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半导体激光器原理图半导体激光器所发射的其光束形状具有一些奇特

鏃ユ湡;2019-06-13  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  半导体激光器原理图半导体激光器所发射的激光其光束形状具有一些奇特的性质具体地说就是其子午方向与径矢方向的束腰与发散角的比值较大 典型的比值约为 从具体的尺寸上来看激光发射截面的结方向的尺寸约为 另一方向的尺寸视要求的功率而定 一般在 结与激光束平行方向的尺寸很小因此 可认为 结的前表面 即激光发射位

  半导体激光器原理图半导体激光器所发射的激光其光束形状具有一些奇特的性质具体地说就是其子午方向与径矢方向的束腰与发散角的比值较大 典型的比值约为 从具体的尺寸上来看激光发射截面的结方向的尺寸约为 另一方向的尺寸视要求的功率而定 一般在 结与激光束平行方向的尺寸很小因此 可认为 结的前表面 即激光发射位置就是光束的腰。对于波长为 的激光 根据激光束腰与发散角之间的关系公式 这是两个相当大的发散角。这种形状的光束照射在光屏上将呈线状结构。所以点状光斑的半导体激光器中都包含有小焦距的柱型光束整形镜 以调整激光束发散角。发射光学系统主要作用是使发射光束具有合适的光路角和光束发散角。在本论文的设计中 需要光束形成 度周视光束 这可以由数个线型激光束彼此覆盖来实现。因此 本设计中恰好需要线型的光束 出于对系统的整体考虑 仍需设计特定的透镜对光束进行整形。接收光学系统与发射光学系统协调使用 使激光探测系统中的敏感装置获得一定的探测方向性和视场角 并以较大的通光面积 收集目标反射的激光束 以利于提高激光敏感装置的探测信噪比。根据探测系统的需求和实际情况 考虑探测距离不需过大 米即可满足测试的需求 综合安全等一些因素的考虑 对于半导体激光器的功率采用 光束发散角根据下文分析与计算为 故采用线状半导体激光器。周视激光动态探测系统研究硕士论文表 一字线半导体激光器参数列表产品名称红光一字线半导体激光器输出波长 输出功率 工作电压光束发散度 线宽 。光学系统光学镀膜玻璃透镜工作温度存储温度 输出波段可见激光器运转方式连续激光器激励方式电激励式激光器工作介质半导体激光器表 所示为光斑模式为线状的半导体激光器的一些参数 在激光器的选择上采用波长为 输出功率 扇角即弧矢方向的发散角选择为 。的一字线状。 接收系统中探测部件的选用周视激光动态探测系统采用主动方式探测 发射部分由激光器和发射系统组成 激光照射目标 经漫发射后进入激光接收系统。激光发射系统将激光器产生的激光发射出去 激光接收系统汇聚激光的功率并构成对目标的定向和定距探测的基本环节。光电探测器是把目标反射的激光信号转变为电信号的敏感元件 是激光引信光电探测系统中的一个重要元件 对系统性能影响很大。激光引信接收端光学窗口是用来对准发射光束和接收尽可能多的信息光能 并使光束会聚到光电探测器上 它是对光波中的红外波段进行工作的系统 作用十分类似于接收目标回波的雷达天线 就是接收能量辐射 并把它传送给探测器 。由于引信体积的限制 不允许使用复杂的光学窗口 因此激光引信接收光学系统必须完成大视场激光光束接收 实现激光能量尽可能多的进入到光电探测器里 在满足接收性能的同时必须结构简单【 。硕士论文周视激光动态探测系统从提高周视激光动态探测系统的性能方面看 提高对目标回波的接收灵敏度比提高激光发射功率更有效 因为提高接收灵敏度不会增加系统的体积、质量和功耗 而提高激光发射功率将使它们大大增加。要满足本设计方案中引信系统体积小、质量轻 且又能实现较远测程的要求 除了采用新技术设计激光发射器外 提高探测器的接收灵敏度也是一条很重要的途径。探测系统中应用直接探测技术接收目标反射信号 由于探测器接收的是目标反射回来的微弱信号 所以探测器应该对微弱信号敏感 信噪比较高。采用雪崩光电二极管作为探测接收器件。雪崩光电二极管具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、抗强磁场干扰和动态范围大等优点 特别是其响应时间短 由于内倍增效应 它对微弱信号也有相当高的灵敏度 因此对于远距离激光定距引信 既能保证系统的定距精度 又能扩大定距范围【 】。