本文介紹了激光原理及激光測(cè)距技術(shù)。

一、什么是激光？

激光LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)，全稱(chēng)為“受激輻射光放大"；讀起來(lái)很繞口，也不好理解，我們先來(lái)看下面這張圖：

處于高能級(jí)的原子自發(fā)地向較低能級(jí)躍遷，并發(fā)射一個(gè)光子，這種過(guò)程稱(chēng)為自發(fā)輻射。 通俗的可以理解為:一個(gè)球在地面是它最合適的位置，當(dāng)這個(gè)球被外力推到半空中（稱(chēng)為泵浦），在外力消失的瞬間，球從高空掉落下來(lái)，并釋放一定能量。如果這個(gè)球是特定的原子，那么這個(gè)原子在躍遷的過(guò)程中就會(huì)釋放一個(gè)特定波長(zhǎng)的光子。 二、激光器的誕生 1960年，美國(guó)休斯研究實(shí)驗(yàn)室梅曼制成了第一臺(tái)紅寶石激光器，發(fā)出了694.3nm的紅色激光，成為世界上公認(rèn)的第一臺(tái)激光器。 梅曼這臺(tái)激光器發(fā)射的激光波長(zhǎng)為694.3nm，是可見(jiàn)光范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，因此可以看到這束激光呈現(xiàn)紅色。 在人們后續(xù)的研發(fā)過(guò)程中，人們又發(fā)明了不同波長(zhǎng)的激光器，目前最常見(jiàn)的激光波長(zhǎng)為1064nm，波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍以外，因此人眼不可見(jiàn)。

第一臺(tái)激光器看上去感覺(jué)很Low，但正是這臺(tái)激光器的發(fā)明，奠定了后面激光廣泛被使用的基礎(chǔ)。

三、激光器的分類(lèi)

人們掌握了激光產(chǎn)生的原理后，開(kāi)始研發(fā)不同形態(tài)的激光器，如果按照激光工作物質(zhì)來(lái)分類(lèi)的話，可分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器等… 1、氣體激光器分類(lèi)有：原子、分子、離子； 氣體激光器的工作物質(zhì)是氣體或金屬蒸汽，特點(diǎn)是激光輸出波長(zhǎng)范圍寬。最常見(jiàn)的為CO2激光器，其中CO2作為工作物質(zhì)，通過(guò)放電激發(fā)產(chǎn)生10.6um的紅外激光。

由于氣體激光器工作物質(zhì)為氣體，激光器整體構(gòu)造太大，并且氣體激光器輸出的波長(zhǎng)太長(zhǎng)，材料加工性能并不好。因此氣體激光器很快就被市場(chǎng)淘汰了，只有在某些特定的領(lǐng)域，如某些塑料件的激光標(biāo)記上使用。

2、固體激光器分類(lèi)：紅寶石、Nd:YAG等；

固體激光器的工作物質(zhì)有紅寶石、釹玻璃、釔鋁石榴石（YAG）等，是在作為基質(zhì)的材料的晶體或玻璃中均勻的摻入少量離子，稱(chēng)為激活離子。 固體激光器是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。 下圖中中間的黑色方塊是激光晶體，外觀看上去是一塊淺色透明的玻璃，它的組成是在一塊透明晶體中摻雜稀土金屬。正是稀土金屬原子結(jié)構(gòu)的特殊性，在受到光源照射時(shí)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（簡(jiǎn)單理解很多地面上的球被推到空中），然后當(dāng)粒子躍遷發(fā)射光子，當(dāng)光子數(shù)量足夠多時(shí)，形成激光。 為了保證發(fā)射的激光朝一個(gè)方向輸出，于是有了全反射鏡（左邊的鏡片），和半反射輸出鏡（右邊鏡片）。當(dāng)激光輸出后再經(jīng)一定的光學(xué)設(shè)計(jì)，形成激光能量。

下圖是一張典型的YAG光纖傳導(dǎo)激光設(shè)備，圖中灰色為激光晶體棒，里面摻雜Nd離子，通過(guò)紅色氙燈進(jìn)行照射，形成激光，激光經(jīng)耦合進(jìn)光纖傳輸后，達(dá)到加工件表面。

