lazernaya_tekhnika_uchebnik (863459), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Для контроля мощностиизлучения в корпусе лазера позади излучающего кристалла устанавливается фотодиод, сигнал с которого используется в цепи питания лазера. Компенсация астигматизма осуществляется коллимирующим объективом путем введения в него цилиндрической линзы.Сфероцилиндрический объектив 10 обеспечивает выработку сигнала ошибки фокусировки следующим образом. Если отражающийинформативный слой пластинки расположен в фокальной плоскостимикрообъектива 6, то лазерный луч 16 в плоскости фотоприемника 11приобретает круглую форму и все четыре площадки фотоприемника засвечиваются равномерно (см. рис. 4.22). При нарушении этого условияформа пучка становится эллиптической с разворотом осей эллипсов на90° в зависимости от расположения информативной поверхности относительно фокальной плоскости микрообъектива (до или за ней).
Величина и знак разностного сигнала с площадок фотодиода 11 содержатинформацию о положении отражающего слоя оптического диска относительно объектива 6. Когда слой расположен в фокальной плоскостиобъектива, сигнал равен нулю. Сигнал слежения за дорожкой вырабатывается двумя чувствительными площадками фотоприемника 11 в зависимости от того, в каком из пятен 17 или 18 сигнал становится промодулированным при попадании их на дорожку 15 в плоскости диска.Запись информации на оптическом диске имеет вид последовательности микроскопических углублений диаметром около 1 мкм, которые располагаются на концентрических или спиральных дорожках.Расстояние между дорожками составляет 1,6–2 мкм, что соответствуетпоперечной плотности записи 625 дорожек на одном миллиметре.
Наоптическом диске диаметром 300 мм обычно размещается 45 000 дорожек. Высокая плотность записи информации позволила осуществитьзапись звукового сигнала в цифровой форме. Разработанные к настоящему времени системы позволяют записывать на CD-диске диаметром 300 мм объем информации более 103 Мбайт, а в режимах DVD иBlueRays на несколько порядков больше.Информационные углубления (питы) имеют глубину λ/4, благодарячему при попадании в них информационных пятен происходит резкоеуменьшение интенсивности отраженного от дорожки сигнала за счетинтерференции падающего и отраженного от дна питы пучка.1004.8.
Доплеровские системыДоплеровские системы предназначены для измерения скоростиразличных объектов, а также могут быть использованы для измеренияизменения расстояния до них (относительной дальности). Принцип ихдействия основан на известном эффекте Доплера, который наблюдаетсякак для звуковых, так и для электромагнитных волн. Он заключается втом, что если измерить с помощью фотоприемника частоту излучениядвижущегося источника, то она оказывается отличной от той, котораянаблюдается при неподвижных друг относительно друга приемнике иисточнике. Регистрируемая приемником частота равна(4.2)ν = ν0 (1 ± V/сcosφ), где ν – частота, воспринимаемая приемником излучения; ν0 – частота,излучаемая источником; φ – угол между вектором скорости объекта инаправлением приемник–источник; V – скорость перемещения объекта.Преобразуя формулу (4.2), получим ν – ν0 = (±ν0V/сcos φ).Для простоты положим, что источник перемещается по линии приемник–источник, т.е.
cosφ = 1. Обычно разность ν – ν0 меньше, чемν + ν0, и поэтому ν – ν0 можно назвать разностной частотой f или частотой биений.Наконец, так как ν0 = с/λ0, тоf = V/λ0.(4.3)В большинстве случаев скорость объектов измеряют не по частотеего собственного излучения, а по отраженному от объекта излучениюпри облучении его электромагнитными волнами с известной частотой(длиной волны).
Поэтому разностная частота удваивается и становитсяравной f = 2V/λ0.Очевидно, что в качестве источника излучения необходимо применять одночастотный лазер со стабилизированной длиной волны (частотой). Разностную частоту f проще всего измерить, если направитьна приемник излучения колебания стабилизированного лазера и волну,отраженную от объекта (рис. 4.23). Известное свойство фотоприемников состоит в том, что если направить на них колебания с двумя близкорасположенными частотами, то в спектре выходного сигнала появляется разностная частота.
Таким образом, легко определяется скоростьобъекта:V = fλ0/2.101Доплеровские системы теоретически обладают огромнымдиапазоном измеряемых скороЛазерν0(λ0)Vстей. Нижний предел измеряемыхПолупрозОбъектрачноескоростей определяется конечнойзеркалошириной спектральной линии изПриемниклучения лазера (очевидно, что изизлученияf Разностная частота меряемая частота биений должнаРис. 4.23. Принципиальная схема быть больше ширины спектра издоплеровского измерителя скорости лучения лазера). Например, приширине лазерной линии 1 Гц идлине волны λ = 0,63 мкмVmin = (1·0,63)/2 ≈ 0,3 мкм/с.Кроме того, нижний предел измеряемых скоростей зависит отявления захвата (затягивания) частот, которое заключается в том, чтопри небольшой разнице ν – ν0 биения происходят на одной из частот,а это значит, что сигнал с приемника отсутствует (постоянная времениприемника гораздо больше величины 1/ν).
