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AGV技术-激光导航的激光是什么?

分类:机器人知识堂 95

激光的相关知识

激光自发明以来以惊人的速度不断发展,目前以通信行业为首,被广泛应用于建筑、制造业、医疗、军事等各种领域。然而,激光包括很多种类,并且具备各种不同的“特性”。我们需要根据目的区分使用这些激光,因此,掌握这些激光“特性”就显得至关重要。

在AGV行业中,有一种导航技术“激光导航”。激光导航是采用二维激光导航传感器获取环境中的测量数据,然后将测量数据进行运算进而得到AGV的坐标信息。

因此在从事激光导航AGV行业的工程师,激光是什么?应该对激光相关基础知识有所了解与掌握。

什么是激光?

LASER 是由Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(光受激辐射放大)的各首字母组 成的缩写词。Laser 为人工光源,具有与自然光不同的特性,因此开发成实用技术被广泛应用于各种领域,例如激光导航、激光测距、激光切割等等。

激光的用途

激光可直线传播到很远,并且可聚集在较小范围等,人们活用这些特性,广泛应用激光。激光市场不断扩大,正在帮助制造业提高生产效率和品质。

关于激光的特性

1单色性

自然光包含从紫外线到红外线等多种波长的光。相对而言,激光为单一波长的光,其特性称之为单色性。单色性的优点在于可提高光学设计的灵活性。光的折射率因波长不同而产生变化,自然光穿过镜头时,会因内含不同种类的波长,而产生扩散现象。这种现象称为色差。另一方面,激光为单一波长的光,只会朝相同方向折射。例如,摄像头的镜头需要具备可校正因颜色导致的失真的设计,但激光仅需考虑该波长即可,因此光束可长距离传送,实现小光斑聚光的精密设计。

2指向性

指向性是指声音或光线在空间内前进时不易扩散的程度,指向性较高则表示扩散小。自然光包含朝各种方向扩散的光,为提高指向性,需要靠复杂的光学系统去除前进方向以外的光。相对而言,激光为指向性较高的光,让激光不扩散而直线前进,在光学设计上较为容易,可进行长距离传送等。

3相干性

相干性表示光容易相互干扰的程度。如果将光考虑为波,波段越相近则相干性越高。例如,水面上不同的波相互碰撞时,可能相互增强或相互抵消,与这一现象相同,越随机的波干扰程度越弱。激光的位相、波长、方向一致,可维持较强的波,从而实现长距离传送。相干性较高的光,具有可长距离传送且不会扩散的特性,具备可通过镜头聚集成小光斑的优点,可将产生的光传送至别处,用作高密度光。

4高能量密度

激光具有优异的单色性、指向性、相干性,可聚集成非常小的光斑,形成高能量密度的光。可缩小至自然光达不到的绕射极限附近。(绕射极限:物理上无法将光聚焦成小于光波长的极限)通过将激光缩到更小,可将光强度(功率密度)提高至可用于切断金属的程度。

激光器的构造

工业用激光器大致分为4 种。使用的激光媒质或构造、振荡波长、 激发源等不同。激光媒质是一种包含可将激发光的能量转换为激 光的原子的物质,激光的种类正是根据媒质进行分类。

  • 固体激光:一般为YAG 激光和YVO4 激光,激光媒质采用YAG、YVO4 结晶。
  • 气体激光:广泛使用采CO2 气体为媒质的CO2 激光。
  • 半导体激光:以具有活性层(发光层)构造的半导体为媒质的激光。
  • 光纤激光:进入21 世纪后广泛普及的一种激光,如字面所述,以光纤为媒质。

1、半导体激光

重叠材质不同的半导体结晶以构成活性层(发光层),从而产生光。让光在构成两端的一对镜面间往返从而放大,最终产生激光。

2、气体激光(CO2 激光)

CO2 激光是以CO2 气体为媒质的激光。在填充有CO2 气体的管内,配置电 极板,以产生放电。电极板连接外部电源,使其可投入高频率电力作为激发 源。因电极间放电而在气体中产生等离子体,CO2 分子会变换为激发态,该 数量增加后开始受激辐射。此外,为了让光往返而产生振荡,相对设置一对 镜面,则构成了谐振器。光会在全反射镜和输出镜之间往返,放大后输出为 激光。振荡波长一般为10.6 μm。气体成分构成为CO2 在10% 以下、氮N2 在30% 左右、氙Xe 在数%、其余为氦He。各气体有其各自的功能,根据 构造和激光的特性不同而改变成分。

3、固体激光

侧面抽运方式YAG 激光是以YAG 结晶为激光媒质的一种固体激光。YAG 是 指(Yttrium Aluminum Garnet)的结晶,并添加Nd(Neodymium、钕)。 激光器的构成是在与YAG 结晶的轴平行的两侧配置激发用LD。使用一对镜 面构成谐振器,在两者之间配置Q 开关。振荡波长为1064 nm。侧面抽运方 式是一种投入激发光的面积较大,可提高投入能量并容易获得高功率输出的 构成。脉冲宽度较长,为100 ns 至数ms,可产生脉冲能量较大的脉冲,用 于对金属的刻印、切断、雕刻、焊接。