雪崩光电二极管 又称累崩光电二极管 是一种半导体光电检测器 其原理类似于光电倍增管。在加上一个较高的反向偏置电压后 利用电离碰撞 雪崩击穿 效应 可在雪崩光电二极管中获得一个大约 的内部电流增益。某些硅雪崩光电二极管采用了不同于传统雪崩光电二极管的掺杂等技术 允许加上更高的电压 大于 而不致击穿 从而可获得更大的增益 大于 。一般来说 反向电压越高 增益就越大。雪崩光电二极管倍增因子 的计算公式很多 一个常用的公式为 其中三是电子的空间电荷区的长度而口是电子和空穴的倍增系数 该系数取决于场强、温度、掺杂浓度等因素。硅雪崩光电二极管是近红外波段激光测距系统常用的一种高灵敏度探测器 是一种具有内放大作用的 结光电二极管 在产生雪崩倍增所需的高反向偏压下工作 倍增因子可以很大 硅雪崩光电二极管具有 以上的倍增因子 而且暗电流很小 响应度高、响应时间快。在诸多激光测距仪中广泛使用 探测系统中发射和接收光学系统一般的单通道小视场的激光探测系统采用非球面透镜或是复合球面系统对于 。周视探测视场 比较简单的是采用光锥实现。发射光学系统使激光发射光束具有合适的光路角和光束发散角。接收光学系统与发射光学系统协调设计 使激光探测系统的激光敏感装置获得一定的探测方向性和视场角 并以较大的通光面积 收集目标反射的激光功率 以利于提高激光敏感装置的探测信噪比。根据探测系统总体设计要求 选定合适的光学系统的设计方案和参数 光学系统的设计应能为信号处理电路提供既能识别目标、精确选择炸点位置 又能为抗干扰设计提供良好的目标回波信号模式【 。接收系统通常应与发射光学系统协调设计 重要的设计思想是 周视激光动态探测系统研究硕士论文要求设计的光学系统能提供丰富的且易分辨的有关目标位置和真假目标识别的信息 在国内研究的激光探测系统中 接受光学系统大都为球面复合系统 要求接收视场在覆盖发射激光波束的前提下尽可能小 保证所要求的有效接收面积较高的光学透过率。因此 选择合适的光学材料 把接收光学系统和发射光学系统设计成尽量靠近光轴且相互平行或在一定距离上相交实现光学截止【 所示。或者在设计中将发射和接收光学系统设计为同轴系统 如图 所示 这种设计可以大大缩小探测系统的体积和增大有效接收面积。发射‰ 的探测系统示意图中发射光学系统和接收光学系统分立在探测系统轴向的不同位置 发射光学系统的光束发散角在子午面上较小 但是在弧矢面上可以实现 度全周覆盖。接收光学系统的接收视场角较大 并且和发射光束在一定距离上相交实现光学截止 即目标离探测系统距离在灭 佃之内都可以反射发射系统的激光光束并被接收光学系统接收到。下图 所示的为收发同轴的激光探测系统 它的激光发射器和接收器的光路轴线为同一轴线 发射光学系统的视场和接收光学系统视场平行 不存在实现光学截止的角度。 硕士论文周视激光动态探测系统 周视激光测距原理图 收发同轴的激光探测系统示意图激光探测系统是一种主动式光电探测器探测系统部分发射激光 光束被目标反射回来 经激光探测系统的接收系统接收转变为电信号 经一定的电路处理后判断目标的方位与距离 激光测距方式主要有激光脉冲测距、相位法测距和三角法激光测距等 下面简要介绍上述三种测距方式的有关原理。 激光脉冲测距的实现原理。图 、“如图所示 激光脉冲测距是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离的 周视激光动态探测系统研究硕士论文 其中为待测距离 为激光在大气中传播的速度 为激光在待测距离上的往返传播时间。激光脉冲测距仪的工作过程大致如下 首先激光器发出一个很强很窄的光脉冲 这个光脉冲经过发射望远镜 压缩了它的发散角。以红宝石激光器为例 它的光束发散角一般是几个毫弧度 光束发散角经发射望远镜压缩为零点几个毫弧度。这样的光脉冲发射到几十公里远的地方 也只有几米直径的一个光斑。在脉冲激光发射出去的同时 其中极小一部分光立即由两块反射镜反射而进入接收望远镜 由它作为发射参考信号 用来标定激光发出的时间。参考信号进入接收望远镜后 经过滤光片到达光电转换器 光电倍增管或光电二极管等光电元件 将参考光信号转变成电信号 即光脉冲信号变成电脉冲信号。然后这个电脉冲信号经放大、整形后送入时间测量系统 使其开始计时。