Qu'est-ce que le laser ?
Le laser (Amplification de la lumière par émission stimulée de radiation) signifie "amplification de la lumière par émission stimulée de radiation". C'est un peu compliqué et difficile à comprendre, alors commençons par examiner le diagramme suivant :
La radiation spontanée fait référence au processus par lequel un atome à un niveau d'énergie plus élevé passe spontanément à un niveau d'énergie inférieur, émettant un photon dans le processus. En termes simples, cela peut être compris comme suit : imaginez une balle à sa position la plus stable sur le sol. Lorsque cette balle est poussée dans les airs par une force externe (appelée pompage), et au moment où la force externe disparaît, la balle tombe de l'air et libère une certaine quantité d'énergie. Si cette balle représente un atome spécifique, alors pendant sa transition, l'atome émettra un photon d'une longueur d'onde spécifique.
La naissance du dispositif laser
En 1960, Theodore Maiman des Hughes Research Laboratories aux États-Unis a développé le premier laser rubis, émettant une lumière laser rouge à 694,3 nm, qui est largement reconnu comme le premier dispositif laser au monde.
La longueur d'onde du laser émise par le dispositif laser de Maiman était de 694,3 nm, ce qui se situe dans le spectre de la lumière visible, d'où la couleur rouge visible du faisceau laser. Dans les recherches et développements ultérieurs, les scientifiques ont inventé des lasers avec différentes longueurs d'onde. Actuellement, la longueur d'onde de laser la plus courante est de 1064 nm, qui se situe en dehors du spectre de la lumière visible et n'est donc pas visible à l'œil humain.
Classification des lasers
Après avoir compris le principe de génération du laser, les gens ont commencé à développer différentes formes de lasers. S'ils sont classés selon le milieu de travail du laser, ils peuvent être divisés en lasers à gaz, lasers à état solide, lasers à semi-conducteurs, etc.
- La classification des lasers à gaz comprend les lasers atomiques, moléculaires et ioniques. Le milieu de travail des lasers à gaz est un gaz ou une vapeur métallique, caractérisé par une large gamme de longueurs d'onde de sortie laser. Le type le plus courant est le laser CO2, où le CO2 sert de milieu de travail et génère un laser infrarouge de 10,6 um par excitation par décharge électrique.
En raison de la taille encombrante des lasers à gaz résultant de leur milieu de travail gazeux, et des longues longueurs d'onde qu'ils émettent, qui ne sont pas idéales pour le traitement des matériaux, les lasers à gaz ont rapidement été éliminés du marché. Ils ne sont maintenant utilisés que dans des domaines spécifiques, tels que le marquage laser sur certaines pièces en plastique.
- Classification des lasers à état solide : rubis, Nd:YAG, etc.
Les lasers à état solide utilisent des matériaux comme le rubis, le verre dopé au néodyme et le grenat d'aluminium et de yttrium (YAG) comme milieu actif. Ces lasers sont créés en dopant uniformément une petite quantité d'ions, appelés ions activateurs, dans la matrice cristalline ou en verre du matériau hôte. Les lasers à état solide se composent d'un milieu actif, d'un système de pompage, d'une cavité résonante et de systèmes de refroidissement et de filtrage.
Dans l'image ci-dessous, le carré noir au milieu représente le cristal laser, qui apparaît comme un morceau de verre transparent de couleur claire. Il est composé d'un cristal transparent dopé avec des métaux rares. C'est la structure atomique unique de ces métaux rares qui permet l'inversion de population (imaginez de nombreuses balles sur le sol poussées dans les airs) lorsqu'ils sont exposés à la lumière. Lorsque les particules subissent une transition et émettent des photons, et lorsqu'il y a suffisamment de photons, la lumière laser se forme. Pour s'assurer que la lumière laser émise est dirigée dans une seule direction, un miroir de réflexion totale (lentille de gauche) et un miroir de sortie semi-réfléchissant (lentille de droite) sont utilisés. Après que la lumière laser est émise, elle subit certains designs optiques pour former l'énergie laser.
L'image suivante représente un dispositif de transmission laser à fibre YAG typique. Sur la photo, la partie grise est la tige de cristal laser dopée avec des ions Nd. Elle est irradiée par une lampe au xénon rouge pour générer de la lumière laser. Après que le laser est couplé dans la fibre pour transmission, il atteint la surface de la pièce à usiner.
