หลักการและการประยุกต์ใช้เลเซอร์เซนเซอร์

เลเซอร์เซนเซอร์เป็นเซนเซอร์ที่ใช้เทคโนโลยีเลเซอร์ในการวัด ประกอบด้วยเลเซอร์ ตัวตรวจจับเลเซอร์ และวงจรการวัด เลเซอร์เซนเซอร์เป็นเครื่องมือวัดชนิดใหม่ ข้อดีของมันคือสามารถรับรู้การวัดระยะไกลแบบไม่สัมผัส, ความเร็วที่รวดเร็ว, ความแม่นยำสูง, ช่วงกว้าง, ความสามารถในการป้องกันแสงที่แข็งแกร่งและการรบกวนทางไฟฟ้า ฯลฯ
แสงและเลเซอร์ เลเซอร์เป็นหนึ่งในความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่สำคัญที่สุดที่เกิดขึ้นในทศวรรษที่ 1960 ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วและถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ เช่น การป้องกันประเทศ การผลิต การแพทย์ และการวัดแบบไม่ใช้ไฟฟ้า ซึ่งแตกต่างจากแสงธรรมดา เลเซอร์จำเป็นต้องสร้างด้วยเลเซอร์ สำหรับสารทำงานของเลเซอร์ ภายใต้สภาวะปกติ อะตอมส่วนใหญ่อยู่ในระดับพลังงานต่ำที่เสถียร E1 ภายใต้การกระทำของแสงภายนอกที่มีความถี่เหมาะสม อะตอมในระดับพลังงานต่ำจะดูดซับพลังงานโฟตอนและตื่นเต้นที่จะเปลี่ยนไปสู่ระดับพลังงานสูง E2 พลังงานโฟตอน E=E2-E1=hv โดยที่ h คือค่าคงที่ของพลังค์ และ v คือความถี่โฟตอน ในทางกลับกัน ภายใต้การเหนี่ยวนำของแสงด้วยความถี่ v อะตอมที่ระดับพลังงาน E2 จะเปลี่ยนไปสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่าเพื่อปลดปล่อยพลังงานและเปล่งแสง ซึ่งเรียกว่ารังสีกระตุ้น เลเซอร์ขั้นแรกทำให้อะตอมของสารทำงานอยู่ในระดับพลังงานสูงอย่างผิดปกติ (นั่นคือการกระจายตัวแบบผกผันของประชากร) ซึ่งสามารถทำให้กระบวนการฉายรังสีกระตุ้นมีความโดดเด่น เพื่อให้แสงเหนี่ยวนำความถี่ v เพิ่มขึ้นและสามารถผ่านได้ กระจกคู่ขนาน การขยายสัญญาณแบบหิมะถล่มถูกสร้างขึ้นเพื่อสร้างรังสีกระตุ้นที่ทรงพลัง ซึ่งเรียกว่าเลเซอร์

เลเซอร์มีคุณสมบัติสำคัญ 3 ประการคือ
1. ทิศทางสูง (นั่นคือ ทิศทางสูง มุมเบี่ยงเบนเล็กน้อยของความเร็วแสง) ช่วงการขยายตัวของลำแสงเลเซอร์อยู่ห่างจากไม่กี่กิโลเมตรเพียงไม่กี่เซนติเมตร
2. ความเป็นสีเดียวสูง ความกว้างความถี่ของเลเซอร์มีขนาดเล็กกว่าแสงธรรมดามากกว่า 10 เท่า
3. ความสว่างสูง อุณหภูมิสูงสุดหลายล้านองศาสามารถสร้างได้โดยใช้การบรรจบกันของลำแสงเลเซอร์

เลเซอร์สามารถแบ่งออกตามลักษณะการทำงานได้ 4 ประเภท ได้แก่
1. เลเซอร์โซลิดสเตต: สารที่ใช้งานเป็นของแข็ง ที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ เลเซอร์ทับทิม เลเซอร์โกเมนอลูมิเนียมเจือด้วยนีโอไดเมียม (เช่น เลเซอร์ YAG) และเลเซอร์แก้วนีโอไดเมียม พวกมันมีโครงสร้างที่เหมือนกันโดยประมาณ และมีลักษณะที่เล็ก แข็งแกร่ง และกำลังสูง ปัจจุบันเลเซอร์แก้วนีโอไดเมียมเป็นอุปกรณ์ที่มีกำลังเอาต์พุตพัลส์สูงสุด ซึ่งสูงถึงหลายสิบเมกะวัตต์
2. เลเซอร์แก๊ส: สารทำงานของมันคือแก๊ส ขณะนี้มีอะตอมของก๊าซต่างๆ ไอออน ไอโลหะ เลเซอร์โมเลกุลของก๊าซ ที่ใช้กันทั่วไปคือเลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ เลเซอร์ฮีเลียมนีออน และเลเซอร์คาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งมีรูปร่างเหมือนท่อระบายธรรมดา และโดดเด่นด้วยเอาต์พุตที่เสถียร สีเดียวที่ดี และอายุการใช้งานยาวนาน แต่ใช้พลังงานต่ำและประสิทธิภาพการแปลงต่ำ
3. เลเซอร์เหลว: สามารถแบ่งออกเป็นคีเลตเลเซอร์ เลเซอร์ของเหลวอนินทรีย์ และเลเซอร์สีย้อมอินทรีย์ ที่สำคัญที่สุดคือเลเซอร์สีย้อมอินทรีย์ คุณสมบัติที่ใหญ่ที่สุดคือความยาวคลื่นสามารถปรับได้อย่างต่อเนื่อง
4. เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์: เป็นเลเซอร์ที่มีอายุค่อนข้างน้อย และเลเซอร์ GaAs ที่โตเต็มที่กว่า มีลักษณะเฉพาะที่มีประสิทธิภาพสูง ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา และโครงสร้างที่เรียบง่าย และเหมาะสำหรับการบรรทุกบนเครื่องบิน เรือรบ รถถัง และทหารราบ สามารถทำเป็นเครื่องวัดระยะและสถานที่ท่องเที่ยวได้ อย่างไรก็ตาม กำลังขับมีน้อย ทิศทางไม่ดี และได้รับผลกระทบอย่างมากจากอุณหภูมิแวดล้อม

