Что такое лазер?
Лазер (Усиление света за счет стимулированного излучения), означает "усиление света за счет стимулированного излучения". Это немного сложно для понимания, поэтому давайте начнем с изучения следующей схемы:
Спонтанное излучение относится к процессу, при котором атом на более высоком энергетическом уровне спонтанно переходит на более низкий энергетический уровень, излучая при этом фотон. Проще говоря, это можно понять следующим образом: представьте себе мяч в его наиболее стабильном положении на земле. Когда этот мяч поднимается в воздух под воздействием внешней силы (известной как накачка), и в момент, когда внешняя сила исчезает, мяч падает с воздуха и высвобождает определенное количество энергии. Если этот мяч представляет собой конкретный атом, то во время его перехода атом будет излучать фотон определенной длины волны.
Рождение лазерного устройства
В 1960 году Теодор Мейман из Исследовательских лабораторий Хьюза в Соединенных Штатах разработал первый рубиновый лазер, излучающий красный лазерный свет на длине волны 694,3 нм, который широко признан первым лазерным устройством в мире.
Длина волны лазера, излучаемого лазерным устройством Меймана, составила 694,3 нм, что попадает в видимый спектр света, поэтому лазерный луч имеет видимый красный цвет. В последующих исследованиях и разработках ученые изобрели лазеры с различными длинами волн. В настоящее время наиболее распространенной длиной волны лазера является 1064 нм, которая находится за пределами видимого спектра света и, следовательно, не видима для человеческого глаза.
Классификация лазеров
После того как был усвоен принцип генерации лазера, люди начали разрабатывать различные формы лазеров. Если классифицировать по рабочей среде лазера, их можно разделить на газовые лазеры, твердотельные лазеры, полупроводниковые лазеры и т.д.
- Классификация газовых лазеров включает атомные, молекулярные и ионные лазеры. Рабочей средой газовых лазеров является газ или металлический пар, характеризующийся широким диапазоном длин волн лазерного излучения. Наиболее распространенным типом является CO2-лазер, где CO2 служит рабочей средой и генерирует инфракрасный лазер на длине волны 10,6 мкм через электрическое разрядное возбуждение.
Из-за громоздкого размера газовых лазеров, вызванного их газообразной рабочей средой, и длинных длин волн, которые они излучают, что не идеально для обработки материалов, газовые лазеры быстро вышли из рынка. В настоящее время они используются только в определенных областях, таких как лазерная маркировка на определенных пластиковых деталях.
- Классификация твердотельных лазеров: рубиновый, Nd:YAG и т.д.
Твердотельные лазеры используют такие материалы, как рубин, стекло с добавлением неодима и алюминат иттрия (YAG) в качестве активной среды. Эти лазеры создаются путем равномерного легирования небольшого количества ионов, известных как активаторные ионы, в кристаллическую или стеклянную матрицу основного материала. Твердотельные лазеры состоят из активной среды, системы накачки, резонаторной камеры и систем охлаждения и фильтрации.
На изображении ниже черный квадрат в центре представляет собой лазерный кристалл, который выглядит как прозрачный светлый кусок стекла. Он состоит из прозрачного кристалла, легированного редкоземельными металлами. Именно уникальная атомная структура этих редкоземельных металлов позволяет осуществлять инверсии населения (представьте себе множество мячей на земле, которые поднимаются в воздух) при воздействии света. Когда частицы переходят и излучают фотоны, и когда фотоны накапливаются в достаточном количестве, формируется лазерный свет. Чтобы обеспечить направление излучаемого лазерного света в одном направлении, используются зеркала полного отражения (левый объектив) и полупрозрачное выходное зеркало (правый объектив). После того как лазерный свет излучается, он проходит через определенные оптические конструкции для формирования лазерной энергии.
Следующее изображение иллюстрирует типичное устройство передачи лазерного волокна YAG. На картинке серый элемент - это лазерный кристаллический стержень, легированный ионами Nd. Он облучается красной ксеноновой лампой для генерации лазерного света. После того как лазер соединяется с волокном для передачи, он достигает поверхности обрабатываемой детали.
