Анализ принципиальных схем оптических систем одноканальных лазерных указок (ОЛУ)

Содержание

Введение……………………………………………………………………...........3

Глава 1. Обзор литературных источников по одноканальным лазерным указкам.

1.1 Анализ принципиальных схем оптическихсистем одноканальных лазерных указок(ОЛУ)……………………………...………………….…...…7-12

1.2 Анализ миниатюрных лазерных излучателей в видимой и инфракрасной(ИК) областях спектра...……………………………………...………………13-15

1.3 Основные технические характеристики полупроводниковых лазерных излучателей.......................................................................................................16-19

1.4 Назначение и области применения лазерных указок…………………………………………………………………………20-22

1.5 Меры безопасного использования лазерных указок......……...…......23-26

 

Глава 2. Разработка принципиальной схемы оптической системы двухканальной лазерной указки.

2.1. Разработка оптической системы двухканальной лазерной указки с параллельными оптическими осями………………………………………………

2.2. Разработка оптической системы двухканальной лазерной указки с совмещенными оптическими осями……………………………………………….

2.3. Расчет некоторых параметров оптических элементов и коллиматорных систем……………………………………………………………………………….

Заключение.

 

ПЕРЕДЕЛАТЬ!

 

Введение

На сегодняшний день квантовые оптические генераторы широко применяются во многих областях человеческой деятельности. Одним из применений лазера является устройство, позволяющее визуализировать точку на выбранной поверхности, то есть – световая указка. Когерентное излучение и малая расходимость пучка позволяют использовать подобное устройство на дальние расстояния. Поэтому модернизация существующих и создание новых устройств является актуальной задачей.

Цельюданной работы являетсяразработка принципиальной схемы оптической системы двухканальной лазерной указки, с возможностью работы в двух диапазонах оптического спектра. Для достижения цели, необходимо проанализировать принципиальные схемы оптических систем, одноканальных лазерных указок (ОЛУ), миниатюрных лазерных излучателей, работающих в видимой и инфракрасной (ИК) областях спектра.Изучитьихосновные технические характеристики,определитьмеры безопасного использования лазерных указок;разработать оптические системы двухканальной лазерной указки с параллельными оптическими осями; разработать оптические системы двухканальной лазерной указки с совмещенными оптическими осями; произвести расчет некоторых параметров оптических элементов и коллиматорных систем.

 

Заключение.

 

Данная дипломная работа имеет определенную научную и практическую значимость, поскольку в ней проведено углубленное всестороннее изучение и дан сравнительный анализ литературных источников по разработке принципиальной схемы оптической системы двухканальной лазерной указки. Применены различные методы исследований – сравнительный и комплексный; экспериментальный; количественный, математико-статистический и качественный анализ, практические методы. Использован метод индивидуального исследования.

Аннотация.

Дипломная работа состоит из введения, двух глав, обзора литературных источников по одноканальным лазерным указкам.

Работа иллюстрирована таблицами, графиками и схемами.

 

Список использованной литературы. (в конец работы)

Айден К. Аппаратные средства PC: перевод с нем. - Санкт-Петербург.: BHV - СПб, 1996. - 544 с.

Ахманов, С. А. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов / С. А. Ахманов, В. А. Выслоух, А. С. Чиркин. М.: Наука, 1988. С. 28.

Багаев С. Н., Трунов В. И., Пестряков Е. В., Лещенко В. Е., Кох А. Е., Фролов С. А., Васильев В.А. Высокоинтенсивные фемтосекундные лазерные системы на основе когерентного сложения // VII международная конференция «Фундаментальные Проблемы Оптики – 2012», 15–19 октября, 2012, Санкт–Петербург, Россия, Сборник трудов, С. 427.

Багаев С. Н., Трунов В. И., Пестряков Е. В., Лещенко В. Е., Фролов С. А., Васильев В. А. Высокоинтенсивные фемтосекундные лазерные системы на основе когерентного сложения оптических полей // Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 115, № 3. С. 356–366.

Басов Н. Г., Грасюк А. З., Карев Ю. И., Лосев Л. Л., Смирнов В. Г. Водородный комбинационный лазер для эффективного когерентного суммирования наносекундных световых импульсов // Квантовая Электроника. 1979. Т. 6, № 6. С. 1329–1331.

Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. Москва: Наука, 1975. 720с.

Бусленко, Н. П. Метод статистических испытаний (Монте-Карло) / Н. П. Бусленко, Ю. А. Шрейдер. Москва: Государственное издательство физико-математической литературы, 1961. 226c.

Гудмен, Дж. Статистическая оптика / Дж. Гудмен: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 528 с.

Игнатов А. Н. И 26 Оптоэлектроника и нанофотоника: Учебное пособие. — СПб.: Издательство «Лань», 2011. — 544 с.: ил. — (Учебни‑ ки для вузов. Специальная литература).

Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра. - М.: Наука, 1982 - 208 с.

Коржиманов А. В., Гоносков А. А., Хазанов Е. А., Сергеев А. М. Горизонты петаваттных лазерных комплексов // УФН. 2011. Т. 181, № 1. С. 9–32.

Ландсберг Г. С. Оптика. - М.: Наука, 1976. - 928 с.

Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. - М.: Наука, 1986. - Т.3. - 656 с.

