第2讲激光及激光雷达系统-激光激光器

第二讲第二讲激光及激光雷达系统激光及激光雷达系统1内容回顾内容回顾基本概念基本概念基本概念基本概念应用现状应用现状应用现状应用现状LiDARLiDAR技术特点技术特点激光成像技术激光成像技术激光成像技术激光成像技术2激光成像雷达关键技术激光成像雷达关键技术激光成像雷达关键技术激光成像雷达关键技术成像探测器成像探测器单元探测器单元探测器面阵探测器面阵探测器阵列探测器阵列探测器阵列探测器阵列探测器发射机发射机二极管激光器二极管激光器二极管激光器二极管激光器二极管泵浦固体激光器二极管泵浦固体激光器闪光灯泵浦固体激光器闪光灯泵浦固体激光器闪光灯泵浦固体激光器闪光灯泵浦固体激光器扫描系统扫描系统力学力学力学力学电学电学二元光学二元光学3发射机发射机发射机发射机发射机发射机采用扫描器时，需要有较高的发射激光的重复频采用扫描器时，需要有较高的发射激光的重复频采用扫描器时需要有较高的发射激光的重复频采用扫描器时需要有较高的发射激光的重复频率率非扫描激光成像系统不要求较高重复频率非扫描激光成像系统不要求较高重复频率非扫描激光成像系统不要求较高重复频率非扫描激光成像系统不要求较高重复频率常用发射机常用发射机常用发射机常用发射机(1)(1)二极管激光器二极管激光器极管泵浦固体激光器极管泵浦固体激光器(2)(2)二极管泵浦固体激光器二极管泵浦固体激光器(3)(3)灯泵和化学泵浦激光器灯泵和化学泵浦激光器(4)(4)闪光灯泵浦固体激光器闪光灯泵浦固体激光器4二极管激光器二极管激光器发射机发射机二极管激光器二极管激光器单个二极管激光器的输出功率很小，需要将多个单个二极管激光器的输出功率很小，需要将多个二极管组合起来形成较高功率的激光输出二极管组合起来形成较高功率的激光输出输出光斑是一个光椎，不是一个圆形光斑输出光斑是一个光椎，不是一个圆形光斑光源宽光源宽光源宽光源宽需要使用长焦距透镜对输出激光进行准直，将其需要使用长焦距透镜对输出激光进行准直，将其压缩为一个窄的光束压缩为一个窄的光束压缩为个窄的光束压缩为个窄的光束5二极管泵浦固体激光器二极管泵浦固体激光器发射机发射机二极管泵浦固体激光器二极管泵浦固体激光器可增加脉冲重复频率但增加激光脉冲重复频率可增加脉冲重复频率但增加激光脉冲重复频率可增加脉冲重复频率，但增加激光脉冲重复频率可增加脉冲重复频率，但增加激光脉冲重复频率时，脉冲能量会降低时，脉冲能量会降低可增加脉冲宽度但脉冲峰值功率会下降可增加脉冲宽度但脉冲峰值功率会下降可增加脉冲宽度，但脉冲峰值功率会下降可增加脉冲宽度，但脉冲峰值功率会下降01Q型激光器DPY501QE型激光器频率30KHz，脉宽30ns频率30KHz，脉宽80ns半导体泵浦固体激光器单脉冲能量800mJ单脉冲能量200mJ半导体泵浦固体激光器VersaDisk6闪光灯泵浦固体激光器闪光灯泵浦固体激光器发射机发射机闪光灯泵浦固体激光器闪光灯泵浦固体激光器脉冲峰值功率很大，最大可达脉冲峰值功率很大，最大可达1250012500KWKW脉冲宽度很窄，脉冲重复频率为脉冲宽度很窄，脉冲重复频率为9090HzHz时，脉冲宽时，脉冲宽度可达到度可达到66nsns度可达到度可达到66nsns7常用发射机性能对比常用发射机性能对比常用发射机性能对比：常用发射机性能对比：(1)(1)二极管激光器二极管激光器功率小功率小(2)(2)二极管泵浦固体激光器二极管泵浦固体激光器重复频率较高重复频率较高(3)(3)灯泵和化学泵浦激光器灯泵和化学泵浦激光器激光峰值功率高，脉冲激光峰值功率高，脉冲重重复频率较低复频率较低(4)(4)闪光灯泵浦固体激光器闪光灯泵浦固体激光器效率较低，适合非扫描系效率较低，适合非扫描系统统8扫描系统扫描系统扫描系统扫描系统扫描系统扫描系统力学扫描器力学扫描器力学扫描器力学扫描器