淺析激光器的發(fā)展與激光測距的方法

莫 偉

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心,510220)

0 引言

激光技術(shù)的不斷進步和發(fā)展使得激光測距技術(shù)在工業(yè)和軍事上都得到了廣泛應(yīng)用，極大的方便了人們的生產(chǎn)和生活。激光抵抗電磁波干擾能力非常好,尤其是當(dāng)探測距離較長時,激光測距技術(shù)的優(yōu)越性就更加明顯。激光測距的主要方法有脈沖法、相位法、干涉法、反饋法、三角測量法等多種方法，在不同的測量領(lǐng)域內(nèi)分別扮演者重要的角色。本文主要分析激光器的發(fā)展歷程和激光測距的方法。

1 激光器的誕生和發(fā)展

1.1 激光器的誕生史

⑴1916年，愛因斯坦提出的受激輻射概念是激光器的重要理論基礎(chǔ)。而此后，由于量子力學(xué)的不斷發(fā)展和進步使得人們逐漸對物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的運動規(guī)律有了更加深入而清醒的認(rèn)識。量子力學(xué)使微觀粒子的能級分布、躍遷及光子輻射問題得到了更加有力的證明，愛因斯坦的受激輻射理論在客觀上得到了完善，這為激光器的產(chǎn)生奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

⑵1954年，世界上第一臺氨分子束微波激射器由湯斯制成，此項發(fā)明使得人們開始利用分子和原子體系作為微波輻射相干放大器或振蕩器的先例。四年后的1958年，同樣是湯斯與其姐夫阿瑟·肖洛提出了關(guān)鍵性的建議，即采取開式諧振腔。開式諧振腔對激光的相干性、方向性、線寬和噪音等方面的性質(zhì)有很大的預(yù)防作用。巴索夫和普羅霍洛夫等人在同一時期也提出了實現(xiàn)受激輻射光放大的方案。世界上第一臺激光器成為很多科學(xué)家奮斗的目標(biāo)，他們帶領(lǐng)自己的科研團隊在實驗室中不斷的鉆研探索，期望制成世界上第一臺可運轉(zhuǎn)的激光器。

⑶美國物理學(xué)家西奧多·梅曼無疑是在激光器發(fā)明史上有著里程碑意義的科學(xué)家，他在1960年用高強閃光燈管使得紅寶石水晶里的鉻原子受到刺激，一條集中性非常高的纖細(xì)的紅色光柱就這樣產(chǎn)生出來，當(dāng)它射向某一點時，被射中的點的溫度比太陽還要高，這就是著名的“梅曼設(shè)計”。

⑷同樣是1960年，世界第一臺氣體激光器——氦氖激光器由賈萬等人成功制成，賈萬是伊朗籍美國科學(xué)家；隨后，半導(dǎo)體激光器誕生在1962年制成；1966年，有機染料激光器出現(xiàn)；后來又出現(xiàn)了化學(xué)激光器等。

1.2 激光器的發(fā)展

1.2.1 氣體激光器

最常見的一種是氦氖激光器，氦氖激光器的優(yōu)勢所在是它可以連續(xù)工作而不停歇，它所發(fā)出的激光束方向性及單色性都很好，因此，氦氖激光器被應(yīng)用到很多地方，最受青睞。它在全息照相的精密測量和準(zhǔn)直定位上有著主要的應(yīng)用。

氬離子激光器也是一種常見的氣體激光器，在可見光的區(qū)域內(nèi)氬離子激光器的輸出功率最高。它的明顯特點是能夠發(fā)出鮮艷的藍(lán)綠色光，并且也可以連續(xù)工作，最高輸出功率可達(dá)100多瓦。目前它在眼科治療當(dāng)中應(yīng)用廣泛，這是因為人的眼睛對藍(lán)綠色光的反應(yīng)相比其他顏色的光比較靈敏些。而且，完全不用擔(dān)心這種光的危害和殘留，因為這種藍(lán)綠色光會很快被我們的眼底視網(wǎng)膜上的血紅素和葉黃素吸收。氬離子激光器還在水下勘測作業(yè)當(dāng)中使用，氬離子激光器發(fā)出的藍(lán)綠色光有著不易被海水吸收的特點，因此，它可以深入到海水層當(dāng)中作業(yè)。