En raison de l'usure certaine de la lampe au xénon qui émet la lumière laser, similaire à la façon dont les lampes fluorescentes à la maison peuvent tomber en panne après une période d'utilisation, des améliorations ont été apportées au laser éclairé par des lampes fluorescentes. Si la lampe fluorescente est remplacée par un semi-conducteur qui émet des photons par des transitions électroniques internes, la durée de vie du laser sera considérablement prolongée. Des améliorations au laser à état solide YAG ont été apportées sur deux aspects : d'une part, la lampe au xénon (consommable) qui excite le laser a été remplacée par un semi-conducteur (photodiode) ; d'autre part, la tige de cristal laser a été modifiée pour dopper directement des ions de terres rares dans la fibre. En conséquence, un laser à état solide encombrant a été intégré dans un petit générateur laser. Après intégration, ce type de laser est appelé laser à fibre.
En ce qui concerne les lasers à semi-conducteurs, ils peuvent être simplement compris comme une photodiode. À l'intérieur de la diode, il y a une jonction PN. Lorsqu'un certain courant est appliqué, des transitions d'électrons se produisent à l'intérieur du semi-conducteur, libérant des photons et générant ainsi de la lumière laser.
Lorsque l'énergie laser libérée par le semi-conducteur est relativement faible, des dispositifs semi-conducteurs de faible puissance peuvent être utilisés comme source de pompage (source d'excitation) pour les lasers à fibre, formant ainsi un laser à fibre.
Si la puissance du laser à semi-conducteur est encore augmentée à un niveau où elle peut être directement sortie pour traiter des matériaux, elle devient un laser à semi-conducteur direct. Actuellement, les lasers à semi-conducteur directs sur le marché ont atteint le niveau de 10 000 watts.
En plus des lasers mentionnés ci-dessus, les gens ont également inventé des lasers liquides, également connus sous le nom de lasers à carburant. Comparés aux lasers solides, les lasers liquides sont plus complexes en termes de volume et de matériaux de travail, et sont rarement utilisés.
Le principe des télémètres laser
En plus d'utiliser des lasers pour le traitement des matériaux dans l'industrie, d'autres domaines tels que l'aérospatiale et l'armée développent constamment des applications laser. L'utilisation des lasers dans l'aviation et les applications militaires augmente constamment, et la principale application laser dans ce domaine est la télémétrie laser. Le principe de la télémétrie laser est que la distance est égale à la vitesse multipliée par le temps. Étant donné que la vitesse de la lumière est fixe, et que le temps de propagation de la lumière peut être détecté par un dispositif de détection, la distance à l'objet mesuré peut être calculée.
Le schéma est comme suit :
Quelles sont les applications des télémètres laser ?
Les télémètres laser sont largement utilisés dans l'aérospatiale. Apollo 15 a emporté un équipement spécial sur la lune lors de sa mission d'atterrissage lunaire - un grand réflecteur de coin, qui était utilisé pour réfléchir le faisceau laser émis depuis la Terre. En enregistrant le temps de trajet aller-retour, la distance entre la Terre et la Lune peut être calculée. Pendant ce temps, les télémètres laser sont également utilisés dans d'autres domaines aérospatiaux :
- Applications militaires des télémètres laser :
De nombreux systèmes de recherche et de suivi photoélectriques sur les chasseurs et les équipements de combat terrestre sont équipés de télémètres laser, qui peuvent déterminer avec précision la distance à l'ennemi et faire des préparations défensives correspondantes. Parmi eux, certaines armes de combat terrestre, telles que les fusils de combat terrestre, sont équipées de télémètres laser pour connaître la distance entre l'ennemi et nous. Avec l'application des télémètres laser dans l'armée, les gens étudient constamment les systèmes de reconnaissance d'armes laser.
