浅析激光器的发展与激光测距的方法

莫 伟

(国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心,510220)

0 引言

激光技术的不断进步和发展使得激光测距技术在工业和军事上都得到了广泛应用，极大的方便了人们的生产和生活。激光抵抗电磁波干扰能力非常好,尤其是当探测距离较长时,激光测距技术的优越性就更加明显。激光测距的主要方法有脉冲法、相位法、干涉法、反馈法、三角测量法等多种方法，在不同的测量领域内分别扮演者重要的角色。本文主要分析激光器的发展历程和激光测距的方法。

1 激光器的诞生和发展

1.1 激光器的诞生史

⑴1916年，爱因斯坦提出的受激辐射概念是激光器的重要理论基础。而此后，由于量子力学的不断发展和进步使得人们逐渐对物质的微观结构和物质的运动规律有了更加深入而清醒的认识。量子力学使微观粒子的能级分布、跃迁及光子辐射问题得到了更加有力的证明，爱因斯坦的受激辐射理论在客观上得到了完善，这为激光器的产生奠定了一定的理论基础。

⑵1954年，世界上第一台氨分子束微波激射器由汤斯制成，此项发明使得人们开始利用分子和原子体系作为微波辐射相干放大器或振荡器的先例。四年后的1958年，同样是汤斯与其姐夫阿瑟·肖洛提出了关键性的建议，即采取开式谐振腔。开式谐振腔对激光的相干性、方向性、线宽和噪音等方面的性质有很大的预防作用。巴索夫和普罗霍洛夫等人在同一时期也提出了实现受激辐射光放大的方案。世界上第一台激光器成为很多科学家奋斗的目标，他们带领自己的科研团队在实验室中不断的钻研探索，期望制成世界上第一台可运转的激光器。

⑶美国物理学家西奥多·梅曼无疑是在激光器发明史上有着里程碑意义的科学家，他在1960年用高强闪光灯管使得红宝石水晶里的铬原子受到刺激，一条集中性非常高的纤细的红色光柱就这样产生出来，当它射向某一点时，被射中的点的温度比太阳还要高，这就是著名的“梅曼设计”。

⑷同样是1960年，世界第一台气体激光器——氦氖激光器由贾万等人成功制成，贾万是伊朗籍美国科学家；随后，半导体激光器诞生在1962年制成；1966年，有机染料激光器出现；后来又出现了化学激光器等。

1.2 激光器的发展

1.2.1 气体激光器

最常见的一种是氦氖激光器，氦氖激光器的优势所在是它可以连续工作而不停歇，它所发出的激光束方向性及单色性都很好，因此，氦氖激光器被应用到很多地方，最受青睐。它在全息照相的精密测量和准直定位上有着主要的应用。

氩离子激光器也是一种常见的气体激光器，在可见光的区域内氩离子激光器的输出功率最高。它的明显特点是能够发出鲜艳的蓝绿色光，并且也可以连续工作，最高输出功率可达100多瓦。目前它在眼科治疗当中应用广泛，这是因为人的眼睛对蓝绿色光的反应相比其他颜色的光比较灵敏些。而且，完全不用担心这种光的危害和残留，因为这种蓝绿色光会很快被我们的眼底视网膜上的血红素和叶黄素吸收。氩离子激光器还在水下勘测作业当中使用，氩离子激光器发出的蓝绿色光有着不易被海水吸收的特点，因此，它可以深入到海水层当中作业。

1.2.2 液体激光器、化学激光器和半导体激光器

⑴液体激光器就是通常我们所叫的燃料激光器，一些能溶解于乙醇、甲醇、水等液体的有机染料在溶解后形成溶液，这些溶液可以作为液体激光器的激活物质。液体激光器的激光源是高速闪光灯或者是其他的激光器所发出的很短的光脉冲。在激光化学科研活动中和分析光谱时甚至是在进行其他相关的科学性研究时，液体激光器都起到了重要的作用。

⑵有一种用化学反应来产生激光，叫化学激光器。在化学反应中就可以直接获得强大的光能而不需要像其他激光器一样要借助别的能量。著名的死光武器便是化学激光器的一种，它在军事用途上和野外作业中都可以使用，并且效果很好。

⑶现在的半导体激光器即砷化镓半导体激光器。微型激光器的一种，可见体积非常小。它的激光是在0.8～0.9微米之间的红外线波长。砷化镓半导体激光器虽然结构看似简单，但是保密性非常强。工作原理也很简单：只要有适当强度的电流通过就会有激光射出，适合用于飞机、军舰和坦克。

1.2.3 固体激光器

首先，红宝石激光器是固体激光器中最著名的一种，普通光源一直是最常使用的激发源。但是，现在有很多新的产品问世，激励方式也有很多种，有光激励、放电激励、热激励和化学激励等。

其次，另一种常用的是钇铝石榴石激光器，它的输出功率比较大，广泛应用于工业上和军事上。

1.2.4 “隐身”和“变色”激光器

“ 隐身”激光器就是所谓的二氧化碳激光器。因为，二氧化碳激光器发出的激光波长是处在红外线区域内的10.6微米，分为连续和脉冲两种。

“变色”激光器和液体激光器很像，激发物质也是染料。常见的工作物质有碳花青、若丹明和香豆素等等。染料产生的激光色彩种类多而且波长范围比较广，在实际应用中的优势明显。通过它的光学谐振腔中的光栅（一种光学元件）来选择激光的颜色。

