激光原理及激光测距技术的相关知识

一、什么是激光？

激光LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)，全称为“受激辐射光放大"；读起来很绕口，也不好理解，我们先来看下面这张图：

处于高能级的原子自发地向较低能级跃迁，并发射一个光子，这种过程称为自发辐射。

通俗的可以理解为:一个球在地面是它最合适的位置，当这个球被外力推到半空中（称为泵浦），在外力消失的瞬间，球从高空掉落下来，并释放一定能量。如果这个球是特定的原子，那么这个原子在跃迁的过程中就会释放一个特定波长的光子。

二、激光器的诞生

1960年，美国休斯研究实验室梅曼制成了第一台红宝石激光器，发出了694.3nm的红色激光，成为世界上公认的第一台激光器。

梅曼这台激光器发射的激光波长为694.3nm，是可见光范围内的波长，因此可以看到这束激光呈现红色。

在人们后续的研发过程中，人们又发明了不同波长的激光器，目前最常见的激光波长为1064nm，波长在可见光范围以外，因此人眼不可见。

第一台激光器看上去感觉很Low，但正是这台激光器的发明，奠定了后面激光广泛被使用的基础。

三、激光器的分类

人们掌握了激光产生的原理后，开始研发不同形态的激光器，如果按照激光工作物质来分类的话，可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器等…

3.1、气体激光器分类有：原子、分子、离子；

气体激光器的工作物质是气体或金属蒸汽，特点是激光输出波长范围宽。最常见的为CO2激光器，其中CO2作为工作物质，通过放电激发产生10.6um的红外激光。

由于气体激光器工作物质为气体，激光器整体构造太大，并且气体激光器输出的波长太长，材料加工性能并不好。因此气体激光器很快就被市场淘汰了，只有在某些特定的领域，如某些塑料件的激光标记上使用。

3.2、固体激光器分类：红宝石、Nd:YAG等；

固体激光器的工作物质有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石（YAG）等，是在作为基质的材料的晶体或玻璃中均匀的掺入少量离子，称为激活离子。

固体激光器是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。

下图中中间的黑色方块是激光晶体，外观看上去是一块浅色透明的玻璃，它的组成是在一块透明晶体中掺杂稀土金属。正是稀土金属原子结构的特殊性，在受到光源照射时形成粒子数反转（简单理解很多地面上的球被推到空中），然后当粒子跃迁发射光子，当光子数量足够多时，形成激光。

为了保证发射的激光朝一个方向输出，于是有了全反射镜（左边的镜片），和半反射输出镜（右边镜片）。当激光输出后再经一定的光学设计，形成激光能量。

下图是一张典型的YAG光纤传导激光设备，图中灰色为激光晶体棒，里面掺杂Nd离子，通过红色氙灯进行照射，形成激光，激光经耦合进光纤传输后，达到加工件表面。

由于照射激光的氙灯存在一定的损耗量，如同家里的日光灯用一段时间后会损坏，于是人们对日光灯照射的激光器进行改进。

如果将日光灯改进成半导体，通过半导体内部电子跃迁发射光子，则激光器的寿命会延长很多。

人们从两方面对YAG固体激光器进行改进，一方面将激发激光的氙灯（耗材）改进为半导体（光电二极管），一方面将激光晶体棒改进为直接在光纤中掺杂稀土离子。

这样，一个庞大的固体激光器就被整合成一个小型的激光发生器。整合后，人们将这种激光器称为光纤激光器。

说到半导体激光器，可简单理解为一个光电二极管，二极管中有PN结，当加入一定的电流后，形成半导体中电子跃迁释放光子，于是产生激光。

当半导体释放的激光能量较小时，可以将小功率半导体器件作为光纤激光器的泵浦源（激发源），于是就形成了光纤激光器。

如果将半导体激光器的功率进一步提高，提高到可以直接输出来加工材料，则成为直接半导体激光器。

目前市面上直接半导体激光器已达到万瓦级别。

工业上的激光应用主要有激光切割、激光标记、激光焊接。

激光工作原理是，将输出的激光通过聚焦镜聚焦后作用于工件表面，激光的高温将工件融化或者挥发。

工件表面融化后则可实现激光焊接。

激光焊接的作用过程如图：

除了上述几种激光器外，人们还发明了液体激光器，也称燃料激光器。液体激光器体积和工作物质相比固体更复杂，很少被使用。

四、激光测距仪的原理

除了工业上使用激光进行材料加工外，其他领域，比如航空航天、军事等领域也在不断开发激光的应用。

其中航空和军事上所使用的激光在不断增加，该领域激光应用主要为激光测距。

激光测距的原理——距离等于速度乘以时间。

光速是确定的，而光的传播时间可以通过检测装置检测到，则可以计算出待测物体的距离。

示意图如下：

如果将激光测距仪直接做成手持设备，就是下面这样。其中一个窗口为激光发射装置，另外一个窗口为激光接收装置。

通过发射和接收的时间计算出待测物体的距离。

人们通过手持式激光测距仪进行狩猎，物体发射激光的情形如下：

对激光测距仪的精度影响较大的是激光发散因子。什么是发散因子？比如一个人拿着手电筒、另一个人拿着激光笔。激光笔的照射距离比手电筒大，因为手电筒光线更发散，衡量光线的发散程度的称为发散因子。