声光扫描器声光扫描器二元光学扫描器二元光学扫描器9力学扫描器力学扫描器扫描系统扫描系统力学扫描器力学扫描器由反射镜转动或摆动使光束偏转进行大角度范围由反射镜转动或摆动使光束偏转进行大角度范围扫描扫描扫描扫描采用转镜可以达到很高的扫描速度采用转镜可以达到很高的扫描速度两个转镜可组成二维扫描系统两个转镜可组成二维扫描系统体积较大笨重耗电量大体积较大笨重耗电量大体积较大，笨重，耗电量大体积较大，笨重，耗电量大10摆镜方式(Optech,Leica)旋转棱镜方式(IGI,TopoSys)扫描系统扫描系统21311声光扫描系统声光扫描系统扫描系统扫描系统声光扫描系统声光扫描系统不包含机械运动扫描速度快不包含机械运动扫描速度快不包含机械运动，扫描速度快不包含机械运动，扫描速度快扫描角度小，一般为几十分之一毫弧度扫描角度小，一般为几十分之一毫弧度光透过率低，光束质量差光透过率低，光束质量差耗电量大光学系统必须作冷却处理耗电量大光学系统必须作冷却处理耗电量大，光学系统必须作冷却处理耗电量大，光学系统必须作冷却处理12二元光学扫描器二元光学扫描器扫描系统扫描系统二元光学扫描器二元光学扫描器利用二元光学技术制造利用二元光学技术制造利用二元光学技术制造利用二元光学技术制造扫描速度可以达到扫描速度可以达到11KHzKHz以上，但扫描角度较小，以上，但扫描角度较小，透过率较低透过率较低透过率较低透过率较低易于将一束光分为多束光易于将一束光分为多束光扫描方式可通过编程任意加以改变扫描方式可通过编程任意加以改变体积小体积小体积小体积小尚未实用尚未实用1314激光激光激光激光激光信号的大气衰减激光信号的大气衰减激光器激光器激光雷达系统激光雷达系统激光雷达系统能量方程激光雷达系统能量方程激光雷达系统能量方程激光雷达系统能量方程激光遥感集成系统激光遥感集成系统激光遥感集成系统激光遥感集成系统15激光激光激光激光什么是激光L什么是激光——LaserLightLightAmplificationbypyStimulatedEiifEmissionofRadiation光的受激辐射放大光的受激辐射放大1611、辐射与原子、辐射与原子11、辐射与原子、辐射与原子19171917年爱因斯坦（年爱因斯坦（EinsteinEinstein））基于量子论观点，提出基于量子论观点，提出19171917年爱因斯坦（年爱因斯坦（EinsteinEinstein））基于量子论观点，提出基于量子论观点，提出辐射与原子的相互作用包含三种过程：辐射与原子的相互作用包含三种过程：11）自发辐射跃迁）自发辐射跃迁22）受激辐射跃迁）受激辐射跃迁33）受激吸收跃迁）受激吸收跃迁受激吸收跃迁受激吸收跃迁1711）自发辐射）自发辐射较高能级的粒子，自发地发射一个光子，跃迁到较低能级迁到较低能级。E过程前过程后h2E2Eh1E1E1118光子的频率为光子的频率为hEEv12其中，h普朗克（Planck）常数自发辐射的速率为1d221211ndtdnA自发辐射速率的倒数表示由自发辐射所决定的有限寿命寿命211A2119具有两个能级的原子系统在外来辐射的作用下可能产生两种过程：可能产生两种过程：处于低能级E1的原子吸收个光子后向高能——处于低能级E1的原子吸收一个光子后向高能级E2跃迁（受激吸收过程）；——处于高能级E2的原子在外来辐射作用下，发射一个与入射光子属于同一光子态的光子，并向射个与入射光子属于同光子态的光子，并向低能E1级跃迁（受激辐射过程）；2022）受激吸收）受激吸收22）受激吸收）受激吸收较低能级的粒子吸收一个光子，跃迁到较高能级较低能级的粒子吸收个光子，跃迁到较高能级过程前过程后h2E2Eh1E1E112133）受激辐射）受激辐射33）受激辐射）受激辐射较高能级的粒子在光子激励下跃到较低能级，并发射高粒子光子励到低并发射一个同频率光子。