2 激光测距的概念及意义

2.1 激光测距的概念

激光测距顾名思义是用激光器来实施测距。常见的是连续激光器和脉冲激光器（按激光工作方式分类）。激光器的应用：①在相位式激光测距方法中通常使用氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器；②双异质砷化镓半导体激光器通常在红外测距方法中使用；③红宝石等固体激光器在脉冲式激光测距中得到广泛应用。

2.2 激光测距的意义

由于激光在测距时发挥了单色性好、电子线路半导体集成化和方向性强的优势，所以，激光测距仪与光电测距仪相比，不仅能提高测距精度，而且可以长时间不间断的工作，大大的降低了功耗及重量，因此可以测量非常遥远的距离，例如，地球和月球之间的距离。

激光测距仪在测距时产生的误差非常小，操作起来简单易行，精确性高，小型体积使得重量很轻。因此，在坦克、飞机、舰艇、火炮对目标的测距上，地形和战场测量方面得到了广泛应用。

3 激光测距的常用方法

3.1 脉冲法

脉冲法是对激光飞行时间的距离测量。工作原理是利用激光脉冲的瞬时功率很大、持续时间较短、能量集中的特点来工作的。在有无合作目标时，脉冲法可以根据距离远近进行判断和调整，没有合作目标就进行漫反射来测距，非常灵活。目前在地形测量、战术测距、导弹轨迹跟踪、星体之间的远距离测量方面应用较多。激光发射器发出一束存在时间非常短的激光，它在经过测量范围之后，到达目标物体后进行反射，这个时候接收系统接收到回波信号，同时，计时电路计时，计算这其中的时间间隔，从而得出测距仪和目标物体之间的距离。此距离表示为：R=?ct（c为光速，t为时间间隔）。

脉冲测距的精度可以表示为：L=C·t/2（L为距离精度，t为时间精度）。

3.2 相位法

相位法是有着固定发射频率的高频正弦信号，通过不断地调制激光源的发光强度而测定在调制时往返一次产生的相位延迟而进行测距的方法。用相位延迟法间接测量到的信号所产生的传播时间代替直接测量激光往返所用时间的变量而测出距离。相位法精度高，可应用于近距离测量。光以速度C在大气当中传播，它在待测两点之间往返一次所需时间和距离的关系可以表示为：D=?ct（D为待测两点之间的距离，c为光速，t为光往返AB一次所需要的时间）。由此可知，测距的实质是对光在AB之间传播时间的测量。

相位测距是通过测定连续的调制激光在待测距离d上往返而产生的相位差而间接测量传播时间t的。因为光波在传播过程中的相位是不断变化的，所以，每传播波长的距离，位相变化2π。距离d、光波往返位相差、光波波长三者之间的关系表示为：

2d=·/（2π）或 d=·/（4π）

/2相当于测尺长度Ls，/（2π）相当于d中所包含的测尺长度Ls的数目。

3.3 干涉法

干涉法是通过移动被测目标对相干光进行的测量，原则上是一种相位测距法，但是，它不是测量激光的调制信号的相位差，而是测量没有经过调制的光波本身的相位干涉来测距的。由于光有干涉性，两列具有固定相位差，并且有相同的频率、相同的振动方向而产生干涉现象。它是利用光的干涉原理而使激光束产生明暗相间的干涉性条纹，被光电转换元件接收后转为电信号，经过处理后由计数器计数，以实现对位移量的检测。

由于干涉法的高精度特点，使得它在测量大陆搬移、地壳变形、地球物理研究、地震和火山预报以及侦察地下核爆炸等方面有广泛的应用。但是，它只能测出相对距离，所以，要想在野外进行长距离绝对干涉测量和多值性鉴别很困难，目前在这方面的技术还没有突破。

3.4 反馈法

反馈法测距精度高、速度快、仪器可以小型化和数字化，比较适用于各种电磁波的波源。它所采用的技术是：距离与传输时间互换、传输时间与振荡频率互换。测量系统闭环振荡频率从而来测量激光传输时间，进而达到激光测距的目的。此方法最早由前苏联人提出，并且实验表明反馈法测距是非常有前景的。

但是反馈法也存在一定的问题，随着测距的增加测距的精度会降低，大气湍流也容易造成反馈信号的起伏，引起振荡频率不稳，极易造成测量误差。所以，反馈法测距技术适合短距离测距。

4 结语

激光的发明和应用，是人类生产和生活的伟大进步。激光器虽然问世只有半个世纪，但是迅速发展，尤其是激光测距技术将激光的优越性能发挥到了极致，激光测距较传统的超声波测距和射频电磁波测距有明显的优越性。在军事、工业和航天航空事业上都得到了广泛的应用。常用的脉冲法、干涉法、相位法和反馈法精确度高，在不同领域得到了实际应用。

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