Laseranduri põhimõte ja rakendus

Laserandurid on andurid, mis kasutavad mõõtmiseks lasertehnoloogiat. See koosneb laserist, laserdetektorist ja mõõteahelast. Laserandur on uut tüüpi mõõteriistad. Selle eelised on see, et see suudab teostada kontaktivaba pikamaamõõtmist, kiiret kiirust, suurt täpsust, suurt vahemikku, tugevat valguse- ja elektriliste häiretevastast võimet jne.
Valgus ja laserid Laserid olid 1960. aastatel üks olulisemaid teaduslikke ja tehnoloogilisi saavutusi. See on kiiresti arenenud ja seda on laialdaselt kasutatud erinevates aspektides, nagu riigikaitse, tootmine, meditsiin ja mitteelektrilised mõõtmised. Erinevalt tavalisest valgusest tuleb laser genereerida laseriga. Laseri tööaine jaoks on tavatingimustes enamik aatomeid stabiilselt madalal energiatasemel E1. Sobiva sagedusega välisvalguse toimel neelavad madala energiataseme aatomid footoni energiat ja on ergastatud üleminekuks kõrgele energiatasemele E2. Footoni energia E=E2-E1=hv, kus h on Plancki konstant ja v footoni sagedus. Ja vastupidi, valguse induktsioonil sagedusega v lähevad energiataseme E2 aatomid üle madalamale energiatasemele, et vabastada energiat ja kiirata valgust, mida nimetatakse stimuleeritud kiirguseks. Esmalt muudab laser tööaine aatomid ebanormaalselt kõrgel energiatasemel (st populatsiooni inversioonijaotuses), mis võib muuta stimuleeritud kiirgusprotsessi domineerivaks, nii et indutseeritud valgus sagedusega v suureneb ja võib läbida paralleelpeeglid Laviini-tüüpi võimendus moodustatakse võimsa stimuleeritud kiirguse tekitamiseks, mida nimetatakse laseriks.

Laseritel on kolm olulist omadust:
1. Suur suunatavus (ehk suur suunatavus, valguse kiiruse väike lahknemisnurk), laserkiire laienemisulatus on mõnest kilomeetrist vaid mõne sentimeetri kaugusel;
2. kõrge monokromaatilisus, laseri sageduslaius on rohkem kui 10 korda väiksem kui tavalisel valgusel;
3. Kõrge heledus, laserkiire lähenemise abil saab tekitada maksimaalse temperatuuri mitu miljonit kraadi.

Lasereid saab tööaine järgi jagada 4 tüüpi:
1. Tahkislaser: selle tööaine on tahke. Tavaliselt kasutatakse rubiinlasereid, neodüümiga legeeritud ütriumalumiiniumgranaatlasereid (st YAG lasereid) ja neodüümklaaslasereid. Neil on ligikaudu sama struktuur ja need on väikesed, vastupidavad ja suure võimsusega. Neodüümklaaslaserid on praegu suurima impulsi väljundvõimsusega seadmed, mis ulatuvad kümnetesse megavattidesse.
2. Gaaslaser: selle tööaine on gaas. Nüüd on erinevaid gaasiaatomite, ioonide, metalliaurude, gaasimolekulide lasereid. Tavaliselt kasutatakse süsinikdioksiidi lasereid, heeliumneoonlasereid ja süsinikmonooksiidlasereid, mis on kujundatud nagu tavalised lahendustorud ning mida iseloomustab stabiilne väljund, hea monokromaatilisus ja pikk kasutusiga, kuid väikese võimsusega ja madala muundamise efektiivsusega.
3. Vedellaser: Seda saab jagada kelaatlaseriks, anorgaaniliseks vedellaseriks ja orgaanilise värvaine laseriks, millest kõige olulisem on orgaaniline värvlaser, mille suurim omadus on see, et lainepikkus on pidevalt reguleeritav.
4. Pooljuhtlaser: see on suhteliselt noor laser ja küpsem on GaAs laser. Seda iseloomustab kõrge efektiivsus, väiksus, kerge kaal ja lihtne struktuur ning see sobib lennukite, sõjalaevade, tankide ja jalaväe kandmiseks. Saab teha kaugusmõõturiteks ja sihikuteks. Kuid väljundvõimsus on väike, suund on halb ja seda mõjutab suuresti ümbritseva õhu temperatuur.

