مبدأ وتطبيق مستشعر الليزر

مستشعرات الليزر هي أجهزة استشعار تستخدم تقنية الليزر للقياس. يتكون من ليزر وكاشف ليزر ودائرة قياس. مستشعر الليزر هو نوع جديد من أدوات القياس. وتتمثل مزاياه في أنه يمكنه تحقيق قياس المسافات الطويلة غير المتصل ، والسرعة العالية ، والدقة العالية ، والمدى الكبير ، والقدرة القوية على مقاومة الضوء والتداخل الكهربائي ، إلخ.
كان الليزر والليزر من أهم الإنجازات العلمية والتكنولوجية التي ظهرت في الستينيات. لقد تطورت بسرعة واستخدمت على نطاق واسع في جوانب مختلفة مثل الدفاع الوطني والإنتاج والطب والقياس غير الكهربائي. على عكس الضوء العادي ، يجب توليد الليزر بواسطة الليزر. بالنسبة لمادة عمل الليزر ، في ظل الظروف العادية ، تكون معظم الذرات في مستوى طاقة منخفض ومستقر E1. تحت تأثير الضوء الخارجي للتردد المناسب ، تمتص الذرات الموجودة في مستوى الطاقة المنخفض طاقة الفوتون وتتحمس للانتقال إلى مستوى الطاقة العالي E2. طاقة الفوتون E = E2-E1 = hv ، حيث h هو ثابت بلانك و v هو تردد الفوتون. على العكس من ذلك ، في ظل تحريض الضوء بتردد v ، ستنتقل الذرات عند مستوى الطاقة E2 إلى مستوى طاقة أقل لإطلاق الطاقة وإصدار الضوء ، وهو ما يسمى بالإشعاع المحفز. يقوم الليزر أولاً بجعل ذرات المادة العاملة بشكل غير طبيعي في مستوى طاقة مرتفع (أي توزيع الانعكاس السكاني) ، مما يجعل عملية الإشعاع المحفّز مهيمنة ، بحيث يتم تعزيز الضوء المستحث بالتردد v ، ويمكن أن يمر من خلاله المرايا المتوازية يتم تشكيل التضخيم من نوع الانهيار الجليدي لتوليد إشعاع محفز قوي ، يشار إليه باسم الليزر.

يحتوي الليزر على 3 خصائص مهمة:
1. اتجاهية عالية (أي اتجاهية عالية ، زاوية تباعد صغيرة لسرعة الضوء) ، نطاق توسع شعاع الليزر لا يبعد سوى بضعة سنتيمترات عن بضعة كيلومترات ؛
2. أحادية اللون عالية ، عرض تردد الليزر أصغر من الضوء العادي بأكثر من 10 مرات.
3. سطوع عالي ، يمكن إنشاء درجة حرارة قصوى تصل إلى عدة ملايين درجة عن طريق استخدام تقارب شعاع الليزر.

يمكن تقسيم الليزر إلى 4 أنواع حسب مادة العمل:
1. ليزر الحالة الصلبة: مادة عمله صلبة. يشيع استخدام ليزر الياقوت ، وليزر عقيق الإيتريوم المصنوع من الألومنيوم المصنوع من النيوديميوم (مثل ليزر YAG) وليزر زجاج النيوديميوم. لديهم نفس الهيكل تقريبًا ، وتتميز بكونها صغيرة وقوية وعالية القدرة. تعد ليزرات زجاج النيوديميوم من الأجهزة التي تتمتع بأعلى طاقة خرج نبضية ، حيث تصل إلى عشرات الميجاوات.
2. ليزر الغاز: مادة عمله هي الغاز. يوجد الآن العديد من ذرات الغاز والأيونات وبخار المعدن وجزيئات الليزر. يشيع استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون وليزر نيون الهيليوم وليزر أول أكسيد الكربون ، والتي تكون على شكل أنابيب تفريغ عادية ، وتتميز بإخراج مستقر ، وأحادية اللون جيدة ، وعمر طويل ، ولكن مع طاقة منخفضة وكفاءة تحويل منخفضة.
3. الليزر السائل: يمكن تقسيمه إلى ليزر كلبي ، ليزر سائل غير عضوي وليزر صبغ عضوي ، وأهمها ليزر الصبغ العضوي ، وأكبر ميزة لها هي أن الطول الموجي قابل للتعديل بشكل مستمر.
4. ليزر أشباه الموصلات: هو ليزر حديث السن نسبيًا ، والأكثر نضجًا هو ليزر GaAs. وتتميز بكفاءة عالية وصغر حجمها وخفة وزنها وبنيتها البسيطة ومناسبة لحمل الطائرات والسفن الحربية والدبابات والمشاة. يمكن تحويلها إلى أجهزة ضبط المسافة والمعالم السياحية. ومع ذلك ، فإن طاقة الخرج صغيرة ، والاتجاه ضعيف ، ويتأثر بدرجة كبيرة بدرجة الحرارة المحيطة.

