lazernaya_tekhnika_uchebnik (863459), страница 17
Текст из файла (страница 17)
При этом любые изменения положения частиц приводят к резкому изменению свойств микросистемы и сразу же фиксируются. Возникновение этих изменений возможнопри достаточно сильных внешних возмущениях, и поэтому при соответствующей изоляции микросистемы от внешних источников любого вида энергии оно позволяет создать стабильные эталоны частоты ивремени. В настоящее время в качестве международного эталона физического измерения времени признан цезиевый атомно-лучевой пассивный стандарт частоты, основанный на переходе между уровнями атома цезия Cs133 в отсутствие внешних полей с частотой 9192631770 Гц(λ ≈ 3,3 см), с точностью воспроизведения (1–2)·10‒13. Другим стандартом частоты является водородный мазер (λ ≈ 21,2 см) с номинальным значением частоты 1420405751,786 Гц с воспроизводимостью (1–2)·10‒12,сохраняющейся значительное время (дрейф за год не превышает 10‒13, аза сутки – менее 10‒14).В основе всех названных эталонов длины и времени (частоты) лежит закон сохранения энергии, который связывает энергию фотона сизменением внутренней энергии атома hν = WB – WH.
Очевидно, что припостоянной величине h (постоянная Планка) стабильность и точностьопределения частоты ν зависят только от энергетического спектра атомаили молекулы, который характерен для заданных условий существова88ния этих атомов и молекул. Повышение точности требует устранениякак влияния внешних полей, так и уменьшения внутренних взаимодействий в излучающем веществе. Поэтому в квантовых эталонах длины ичастоты используют разреженные газы с охлаждением до определеннойтемпературы, поддерживаемой термостатом. В результате этого удается снизить уширение уровней, между которыми происходят квантовыепереходы, и тем самым повысить точность измерения частоты.Однако даже при идеальной изоляции атомов и молекул ширинаспектральной линии излучения не может быть бесконечно узкой в силуналичия соотношения неопределенностей между энергией и временем ∆W∆t ≥ h, согласно которому энергия W не может быть определенасколь угодно точно при конечном времени измерения ∆t.
Отсюда следует, что ∆ν = 1/∆t, и погрешность измерения частоты отсутствует толькопри бесконечно длительном измерении.Существенным является то, что в большинстве случаев необходимо получение высокой относительной стабильности частоты, определяемой значением ∆ν/ν. Его проще достичь на высоких номинальныхчастотах (видимый, ультрафиолетовый или рентгеновский диапазоныизлучения электромагнитных колебаний) при достаточных длительностях наблюдений.
Поэтому задача создания эталона времени (частоты),учитывая наличие соотношения λν = с (где с – скорость света), являетсяи задачей создания эталона длины и может быть реализована путем использования источника когерентного излучения с узкой спектральнойлинией, частота которого стабилизируется относительно пика узкой реперной линии. Таким источником может быть газовый лазер со стабилизацией частоты излучения.В частотно-стабилизированном лазере, типовая схема которогоприведена на рис. 4.14, основными элементами являются:частотный дискриминатор, который преобразует отклонение частоты лазера в изменяющийся во времени сигнал ошибки;система обратной связи, выделяющая и усиливающая этот сигнал;управляющий элемент, подстраивающий частоту лазера в направлении уменьшения сигнала ошибки.В основе действия управляющего элемента лежит изменение длины резонатора с помощью пьезоэлектрического эффекта, магнитострикции, электромагнитного или электромеханического привода.
Вкачестве оптического дискриминатора используются ячейки на основе891425Рис. 4.14. Обобщенная схема стабилизации частоты лазера:1 – управляющий элемент; 2 – оптический дискриминатор; 3 – фотоприемник; 4 –газовый лазер; 5 – система обратной связиатомных или молекулярных нелинейных резонансов, среди которых насыщение поглощения или насыщение флуоресценции возбужденныхчастиц, двухфотонное поглощение в поле стоячей световой волны, метод атомного пучка.
Для устранения влияния на работу лазера его жеизлучения применяют оптические развязки, реализуемые с помощьюпространственного разделения пучков или на основе невзаимных элементов на различных физических эффектах. На рис. 4.15 представленынаиболее типичные схемы стабилизации частоты лазеров с использованием узких нелинейных резонансов для получения реперных линий.Одна из возможных схем стабилизированного лазера может иметь вид,показанный ни рис.
4.15, б.Газовые лазеры со стабилизацией частоты, построенные по вышеприведенным схемам, могут работать с различными активными смесями. Наиболее распространенным является гелий-неоновый лазер, работающий на λ = 0,63 мкм, с йодной ячейкой. При стабильности частоты2·10‒12 при времени усреднения около 10 с зафиксированная воспроизводимость частоты составила 5·10‒11.Более высокие показатели стабильности можно получить на гелийнеоновом лазере с генерацией в области 3,39 мкм с использованием метановой поглощающей ячейки.
