Глава 5 (Учебник в электронном виде), страница 16

Рассмотрим этот вопрос подробнее. Во всех традиционных источниках света используется спонтанное излучение системы возбужденных ато­мов, складывающееся из случайных процессов излучения множества ато­мов. При вынужденном излучении все ато­­мы когерентно излучают кванты света, тож­дес­твенные по частоте, направлению распро­стра­нения и поляризации квантам внешнего поля. Каждая атомная антенна образует диполь.

Для создания «инверсии заселенностей» используются разные методы. Так, в рубиновом лазере она осуществляется посредством оптической накачки по трехуровневой схеме (рис. 5.74). При возбуждении атомы переходят из основного состояния с энергией Е₁ в состояние Е₃. Через короткий промежуток времени  10^-8 с они безизлучательно переходят в метастабиль­ное состояние Е₂. Время жизни в этом состоянии существенно выше и составляет  10^-3 с. При достаточно быстром переводе атомов из Е₁ в Е₃ плотность частиц на уровне Е₂ окажется выше, чем на Е₁ и возникнет «инверсия заселенностей» уровней Е₂ и Е₁. Лазерная генерация осуществляется при возвращении атомов на основной уровень с энергией Е₁.

В активной среде лазера, помещенной в оптический резонатор, например, в виде двух плоских параллельных зеркал, накачка создается оптичес­ким генератором (лампой-вспышкой или другим источником). Благодаря усилению при многократных проходах частиц между зеркалами формируется мощный когерентный поток электромагнитного излучения оптичес­кого диапазона, направленный перпендикулярно плоскости зеркал. Излучение выводится наружу путем открытия одного из зеркал.

Простейший лазерный излучатель состоит из следующих частей (рис. 5.75): активного элемента (в котором формируется лазерный луч), резонатора (в виде системы зеркал) и системы возбуждения (накачки).

Рассмотрим основные типы лазеров. Излучатели лазерных ОЛС можно классифи­цировать по четырем основным признакам.

1. По типу активной среды. Различают: газовые, жидкостные, твердотельные и полупроводниковые приборы. Первые, к которым относятся гелий неоновые (He-Ne), ИК на основе CO₂-N₂ и др, обладают на­ивысшим КПД  и мощ­нос­тью непрерывного излучения Р_н среди всех лазеров. Так, например, для лазера на основе CO₂-N₂ с  = 10,6 мкм,  30% и Р_н достигает  2 10⁴ Вт. Жидкостные (на органических красителях) в робототехнике не применяются. Твердотельные, использующие в качестве активной среды оптические монокристаллы и стекла, обладают наивысшей пиковой мощностью излучения Р_п. В частности, мощность излучения рубинового лазера с длиной волны  = 0,6943 мкм достигает 1 ГВт в импульсе 30 нс. Что касается полупроводниковых, са­­­мых миниатюрных и маломощных из всех лазеров, то именно они в последние годы получили наибольшее применение в задачах робототехники и мехатронике. Большинство схем строятся на базе арсенида галлия (Ga-Al-As).

2. По режиму излучения: непрерывные, однократные и импульсные.

3. По диаграмме направленности: лучевые (Не-Ne, рубиновые и др. с расходимостью менее 0,010) и секторные (полупроводниковые с расходимостью  1 ... 400).

4. По мощности излучения: малой и средней мощности и пиковые. В задачах локации обычно применяются лазеры малой и средней мощности (полупроводниковые и жидкостные с мощностью излучения 0,1 мВт … 500 Вт). Мощные и пиковые лазеры используются в специальных задачах. Так, например, рубиновый спектроскоп в импульсе длительностью 100 пс развивает мощность до 2 ГВт.

В целом, в зависимости от типа лазера длина волны излучения  лежит в интервале 0,1 мкм … 0, 8 мм, мощность Р_н - 1 мкВт … 1 МВт, энергия в импульсе - 0,1 … 10⁶ Дж.

В последнее время получены очень высокие энергетические характеристики лазерных установок. Так, достигнута интенсивность излучения (плотность мощ­ности)  10²⁰ ... 10²¹ Вт/см². При такой интенсивности напряженность эле­к­­трического поля Е достигает  10¹² В/см, что на два порядка сильнее по­ля протона. Однако длительность таких излучений очень мала и не превышает величин 10^-15 с (фемто­секунды). Указанные обстоятельства позволили разраба­ты­вать лазеры, излучающие в рентгеновском (ра­зе­ры) и  диапазонах (гразеры). Длительность импульсов при этом составляет аттосекунды (10^-18 с.)

