描述 激光技术和激光器是20世纪60年代最重要的科学技术之一。由于其方向性强、亮度高、单色性好，广泛应用于工农业生产、国防军事、医疗卫生激光传感器学生、科研等方面，如测距、精确检测、定位等，也作为长度基准和光频基准。
激光技术与应用的迅猛发展，已与多个学科相结合，形成新兴的交叉学科，如光电子学、信息光学、激光光谱学、非线性光学、超快激光学、量子光学、光纤光学、导波光学、激光医学、激光生物学、激光化学等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展，使得激光器的应用范围扩展到几乎国民经济的所有领域。
激光传感器是利用激光技术测量的传感器，一般由激光、光学部件和光电部件组成。它可以将测量的物理量（如长度、流量、速度等）转换为光信号，然后利用光电转换器将光信号转换为电信号，通过相应电路的过滤、放大和整流获得输出信号，计算测量。
激光传感器具有结构简单可靠、抗干扰能力强等优点，适用于各种恶劣的工作环境，分辨率高（如测量长度可达几纳米），示值误差小，稳定性好，适合快速测量。
什么是激光
激光不同于普通光，需要用激光产生。在正常情况下，大多数原子处于稳定的低能级E1.在适当频率的外部光的作用下，在低能原子吸收光子能量的刺激下，跃到高能原子E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h 是普朗克常数，v 是光子频率。相反，频率为v 在能级光的诱发下E2 原子会转移到低能释放能量并发光，称为受激辐射。首先，激光器使工作物质的大部分原子异常处于高能水平（即粒子数反转分布），使受激辐射过程占主导地位，使频率为v 诱发光增强，可通过平行反射镜形成雪崩放大，产生大受激辐射光，称为激光。
激光的重要特性
1. 高方向性(即高定向性，光速发散角小)，几公里外激光束的扩展范围只有几厘米。
2.激光的频率和宽度是普通光的10倍以上。
3.高亮度，激光束聚集最高可产生数百万度的温度。
激光的种类
根据工作物质，激光器可分为四种：
固体激光器
它的工作物质是固体的。常用的有红宝石激光器和掺钕的铝石榴石激光器(即YAG激光器)和钕玻璃激光器等。它们的结构大致相同，特点是小而坚固，功率高。钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的装置，已达数十兆瓦。
2.气体激光器
它的工作物质是气体。有各种气体原子、离子、金属蒸汽和气体分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦霓虹激光器和一氧化碳激光器。其形状如普通放电管，输出稳定，单色性好，使用寿命长，但功率小，转换效率低。
3、液体激光器
它分为螯合激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中最重要的是有机染料激光器，其最大的特点是波长连续可调。
4、半导体激光器
它是一种年轻的激光器，其中砷化镓激光器更为成熟。其特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单，适用于飞机、军舰、坦克和步兵。可制成测距仪和瞄准器。但输出功率小，定向性差，受环境温度影响大。
激光传感器的特点和用途
激光测长
精密测量长度是精密机械制造业和光学加工业的关键技术之一。现代长度测量主要由光波的干扰现象进行，其精度主要取决于光的单色性质。激光是最理想的光源，比最好的单色光源（氪-86灯）纯10万倍。因此，激光长度测量范围大，精度高。单色光的最大可测长度 L与波长λ和谱线宽度δ关系是L=λ2/δ。氪-86灯最大长度为38.5cm，对于较长的物体，需要分段测量，以降低精度。如果使用氦霓虹气体激光器，最大可测量几十公里。一般测量几米以内的长度，其精度可达0.1微米。
激光测距
其原理与无线电雷达相同。激光对准目标发射后，测量往返时间，乘以光速获得往返距离。由于激光具有方向性高、单色性高、功率高的优点，因此激光测距仪越来越受到重视，对于测量远距离、确定目标方向、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等至关重要。在激光测距仪的基础上开发的激光雷达不仅可以测量距离，还可以测量目标方向、运输速度和加速度。它已成功地用于人造卫星的测距和跟踪。例如，红宝石激光器的激光雷达测距范围为500~2000公里，误差仅为几米。目前，红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器和砷化镓激光器常用作激光测距仪的光源。