Parmi eux, une caméra infrarouge peut être utilisée pour observer le faisceau laser, suivre la source lumineuse en fonction du faisceau laser et localiser le faisceau laser, comme le montre la situation de la source laser observée par la caméra infrarouge :
-
Application de la télémétrie laser dans l'arpentage et la cartographie du terrain
Les télémètres laser utilisés dans l'arpentage et la cartographie du terrain sont communément appelés altimètres laser, qui sont principalement montés sur des avions ou des satellites pour mesurer les données d'élévation. Par exemple, les altimètres laser "Chang'e-1" et "Chang'e-2" étaient des charges utiles clés des satellites d'exploration lunaire, chargés d'obtenir des données d'élévation tridimensionnelles de la surface lunaire. Le satellite "Chang'e-1" a été lancé en 2007, tandis que le satellite "Chang'e-2" a été lancé en 2010. En combinant les données d'élévation avec des images d'une caméra stéréo CCD, les formes de terrain de base de la surface lunaire ont été obtenues, les unités structurelles ont été délimitées, et une préliminaire.Une carte de contour géologique et structurel de la Lune a été compilée. En plus des données d'élévation, l'altimètre laser "Chang'e-2" a également acquis des informations sur la réflectance de la surface lunaire, fournissant des données de référence pour les atterrissages doux ultérieurs. -
Application de la télémétrie laser dans l'atterrissage autonome des engins spatiaux
Utiliser des sondes non habitées pour atterrir sur les surfaces de corps célestes cibles tels que la Lune, Mars ou des astéroïdes pour l'exploration de terrain et même le retour d'échantillons est une voie importante pour l'exploration humaine de l'univers et un point chaud dans le développement des futures activités d'exploration spatiale lointaine. Le lancement de satellites ou de sondes pour des atterrissages doux sur d'autres surfaces planétaires est une direction cruciale dans l'exploration spatiale. -
Application de la télémétrie laser dans le rendez-vous et l'amarrage autonomes dans l'espace
Le rendez-vous et l'amarrage autonomes dans l'espace est un processus extrêmement complexe et précis. Le processus de rendez-vous fait référence à la rencontre de deux ou plusieurs engins spatiaux à une position et un moment prédéterminés dans l'orbite spatiale, avec une distance de travail de 100 km à 10 m. Ce processus nécessite une guidance GPS, un radar micro-ondes, un lidar et des capteurs d'imagerie optique pour la mesure. L'amarrage spatial fait référence à la connexion mécanique de deux engins spatiaux après leur rencontre dans l'orbite spatiale, avec une distance de travail de 10 m à 0 m. Ce processus repose principalement sur des capteurs de guidage vidéo avancés (AVGS).
- Application de la télémétrie laser dans la détection des débris spatiaux
La détection des débris spatiaux est actuellement l'un des domaines d'application importants de la technologie de détection laser dans l'espace lointain. Les États-Unis et la Russie, qui mènent des activités spatiales depuis longtemps, représentent plus de 90 % du total des débris spatiaux générés. Personne ne peut compter le nombre exact de débris spatiaux. Actuellement, les humains ne peuvent suivre et surveiller que les débris d'un diamètre de 10 centimètres ou plus. Il y a actuellement plus de 17 000 tels débris, et seuls les États-Unis et la Russie dans le monde ont la capacité de les surveiller tous. La NASA (National Aeronautics and Space Administration) a attribué un numéro à chaque débris. On estime qu'il y a des dizaines de millions à des centaines de millions de débris de moins de 1 centimètre, et les engins spatiaux ne peuvent plus éviter de les heurter. Ils ne peuvent que réagir en renforçant leurs propres capacités de protection. Afin de développer et d'utiliser de manière sûre et durable les ressources spatiales, il est nécessaire d'améliorer continuellement la technologie de suivi et de surveillance des débris spatiaux, d'améliorer la capacité d'analyser et de prédire l'environnement des débris spatiaux, et de rechercher des mesures efficaces pour contrôler les débris spatiaux.
Direction de développement des télémètres laser
Actuellement, les télémètres laser se développent vers une taille plus petite, une précision plus élevée et des distances de mesure plus longues. Parmi eux, les principaux fabricants de télémètres laser sur le marché incluent Keyence et Leica.
ERDI est à la pointe du monde dans le domaine des télémètres laser de 1535 nm. Adhérant aux valeurs de défense militaire et de paix humaine, l'entreprise a adopté une technologie laser en verre d'erbium de 1535 nm auto-développée pour fabriquer des lasers en verre d'erbium de 1535 nm et produire une série de modules de télémètre laser de 1535 nm. Ces modules sont sûrs pour les yeux humains, avec une capacité de mesure de 1 à 35 kilomètres, une haute précision, des performances stables, une faible consommation d'énergie, une petite taille et une structure compacte. Ils permettent 107 émissions de lumière et ont une longue durée de vie, fournissant d'excellentes solutions de télémétrie laser pour les drones, les plateformes aéroportées et d'autres plateformes optoélectroniques. Ils sont équipés d'interfaces électriques de communication UART (TTL_3.3V), RS232 et RS422 (choisissez l'une des trois). Avec un logiciel de l'ordinateur hôte intégré, un ensemble d'instructions et un protocole de communication, il est pratique pour les utilisateurs de réaliser un développement secondaire. Ci-dessous se trouvent quelques paramètres de base de plusieurs modèles. Pour plus de produits de télémètres laser de 1535 nm, veuillez visiter https://erdicn.com/collections/1535nm-laser-rangefinder-module.
