اصل و کاربرد حسگر لیزری

حسگرهای لیزری حسگرهایی هستند که از فناوری لیزر برای اندازه گیری استفاده می کنند. از یک لیزر، یک آشکارساز لیزری و یک مدار اندازه گیری تشکیل شده است. سنسور لیزری نوع جدیدی از ابزار اندازه گیری است. مزایای آن این است که می تواند اندازه گیری بدون تماس از راه دور، سرعت سریع، دقت بالا، برد بزرگ، قدرت ضد نور و تداخل الکتریکی قوی و غیره را درک کند.
لیزرهای نور و لیزر یکی از مهمترین دستاوردهای علمی و فناوری بود که در دهه 1960 پدیدار شد. به سرعت توسعه یافته است و به طور گسترده در جنبه های مختلف مانند دفاع ملی، تولید، پزشکی و اندازه گیری غیر الکتریکی مورد استفاده قرار گرفته است. برخلاف نور معمولی، لیزر باید توسط لیزر تولید شود. برای ماده کار لیزر، در شرایط عادی، بیشتر اتم ها در سطح انرژی پایین E1 پایدار هستند. تحت تأثیر نور خارجی با فرکانس مناسب، اتم‌های موجود در سطح انرژی کم انرژی فوتون را جذب می‌کنند و برای انتقال به سطح انرژی بالا E2 برانگیخته می‌شوند. انرژی فوتون E=E2-E1=hv که h ثابت پلانک و v فرکانس فوتون است. برعکس، تحت القای نور با فرکانس v، اتم‌های سطح انرژی E2 به سطح انرژی پایین‌تری منتقل می‌شوند تا انرژی آزاد کنند و نور ساطع کنند که به آن تابش تحریک‌شده می‌گویند. لیزر ابتدا اتم‌های ماده عامل را به طور غیرعادی در سطح انرژی بالا (یعنی توزیع وارونگی جمعیت) می‌سازد، که می‌تواند فرآیند تشعشع تحریک‌شده را غالب کند، به طوری که نور القایی فرکانس v افزایش یافته و می‌تواند از آن عبور کند. آینه های موازی تقویت از نوع بهمنی برای تولید تشعشعات تحریک شده قوی تشکیل شده است که به آن لیزر می گویند.

لیزر 3 خاصیت مهم دارد:
1. جهت دهی بالا (یعنی جهت پذیری بالا، زاویه واگرایی کوچک سرعت نور)، محدوده انبساط پرتو لیزر تنها چند سانتی متر از چند کیلومتر فاصله دارد.
2. تک رنگی بالا، عرض فرکانس لیزر بیش از 10 برابر کوچکتر از نور معمولی است.
3. روشنایی بالا، حداکثر دمای چند میلیون درجه را می توان با استفاده از همگرایی پرتو لیزر ایجاد کرد.

لیزرها را می توان با توجه به ماده کار به 4 نوع تقسیم کرد:
1. لیزر حالت جامد: ماده کار آن جامد است. معمولاً از لیزرهای یاقوت، لیزرهای گارنت آلومینیوم ایتریوم دوپ شده با نئودیمیم (یعنی لیزرهای YAG) و لیزرهای شیشه نئودیمیم استفاده می شود. آنها تقریباً ساختار مشابهی دارند و با کوچک بودن، استحکام و قدرت بالا مشخص می شوند. لیزرهای شیشه نئودیمیم در حال حاضر دستگاه هایی با بالاترین توان خروجی پالس هستند که به ده ها مگاوات می رسد.
2. لیزر گازی: ماده کار آن گاز است. اکنون لیزرهای مختلف اتم گاز، یون، بخار فلز، مولکول گاز وجود دارد. معمولاً لیزرهای دی اکسید کربن، لیزرهای هلیوم نئون و لیزرهای مونوکسید کربن هستند که به شکل لوله های تخلیه معمولی هستند و با خروجی پایدار، تک رنگی خوب و عمر طولانی، اما با قدرت کم و راندمان تبدیل کم مشخص می شوند.
3. لیزر مایع: می توان آن را به لیزر کلات، لیزر مایع غیر آلی و لیزر رنگ آلی تقسیم کرد که مهمترین آنها لیزر رنگی آلی است، بزرگترین ویژگی آن این است که طول موج به طور مداوم قابل تنظیم است.
4. لیزر نیمه هادی: لیزر نسبتا جوانی است و بالغ تر آن لیزر GaAs است. بازده بالا، اندازه کوچک، وزن سبک و ساختار ساده مشخص می شود و برای حمل هواپیما، کشتی جنگی، تانک و پیاده نظام مناسب است. می توان آن را به فاصله یاب و مناظر ساخت. با این حال، توان خروجی کم است، جهت دهی ضعیف است و به شدت تحت تأثیر دمای محیط قرار می گیرد.

