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解決方案

激光傳感器發(fā)射激光波的原理

來源:工控課堂2019-08-03 我要評論(0 )   

導(dǎo)讀:激光是媒質(zhì)的粒子(原子或分子)受激輻射產(chǎn)生的,但它必須具備下述的條件才能得到。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)如何才能實(shí)現(xiàn)光放大呢?當(dāng)媒

導(dǎo)讀:激光是媒質(zhì)的粒子(原子或分子)受激輻射產(chǎn)生的,但它必須具備下述的條件才能得到。

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

如何才能實(shí)現(xiàn)光放大呢?當(dāng)媒質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時,它的粒子在各能級上的分布遵從一定的統(tǒng)計規(guī)律。在恒定的溫度下,粒子數(shù)據(jù)能量的分布用下式表示

式中,N1和N2分別為對應(yīng)于E1和E2能級上的粒子數(shù);T為絕對溫度;k為玻爾茲曼常數(shù)。

上式說明,對應(yīng)于T>0的任意值,只要在,E2>E1就有況N1>N2,這說明處于低能級上的粒子數(shù)大于處于高能級上的粒子數(shù)。在這種情況下,光吸收是主要的。要實(shí)現(xiàn)光的放大,必須使N2>N1,這種不平衡狀態(tài)分布叫做粒子數(shù)反轉(zhuǎn),可以通過氣體放電或光照射等從外界供給能量的方法來獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。下圖(a)表示媒質(zhì)中粒子能級的正常分布,媒質(zhì)中大部分粒子處在低能級(以黑點(diǎn)表示),只有少數(shù)粒子處于高能級(以圓圈表示)。下圖(b)表示在外界激發(fā)的條件下形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

圖 媒質(zhì)中粒子能級的正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

激發(fā)器的光振蕩放大

要想產(chǎn)生激光,單靠外界激發(fā)而得到的初級受激輻射是不行的。實(shí)際的激光器都是由一個粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的粒子系統(tǒng)(叫做工作物質(zhì))和一個光學(xué)共振腔組成。光學(xué)共振腔由兩端為各種形狀的曲面反射鏡構(gòu)成。最簡單的光學(xué)共振腔是兩面相互平行的平面反射鏡,鏡面對光有很高的反射率,而工作物質(zhì)封裝在有兩個反射鏡的封閉體中。

當(dāng)工作物質(zhì)產(chǎn)生受激福射時,受激輻射在兩反射鏡之間作一定次數(shù)的往返反射,而每次返回時都會經(jīng)過建立了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì),這樣將使受激輻射一次又一次地加強(qiáng),如下圖所示。這樣幾十次、幾百次的往返,直至能獲得單方向的強(qiáng)度非常集中的激光輸出為止。我們把激光在共振腔內(nèi)的往返放大過程叫做振蕩放大。被激發(fā)的工作物質(zhì)中的某些原子受激輻射而放出光子,如果發(fā)射方向正好和腔軸線平行,則可能在腔內(nèi)起放大作用。一部分偏離軸線方向的光子則跑出腔外面而成為一種損耗,如圖(a)所示。若光在來回反射過程中,放大作用克服了各種衰減作用(如共振腔的透射、工作物質(zhì)對光的散射和吸收等),就形成穩(wěn)定的光振蕩而產(chǎn)生激光,以很好的方向沿軸向輸出,如圖(b)和圖(c)所示。

圖 光振蕩器的工作過程

在實(shí)際應(yīng)用中,激光器發(fā)出的光按受激方法不同,有連續(xù)激光器和脈沖激光器之分。前者的激光輸出是連續(xù)光,如氮氖氣體激光器;后者的激光輸出是脈沖式的,如固體紅寶石激光器,它的持續(xù)時間約1?2 ms,由脈沖氙燈激勵。

激光輸出

激光光束在激光器的共振腔內(nèi)往返振蕩放大,那么怎樣輸出呢?共振腔內(nèi)的反射鏡起著反射光束使其往返振蕩作用,從光放大角度看,反射率越高,光損失越小,放大效果越好。在實(shí)際設(shè)計中,盡量使一側(cè)反射鏡對激光波長的反射率接近100%,而另一側(cè)反射鏡則稍低一些,例如98%以上。這樣輸出端的透鏡將有激光穿透,該端即為激光的輸出端。

對于輸出端透鏡的反射率要適當(dāng)選擇,如果反射率太低,雖然透光能力強(qiáng)了,但對腔內(nèi)光束損失太大,就會影響振蕩器的放大倍數(shù),這樣輸出必然減弱。目前,最佳反射率一般在給定激光條件下由實(shí)驗來確定。

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激光傳感器激發(fā)器
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