1.2.2 液體激光器、化學(xué)激光器和半導(dǎo)體激光器

⑴液體激光器就是通常我們所叫的燃料激光器，一些能溶解于乙醇、甲醇、水等液體的有機染料在溶解后形成溶液，這些溶液可以作為液體激光器的激活物質(zhì)。液體激光器的激光源是高速閃光燈或者是其他的激光器所發(fā)出的很短的光脈沖。在激光化學(xué)科研活動中和分析光譜時甚至是在進行其他相關(guān)的科學(xué)性研究時，液體激光器都起到了重要的作用。

⑵有一種用化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生激光，叫化學(xué)激光器。在化學(xué)反應(yīng)中就可以直接獲得強大的光能而不需要像其他激光器一樣要借助別的能量。著名的死光武器便是化學(xué)激光器的一種，它在軍事用途上和野外作業(yè)中都可以使用，并且效果很好。

⑶現(xiàn)在的半導(dǎo)體激光器即砷化鎵半導(dǎo)體激光器。微型激光器的一種，可見體積非常小。它的激光是在0.8～0.9微米之間的紅外線波長。砷化鎵半導(dǎo)體激光器雖然結(jié)構(gòu)看似簡單，但是保密性非常強。工作原理也很簡單：只要有適當(dāng)強度的電流通過就會有激光射出，適合用于飛機、軍艦和坦克。

1.2.3 固體激光器

首先，紅寶石激光器是固體激光器中最著名的一種，普通光源一直是最常使用的激發(fā)源。但是，現(xiàn)在有很多新的產(chǎn)品問世，激勵方式也有很多種，有光激勵、放電激勵、熱激勵和化學(xué)激勵等。

其次，另一種常用的是釔鋁石榴石激光器，它的輸出功率比較大，廣泛應(yīng)用于工業(yè)上和軍事上。

1.2.4 “隱身”和“變色”激光器

“ 隱身”激光器就是所謂的二氧化碳激光器。因為，二氧化碳激光器發(fā)出的激光波長是處在紅外線區(qū)域內(nèi)的10.6微米，分為連續(xù)和脈沖兩種。

“變色”激光器和液體激光器很像，激發(fā)物質(zhì)也是染料。常見的工作物質(zhì)有碳花青、若丹明和香豆素等等。染料產(chǎn)生的激光色彩種類多而且波長范圍比較廣，在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢明顯。通過它的光學(xué)諧振腔中的光柵（一種光學(xué)元件）來選擇激光的顏色。

2 激光測距的概念及意義

2.1 激光測距的概念

激光測距顧名思義是用激光器來實施測距。常見的是連續(xù)激光器和脈沖激光器（按激光工作方式分類）。激光器的應(yīng)用：①在相位式激光測距方法中通常使用氦氖、氬離子、氪鎘等氣體激光器；②雙異質(zhì)砷化鎵半導(dǎo)體激光器通常在紅外測距方法中使用；③紅寶石等固體激光器在脈沖式激光測距中得到廣泛應(yīng)用。

2.2 激光測距的意義

由于激光在測距時發(fā)揮了單色性好、電子線路半導(dǎo)體集成化和方向性強的優(yōu)勢，所以，激光測距儀與光電測距儀相比，不僅能提高測距精度，而且可以長時間不間斷的工作，大大的降低了功耗及重量，因此可以測量非常遙遠(yuǎn)的距離，例如，地球和月球之間的距離。

激光測距儀在測距時產(chǎn)生的誤差非常小，操作起來簡單易行，精確性高，小型體積使得重量很輕。因此，在坦克、飛機、艦艇、火炮對目標(biāo)的測距上，地形和戰(zhàn)場測量方面得到了廣泛應(yīng)用。

3 激光測距的常用方法

3.1 脈沖法

脈沖法是對激光飛行時間的距離測量。工作原理是利用激光脈沖的瞬時功率很大、持續(xù)時間較短、能量集中的特點來工作的。在有無合作目標(biāo)時，脈沖法可以根據(jù)距離遠(yuǎn)近進行判斷和調(diào)整，沒有合作目標(biāo)就進行漫反射來測距，非常靈活。目前在地形測量、戰(zhàn)術(shù)測距、導(dǎo)彈軌跡跟蹤、星體之間的遠(yuǎn)距離測量方面應(yīng)用較多。激光發(fā)射器發(fā)出一束存在時間非常短的激光，它在經(jīng)過測量范圍之后，到達(dá)目標(biāo)物體后進行反射，這個時候接收系統(tǒng)接收到回波信號，同時，計時電路計時，計算這其中的時間間隔，從而得出測距儀和目標(biāo)物體之間的距離。此距離表示為：R=?ct（c為光速，t為時間間隔）。

