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基于激光的疏散诱导技术

时间:2022-03-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:以激光为光源的消防应急激光导向器是一种新型的应急疏散指示标志灯。为此,公安部上海消防研究所研究了基于激光的疏散诱导技术。综合考虑各类激光器的特点,同时出于后期产品化时成本等原因,选用半导体激光器比较合适。
基于激光的疏散诱导技术_城市综合体消防安全关键技术研究

图6-22 LED灯珠阵列动态方向指示

图6-23 实物外观图

火灾现场到处充满烟雾,其减光性使环境昏暗、能见度低,而且烟雾的散射也使常规光源难以穿透,不能形成良好的照明及指示。以激光为光源的消防应急激光导向器是一种新型的应急疏散指示标志灯。激光具有单色性、指向性、高能量和超高亮度等特性。一般条件下,开启激光后只能看见激光管发光点和射到障碍物后形成的光斑,这是因为空气较为干净,悬浮颗粒较少的缘故,反之当空气中较脏或有烟雾时,我们就可以看见一条光束,这是因为激光射过悬浮颗粒时,颗粒表面反射了激光,可产生理想的局部高照度。凭借激光的单色性,光束能极好地区别于其他光色;它的指向性使光束准直,射程极长;高能量和高亮度使光束能穿透烟雾,非常醒目,使逃生者更容易识别疏散走道,迅速而安全地找到最终出口。

为此,公安部上海消防研究所研究了基于激光的疏散诱导技术。其利用了激光在任何情况下仍具有的良好的穿透性能,使激光器件发出的光透射全息衍射透镜,在烟雾环境中形成有指向作用的、醒目的各种消防应急标志的图标,在事故现场为逃生的人员导引出口或安全的方向,实现安全、及时、有效的疏散。

1.激光器选择

激光器是消防应急激光导向器的重要部件,选择合适的激光模组需要在激光发射功率、耗电量及安全范围等方面做均衡。 目前,可供选择的小功率激光模组很多,功率从2.5~500 mw,其中根据激光对人体的危险度分类,Class Ⅲ A级为可见光的连续激光,输出为1~5mW的激光束,Class Ⅲ B级为5~500 mW的连续激光,直接在光束内观察对眼睛有危险。但皮肤照射最小距离为13 cm,最大照射时间10 s以下为安全。因此,出于安全方面的考虑,最好应选用Class Ⅲ A级的激光模组(即功率输出功率1~5 mW);但由于我们采用的是全息衍射原理,激光在通过衍射片后会有很大的衰减,而不是直接全功率输出,因此可适当放宽限制,选用Class Ⅲ B级的激光器。总的原则是通过衍射片后的输出功率应控制在5mW以内。

激光器按工作介质可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器等。综合考虑各类激光器的特点,同时出于后期产品化时成本等原因,选用半导体激光器比较合适。根据《消防应急照明和疏散指示系统》(GB17945—2010)中第5.1.3条规定:“标志灯标志的颜色应为绿色、红色、白色与绿色相结合、白色与红色组合四种之一。”在半导体激光器中,可供在消防应急指示标志上使用的颜色应为红色和绿色,因此可选择波长为543 nm的绿光激光器件,或波长为633 nm的红光激光器件。

2.全息衍射片的设计

1)制作激光全息光栅

在制作激光全息光栅时把激光束分成两路,一路光经反射、扩散和准直等过程形成一束平行光作为参考光照射到全息干板(一种全息记录材料)上,另一束光经反射扩散后照射到带有“箭头”形状的透明标志(物体)上,透过标识的光束作为物光波散射照到全息干板上。物光波带有“箭头”标志的物体特征信息,参考光波与物光波夹角为30°,并相互干涉,且干涉以后的光波在干板面上的光强分布按余弦规律变化。

全息记录介质有许多种,此处采用专用的薄形干板作为记录介质。在由分布的光强照射(即曝光)后,全息干板经过特定的显影等化学处理,形成透明的位相型透射全系光栅。由于在曝光时,在钢板表面上光强按余弦规律(呈条纹状)大小变化,使干板上不同部位的曝光强度按同样规律变化,经显影等化学处理后,全息干板上光照强的部位和光照弱的部位的物质密度也随之发生变化,导致相应部位的光学折射率也发生变化,最后形成了使折射率按余弦规律变化的密集条纹型光栅,即全息光栅。

2)全息衍射再现

当全息光栅制作完成后,用于原参考光波方向相反的平行光为再现照明光照射光栅时,全息光栅后的光波包括三部分:第一部分为直接投射光波(即0级光),沿照明激光方向不变波形不变继续前进;第二部分为原始象限(即+1级衍射光波);第三部分为共轭象限(即-1级衍射光波)。它们分别位于直射光两侧,并且与直射光的夹角相等,均为30°,这就是光栅衍射。当然实际记录的全息光栅不可能是严格的余弦型特性光栅,那么再现时可能除了上述0级、±1级光波外还可能会有±2级甚至更多级但非常弱的衍射光波。

采用-1级光波,或者叫物体的共轭项的光波,该光波与原来的物光波波形一样(即物体与像相同),但传播方向相反。说明这时应该从全息光栅的背后照明,但实际上光栅厚度极薄,为透明光栅,正反照明的现象基本是一样的。

图6-24 激光束照射全息光栅时呈现的现象

当用一激光束照射全息光栅时,所呈现的现象如图6-24所示。

其中,-1级光束采用后,+1级光的图形形状与设计要求相反,应在光栅附近遮挡住,以免影响正常的光线指示。

如上所述,激光全息制版是衍射器件制作的最关键工艺,全息记录时,使用浮雕型感光材料记录这两束的干涉条纹,经显影工艺后在感光材料表面记录有每毫米上前条的浮雕条纹。对记录材料进行金属化并电铸成型,将浮雕条纹转移至金属表面制得用于批量复制的模具,然后再利用表面精细条纹对入射光产生衍射,产生特殊的衍射指向图案。

该产品中全息衍射器件在制作技术上有三大特点:第一,利用特殊的全息记录手段,衍射光在空间任何位置都能形成清晰的衍射图案,噪声小,适合各种天花板高度的安装,或在墙壁或其他障碍物上形成图案;第二,衍射图案由点状图案组成,有利于获得透射和衍射的最佳能量比,兼顾火灾现场对激光的直接透射和图案衍射的能量要求;第三,精确控制精细条纹的深度和断面的形状,有效提高激光能量利用率,并能直接控制衍射图案和直接透射激光的能量比。这些都是高新的全息衍射技术在消防产品中的实际应用。

3)全息衍射图案

全息衍射图案如图6-25所示。

图6-25 全息衍射图案

实验发现,当烟雾颜色越深,反差会使光束越醒目。在激光加装全息衍射片并在建筑物里间隔安装后,就能使光束在烟雾里形成连续有指向作用的光道或图标,降低人们的恐慌心理,主动地避开烟、雾、火。

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