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Spécifications LRF |
LRF00308C |
LRF0612C |
LRF0815C |
LRF1017C |
LRF1221C |
LRF1830C |
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Plage étendue (km) |
4.2 |
7.1 |
20 |
20 |
25 |
30 |
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Plage vers le véhicule de l'OTAN (2.3 × 2.3m) |
Mesure unique (km) |
3.5 |
6 |
8 |
10 |
12 |
18 |
|
Continue (10Hz) (km) |
3.5 |
6 |
8 |
10 |
12 |
18 |
|
|
Humain (.5 x 1.8m) mesure unique (nm) |
2 |
3.8 |
4 |
5 |
6 |
9 |
|
|
Humain (.5 x 1.8m) continue (10Hz) (nm) |
2 |
3.8 |
4 |
5 |
6 |
9 |
|
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Longueur d'onde (nm) |
1535±1 |
1535±1 |
1535±5 |
1535±5 |
1535±5 |
1535±5 |
|
|
Temps de mesure unique (s) |
≤0.03 |
≤0.03 |
≤0.5 |
≤0.5 |
≤0.5 |
≤0.5 |
|
|
Mesure continue (1, 4, 10, 20, 100, 200, 500 Hz) |
1~10 (ajustable) |
1~10 (ajustable) |
1~10 (ajustable) |
1~10 (ajustable) |
1~10 (ajustable) |
1~10 (ajustable) |
|
|
Précision (cm) |
±100 |
±100 |
200 |
200 |
200 |
200 |
|
|
Taux de détection erronée (%) |
≤1% |
≤1% |
≤1% |
≤1% |
≤1% |
≤1% |
|
|
Divergence du faisceau (Hrz × Vrt) (mrad) |
~0.6 |
~0.3 |
≤0.35 |
≤0.35 |
≤0.3 |
≤0.3 |
|
|
Distinction de cible (m) |
20 |
50 |
30 |
30 |
30 |
30 |
|
|
Résolution de la plage de détection (m) |
1 |
1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
|
|
Laser d'alignement (oui/non) |
Oui |
Oui |
Oui |
Oui |
Oui |
Oui |
|
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Classe laser |
Classe1 |
Classe1 |
Classe1 |
Classe1 |
Classe1 |
Classe1 |
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|
Consommation d'énergie (W） |
≤2w |
≤4w |
2W |
2W |
2.5W |
3W |
|
|
Durée de vie MTBF avec hypothèses |
≥1500h |
≥1500h |
1×106Nombre de lancements |
1×106Nombre de lancements |
1×106Nombre de lancements |
1×106Nombre de lancements |
|
|
Interface série |
Uart（TTL_3.3V） |
Uart（TTL_3.3V） |
422/TTL |
422/TTL |
422/TTL |
422/TTL |
|
|
Température de fonctionnement |
-40~70℃ |
-40~70℃ |
-40℃-＋65℃ |
-40℃-＋65℃ |
-40℃-＋65℃ |
-40℃-＋65℃ |
|
|
Dimensions （mm) |
≤48×31×25 |
≤65×48×32 |
≤80×64×42 |
≤107×62×72 |
≤115×60×62 |
≤125×100×70 |
|
|
Poids (g) |
≤32±1 |
≤58±1 |
≤180 |
≤280 |
≤350 |
≤410 |
|
Remarques :
- Taille de la cible 2.3 x 2.3 m, visibilité 25 km, temps de mesure maximum, réflectivité de la cible 30 %, probabilité de détection 90 %.
- À 6 km de réglage de portée. À 12 km de réglage de portée, le temps de mesure est de 0.5 à 2.4 secondes
- Les performances de portée dépendent du taux appliqué.
- Selon la distance et la réflectivité de la cible.
- Selon le niveau de signal reçu. Jusqu'à trois (3) cibles : Première, Deuxième et Dernière *6) Consommation d'énergie < 1.8 W sélectionnable avec 85 % de performance de portée.
- Consommation d'énergie <2 W sélectionnable avec 85 % de performance de portée.
- Classe 1 / Classe 1M.
- Dans CMM 10 Hz performance de portée vers la cible de l'OTAN 7300 / 13500 m
SMM= Mode de mesure unique
CMM = Mode de mesure continue
Résumé :
Connu sous le nom de "lame la plus rapide" et de "règle la plus précise", les lasers seront appliqués dans divers aspects de la vie des gens et trouveront des applications étendues dans les domaines de l'aviation et militaire. Les lasers sont à la fois un outil et une arme. Il est important que nous les utilisions tous pacifiquement, en aspirant à la paix mondiale.