此外射向目标的光脉冲 由于目标的漫反射作用 总有一部分光从目标沿着原路反射回来 而进入接收望远镜 它同样经过滤光片 光电转换器 放大整形电路继而进入时间测量系统 使其停止计时。由此便可以得到激光往返的时间。根据时间变量计算出目标与探测器之间的距离。 激光相位法测距的实现原理相位式激光测距一般应用在精密测距中。由于其精度高 一般为毫米级 为了有效的反射信号 并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上 对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。图 激光相位测距法原理图如图 所示相位测距是测定连续的调制激光在待测距离上往返的相位差来间接测量传播时间的 由此计算出两者之间的距离。通过测定连续的调制激光在待测距离 上往返的相位差 来间接测量传播时间 。我们知道光波在传播过程中相位硕十论文周视激光动态探测系统是不断变化的 每传播一个波长力 相位就变化 所以距离、光波往返相位差矽和光波波长之间的关系为 这里相当于测尺的长度三 其中 为正整数或 。需要指出 任何测量交变信号相位移的方法都不能确定出相位移的整周期数 而只能测定其中不足 石相位移的尾数 。所以将五 作为测尺厶的话 是不能被确定的 矽可以通过鉴相器测量出来即是当 小于 由此可知如果被测距离较长 我们可以选择一个相应的测尺厶大于待测距离 这样就不会出现 的不确定性了。但是由于仪器的测相系统存在测相误差 扩大厶的长度势必导致 的测量误差增大。例如 仪器的测相误差为 时会引起的测距误差 所引起的测距误差会达到。所以 要在仪器的最大测程内保持测距 的确定性而选用较低的测尺频率 就会造成较大的测距误差。为了解决这一矛盾 可在测距仪内采用几个长度不同的测尺 将它们配合使用 又可保证较高的测距精度。通常测距仪都有一个基本测尺长度和若干个辅助测尺长度 。基本测尺决定测量精度 又叫精测测尺 辅助测尺用来粗测 又叫粗测测尺 例如 选用两把测尺 其中 用它们分别测量一段 的距离时 可测得不足的尾数 可测得不足的尾数 将二者组合起来 考虑到 是重叠部分 于是就可得到 。最后 我们再简单介绍一下位相测距仪中相位差的测量。我们知道 若是信号频率越低 则相位变化 万需要的时间就越长 这样也就越便于相位的测量。所以中、低频的位相测量精度总是远远高于高频信号的测相精度。因而高频信号相位差的测量大都采用差频的方法。把高频信号转化为低频信号进行处理 这就是所谓的差频测相【 激光三角测量法基本原理激光三角测量法是一种传统的位移测量方法。随着激光器、光电探测器和计算机的发展与成熟激光三角测量法有了很多新的进展 在物体外形轮廓 微小位移 精密检测技术中得到了广泛的应用【 。其根本原理是用一束激光照射到被测物体上产生光斑 由物体表面散射或漫反射的光经过透镜将光斑成像在焦平面上 焦平面上放置位置敏感器件。物体移动或用光束扫描物体外形轮廓时 光斑位置发生 周视激光动态探测系统研究硕十论文移动 其位于焦平面附近的像相应的发生位置变化 通过位置敏感器件可以求出物体的位移量或其外形轮廓 从而目标距离 可以通过几何关系由 求出。由于目标距离是由光斑在光电位置敏感器件上的横向 垂直于光轴方向 移动来分辨的 因此这种测距方法其距离分辨能力由光电探测器 的像元尺寸、激光束光斑大小、光学系统成像质量等决定。这一方法可以获得较高的探测精度。根据光线的不同入射方式激光三角位移传感器主要分为两种垂直入射式和斜入射式。对于激光束相对于目标表面倾斜入射时 如图 探测到的是目标的斜距 其原理与激光垂直入射时相刚 激光三角测距法原理图对于这三种激光测距的方法激光脉冲测距法是最常见的测距方法 对于长距离目标 脉冲测距法可以达到足够的测距精度和较快的测距时间。激光脉冲的飞行时间测量是其主要问题 由此 其关键技术是窄脉冲技术、时刻鉴别技术和时间间隔测量技术。激光脉冲测距的电路系统较为复杂 主要有光电探测元件、比较器、放大器、整形电路、时钟脉冲振荡电路等部件 因此激光脉冲测距系统的结构较为复杂 高精度测量的成本较高。为了提高时间测量精度 需要高带宽和精密的信号处理 这将会增加测距仪的成本和体积。在激光器发射连续波进行测距中常见的是相位测距法 对于要求高测距精度的场合 相位测距优于脉冲测距法 其缺点是测距速度慢 结构更复杂。