Захват происходит при разностной частоте в десятки герц. Данный недостаток устраняется путемиспользования невзаимных элементов, имеющих разные условия прохождения излучения в двух взаимно противоположных направлениях.Верхний предел измеряемой скорости определяется инерционностью(постоянной времени) приемника излучения. Например, при τ = 10‒8 cVmax = (108 ·0,6З)/2 ≈ 300 м/с.Однако современные фотоприемники обладают постоянной времени менее 10‒14 с, что существенно повышает верхнюю границу измерения скоростей этим методом.Очевидно, что если одновременно с измерением скорости объекта измерять и время, то можно определять и изменения расстояния отприемника до объекта. Точность измерений скоростей и расстояний зависит от стабильности частоты излучения лазера.
По этой причине вдоплеровских системах применяются, в основном, газовые лазеры.Доплеровские системы применяются для измерения скорости какназемных, так и воздушных объектов. На рис. 4.24 показана упрощенная структурная схема доплеровского измерителя скорости полета самолетов на основе CO2-лазера.Опорное зеркало102Часто представляет интерес определение не только скорости, но иее направления. Для этого можно использовать те же методы, которыеприменяются для определения направления сдвига объекта в интерферометрах. Схема получения разностной частоты в доплеровских измерителях аналогична схеме интерферометра. Поэтому можно решитьзадачу либо путем использования двух фотоприемников, сдвигая доплеровскую составляющую в них на π/2 и измеряя фазы двух сигналов,либо путем использования двухчастотного лазера.Лазерные доплеровские измерители скорости (ЛДИС) можно также применять в том случае, когда объект движется перпендикулярноотносительно оптической оси прибора.
Для этого необходимо создать вполе движения объекта интерференционную картину, при этом объектдолжен рассеивать излучение. Особенно эффективно применение таких ЛДИС при измерении скоростей потоков жидкостей и газов. Принцип действия измерителя поясняется на рис. 4.25.В исследуемую область направляются два пучка когерентного света(рис.
4.25, а), которые получаются путем деления амплитуды или волнового фронта пучка лазера. В области пересечения этих пучков образуетсяинтерференционное поле с чередованием максимумов и минимумов. Припересечении этого поля рассеивающей частицей интенсивность рассеянного света будет меняться. Если рассеянный свет собрать линзой и направить на приемник, то его выходной ток будет содержать переменную составляющую с частотой, пропорциональной скорости движения частицы.Расстояние между интерференционными максимумами (периодинтерференционной картины) ОВ = D, как видно из рис.
4.25, б, гдеПередающаяоптикаЛазерПриемнаяоптикаПриемникизлученияxЛинза2θVФильтрразностнойчастотыБлокобработкии индикацииРис. 4.24. Структурная схемадоплеровского измерителяскоростиПриемникДиафрагмаBλA θ θ1O2OʹРис. 4.25. Принцип действия ЛДИС103показаны два волновых фронта и точки О и Оʹ, в которых волны усиливают друг друга (разность фаз равна нулю или λ).Из треугольника АООʹ имеем ООʹ = λ/sin2Θ, а из треугольника BOOʹ имеем D = ООʹcosΘ. Поэтому D = λcosΘ/sin2Θ, а так какsin2Θ = 2sinΘcosΘ, то D = λ/(2sinΘ). Если скорость частицы соответствует одному периоду в секунду, то на выходе приемника будет сигналс частотой 1 Гц. Поэтому скорости V в направлении оси X соответствуетпеременный сигнал с частотойf = V/D = 2V/λ sinΘ,что совпадает с формулой для доплеровской частоты.В заключение этого раздела приведем описание одного из первых отечественного ЛДИС типа ДИП-2, который служит для измерения скорости и величины перемещения и может быть использован в прецизионныхкоординатно-измерительных машинах и станках и других устройствах.Схема прибора ДИП-2 приведена на рис.
4.26. Он содержит двухчастотный лазер 1 и блок стабилизации частоты излучения лазера 2.Лазер – одномодовый, а для получения устойчивого двухчастотногорежима и стабилизации частоты используется эффект Зеемана. Разделение осуществляется по ортогональным поляризациям зеемановскихкомпонент поляризационной призмой. Отражатель 6 в виде уголковогоотражателя устанавливается на подвижном объекте, скорость и положение которого необходимо измерить.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
