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THANK YOU VERY MUCH ! 本章到此结束, 谢谢您的光临! 第十章 辐射式传感器 * 第10章 辐射式传感器 10.2 激光传感器 激光技术是近代科学技术发展的重要成果之一,目前已被成功地应用于精密计量、军事、宇航、医学、生物、气象等各领域。 激光传感器虽然具有各种不同的类型,但它们都是将外来的能量(电能、热能、光能等)转化为一定波长的光,并以光的形式发射出来。激光传感器是由激光发生器、激光接收器及其相应的电路所组成的。 10.2.1 激光的本质 原子在正常分布状态下,多处于稳定的低能级El状态。如果没有外界的作用,原于可以长期保持这个状态。原子在得到外界能量后,由低能级向高能级跃迁的过程,叫做原子的激发。原子处于激发的时间是非常短的,处于激发状态的原子能够很快地跃迁到低能级上去,同时辐射出光子。这种处于激发状态的原子自发地从高能级跃迁到低能级上去而发光,叫做原子的自发辐射,如图10.2.1a所示。 10.2.1 激发与受激辐射过程 进行自发辐射时,各个原子的发光过程互不相关。它们辐射光子的传播方向,以及发光时原子由高能级向哪一个能级跃迁(即发光的频率讪等都具有偶然性。因此原子自发辐射的光是一系列不同频率的光子混合。对于光源的大量原子来说,这些光子的频率只服从于一定的统计规律。 10.2.1 激发与受激辐射过程 如果处于高能级的原子在外界作用影响下,发射光子而跃迁到低能级上去,这种发光叫做原子的受激辐射。设原子有能量为E1和E2的两个能级,而且E2 E1。当原子处于E2能级上时,在能量为的入射光子影响下,(h为普朗克常数,h=6.6256X10-34J·s,为光子的频率),这个原子可发生受激辐射而跃迁到E1能级上去,并发射出一个能量为的光子,如图10.2.1b所示。 10.2.2 光放大与吸收 在受激辐射过程中,发射光子不仅在能量上(或频率上)和入射光子相同,它们在相位、振动方向和发射方向上也完全一样。如果这些光子再引起其他原子发生受激辐射,这些原子所发射的光子在相位、发射方向、振动方向和频率上也都和最初引起受激辐射的入射光子相同,如图10.2.2a所示。 10.2.2 光放大与吸收 这样,在一个入射光子影响下,会引起大量原子的受激辐射,它们所发射的光子在相位、发射方向、振动方向和频率上都完全一样,这一过程也称为光放大,所以在受激发射时原子的发光过程不再是互不相关的,而是相互联系的。 另一方面,能量为的光子在媒质中传播时,也可以被处于E1能级上的粒子所吸收;而使这粒子跃迁到E2能级上去。在此情况下,入射光子被吸收而减少,如图10.2.2b所示。这个过程叫做光的吸收。 光的放大和吸收过程往往是同时进行的,总的结果可以是加强或减弱,这取决于这一对矛盾中哪一方处于支配地位。 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分布,激光在共振腔内往返放大过程叫做振荡放大,激光输出。 10.2.2 激光的特点 1 高方向性 高方向性就是高平行度,即光束的发散角小。激光束的发散角已达到几分甚至可小到。所以通常称激光是平行光。 2 高亮度 激光在单位面积上集中的能量很高。一台较高水平的红宝石脉冲激光器亮度达比太阳的发光亮度高出很多倍。把这种高亮度的激光束会聚后能产生几百万摄氏度的高温。在这种高温下,就是最难熔的金属,在一瞬间也会熔化。 3 单色性好 单色光是指谱线宽度很窄的一段光波。用表示波长,表示谱线宽度,则越小,单色性越好。在普通光源中最好的单色光源是氪(Kr86)灯。 4 高相干性 相干性就是指相干波在叠加区得到稳定的干涉条纹所表现的性质。普通光源是非相干光源,而激光是极好的相干光源。 由于激光具有上述特点,因此利用激光可以导向;做成激光干涉仪测量物体表面的平整度、测量长度、速度、转角;切割硬质材料等。随着科学技术的发展,激光的应用会更加普遍。 10.2.3 激光器 激光器的种类很多。按其工作物质可以分为气体、液体、固体、半导体激光器。 1 固体激光器 固体激光器的工作物质主要是掺杂晶体和掺杂玻璃,最常用的是红宝石(掺铬)、钕玻璃(掺钕)、钇铝石榴石(掺钕)。固体激光器的常用激励方式是光激励(简称光泵),也就是用强光去照射工作物质(一般为棒状,在光学共振腔中,它的轴线与两个反光镜相垂直),使之激发起来,从而发出激光。 为了有效地利用泵灯(用脉冲氙灯、氪弧灯、汞弧灯、碘钨灯等各种灯作为光泵源的简称)的光能,常采用各种聚光腔。如果工作物质和泵灯一起放在共振腔内,则腔内壁应镀上高反射率的金属薄层,使泵灯发出的光能集中照射在工作物质上。 图10.2.3 红宝石固体激光器 红宝石激光器如图10.2.
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