并且对于高速运动目标 由于可能受到多普勒频移效应的影响而不能适用。相对于脉冲测距和相位测距法 三角测距的方法的测量精度受目标反射特性的影响较小 激光回波能量对于测量精度没有影响。而且三角测距法的信号处理单元也较前两种测量方法简单 测量速度非常快几乎是实时探测。可以应付高速运动的情况下实现较短距离的精确探测。 硕士论文周视激光动态探测系统 探测系统光束空间布置和方位探测我们要求对全视场进行探测 采用单探测光源的难度是很大的。首先 一般的光电探测器最小可探测功率约为 采用单探测单元进行全视场的度覆盖探测 探测距离大约在 米的情况下忽略大气中的衰减 根据下式计算 后文对此公式有所介绍 探测光源的功率需求大约是这在我们的探测系统中是不可行的。另外 对于目标的探测信息 不仅需要目标与弹体之间的距离信号 也需要目标与弹体之间的方位信息 单探测光源需要配合较多的接收探测器。所以我们采用多个光源进行探测照明 为了合理安排多个光源 需要选择一定的光束布置方案。利用激光束可设定不同的空间布置方式 能提供非常精确的目标距离和位置信息来实现全向探测、判别目标。目前 大探测场激光探测系统主要有四种常用的光束布置方式 如图 所示 分别为 多辐射方案 为分区方案 为区域扫描方案 为同步扫描方案 上述各种发射光束的光轴可与导弹轴垂直或构成一定夹角 形成圆盘状或圆锥状光束探测场【 。下面对于这四种光束布置方案不同的应用背景和各自的优缺点以及具体在激光引信中的应用进行细致的分析。 激光光束分布示意图多辐射方案多辐射方案的接收器数量和发射器数量相等且视场匹配 发射及接收窗口在弹体周围均匀分布 多个辐射状窄光束共同形成探测场 发射光束与接收机视场有很强的定向性。多辐射全向探测型激光引信在小型面空导弹、空空导弹中应用的较多 以适应对快速运动的旋转翼和固定翼空中目标的迎头或追尾攻击 在弹体周围 周视激光动态探测系统研究硕士论文增加发射器和接收器数量可以改善引信性能 但需要根据目标特性精心设计发射和接收光学系统 特别是探测视场与接收视场的匹配 以获得最佳收发配置和对目标的最佳探测效果。多辐射方案的多个激光发射器可以同时工作 也可以利用电子扫描技术使多个圆柱状光束轮换工作 这样既可减少每个激光束的覆盖角度 又可节省电能 同时还能给出更精确的目标方位位置信息。重要的是 这种方式对激光器发射功率的要求不高。多辐射方案中发射光束的数量与脱靶量成正比 当脱靶量大 目标尺寸太小时 必须有足够数量的发射光束以形成对目标的有效探测。考虑到多辐射方案在结构设计上的难度 当脱靶量小于 目标最小尺寸接近 。左右。分区方案分区方案的光束布置是由几个扇形光束构成探测场 接收器数量与发射激光器数量相等且视场匹配。分区方案的主要特点是结构简单 发射光学系统中的柱面镜能够在空间形成扁平状发射光束。与多辐射方案相比可探测的最小目标尺寸较小 但增大接收视场会增加背景噪声并降低发射功率的利用率 所以此方案对发射激光器平均功率要求较高。同多辐射方案一样 多个分区探测场既可以同步工作组成一个大的探测场 又可轮换工作形成分区扫描探测。例如 公司的全向探测的激光引信发射采用四个同样的微激光器 每个激光器发射方向与弹轴成 从而实现整个圆周视场的覆盖探测【。另外 它可以设计利用发射视场与接收视场的交叉区域来获得对目标的最大反射特性 从而提高引信的灵敏度。发射视场与接收视场的交叉区域范围和目标与光束的交汇时间应该相匹配 目标在光束中的停留时间正好可以作为目标判别的条件。交叉区域以外形成“盲区 还可以设定为激光探测系统的“距离门”和“截止门’’借此来提高激光探测系统的抗干扰能力 引。同时 在结构上加大发射和接收系统间距可以减少激光发射电路对接收电路的干扰。这种光束布置方案使得光束能量分散 目标回波信号弱 因此对单个光源的辐射功率要求较高 可以利用电子扫描技术使多个扇形光束轮换工作 这样既可以节省电能降低对激光发射器的功率较高的要求 同时还能给出更精确的目标位置信息。 区域扫描方案在分区视场内 只有发射激光器扫描形成探测场 多个探测器分区接收。区域扫描方案的特点是能有效利用激光器的发射功率 来增大作用距离。如 公司生产的用于探测空中目标的激光引信【其中发射采用峰值功率为 脉冲微激光器波长

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