燈照射的激光器進行改進。 如果將日光燈改進成半導體，通過半導體內部電子躍遷發射光子，則激光器的壽命會延長很多。 人們從兩方面對YAG固體激光器進行改進，一方面將激發激光的氙燈（耗材）改進為半導體（光電二極管），一方面將激光晶體棒改進為直接在光纖中摻雜稀土離子。 這樣，一個龐大的固體激光器就被整合成一個小型的激光發生器。整合后，人們將這種激光器稱為光纖激光器。

說到半導體激光器，可簡單理解為一個光電二極管，二極管中有PN結，當加入一定的電流后，形成半導體中電子躍遷釋放光子，于是產生激光。

當半導體釋放的激光能量較小時，可以將小功率半導體器件作為光纖激光器的泵浦源（激發源），于是就形成了光纖激光器。 如果將半導體激光器的功率進一步提高，提高到可以直接輸出來加工材料，則成為直接半導體激光器。 目前市面上直接半導體激光器已達到萬瓦級別。

工業上的激光應用主要有激光切割、激光標記、激光焊接。

激光工作原理是，將輸出的激光通過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。 工件表面融化后則可實現激光焊接。

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相比固體更復雜，很少被使用。

四、激光測距儀的原理

激光測距的原理——距離等于速度乘以時間。 光速是確定的，而光的傳播時間可以通過檢測裝置檢測到，則可以計算出待測物體的距離。

示意圖如下：

如果將激光測距儀直接做成手持設備，就是下面這樣。其中一個窗口為激光發射裝置，另外一個窗口為激光接收裝置。 通過發射和接收的時間計算出待測物體的距離。

人們通過手持式激光測距儀進行狩獵，物體發射激光的情形如下：

對激光測距儀的精度影響較大的是激光發散因子。什么是發散因子？比如一個人拿著手電筒、另一個人拿著激光筆。激光筆的照射距離比手電筒大，因為手電筒光線更發散，衡量光線的發散程度的稱為發散因子。 激光理論上為平行光，但當作用距離較遠時，存在光線的發散。如果壓縮光線的發散角，控制激光的發散程度是提高激光測距儀精度的方式。 下圖是在不同距離時照射到動物上的激光光束。

五、激光測距儀發展方向

目前激光測距儀向著體積更小、精度更高、測量距離更遠的方向發展，其中市面上主流激光測距儀廠家有基恩士和徠卡。

中國企業也在激光測距領域努力發展！

總結

被稱為”最快的刀”和”最準的尺”的激光將應用在人們生活的方方面面中。

審核編輯：黃飛