Наиболее распространенным применением лазеров в локации являются дальномеры. Промышленно выпускаются твердотельные импуль­сные лазерные дальномеры на ос­нове аллюмоиттриевого граната с неодимом. Принцип действия прибора основан на измерении временного интервала  ме­жду при­емным и опорным им­пульсами (рис. 5.76). Длительность импульсов ва­рь­ируется от 10^-15 до 10^-3 с, энергия излучения от 0,01 до 1 Дж. Эти системы, предназначенные для измерения расстояний 1 ... 30 км, используются пре­иму­щест­ве­н­но в военном деле. Наряду с твердотельными, все чаще применяют газовые ИК лазеры на основе Ar, He-Ne и CO₂. Коме высокого КПД они обладают ма­лой чувствительностью к фоновым из­лучениям и меньшим затуханием сигнала в воздушной среде.

Импульсные лазерные дальномеры также нашли широкое применение в задачах геодезии и космической навигации. Еще в 60-х годах ХХ века для проекта «Apol­lo » был разработан лазерный даль­номер на рубиновой основе, излуча­ющий импульсы длительностью  10 нс и энергией около 0,2 Дж. Дальномер обладал очень острой диаграммой направленности - расходимость луча не превышала 0,3 мрад. (При высоте орбиты космического аппарата  100 км диаметр пятна составлял 25 м). Использование этого прибора совместно с лазерным отражателем позволило измерить расстояние от Земли до Луны. Погрешность измерения (эксперимент проводился с участием астронавтов космического корабля «Apollo-11») составила 0,15 м. Твердотельный лазерный высотомер применялся на орбитальном космическом аппарате Mars Obser­ver, орбита которого имела средний радиус около 400 км. Дальномеры системы MO­BLAS используют импульсы длительностью  0,1 нс с пиковой мощностью до 1 ГВт с частотой повторения до 10 Гц.

П ри работе лазерного импульсного дальномера большая часть энергии из­лучения посылается в среду в виде короткого импульса, а небольшая часть не­посредственно подводится к при­ем­нику, создавая опо­рный (маркерный) импульс. Этот импульс запускает измеритель вре­мен­ного интервала. Через некоторое время  = 2D/с (где D - дальность, с - скорость), отражен­ный импульс до­с­тигает приемника, и после усиления и фильтрации останавливает счетчик измерителя временного интервала. В современных лазерных даль­номе­рах величина относительной погрешности достигает  1 10^-8 %.

Лазерные системы нашли широкое применение и в других задачах. В частности, высокая частота и монохроматичность излучения позволили создавать высокоточные системы наведения и позиционирования. Лазерная головка наведения является важной частью высокоточных систем наведения, используемых как в специальных задачах (наведение ракет, бомб и пр.), так и в промышленности. Характерным примером является система уп­равления движением лазерного считывателя компакт дисков (рис. 5.77).

В большинстве конструкций головка содержит лазерный диод мощностью 2 ... 10 мВт, оптическую схему для фокусировки и управления положением фокального пятна, а также фотоприемники.

М алое по размеру фокальное пятно используется для обеспечения перемещения головки по дорожке диска, а также для точного поддержания заданного расстояния между диском и фокусирующей линзой. Это обеспечивается системой автофокусировки, которая позволяет отслеживать осевые биения диска в пределах допускаемых  0,5 мм (рис. 5.78).

Глубина резкости лазерной головки Т_L определяется зависимостью:

где NA - числовая апертура фокусирующего объ­ектива - безразмерная величина, в данной системе она меньше 1. Тогда, например, для лазера с  = 0,635 мкм и NA = 0,6, получим Т_L = 0,88 мкм. Следовательно, «степень расфокусировки» при такой глубине резкости и допустимом изгибе дис­ка 0,5 мм составит около 600.

Оптическая схема головки наведения работает следующим образом (рис. 5.77). Свет лазера проходит через коллиматор, линейно поляризуется призмой (расщепителем), далее - сквозь четвертьволновую пластинку и отражается от диска. При отражении и прохождении через четвертьволновую пластинку обратно характер распространения световых волн изменится - на расщепитель попадет свет с перпендикулярной поляризацией по отношению к исходной. Этот свет уже не пройдет сквозь призму и отражается ею на светоприемники.