В этом случае девиация частоты ∆ν/νсоставляет 5·10‒15 при измерениях в течение двух часов с усреднениемоколо 100 с, а воспроизводимость – 3,5·10‒14. Близкие по стабильности и воспроизводимости результаты получены на аргоновом лазере сλ = 514,5 нм с поглощающей йодной ячейкой.90fскfск2fскfскfскfскtttaЭлементуправленияЗр.Активный эл.Дискримин.Зр.ВыходноеизлучениеfскЗвуковой генераторФотоприемникfскУсилительУсилительпостоянного токаСинхронныйдетекторбРис.
4.15. К определению направления смещения частоты (а),структурная схема эталона частоты (б)Достаточно обнадеживающие результаты получают при использовании непрерывных жидкостных лазеров на красителях с использованием нелинейного резонансного поглощения в йодной ячейке. В меньшей степени (только в длинноволновой области спектра) используютсядля эталонирования частоты лазера на углекислом газе, имеющие относительно невысокую (10‒10–10‒12) стабильность частоты излучения.Рассмотрим работу оптического дискриминатора. За счет совместного действия усиления активной среды и поглощения среды дискриминатора в центре линии усиления образуется резкий провал.
Частотаизлучения лазера настраивается на центр этого провала, поэтому незначительные изменения (уходы) частоты будут приводить к резкому уве91личению сигнала с фотоприемника. Для определения направления смещения частоты она сканируется относительно ν0 (см. рис. 4.15, а). Повертикальной оси t показано сканирующее напряжение, а по горизонтальной – вид сигнала на выходе приемника. Как видно из рис. 4.15, а,в случае совпадения частоты излучения лазера с ν0 сигнал с приемника имеет удвоенную частоту по сравнению с частотой сканирования, вдругих случаях частоты совпадают, но фазы сигнала различны, что идает возможность определить направление смещения.Измеренная с помощью стабилизированных по частоте лазеров скорость света в вакууме имеет значение 299792456,2 м/с с относительнойпогрешностью ±3,5·10‒9, что удовлетворяет условиям и значению, рекомендованному Консультативным комитетом по определению метра.4.6.
Лазерные опорные системыЛазерные опорные системы служат для создания пучка излучениятребуемой конфигурации, придания ему нужного положения в пространстве. Благодаря малому углу расходимости, высокой монохроматичности излучения и простоте оптической системы для формированияпучка лазера такие приборы находят широкое применение для заданияопорных линий местности. Опорные линии, обозначенные с помощьюлазерного излучения, используются для указания на местности осей сооружений, разбивочных осей, направления движения механизмов и длязадания наклона поверхностей и линий.
С помощью лазеров достаточно просто производится вынесение точек в натуру. Основными приемами ориентирования лазерного пучка в пространстве является приданиепучку нужного направления путем построения проектных углов и введение лазерного пучка в створ двух закрепленных на местности точек.Для построения на местности опорных линий и поверхностей используются лазерные нивелиры, а также лазерные приборы вертикального проектирования. Как правило, в основу этих приборов закладываются схемы разрабатываемых серийно геодезических приборов. Нометодика расчета вследствие свойств лазерного излучения упрощается,а характеристики аппаратуры улучшаются.Лазерные нивелиры предназначены для измерения превышений ипередачи высотных отметок в промышленном и гражданском строительстве путем создания в пространстве установленного под заданнымуглом визуально обнаруживаемого пучка.
Наряду с традиционными92решениями, в которых лазер используется лишь как монохроматический высоконаправленный источник излучения, появились и принципиально новые лазерные схемы нивелиров, такие как задатчики горизонтальной плоскости.В этом случае лазерный пучок вращается вокруг вертикальнойоси с угловой скоростью более 20 об/с. При пересечении такой плоскостью рейки на ней видна сплошная линия, определяющая уровеньнивелирования. При этом можно производить нивелирование одновременно в различных точках на значительной площади и тем самымрезко повышать производительность работ по определению превышений. Определение превышений может вестись как визуальным, так ифотоэлектрическим методами. Примером лазерного нивелира являетсяшведский геодезический инструмент «Геоплан-300», который можетработать в автоматическом и визуальном режиме.
Схема разделениялазерного пучка и формирования плоскости симметрии показана нарис. 4.16, 4.17.Лазер на смеси He-Ne, работающий в режиме генерации основноймоды, размещен вертикально, и с помощью автоматического компенсатора положение пучка можно развернуть как в горизонтальную плоскость,так и в плоскость под заданным углом наклона. Световой поток от лазераделится на две равные части и направляется в диаметрально противоположные стороны под углами 90 + Θ и 90 – Θ градусов от вертикали.При этом в плоскости симметрии (горизонтальной плоскости илинаклоненной под заданным углом) интенсивность перекрывающихсяпучков одинакова, а выше и ниже(в пределах 2Θ) интенсивность90º‒θ90º+θодного пучка становится больше621интенсивности другого.43I5Рис. 4.16.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