激光测厚
上位于三角测距原理中C型架的上下分割有一个精密的激光测距传感器，通过对线阵 CCD采样处理信号，线阵CCD在控制电路的控制下，相机同步获得被测对象C通过传感器反馈数据计算中间被测物体的厚度。由于检测是连续的，因此可以获得被测物体的连续动态厚度值。
1.单激光位移传感器测厚
被测体放置在测量平台上，测量传感器到平台表面的距离，然后测量传感器到被测体表面的距离，计算后测量厚度。被测体与测量平台之间没有间隙，被测体也没有翘曲。这些严格的要求只能在离线时实现。
2.双激光位移传感器测厚
激光位移传感器安装在被测体的上下两侧D=C-(A B)。其中，C两个传感器之间的距离，A从上传感器到被测体之间的距离，B是下面传感器到被测体之间距离。在线厚度测量用这种方法优点是可消除被测体振动对测量结果的影响。但同时对传感器安装和性能有要求。保证测量准确性的条件是：两个传感器发射光束必须同轴，以及两个传感器扫描必须同步。同轴是靠安装实现，而同步要靠选择有同步端激光传感器。
激光测振
它基于多普勒原理来测量物体的振动速度。多普勒原理是指观察者测量的频率不仅取决于波源的振动频率，还取决于波源或观察者的运动速度的大小和方向。测量频率和波源之间的频率差称为多普勒频移。当振动方向和方向一致时，多普勒移动fd=v/λ，式中v 为振动速度，λ波长。在激光多普勒振动速度测量仪中，由于光往返，fd =2v/λ。在测量过程中，该振动计将物体的振动从光学部分转换为相应的多普勒频移，并将频移转换为电信号，然后通过电路部分送到多普勒信号处理器，将多普勒频移信号转换为与振动速度相对应的电信号，最后记录在磁带中。该振动计采用波长为6328埃(┱)氦霓虹激光器采用声光调节器进行光频调节，以石英晶体振荡器和功率放大电路作为声光调节器的驱动源，用光电倍增管进行光电检测，用频率跟踪器处理多普勒信号。其优点是使用方便，无固定参考系统，不影响物体本身的振动，测量频率范围广，精度高，动态范围大。缺点是测量过程受其他杂散光的影响较大。
激光测速
它也是一种基多普勒原理的激光速度测量方法光多普勒流速计用于测量风洞气流速度、火箭燃料流速、飞机喷射气流速度、大气风速和化学反应中颗粒的大小和聚合速度。
多普勒测速系统原理：
从机车上听到的声波之间的距离被压缩了，就像一个人在关掉风琴一样。这个动作的结果产生了明显的高音调。当火车离开时，声波传开，声音很低–这种现象被称为多普勒效应。
检查机动车速度的雷达速度计也使用了这种多普勒效应。从速度计中射出一束射线，射入汽车，然后返回速度计。速度计中的微信息处理器将返回波长与原始波长进行比较。返回波长越紧，车速就越快–这证明了超速的可能性越大。
激光多普勒测速仪是通过激光探头测量多普勒颗粒的多普勒信号，然后根据速度与多普勒频率之间的关系得到速度。由于它是一种激光测量，它不干扰流场，测速范围广。此外，由于多普勒频率和速度是线性的，它与点的温度和压力无关。它是世界上速度测量精度最高的仪器。
干涉条纹可以解释多普勒速度测量的工作原理。当聚焦透镜将两束入射光聚集在一个角落时，干激光束具有良好的相干性，并在聚集点上形成明暗相间的干扰条纹。条纹间隔与干光波波长成正比，反比干半交角的正弦值。当流体中的粒子从条纹区域的方向经过时，一系列散射光波会随着时间的推移依次散射光强，称为多普勒信号。这一列光波强度变化的频率称为多普勒频移。条纹区域颗粒的速度越高，多普勒频移就越高。除条纹间隔外，考虑到流体的折射率，还可以获得多普勒频移与流体速度之间的线性关系。多普勒速度测量系统利用速度与多谱勒频移之间的线性关系来确定速度。各方向多普勒频率的相位差与粒子直径成正比，可以通过监测到的相位差来确定粒径。
两种激光传感器的主要原理和应用
利用激光的高方向、高单色、高亮度，可实现无接触的远程测量。激光传感器常用于测量长度、距离、振动、速度、方向等物理量，也可用于探伤和空气污染物监测。简而言之，激光传感器的应用越来越广泛，以下介绍了两种激光传感器的主要原理和应用。
激光位移传感器
激光位移传感器可以利用激光的高方向性、高单色性和高亮度来实现无接触的远程测量。激光位移传感器（磁致伸缩位移传感器）是一种利用激光的这些优点制成的新型测量仪器。它的出现使位移测量的精度度、可靠性得到极大的提高，也为非接触位移测量提供了有效的测量方法。
激光三角法测量原理
半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。
激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。
