Что такое лазер и его применение
Лазерные датчики представляют собой особый вид оптических датчиков. Лазер представляет собой очень узкий луч света одного цвета с одинаковой частотой, который распространяется в одном направлении. Слово «лазер» означает усиление света за счет стимулированного излучения. Первый лазер был изобретен в 1960 году Теодором Мейманом. С тех пор лазерные устройства нашли множество применений в различных отраслях промышленности. К некоторым коммерческим применением лазеров относят лазерную хирургию и лечение кожи, сопровождение военных объектов, принтеры и даже инструменты для секвенирования ДНК.
Лазеры также очень популярны в производственном секторе благодаря тому, что обеспечивают высокий уровень точности во многих процессах. В данном материале будут рассмотрены некоторые из наиболее популярных промышленных лазерных устройств и их принципы работы.
Как работает лазер
Базовое лазерное устройство состоит из трех основных компонентов: источника, усиливающей среды и оптического резонатора. Лазеры работают со световыми лучами в качестве источника. Исходным материалом может быть электрический ток, лазерный диод, лампа-вспышка, микроволны, солнечное излучение, химическая реакция или другой лазер. Все эти исходные материалы должны иметь когерентность как общую черту. Когерентность означает, что свет распространяется в одном направлении. Полупроводниковые лазерные диоды или лазерные светодиоды являются наиболее популярным исходным материалом для устройств, используемых в промышленной автоматизации. Некоторые типы лазерных диодов включают лазер Фабри-Перо, лазер с одиночной продольной модой (SLM), лазер с распределенной обратной связью (DFB) и лазер с поверхностным излучением с вертикальным резонатором (VCSEL).
Лазер Фабри-Перо излучает свет на различных длинах волн и может давать высокую выходную мощность. Это также относительно рентабельно. Лазеры SLM лучше лазеров Фабри-Перо с точки зрения выходной мощности, но они работают на одночастотной составляющей. Они используются для обнаружения радаров и измерения состава, и это лишь некоторые из них. Лазеры DFB обеспечивают лучшую стабильность, чем их аналоги, и широко используются в высокоскоростных волоконно-оптических приложениях. VCSEL – это новейшая технология лазерного источника. VCSEL быстро зарекомендовал себя как лучший выбор для приложений на короткие расстояния благодаря своей однородности, устойчивости к высоким температурам и более низким производственным затратам.
Лазеры классифицируются в зависимости от их усиливающей среды. Усиливающая среда определяет материал, используемый для усиления источника света. К наиболее узнаваемым усиливающим средам относятся полупроводники, жидкость, твердое тело, газ и оптоволокно. В полупроводниковых лазерах используются лазерные светодиоды, описанные выше. В жидкостных лазерах молекулы жидкого красителя, растворенные в растворе, помогают излучать энергию от источника. Они более популярны в медицине.
В твердотельных лазерах используется стекло с высокой отражающей способностью, смешанное с редкими элементами, такими как хром, эрбий, неодим или иттербий, для достижения оптического усиления. Они являются самой популярной средой в лазерах лидара (LiDAR). В газовом лазере электрический ток преобразуется в световой поток при прохождении через газовую среду. Популярные газы включают двуокись углерода (CO2), гелий и аргон. Наконец, волоконные лазеры отличаются высокой точностью и основаны на технологии волоконной оптики.
Оптический резонатор – это последний шаг перед выходом лазерного луча из устройства. Резонатор состоит из пары зеркал, окружающих среду. Цель резонатора состоит в том, чтобы помочь увеличить энергию светового луча, несколько раз отражая свет вперед и назад через среду.
Принцип измерения лазерных систем основан на методе триангуляции. Сначала лазерный луч усиливается средой, а резонатор выходит из сенсорного устройства и движется до тех пор, пока не попадет на поверхность внешнего объекта. Затем отраженный луч света возвращается к датчику и принимается специальным компонентом, принимающим лазер. Триангуляция достигается за счет того, что приемный элемент может рассчитать угол входа и смещение отраженного луча.
Виды лазерных датчиков
- Датчики расстояния
- Датчики приближения
- Лазерные шторы
- Позиционирующие лазеры
- Датчики обнаружения краев
Лидары
Сенсорная технология обнаружения света и определения дальности (лидар или LiDAR) заслуживает отдельного раздела. Данная система рассчитывает время, необходимое лазерному лучу для отражения обратно к источнику. LiDAR переживает огромный рост в сфере автоматизации, предлагая самые разные приложения – от автономных автомобилей до смартфонов.
Эта операция происходит на очень высоких скоростях до 900 об/мин для вращающихся лазеров. Луч света может измерять расстояние до любой поверхности, создавая «облако точек». Облако точек – это набор множества точек облака, которые предоставляют точную информацию о форме и расстоянии. Из-за высоких требований к данным LiDAR обычно сочетаются со своими компьютерными процессорами. Лидары, используемые в промышленной автоматизации, в основном двумерные, с вращением лазера в одной плоскости. Однако более сложные технологии, такие как автономные автомобили, требуют больше информации об окружающей среде и поэтому интегрируют 3D-лидары.
© digitrode.ru