تطبيقات مستشعر الليزر
باستخدام خصائص الاتجاهية العالية ، أحادية اللون العالية والسطوع العالي لليزر يمكن أن يحقق قياس المسافات الطويلة بدون تلامس. غالبًا ما تستخدم مستشعرات الليزر لقياس الكميات الفيزيائية مثل الطول والمسافة والاهتزاز والسرعة والاتجاه ، وكذلك لاكتشاف الخلل ورصد ملوثات الغلاف الجوي.
قياس طول الليزر:
يعد القياس الدقيق للطول أحد التقنيات الرئيسية في صناعة تصنيع الآلات الدقيقة وصناعة المعالجة البصرية. يتم إجراء قياس الطول الحديث في الغالب باستخدام ظاهرة تداخل موجات الضوء ، وتعتمد دقتها بشكل أساسي على أحادية اللون للضوء. الليزر هو مصدر الضوء الأكثر مثالية ، وهو أنقى 100000 مرة من أفضل مصدر ضوء أحادي اللون (مصباح كريبتون 86) في الماضي. لذلك ، فإن نطاق قياس الطول بالليزر كبير والدقة عالية. وفقًا للمبدأ البصري ، فإن العلاقة بين الطول الأقصى القابل للقياس L للضوء الأحادي اللون وطول الموجة Î »وعرض الخط الطيفي δ هي L = λ /. أقصى طول يمكن قياسه بمصباح كريبتون 86 هو 38.5 سم. بالنسبة للأجسام الأطول ، يجب قياسها في أقسام ، مما يقلل من الدقة. إذا تم استخدام ليزر غاز الهيليوم والنيون ، فيمكنه قياس ما يصل إلى عشرات الكيلومترات. قم بقياس الطول بشكل عام في غضون بضعة أمتار ، ويمكن أن تصل دقته إلى 0.1 ميكرون.
نطاق الليزر:
مبدأها هو نفس مبدأ الرادار الراديوي. بعد أن يتم توجيه الليزر إلى الهدف وإطلاقه ، يتم قياس وقت الرحلة ذهابًا وإيابًا ، ثم يتم ضربه في سرعة الضوء للحصول على مسافة الرحلة ذهابًا وإيابًا. نظرًا لأن الليزر يتمتع بمزايا الاتجاهية العالية ، أحادية اللون العالية ، والقدرة العالية ، فهذه الأمور مهمة جدًا لقياس المسافات الطويلة ، وتحديد اتجاه الهدف ، وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء في نظام الاستقبال ، وضمان دقة القياس . تلقى اهتمامًا متزايدًا. لا يستطيع الليدار الذي تم تطويره على أساس أداة تحديد المدى بالليزر قياس المسافة فحسب ، بل يمكنه أيضًا قياس سمت الهدف وسرعته وتسارعه. رادار يتراوح طوله بين 500 و 2000 كيلومتر ، الخطأ لا يتجاوز أمتار قليلة. في الوقت الحاضر ، غالبًا ما يتم استخدام ليزر الياقوت وليزر زجاج النيوديميوم وليزر ثاني أكسيد الكربون وليزر زرنيخيد الغاليوم كمصادر ضوئية لأجهزة ضبط المسافة بالليزر.

قياس اهتزاز الليزر:
x
قياس سرعة الليزر:
وهي أيضًا طريقة لقياس سرعة الليزر تعتمد على مبدأ دوبلر. يتم استخدام مقياس تدفق دوبلر بالليزر (انظر مقياس تدفق الليزر) أكثر ، والذي يمكنه قياس سرعة تدفق الهواء في نفق الرياح ، وسرعة تدفق وقود الصواريخ ، وسرعة تدفق الهواء النفاث للطائرة ، وسرعة الرياح الجوية وحجم الجسيمات وسرعة التقارب في التفاعلات الكيميائية ، إلخ.