Из-за определенного износа ксеноновой лампы, излучающей лазерный свет, аналогично тому, как флуоресцентные лампы в домашних условиях могут выйти из строя после определенного времени использования, были внесены улучшения в лазер, освещаемый флуоресцентными лампами. Если флуоресцентная лампа заменяется полупроводником, который излучает фотоны через внутренние электронные переходы, срок службы лазера будет значительно увеличен. Улучшения твердотельного лазера YAG были внесены в двух аспектах: с одной стороны, ксеноновая лампа (расходный материал), возбуждающая лазер, была заменена полупроводником (фотодиодом); с другой стороны, лазерный кристаллический стержень был модифицирован для прямого легирования редкоземельных ионов в волокно. В результате громоздкий твердотельный лазер был интегрирован в небольшой лазерный генератор. После интеграции этот тип лазера называется волоконным лазером.
Что касается полупроводниковых лазеров, их можно просто понять как фотодиод. Внутри диода находится PN-переход. Когда прикладывается определенный ток, происходят электронные переходы внутри полупроводника, высвобождая фотоны и тем самым генерируя лазерный свет.
Когда лазерная энергия, высвобождаемая полупроводником, относительно мала, устройства с низкой мощностью могут использоваться в качестве источника накачки (источника возбуждения) для волоконных лазеров, тем самым формируя волоконный лазер.
Если мощность полупроводникового лазера дополнительно увеличивается до уровня, на котором он может быть непосредственно использован для обработки материалов, он становится прямым полупроводниковым лазером. В настоящее время прямые полупроводниковые лазеры на рынке достигли уровня 10 000 ватт.
Помимо вышеупомянутых лазеров, люди также изобрели жидкие лазеры, также известные как топливные лазеры. По сравнению с твердыми лазерами, жидкие лазеры более сложны по объему и рабочим материалам и редко используются.
Принцип лазерных дальномеров
Помимо использования лазеров для обработки материалов в промышленности, в других областях, таких как аэрокосмическая и военная, постоянно разрабатываются лазерные приложения. Использование лазеров в авиации и военных приложениях постоянно увеличивается, и основное применение лазеров в этой области - лазерное дальномерение. Принцип лазерного дальномерения заключается в том, что расстояние равно скорости, умноженной на время. Поскольку скорость света фиксирована, а время распространения света может быть обнаружено с помощью устройства обнаружения, расстояние до измеряемого объекта может быть рассчитано.
Схематическая диаграмма представлена ниже:
Каковы применения лазерных дальномеров?
Лазерные дальномеры широко используются в аэрокосмической отрасли. Аполлон 15 взял специальное оборудование на Луну во время своей лунной миссии - большой угловой отражатель, который использовался для отражения лазерного луча, излучаемого с Земли. Записывая время в пути, можно рассчитать расстояние между Землей и Луной. Тем временем лазерные дальномеры также используются в других областях аэрокосмической отрасли:
- Военные применения лазерных дальномеров:
Многие фотоэлектрические системы поиска и отслеживания на истребителях и наземном боевом оборудовании оснащены лазерными дальномерами, которые могут точно определять расстояние до противника и делать соответствующие оборонительные приготовления. Среди них некоторые наземные боевые оружия, такие как наземные боевые винтовки, оснащены лазерными дальномерами, чтобы знать расстояние между противником и нами. С применением лазерных дальномеров в армии люди постоянно изучают системы разведки лазерного оружия.