* 什么是Q 开关

可改变光前进方向的元件。将Q 开关设为开启后,谐振器内的光被弯曲,流出谐振器外,振荡停止。Q 开关在开启状态时由于未产生振荡(无受激辐射),因此结晶 内的激发原子会增加,处于放大率较高的状态。在该状态下将Q 开关设为关闭后,光会在揩振器内往返并急剧放大,从而可输出为脉冲。

4、固体激光

侧面抽运方式YVO4 激光是以YVO4 结晶为激光媒质的一种固体激光。 YVO4 是指钒酸钇结晶,与YAG 同样添加有Nd(钕)。采用从YVO4 结晶端面单侧照射激发光的方式,以一对镜面构成揩振器,并在镜面 间配置结晶和Q 开关。振荡波长与Nd:YAG 激光相同,为1064 nm。 放大率较高,可使用较小的结晶,激光器长比YAG 激光短。因此, 光可在更短时间内反复射入结晶,使光强度急剧增加。与YAG 相比, 具有效率更高、峰值更高且脉冲更短的特点。此外,结晶中心部的放 大率较大,产生的光为单模光*,可输出高品质的激光。

5、光纤激光

光纤激光使用光纤为媒质,是长距离通信的中断放大技术发展为高功率输出激光的产物。光纤由中心传输光的核心和以同心圆状包覆核心的金属包层构成。光纤激光以该核心为激光媒质放大光。因此核心中添加有Yb(Ytteribum、镱)。

光纤激光的构成一般是通过激光二级管(Seed LD)产生的称之为种 子光源(Seed Light)的脉冲光,然后通过2 个以上的光纤放大器进 行放大。激发用LD 配备多个单管发射器(发光层为1 个)LD。各 LD 为低功率输出,因此具有热负荷较小的优点,实现了长寿命。此外, 该LD 数量越多,越可实现高功率输出的激光。光纤激光振荡效率较 高,与固体激光和气体激光相比,具有功率消耗较低的特点。

放大用光纤(前置放大器、主要放大器)为3 层构造,包括核心和2 层金属包层。激发光进入内侧的金属包层(内层包覆)和添加有Yb 的核心内,使核心内部的原子变换为激发态。激光被封闭于核心内前 进,再通过激发原子放大,在媒质内越前进,强度越强。与固体激光 或气体激光不同,光朝一个方向前进,不会往返。

AGV激光导航传感器

1 SICK激光导航传感器NAV3xx系列

德国SICK公司将NAV3xx系列产品称之为 2D LiDAR 传感器。

什么是 LiDAR?

利用激光进行非接触式距离测量的传感器已成为当今自动化领域不可或缺的一部分。这一发展始于所谓的 TOF 测量技术。TOF (Time of Flight) 即飞行时间,这一说法基本上已被更为准确的术语 LADAR 或最为常用的 LiDAR 所取代。LADAR(Laser Detection and Ranging,激光检测和测距)或 LiDAR(Light Detection and Ranging,光检测和测距)源自通用术语 RADAR,它表示无线电检测和测距(Radio Detection and Ranging)。

2 Pepperl-Fuchs激光导航传感器R2000系列

脉冲测距技术(PRT)

脉冲测距技术的基本原理是,首先通过发射器发出脉冲光,接收器接收被物体返回的此段脉冲光,定时器记录此段脉冲光从发射到接收所经历的时间,最后通过特定公式的换算得到实际的距离测量值。与其他的飞行时间测量技术发射器发出连续恒定的光不同,基于脉冲测距技术开发的测距传感器,发射器每秒可以发出250,000 个脉冲光。相比发出连续恒定的光源,基于脉冲技术开发的测距传感器发射器发出的脉冲光能量值要相比高出1000 倍,可以有效的确保测量的稳定性和可靠性。相比基于三角反射原理的测距传感器,基于脉冲测距技术开发的测距传感器,测量距离不再受光学几何布局的限制,小尺寸即可实现300m 甚至更远的距离测量。

R2000 采用发射器、曲面镜和接收器一体旋转的测量技术,为实现真正的同步测量打下了基础。也就说一体旋转技术将单点测量衍生成了360° 平面内的全区域测量。基于脉冲测距技术的一体旋转测量技术,可用于快至50Hz,每秒250,000 测量值的高速2D 测量。区别于传统的旋转镜的设计,机械震荡误差形成的较宽的测量平面,采用一体旋转测量技术的R2000 能给出一个很窄的测量平面,进一步确保了检测精确性和稳定性。除此之外,无线能量传输和光通讯数据传输技术的引用,也为“ 无接触旋转” 打下了深厚的基础。

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