激光理论上为平行光，但当作用距离较远时，存在光线的发散。如果压缩光线的发散角，控制激光的发散程度是提高激光测距仪精度的方式。

下图是在不同距离时照射到动物上的激光光束。

五、激光测距仪的应用有哪些？

激光测距仪在航空航天上使用较多，阿波罗15号在登月时带上了一套特别设备——大型角反射器，用来反射从地球发射过来的激光光束，通过记录往返时间来计算地月距离。

同时，在航空航天其它领域对激光测距仪也有使用：

5.1、激光测距仪在军事上的应用

战斗机和陆战装备上的光电搜跟系统许多都装备有激光测距仪，可准确知道敌人的距离相应做好防御准备。

其中陆战武器如陆战步枪中部分装备有激光测距仪，可知悉敌我距离。

伴随着激光测距仪在军事上的应用，人们也在不断研究激光武器侦查系统。

其中，采用红外相机可观察到激光光束，根据激光光束追踪到光源，对激光束进行定位，如图采用红外相机所观察到的激光源的情形：

5.2、激光测距在地形的勘察与测绘中的应用

在地形的勘察与测绘中的激光测距仪一般称为激光高度计，主要是搭载在飞机或卫星上测量高程数据。例如，“嫦娥一号”与“嫦娥二号”激光高度计是月球探测卫星的主要载荷之一，担任着获取月球表面三维高程数据的科学任务。

“嫦娥一号”卫星于2007 年发射，“嫦娥二号”卫星于2010 年发射，其高程数据与CCD立体相机的影像相结合，获得了月球表面的基本地貌，划分构造单元，初步编制了月球地质与构造纲要图。

“嫦娥二号”激光高度计除了高程数据外，还获得了月面反射率信息，为后续软着陆提供了参考数据。

5.3、激光测距在航天器自主着陆中的应用

利用无人探测器着陆到月球、火星或者小行星等目标天体表面进行实地勘探甚至采样返回是人类探索宇宙的一条重要途径，也是未来深空探测活动发展的热点之一。发射卫星或探测器在其他星球表面进行软着陆是进行空间探测的一个重要的方向。

5.4、激光测距在空间自主交会对接中的应用

空间自主交会对接是一个极其复杂和精密的过程。

交会过程指两个或两个以上的飞行器在空间轨道上按预定位置和时间相会，作用距离为100km～10m，由远到近需要GPS引导，微波雷达、激光雷达、光学成像敏感器的测量手段，空间对接指两个飞行器在空间轨道上相会后在机械结构上连成一个整体，作用距离为10～0m，主要利用先进视频制导敏感器(AVGS)完成。

5.5、激光测距在空间碎片探测领域的应用

空间碎片的探测是目前深空激光探测技术的重要应用领域之一。

开展空间活动时间较长的美、俄两国，所产生的空间碎片约占总数的90%以上。没人能够数清空间碎片的确切数目。人类目前只能对直径10 厘米以上的碎片进行跟踪监测，这类碎片目前共有一万七千余个，世界上只有美国和俄罗斯有能力对其进行全部监测，美国国家航空航天局为每个碎片都进行了编号。小于1 厘米的碎片据估计有数千万乃至数亿，航天器已经根本无法避免与其相撞，只能通过加强自身的防护能力来应对。

为了安全、持续地开发和利用空间资源，必须不断提高对空间碎片的跟踪监视技术，增强对空间碎片环境的分析预测能力，同时寻求控制空间碎片的有效措施。

五、激光测距仪发展方向

目前激光测距仪向着体积更小、精度更高、测量距离更远的方向发展，其中市面上主流激光测距仪厂家有基恩士和徕卡。

中国企业也在激光测距领域努力发展！

总结：

被称为”最快的刀”和”最准的尺”的激光将应用在人们生活的方方面面中，它将在航空和军事上得到广泛的应用！

激光——是一种工具！也是一种武器！

参考资料：1、程鹏飞《大动态范围高精度激光测距关键技术研究》