由于照射激光的氙燈存在一定的損耗量，如同家里的日光燈用一段時(shí)間后會(huì)損壞，于是人們對(duì)日光燈照射的激光器進(jìn)行改進(jìn)。 如果將日光燈改進(jìn)成半導(dǎo)體，通過(guò)半導(dǎo)體內(nèi)部電子躍遷發(fā)射光子，則激光器的壽命會(huì)延長(zhǎng)很多。 人們從兩方面對(duì)YAG固體激光器進(jìn)行改進(jìn)，一方面將激發(fā)激光的氙燈（耗材）改進(jìn)為半導(dǎo)體（光電二極管），一方面將激光晶體棒改進(jìn)為直接在光纖中摻雜稀土離子。 這樣，一個(gè)龐大的固體激光器就被整合成一個(gè)小型的激光發(fā)生器。整合后，人們將這種激光器稱(chēng)為光纖激光器。

說(shuō)到半導(dǎo)體激光器，可簡(jiǎn)單理解為一個(gè)光電二極管，二極管中有PN結(jié)，當(dāng)加入一定的電流后，形成半導(dǎo)體中電子躍遷釋放光子，于是產(chǎn)生激光。

當(dāng)半導(dǎo)體釋放的激光能量較小時(shí)，可以將小功率半導(dǎo)體器件作為光纖激光器的泵浦源（激發(fā)源），于是就形成了光纖激光器。 如果將半導(dǎo)體激光器的功率進(jìn)一步提高，提高到可以直接輸出來(lái)加工材料，則成為直接半導(dǎo)體激光器。 目前市面上直接半導(dǎo)體激光器已達(dá)到萬(wàn)瓦級(jí)別。

工業(yè)上的激光應(yīng)用主要有激光切割、激光標(biāo)記、激光焊接。

激光工作原理是，將輸出的激光通過(guò)聚焦鏡聚焦后作用于工件表面，激光的高溫將工件融化或者揮發(fā)。 工件表面融化后則可實(shí)現(xiàn)激光焊接。

激光焊接的作用過(guò)程如圖：

除了上述幾種激光器外，人們還發(fā)明了液體激光器，也稱(chēng)燃料激光器。液體激光器體積和工作物質(zhì)相比固體更復(fù)雜，很少被使用。

四、激光測(cè)距儀的原理

激光測(cè)距的原理——距離等于速度乘以時(shí)間。 光速是確定的，而光的傳播時(shí)間可以通過(guò)檢測(cè)裝置檢測(cè)到，則可以計(jì)算出待測(cè)物體的距離。

示意圖如下：

如果將激光測(cè)距儀直接做成手持設(shè)備，就是下面這樣。其中一個(gè)窗口為激光發(fā)射裝置，另外一個(gè)窗口為激光接收裝置。 通過(guò)發(fā)射和接收的時(shí)間計(jì)算出待測(cè)物體的距離。

人們通過(guò)手持式激光測(cè)距儀進(jìn)行狩獵，物體發(fā)射激光的情形如下：

對(duì)激光測(cè)距儀的精度影響較大的是激光發(fā)散因子。什么是發(fā)散因子？比如一個(gè)人拿著手電筒、另一個(gè)人拿著激光筆。激光筆的照射距離比手電筒大，因?yàn)槭蛛娡补饩€更發(fā)散，衡量光線的發(fā)散程度的稱(chēng)為發(fā)散因子。 激光理論上為平行光，但當(dāng)作用距離較遠(yuǎn)時(shí)，存在光線的發(fā)散。如果壓縮光線的發(fā)散角，控制激光的發(fā)散程度是提高激光測(cè)距儀精度的方式。 下圖是在不同距離時(shí)照射到動(dòng)物上的激光光束。

五、激光測(cè)距儀發(fā)展方向

目前激光測(cè)距儀向著體積更小、精度更高、測(cè)量距離更遠(yuǎn)的方向發(fā)展，其中市面上主流激光測(cè)距儀廠家有基恩士和徠卡。

中國(guó)企業(yè)也在激光測(cè)距領(lǐng)域努力發(fā)展！

總結(jié)

被稱(chēng)為”最快的刀”和”最準(zhǔn)的尺”的激光將應(yīng)用在人們生活的方方面面中。

審核編輯：黃飛