过程前过程后2Eh2Ehh1EhEh1E1E2222、受激辐射放大、受激辐射放大、受激辐射放大、受激辐射放大在外来辐射场的作用下，原子系统会产生受激吸外来辐射场作子会产吸收过程和受激辐射过程。受激吸收过程表现为能量由外来辐射场向原子转受激吸收过程表现为能量由外来辐射场向原子转移，导致辐射场的衰减，受激辐射过程则表现为能量由原子向辐射场的转移，使辐射场增强。23般说来这两种过程总是同时存在一般说来，这两种过程总是同时存在。如果受激吸收过程占主导地位，则最终结果是辐射场衰减而如果受激辐射过程起主导作用，最终结果就是而如果受激辐射过程起主导作用，最终结果就是辐射场的增强。怎么使辐射场的增强？24在某一段时间dt内：在某段时间dt内：由于受激吸收而从能级E向能级E跃迁的原子数为：由于受激吸收而从能级E1向能级E2跃迁的原子数为：由于受激辐射作用而从E向E跃迁的原子数为：由于受激辐射作用而从E2向E1跃迁的原子数为：（假定）（假定）25受激吸收过程是具有定频率的光子的消失过程受激吸收过程是具有一定频率的光子的消失过程；受激辐射过程产生一个具有一定频率的光子。在两种过程共同作用下，光子的净增量可以表示为：结论：入射光经过原子系统后得到增强的条件——处于能级上的粒子数多于能级上粒子数于能级E2上的粒子数多于能级E1上粒子数；26根据波尔兹曼分布律，处于热平衡状态时，有即，辐射光通过处于热平衡状态的原子系统时，是辐射场的衰减；要使得辐射场得到增强，必须使原子系统的分布为n2n1；——粒子数反转分布状态；——以某种方式向原子系统提供能量，将足够多的粒子从能级E1抽运到E2。2733、激光的产生、激光的产生激激光的的产生生过程程28概念工作物质概念：工作物质原子系统在获得能量后，处于粒子数反转分布状态，称之为激光工作物质称之为激光工作物质。工作物质自身某些原子的自发辐射产生的光子在传工作物质自身某些原子的自发辐射产生的光子，在传播过程中会作为入射光引起其它原子受激跃迁。工作物质处于粒子数反转分布状态，若受激辐射跃迁超过受激吸收跃迁，则光在传播中会得到激励和放大。超过受激吸收跃迁则光在传播中会得到激励和放大29激光产生的条件激光产生的条件激光产生的条件：激光产生的条件：工作物质处于粒子数反转分布状态工作物质处于粒子数反转分布状态受激辐射跃迁超过受激吸收跃迁受激辐射跃迁超过受激吸收跃迁传播中的光得到激励和放大传播中的光得到激励和放大传播中的光得到激励和放大传播中的光得到激励和放大激光器的组成激光器的组成激光器的组成：激光器的组成：工作物质工作物质抽运系统抽运系统光学谐振腔光学谐振腔光学谐振腔光学谐振腔30激光的特点激光的特点激光的特点激光的特点激光具有：单色性、相干性方向性好能量集中性、方向性好、能量集中等特点。31激光的应用：激光的应用：激光的应用：激光的应用：自然科学自然科学加工领域加工领域信息处理信息处理信息处理信息处理激光通信激光通信医学领域医学领域军事领域军事领域军事领域军事领域32激光在测绘中的应用：激光在测绘中的应用：激光在测绘中的应用：激光在测绘中的应用：持式激仪三维激光扫描仪全仪手持式激光测距仪三维激光扫描仪全站仪33激光在测绘中的应用：激光在测绘中的应用：激光在测绘中的应用：激光在测绘中的应用：LeicaALS50-II型LiDAR设备LeicaALS50II型LiDAR设备34激光信号的大气衰减激光信号的大气衰减激光信号的大气衰减激光信号的大气衰减两次通过大气不可避免受到干扰两次通过大气不可避免受到干扰两次通过大气，不可避免受到干扰；两次通过大气，不可避免受到干扰；干扰（由于激光光束的波长较短）：干扰（由于激光光束的波长较短）：大气对它的吸收和散射作用较强，因此大大气对它的吸收和散射作用较强，因此大气穿透能力较差气穿透能力较差大气中雨滴