Автофокусировка осуществляется методом Фуко (подоб­ные схемы применяются также в системах автоматического наведения на резкость в телекамерах). Схема содержит линейку из четырех фотодиодов. Суммирование сигналов производится схемой, представленной на рис. 5.78г. Начальной настройкой устройства на фотодиодах формируются световые пятна, причем так, чтобы они устанавливались на границе между 1 и 2, 3 и 4 фотодиодами (рис. 5.78а). Если диск приближается к объективу (рис. 5.77б), то фокальная плоскость смещается за ребро призмы, и световые пятна возникают только на 1 и 4 ­приемниках, а разностный сигнал (рис. 5.78г) становится от­ри­ца­тельным. При удалении диска световые пятна возникают только на 2 и 3 фотодиодах (рис. 5.78в), и выходной сигнал - положительным.

Разрешающая способность оптической системы определяется диаметром фокального пятна d_ф: d_ф = /2NA. Из этой зависимости следует, что для увеличения разрешающей способности следует уменьшать длину волны и увеличивать числовую апертуру. Большинство лазерных диодов излучают ИК свет с длиной волны 0,78 мкм. Для умень­шения длины волны (и, следовательно, размера фокального пятна) увеличивают содержание алюминия, при этом получают диоды с длиной волны 0,63 мкм. В конце ХХ века были внедрены относительно коротковолновые «зеленые» и «го­лу­бые» лазеры. (Одним из основоположников этих разработок был Нобелевский лауреат 2000 г. русский физик Ж. Алферов). Что касается апертуры, то большой апертурой обладают короткофокусные объективы. Однако, надежность таких схем ниже, и поэтому в ОС выбирают компромиссное значение NA = 0,6.

К лазерным ОЛС специального назначения относятся лазерные микрофоны, принятые на вооружение американскими спецслужбами еще в 60-х годах ХХ века. С появлением полупроводниковых лазеров эти устройства стали при­меняться и частными службами. Лазерные микрофоны регистрируют модулированные колебания вибрирующих стекол. В частности, известно, что прибор TRM-1830 с даль­ностью действия 150 м днем и 400 м ночью и габаритами 262220мм использовался во время Уотергейта, приведшего к импичменту американского президента Р. Никсона. Примеры других микрофонов представлены в табл. 5.16.

Таблица 5.16. Примеры лазерных микрофонов

Примечание. Модель HP-150 разработана фирмой He­w­lett Packard, США

В завершении данного раздела подведем некоторые итоги. Основные достоинствами оптронных и лазерных ОЛС являются: малая постоянная времени ( до 50 нс), широкий диапазон и высокая точность измерений, возможность измерения геометрических характеристик движущи­хся объектов, а также скоростей, высокая надежность и прочность. В то же время эти системы не лишены недостатков. Наиболее существенными из них являются: низкая помехозащищенность и чувствительность к отражающим свойствам объектов и температурная зависимость светового потока. Для оптронных ОЛС также характерна малая оптичес­кая мощность.

В табл. 5.17 представлены некоторые характеристики ОЛС.

Таблица 5.17. Примеры промышленных ОЛС

Примечание.

1. Локаторы LS05, LS30 - произведены фирмой Leuze electronic, Германия), дат­чики NX и NRT - фирмой Sunks, Япония, система MH-10 - фирмой Crow, Израиль.

2. ^* - поверхность с зеркальным отражением, ^** - прозрачная поверхность.

Вопросы для самостоятельной подготовки

1. Какими параметрами описывается волновое уравнение?

2. Какой тип модуляции колебаний имеет самый узкий спектр?

3. Можно ли использовать вихретоковый датчик для контроля неферромагнитных материалов и диэлектриков?

4. Какой локационный прибор обладает большей разрешающей способностью - ультразуковой локатор или электромагнитный радар?

5. Какое колебание имеет линейчатый спектр?

6. От каких параметров зависит расхождение и затухание ультразвуковой волны?

7. В каких единицах измеряются яркость и освещенность?

8. Для чего используется конденсор?

9. Какой тип лазерного излучателя обладает наибольшей мощностью?

10. Что такое диафрагма и для чего она применяется?

244