کاربردهای حسگر لیزری
با استفاده از ویژگی‌های جهت‌پذیری بالا، تک رنگی بالا و روشنایی بالای لیزر می‌توان اندازه‌گیری بدون تماس از راه دور را انجام داد. حسگرهای لیزری اغلب برای اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی مانند طول، مسافت، ارتعاش، سرعت و جهت‌گیری و همچنین برای تشخیص نقص و نظارت بر آلاینده‌های جوی استفاده می‌شوند.
اندازه گیری طول لیزر:
اندازه گیری دقیق طول یکی از فناوری های کلیدی در صنعت ساخت ماشین آلات دقیق و صنعت پردازش نوری است. اندازه گیری طول مدرن بیشتر با استفاده از پدیده تداخل امواج نور انجام می شود و دقت آن عمدتاً به تک رنگ بودن نور بستگی دارد. لیزر ایده آل ترین منبع نور است که 100000 برابر خالص تر از بهترین منبع نور تک رنگ (لامپ کریپتون-86) در گذشته است. بنابراین، محدوده اندازه گیری طول لیزر بزرگ و دقت بالا است. بر اساس اصل نوری، رابطه بین حداکثر طول قابل اندازه گیری L نور تک رنگ، طول موج λ و عرض خط طیفی δ L=λ/δ است. حداکثر طول قابل اندازه گیری با لامپ کریپتون-86 38.5 سانتی متر است. برای اجسام طولانی تر، باید در بخش اندازه گیری شود، که دقت را کاهش می دهد. اگر از لیزر گاز هلیوم نئون استفاده شود، می تواند تا ده ها کیلومتر اندازه گیری کند. به طور کلی طول را در چند متر اندازه گیری کنید و دقت آن می تواند به 0.1 میکرون برسد.
برد لیزری:
اصل آن همانند رادار رادیویی است. پس از هدف گیری لیزر به سمت هدف و پرتاب، زمان رفت و برگشت آن اندازه گیری می شود و سپس در سرعت نور ضرب می شود تا فاصله رفت و برگشت به دست آید. از آنجایی که لیزر دارای مزایای هدایت بالا، تک رنگی بالا و قدرت بالا است، این موارد برای اندازه گیری فواصل طولانی، تعیین جهت گیری هدف، بهبود نسبت سیگنال به نویز سیستم گیرنده و اطمینان از دقت اندازه گیری بسیار مهم هستند. . به طور فزاینده ای مورد توجه قرار گرفت. لیدار توسعه یافته بر اساس فاصله یاب لیزری نه تنها می تواند فاصله را اندازه گیری کند، بلکه می تواند آزیموت، سرعت و شتاب هدف را نیز اندازه گیری کند. رادار، از 500 تا 2000 کیلومتر، خطا تنها چند متر است. در حال حاضر، لیزرهای یاقوتی، لیزرهای شیشه نئودیمیم، لیزرهای دی اکسید کربن و لیزرهای آرسنید گالیم اغلب به عنوان منابع نور برای فاصله یاب لیزری استفاده می شوند.

اندازه گیری ارتعاش با لیزر:
x
اندازه گیری سرعت لیزر:
همچنین یک روش اندازه گیری سرعت لیزری بر اساس اصل داپلر است. فلومتر لیزری داپلر (نگاه کنید به فلومتر لیزری) بیشتر استفاده می شود که می تواند سرعت جریان هوا تونل باد، سرعت جریان سوخت موشک، سرعت جریان هوای جت هواپیما، سرعت باد جوی و اندازه ذرات و سرعت همگرایی در واکنش های شیمیایی و غیره را اندازه گیری کند.