Среди них инфракрасная камера может использоваться для наблюдения за лазерным лучом, отслеживания источника света на основе лазерного луча и локализации лазерного луча, как показано в ситуации, когда лазерный источник наблюдается инфракрасной камерой:
-
Применение лазерного дальномерения в геодезии и картографии
Лазерные дальномеры, используемые в геодезии и картографии, обычно известны как лазерные альтиметры, которые в основном устанавливаются на самолетах или спутниках для измерения данных о высоте. Например, лазерные альтиметры "Чанъэ-1" и "Чанъэ-2" были ключевыми полезными нагрузками лунных спутников, задачей которых было получение трехмерных данных о высоте поверхности Луны. Спутник "Чанъэ-1" был запущен в 2007 году, в то время как спутник "Чанъэ-2" был запущен в 2010 году. Объединив данные о высоте с изображениями с CCD-стереокамеры, были получены основные формы рельефа лунной поверхности, были очерчены структурные единицы и проведено предварительное...Геологическая и структурная карта Луны была составлена. В дополнение к данным о высоте, лазерный альтиметр "Чанъэ-2" также получил информацию о отражательной способности лунной поверхности, предоставляя справочные данные для последующих мягких посадок. -
Применение лазерного дальномера в автономной посадке космических аппаратов
Использование беспилотных зондов для посадки на поверхности целевых небесных тел, таких как Луна, Марс или астероиды, для полевых исследований и даже возврата образцов является важным направлением для человеческой экспансии в космос и горячей темой в развитии будущих глубококосмических исследований. Запуск спутников или зондов для мягкой посадки на поверхности других планет является ключевым направлением в космических исследованиях. -
Применение лазерного дальномера в автономных космических сближения и стыковки
Автономное космическое сближение и стыковка — это чрезвычайно сложный и точный процесс. Процесс сближения подразумевает встречу двух или более космических аппаратов в заранее определенной позиции и времени в космической орбите, с рабочим расстоянием от 100 км до 10 м. Этот процесс требует GPS-навигации, микроволнового радара, лидаров и оптических сенсоров для измерения. Космическая стыковка подразумевает механическое соединение двух космических аппаратов после их встречи в космической орбите, с рабочим расстоянием от 10 м до 0 м. Этот процесс в основном полагается на современные видео-навигационные сенсоры (AVGS).
- Применение лазерного дальномера в обнаружении космического мусора
Обнаружение космического мусора в настоящее время является одной из важных областей применения технологий глубококосмического лазерного обнаружения. Соединенные Штаты и Россия, которые долгое время проводили космическую деятельность, составляют более 90% от общего объема образованного космического мусора. Никто не может подсчитать точное количество космического мусора. В настоящее время человечество может отслеживать и контролировать только мусор диаметром 10 сантиметров и более. В настоящее время существует более 17 000 таких объектов, и только Соединенные Штаты и Россия в мире имеют возможность отслеживать их все. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) присвоило каждому мусору номер. По оценкам, существует десятки миллионов до сотен миллионов объектов меньше 1 сантиметра, и космические аппараты больше не могут избегать столкновений с ними. Они могут только реагировать, усиливая свои собственные защитные возможности. Для безопасного и устойчивого развития и использования космических ресурсов необходимо постоянно улучшать технологии отслеживания и мониторинга космического мусора, повышать способность анализировать и предсказывать космическую среду мусора и искать эффективные меры для контроля космического мусора.
Направление развития лазерных дальномеров
В настоящее время лазерные дальномеры развиваются в сторону уменьшения размера, повышения точности и увеличения расстояний измерения. Среди них основные производители лазерных дальномеров на рынке включают Keyence и Leica.
ERDI находится на переднем крае мира в области лазерных дальномеров с длиной волны 1535 нм. Придерживаясь ценностей военной обороны и человеческого мира, компания использует самостоятельно разработанную технологию лазеров из эрбиевого стекла с длиной волны 1535 нм для производства лазеров из эрбиевого стекла и выпускает серию модулей лазерных дальномеров 1535 нм. Эти модули безопасны для человеческих глаз, с диапазоном измерения от 1 до 35 километров, высокой точностью, стабильной производительностью, низким потреблением энергии, небольшими размерами и компактной структурой. Они позволяют производить 107 световых излучений и имеют долгий срок службы, предоставляя отличные решения для лазерного дальномера для дронов, воздушных и других оптоэлектронных платформ. Они оснащены электрическими интерфейсами связи UART (TTL_3.3V), RS232 и RS422 (выберите один из трех). С встроенным программным обеспечением для хост-компьютера, набором команд и коммуникационным протоколом, это удобно для пользователей для проведения вторичной разработки. Ниже приведены некоторые основные параметры нескольких моделей. Для получения дополнительной информации о продуктах лазерного дальномера 1535 нм, пожалуйста, посетите https://erdicn.com/collections/1535nm-laser-rangefinder-module.