การประยุกต์ใช้งานเลเซอร์เซนเซอร์
การใช้ลักษณะเฉพาะของทิศทางสูง ความเป็นเอกรงค์สูง และความสว่างสูงของเลเซอร์ทำให้สามารถวัดระยะทางไกลแบบไม่สัมผัสได้ เลเซอร์เซนเซอร์มักใช้สำหรับการวัดปริมาณทางกายภาพ เช่น ความยาว ระยะทาง การสั่นสะเทือน ความเร็ว และการวางแนว เช่นเดียวกับการตรวจจับข้อบกพร่องและการตรวจสอบมลพิษในชั้นบรรยากาศ
การวัดความยาวเลเซอร์:
การวัดความยาวที่แม่นยำเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีหลักในอุตสาหกรรมการผลิตเครื่องจักรที่มีความแม่นยำและอุตสาหกรรมการประมวลผลด้วยแสง การวัดความยาวสมัยใหม่ส่วนใหญ่ดำเนินการโดยใช้ปรากฏการณ์การแทรกสอดของคลื่นแสง และความแม่นยำขึ้นอยู่กับความเป็นเอกรงค์ของแสงเป็นหลัก เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งบริสุทธิ์กว่าแหล่งกำเนิดแสงสีเดียว (หลอดคริปทอน-86) ที่ดีที่สุดในอดีตถึง 100,000 เท่า ดังนั้นช่วงการวัดความยาวของเลเซอร์จึงมีขนาดใหญ่และมีความแม่นยำสูง ตามหลักการทางแสง ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวที่วัดได้สูงสุด L ของแสงสีเดียว ความยาวคลื่น λ และความกว้างของเส้นสเปกตรัม δ คือ L=λ/δ ความยาวสูงสุดที่วัดได้ด้วยหลอดคริปทอน-86 คือ 38.5 ซม. สำหรับวัตถุที่ยาวขึ้น จำเป็นต้องวัดเป็นส่วนๆ ซึ่งจะทำให้ความแม่นยำลดลง หากใช้เลเซอร์ก๊าซฮีเลียม-นีออน จะสามารถวัดได้ไกลหลายสิบกิโลเมตร โดยทั่วไปจะวัดความยาวได้ภายในไม่กี่เมตร และความแม่นยำอาจสูงถึง 0.1 ไมครอน
เลเซอร์ตั้งแต่:
หลักการเหมือนกับเรดาร์วิทยุ หลังจากเล็งเลเซอร์ไปที่เป้าหมายและยิงแล้ว เวลาไปกลับจะถูกวัดและคูณด้วยความเร็วแสงเพื่อให้ได้ระยะทางไป-กลับ เนื่องจากเลเซอร์มีข้อดีในด้านทิศทางสูง สีเดียวสูง และกำลังสูง สิ่งเหล่านี้มีความสำคัญมากสำหรับการวัดระยะทางไกล การกำหนดทิศทางของเป้าหมาย การปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของระบบรับสัญญาณ และทำให้มั่นใจในความแม่นยำในการวัด . ได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ Lidar ที่พัฒนาขึ้นบนพื้นฐานของเครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์ไม่เพียงแต่สามารถวัดระยะทางเท่านั้น แต่ยังวัดมุมราบ ความเร็ว และความเร่งของเป้าหมายได้อีกด้วย เรดาร์ตั้งแต่ 500 ถึง 2,000 กิโลเมตร ข้อผิดพลาดเพียงไม่กี่เมตร ในปัจจุบัน เลเซอร์ทับทิม เลเซอร์แก้วนีโอไดเมียม เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ และเลเซอร์แกลเลียมอาร์เซไนด์มักถูกใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงสำหรับเครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์

การวัดการสั่นสะเทือนด้วยเลเซอร์:
x
การวัดความเร็วของเลเซอร์:
นอกจากนี้ยังเป็นวิธีการวัดความเร็วเลเซอร์ตามหลักการ Doppler เครื่องวัดอัตราการไหล Doppler เลเซอร์ (ดูเครื่องวัดการไหลของเลเซอร์) ถูกนำมาใช้มากขึ้น ซึ่งสามารถวัดความเร็วลมในอุโมงค์ลม ความเร็วการไหลของเชื้อเพลิงจรวด ความเร็วลมของเครื่องบินไอพ่น ความเร็วลมในบรรยากาศ และขนาดอนุภาค และความเร็วการบรรจบกันในปฏิกิริยาเคมี เป็นต้น