同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可设置独立检测窗口。
激光回波分析法测量原理
激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离可以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接受器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回接收器所需时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。
激光位移传感器的应用
1、尺寸测定：微小零件的位置识别;传送带上有无零件的监测;材料重叠和覆盖的探测;机械手位置(工具中心位置)的控制;器件状态检测;器件位置的探测(通过小孔);液位的监测;厚度的测量;振动分析;碰撞试验测量;汽车相关试验等。
2、金属薄片和薄板的厚度测量：激光传感器测量金属薄片(薄板)的厚度。厚度的变化检出可以帮助发现皱纹，小洞或者重叠，以避免机器发生故障。
3、气缸筒的测量，同时测量：角度，长度，内、外直径偏心度，圆锥度，同心度以及表面轮廓。
4、长度的测量：将测量的组件放在指定位置的输送带上，激光传感器检测到该组件并与触发的激光扫描仪同时进行测量，最后得到组件的长度。
5、均匀度的检查：在要测量的工件运动的倾斜方向一行放几个激光传感器，直接通过一个传感器进行度量值的输出，另外也可以用一个软件计算出度量值，并根据信号或数据读出结果。
6、电子元件的检查：用两个激光扫描仪，将被测元件摆放在两者之间，最后通过传感器读出数据，从而检测出该元件尺寸的精确度及完整性。
7、生产线上灌装级别的检查：激光传感器集成到灌装产品的生产制造中，当灌装产品经过传感器时，就可以检测到是否填充满。传感器用激光束反射表面的扩展程序就能精确的识别灌装产品填充是否合格以及产品的数量。
激光测距传感器
激光测距传感器的原理与无线雷达相同，将激光对准目标发射出去后，测量它的往返时间，再乘以光速既得到往返距离。由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点，这些对于测远距离、判定目标方位、提高接受系统的性噪比、保证测量精度等都是很关键的，因此激光测距仪日益受到重视。
激光测距传感器原理
激光测距实际上是一种主动光学探测方法。主动光学探测的探测机制是：由探测系统向目标发射波束（在光学探测中，一般是红外或者可见光），波束被目标表面放射产生回波信号。回波信号中直接或简介地包含待测信息。接收与信号处理系统通过接收和分析回波信号，获得被测量。
上图为脉冲激光测距系统简图，其工作原理如下：
人机操作发出测距指令，出发激光器发出激光脉冲，一小部分能量透过分束片，作为参考脉冲直接送到脉冲采集系统，作为计时的起始点，启动数字式测距计时器开始计时：另一部分由折射棱镜放射，射向目标。一般发射前端有望远光学系统，为的是减少出射光束的发散角，以提高光能面密度，增大工作距离，还可以减少背景和周围非目标标物的干扰。到达目标的激光束有一部分被表面漫反射回到测距仪；经接收物镜和光学滤波器，到达探测器APD，窄带光学滤波器的主要作用是充分利用激光优良的单色性，提高系统的信噪比；光探测器APD将光学信号转换为电信号，然后将电信号进行信号放大、滤波整形。整形后的回波信号关闭时间间隔处理模块，使其停止计时。这样，根据时间间隔处理的结果t即可计算出待测目标的距离L为：
激光测距传感器的应用
汽车防撞探测器
一般来说，大多数现有汽车碰撞预防系统的激光测距传感器使用激光光束以不接触方式用于识别汽车在前或者在后形势的目标汽车之间的距离，当汽车间距小于预定安全距离时，汽车防碰撞系统对汽车进行紧急刹车，或者对司机发出报警，或者综合目标汽车速度、车距、汽车制动距离、响应时间等对汽车行驶进行即时的判断和响应，可以大量的减少行车事故。在高速公路上使用，其优点更加明显。
车流量监控
如图所示，这种使用方式一般固定到高速或者重要路口的龙门架上，激光发射和接收垂直地面向下，对准一条车道的中间位置，当有车辆通行时，激光测距传感器能实时输出所测得的距离值的相对改变值，进而描绘出所测车的轮廓。这种测量方式一般使用测距范围小于30米即可，且要求激光测距速率比较高，一般要求能达到100赫兹就可以了。这对于在重要路段监控可以达到很好的效果，能够区分各种车型，对车身高度扫描的采样率可以达到10厘米一个点（在40Km/h时，采样率为11厘米一个点）。对车流限高，限长，车辆分型等都能实时分辨，并能快速输出结果。