|
Спецификации LRF |
LRF00308C |
LRF0612C |
LRF0815C |
LRF1017C |
LRF1221C |
LRF1830C |
|
|
Расширенный диапазон (км) |
4.2 |
7.1 |
20 |
20 |
25 |
30 |
|
|
Диапазон до транспортного средства НАТО (2.3 × 2.3 м) |
Единичное измерение (км) |
3.5 |
6 |
8 |
10 |
12 |
18 |
|
Непрерывное (10 Гц) (км) |
3.5 |
6 |
8 |
10 |
12 |
18 |
|
|
Человек (.5 x 1.8 м) единичное измерение (нм) |
2 |
3.8 |
4 |
5 |
6 |
9 |
|
|
Человек (.5 x 1.8 м) непрерывное (10 Гц) (нм) |
2 |
3.8 |
4 |
5 |
6 |
9 |
|
|
Длина волны (нм) |
1535±1 |
1535±1 |
1535±5 |
1535±5 |
1535±5 |
1535±5 |
|
|
Время единичного измерения（с) |
≤0.03 |
≤0.03 |
≤0.5 |
≤0.5 |
≤0.5 |
≤0.5 |
|
|
Непрерывное измерение(1, 4, 10, 20, 100, 200, 500 Гц) |
1~10(Регулируемое) |
1~10(Регулируемое) |
1~10(Регулируемое) |
1~10(Регулируемое) |
1~10(Регулируемое) |
1~10(Регулируемое) |
|
|
Точность (см) |
±100 |
±100 |
200 |
200 |
200 |
200 |
|
|
Частота ложных срабатываний (%) |
≤1% |
≤1% |
≤1% |
≤1% |
≤1% |
≤1% |
|
|
Расходимость луча (Горизонтальная × Вертикальная) (мрад) |
~0.6 |
~0.3 |
≤0.35 |
≤0.35 |
≤0.3 |
≤0.3 |
|
|
Различение цели (м) |
20 |
50 |
30 |
30 |
30 |
30 |
|
|
Разрешение диапазона (м) |
1 |
1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
|
|
Лазер для выравнивания (да/нет) |
Да |
Да |
Да |
Да |
Да |
Да |
|
|
Класс лазера |
Класс1 |
Класс1 |
Класс1 |
Класс1 |
Класс1 |
Класс1 |
|
|
Потребление энергии (Вт） |
≤2w |
≤4w |
2W |
2W |
2.5W |
3W |
|
|
Срок службы MTBF с предположениями |
≥1500h |
≥1500h |
1×106Количество запусков |
1×106Количество запусков |
1×106Количество запусков |
1×106Количество запусков |
|
|
Серийный интерфейс |
Uart（TTL_3.3V） |
Uart（TTL_3.3V） |
422/TTL |
422/TTL |
422/TTL |
422/TTL |
|
|
Рабочая температура |
-40~70℃ |
-40~70℃ |
-40℃-＋65℃ |
-40℃-＋65℃ |
-40℃-＋65℃ |
-40℃-＋65℃ |
|
|
Размеры （мм) |
≤48×31×25 |
≤65×48×32 |
≤80×64×42 |
≤107×62×72 |
≤115×60×62 |
≤125×100×70 |
|
|
Вес (г) |
≤32±1 |
≤58±1 |
≤180 |
≤280 |
≤350 |
≤410 |
|
Примечания:
- Размер цели 2.3 x 2.3 м, видимость 25 км, максимальное время измерения, отражательная способность цели 30%, вероятность обнаружения 90%.
- При установке диапазона 6 км. При установке диапазона 12 км время измерения составляет 0.5- 2.4 секунды
- Производительность диапазона зависит от применяемой скорости.
- В зависимости от расстояния и отражательной способности цели.
- В зависимости от уровня принимаемого сигнала. До трех (3) целей: Первая, Вторая и Последняя *6) Потребление энергии < 1.8 Вт выбирается с 85 % производительностью диапазона.
- Потребление энергии <2 Вт выбирается с 85 % производительностью диапазона.
- Класс 1 / Класс 1M.
- В CMM 10 Гц производительность диапазона до цели НАТО 7300 / 13500 м
SMM= Режим одиночного измерения
CMM = Режим непрерывного измерения
Резюме:
Известные как "самые быстрые лезвия" и "самые точные линейки", лазеры будут применяться в различных аспектах жизни людей и найдут широкое применение в авиации и военных областях. Лазеры являются как инструментом, так и оружием. Важно, чтобы мы все использовали их мирно, стремясь к мировому миру.