Laserandurite rakendused
Kasutades laseri suure suunatavuse, suure monokromaatilisuse ja suure heleduse omadusi, saab teostada kontaktivaba pikamaamõõtmist. Laserandureid kasutatakse sageli füüsiliste suuruste, nagu pikkus, kaugus, vibratsioon, kiirus ja orientatsioon, mõõtmiseks, samuti vigade tuvastamiseks ja õhusaasteainete jälgimiseks.
Laseri pikkuse mõõtmine:
Pikkuse täpne mõõtmine on üks võtmetehnoloogiaid täppismasinate tootmises ja optikatööstuses. Kaasaegne pikkuse mõõtmine toimub enamasti valguslainete interferentsi fenomeni abil ning selle täpsus sõltub peamiselt valguse monokromaatilisusest. Laser on kõige ideaalsem valgusallikas, mis on 100 000 korda puhtam kui parim monokromaatiline valgusallikas (krypton-86 lamp) minevikus. Seetõttu on laseri pikkuse mõõtmise vahemik suur ja täpsus kõrge. Optilise printsiibi järgi on monokromaatilise valguse maksimaalse mõõdetava pikkuse L, lainepikkuse λ ja spektrijoone laiuse δ seos L=λ/δ. Krüptoon-86 lambiga mõõdetav maksimaalne pikkus on 38,5 cm. Pikemate objektide puhul tuleb seda mõõta lõikude kaupa, mis vähendab täpsust. Kui kasutada heelium-neoongaaslaserit, võib see mõõta kuni kümneid kilomeetreid. Tavaliselt mõõdetakse pikkust mõne meetri piires ja selle täpsus võib ulatuda 0,1 mikronini.
Laseri kaugus:
Selle põhimõte on sama mis raadioradaril. Pärast seda, kui laser on sihtmärgile suunatud ja käivitatud, mõõdetakse selle edasi-tagasi aeg ja seejärel korrutatakse edasi-tagasi vahemaa saamiseks valguse kiirusega. Kuna laseri eelisteks on suur suunavus, suur monokromaatilisus ja suur võimsus, on need väga olulised pikkade vahemaade mõõtmisel, sihtmärgi orientatsiooni määramisel, vastuvõtusüsteemi signaali-müra suhte parandamisel ja mõõtmistäpsuse tagamisel. . järjest enam tähelepanu pälvinud. Laserkaugusmõõturi baasil välja töötatud lidar ei suuda mitte ainult kaugust mõõta, vaid mõõta ka sihtmärgi asimuuti, kiirust ja kiirendust. Radar, mis ulatub 500-2000 kilomeetrini, on viga vaid paar meetrit. Praegu kasutatakse laserkaugusmõõtjate valgusallikatena sageli rubiinlasereid, neodüümklaaslasereid, süsinikdioksiidi lasereid ja galliumarseniidlasereid.

Laservibratsiooni mõõtmine:
x
Laseri kiiruse mõõtmine:
See on ka laserkiiruse mõõtmise meetod, mis põhineb Doppleri põhimõttel. Rohkem kasutatakse laser-Doppleri voolumõõtjat (vt laservoolumõõtur), millega saab mõõta tuuletunneli õhuvoolu kiirust, raketikütuse voolukiirust, lennuki reaktiivlennuki õhuvoolu kiirust, atmosfäärituule kiirust ning osakeste suurust ja konvergentsi kiirust keemilistes reaktsioonides jne.