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                淺談激光傳感器中激光形成的三個條件

                更新時間: 2019-12-28 14:14 來源: 勒夫邁 編輯: 數字式激光灰塵傳感器 閱覽: ? 技術文檔
                 

                激光傳感器它由激光器、激光檢測器和測量電路組成,利用激光技術進行測量的傳感器。光是媒質的粒子(原子或分子)受激輻射產生的,但它必須具備下述的條件才能得到。

                淺談激光傳感器中激光形成的三個條件-勒夫邁LUFTMY

                1.粒子數反轉

                如何才能實現光放大呢?當媒質處于熱平衡狀態時,它的粒子在各能級上的分布遵從一定的統計規律。在恒定的溫度下,粒子數據能量的分布用下式表示

                粒子數據能量的分布式-勒夫邁LUFTMY

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

                上式說明,對應于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大于處于高能級上的粒子數。在這種情況下,光吸收是主要的。要實現光的放大,必須使N2>N1,這種不平衡狀態分布叫做粒子數反轉,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反轉分布。下圖(a)表示媒質中粒子能級的正常分布,媒質中大部分粒子處在低能級(以黑點表示),只有少數粒子處于高能級(以圓圈表示);下圖(b)表示在外界激發的條件下形成了粒子數反轉。

                媒質中粒子能級的正常分布與粒子數反轉-勒夫邁LUFTMY

                2.激發器的光振蕩放大

                要想產生激光,單靠外界激發而得到的初級受激輻射是不行的。實際的激光器都是由一個粒子數反轉的粒子系統(叫做工作物質)和一個光學共振腔組成。光學共振腔由兩端為各種形狀的曲面反射鏡構成。最簡單的光學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,而工作物質封裝在有兩個反射鏡的封閉體中。 

                當工作物質產生受激福射時,受激輻射在兩反射鏡之間作一定次數的往返反射,而每次返回時都會經過建立了粒子數反轉分布的工作物質,這樣將使受激輻射一次又一次地加強,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度非常集中的激光輸出為止。我們把激光在共振腔內的往返放大過程叫做振蕩放大。被激發的工作物質中的某些原子受激輻射而放出光子,如果發射方向正好和腔軸線平行,則可能在腔內起放大作用。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、工作物質對光的散射和吸收等),就形成穩定的光振蕩而產生激光,以很好的方向沿軸向輸出,如圖(b)和圖(c)所示。

                激發器的光振蕩放大-勒夫邁LUFTMY

                在實際應用中,激光器發出的光按受激方法不同,有連續激光器和脈沖激光器之分。前者的激光輸出是連續光,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,它的持續時間約1~2ms,由脈沖氙燈激勵。   

                3.激光輸出

                激光光束在激光器的共振腔內往返振蕩放大,那么怎樣輸出呢?共振腔內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。在實際設計中,盡量使一側反射鏡對激光波長的反射率接近100%,而另一側反射鏡則稍低一些,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選擇,如果反射率太低,雖然透光能力強了,但對腔內光束損失太大,就會影響振蕩器的放大倍數,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驗來確定。 

                激光傳感器應用案例-數字式激光灰塵傳感器

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                數字式激光灰塵傳感器-勒夫邁LUFTMY

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