脈沖測距的精度可以表示為：L=C·t/2（L為距離精度，t為時間精度）。

3.2 相位法

相位法是有著固定發(fā)射頻率的高頻正弦信號，通過不斷地調(diào)制激光源的發(fā)光強度而測定在調(diào)制時往返一次產(chǎn)生的相位延遲而進行測距的方法。用相位延遲法間接測量到的信號所產(chǎn)生的傳播時間代替直接測量激光往返所用時間的變量而測出距離。相位法精度高，可應(yīng)用于近距離測量。光以速度C在大氣當(dāng)中傳播，它在待測兩點之間往返一次所需時間和距離的關(guān)系可以表示為：D=?ct（D為待測兩點之間的距離，c為光速，t為光往返A(chǔ)B一次所需要的時間）。由此可知，測距的實質(zhì)是對光在AB之間傳播時間的測量。

相位測距是通過測定連續(xù)的調(diào)制激光在待測距離d上往返而產(chǎn)生的相位差而間接測量傳播時間t的。因為光波在傳播過程中的相位是不斷變化的，所以，每傳播波長的距離，位相變化2π。距離d、光波往返位相差、光波波長三者之間的關(guān)系表示為：

2d=·/（2π）或 d=·/（4π）

/2相當(dāng)于測尺長度Ls，/（2π）相當(dāng)于d中所包含的測尺長度Ls的數(shù)目。

3.3 干涉法

干涉法是通過移動被測目標(biāo)對相干光進行的測量，原則上是一種相位測距法，但是，它不是測量激光的調(diào)制信號的相位差，而是測量沒有經(jīng)過調(diào)制的光波本身的相位干涉來測距的。由于光有干涉性，兩列具有固定相位差，并且有相同的頻率、相同的振動方向而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。它是利用光的干涉原理而使激光束產(chǎn)生明暗相間的干涉性條紋，被光電轉(zhuǎn)換元件接收后轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)過處理后由計數(shù)器計數(shù)，以實現(xiàn)對位移量的檢測。

由于干涉法的高精度特點，使得它在測量大陸搬移、地殼變形、地球物理研究、地震和火山預(yù)報以及偵察地下核爆炸等方面有廣泛的應(yīng)用。但是，它只能測出相對距離，所以，要想在野外進行長距離絕對干涉測量和多值性鑒別很困難，目前在這方面的技術(shù)還沒有突破。

3.4 反饋法

反饋法測距精度高、速度快、儀器可以小型化和數(shù)字化，比較適用于各種電磁波的波源。它所采用的技術(shù)是：距離與傳輸時間互換、傳輸時間與振蕩頻率互換。測量系統(tǒng)閉環(huán)振蕩頻率從而來測量激光傳輸時間，進而達(dá)到激光測距的目的。此方法最早由前蘇聯(lián)人提出，并且實驗表明反饋法測距是非常有前景的。

但是反饋法也存在一定的問題，隨著測距的增加測距的精度會降低，大氣湍流也容易造成反饋信號的起伏，引起振蕩頻率不穩(wěn)，極易造成測量誤差。所以，反饋法測距技術(shù)適合短距離測距。

4 結(jié)語

激光的發(fā)明和應(yīng)用，是人類生產(chǎn)和生活的偉大進步。激光器雖然問世只有半個世紀(jì)，但是迅速發(fā)展，尤其是激光測距技術(shù)將激光的優(yōu)越性能發(fā)揮到了極致，激光測距較傳統(tǒng)的超聲波測距和射頻電磁波測距有明顯的優(yōu)越性。在軍事、工業(yè)和航天航空事業(yè)上都得到了廣泛的應(yīng)用。常用的脈沖法、干涉法、相位法和反饋法精確度高，在不同領(lǐng)域得到了實際應(yīng)用。

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