Лещенко В.Е. Когерентное сложение параметрически усиленных фемтосекундных импульсов // Материалы 50–й юбилейной международной научной студенческой конференции «Студент и научно–технический прогресс» (МНСК), 13–19 апреля, 2012, Новосибирск, Россия, Сб. тез., С. 12.

Лещенко В. Е., Трунов В. И., Пестряков Е. В., Фролов С. А. Безаберационная широкополосная система стретчер–компрессор для фемтосекундного петаваттного 106 лазерного комплекса с параметрическим усилением // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27, № 4. С. 332–340.

Матвеев А. Н. Оптика. - М.: Высшая школа, 1985. - 351 с.

Матвеев А. Н. Типы и характеристики лазеров // «Оптика» Москва, «Высшая школа», 1985 г., с 325

Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика. - М.: Просвещение, 1998. - 254 с.

О’Шиа Д., Коллен Р., Родс У. Лазерная техника. Пер. с англ. М., «Атомиздат», 1980, 256 с.

Потёмкин А. К., Катин Е. В., Кирсанов А. В., Лучинин Г. А., Мальшаков А. Н., Мартьянов М. А., Матвеев А. З., Палашов О. В., Хазанов Е. А., Шайкин А. А. Компактный лазер на фосфатном стекле с неодимом с энергией 100 Дж и мощностью 100 ГВт для накачки параметрического усилителя чирпированных импульсов // Квантовая электроника. 2005. Т. 35, № 4. С. 302–310.

Самарский, А. А. Численные методы / А. А. Самарский, А. В. Гулин. М.: Наука, 1989.

Сивухин В. А. Общий курс физики. Оптика. - М.: Наука, 1980. - 752 с.

 

Анализ принципиальных схем оптических систем одноканальных лазерных указок (ОЛУ)

Под лазерной указкой понимают устройство, испускающее когерентную электромагнитную лучистую энергию в оптическом диапазоне спектра излучения. Подобные указки могут служить источниками света. Лазерная указка — это портативное устройство, которое генерирует узконаправленный луч лазера в заданном спектральном диапазоне. В большинстве случаев изготавливается на основе лазерного светодиода, который излучает в диапазоне 0,473 — 0,650 мкм. Излучение светодиода фокусируется в точку за счет двояковыпуклой линзы. Из-за того, что диод излучает не направлено, большая часть излучения падает на внутренние стенки корпуса и поглощается. В связи с этим КПД лазерной указки низкий. Однако при качественной фокусировке луча (которую можно произвести самостоятельно, подкручивая прижимную гайку линзы), лазерную указку можно использовать для проведения опытов с лазерным лучом (к примеру, для изучения интерференции)

Лазерные указки, имеют специфические характеристики и параметры. Вследствие этого к оптическим системам, передающим и преобразующим лазерное излучение, предъявляются особенные требования. При формировании технического задания на разработку таких систем не могут не учитывать свойства излучения лазеров. Поскольку указки являются монохроматическими источниками излучения, то в большинстве задач расчёт ведётся на одну основную длину волны излучения.

Многие указки генерируют излучение большой мощности. Высокая плотность потока излучения может привести к нагреву элементов конструкции оптической системы и к так называемому «пробою линз».

Поэтому уже на этапе выбора принципиальной оптической схемы необходимо исключать варианты с промежуточным действительным изображением.

Структура лазерного пучка такова, что после выходного торца имеется область перетяжки, в которой поперечный размер пучка D_П минимален далее он начинает расходиться.

Основными параметрами таких оптических систем являются угол расходимости пучка 2 ϕ и размер перетяжки D_П показанные на рисунке 1.1.

 

Рисунок 1.1. Структура лазерного пучка. Цифрами 1 отмечен выходной торец лазера, 2 – лазерный пучок.

 

Лазерные указки испускают достаточно узкий пучок лучей. Во многих практических приложениях нужно иметь пучок в несколько раз большего поперечного размера. При этом желательно уменьшить расходимость пучка. Похожее преобразование пучка выполняет телескопическая система, представленная на рисунке 1.3.

 

 

 

Рисунок 1.3. Преобразование светового пучка телескопической системой.

 

Все лазерные указки состоят из трех основных конструкционных блоков:

 

Ты же писал, что светодиод

Указки, изготовленные на основе квантовых генераторов имеют в своем составе резонатор, схематично показанный на рис.

 

 

 

 

Рис.1.2. Принципиальная схема лазерной указки.

1, 2-резонансная полость; 3-активная среда; 4-источник энергии.

 

Оптические резонаторы имеют как правило, два зеркала бывают с плоскими зеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и др., которые размещаются параллельно друг другу. Между этими зеркалами помещена активная среда. Первое из зеркал отражает весь падающий на него свет (“глухое зеркало", обычно используется призма полного внутреннего отражения). Второе зеркало полупрозрачное (применяется стопа стеклянных пластин), оно возвращает часть излучения в среду для осуществления вынужденного излучения, часть излучения возвращает в среду, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. Резонатор можно настраивать таким образом, что лазер начнет генерировать излучение только одного, строго определенного типа. Настройка реализовывается путем подбора расстояния между зеркалами.

Активная (рабочая) среда - это вещество, в котором зарождается излучение. Она определяет возможную длину волн эмиссии. Она может быть: твердой - кристаллы рубина, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы; жидкой - растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах; газообразной - смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках.

Полупроводниковые материалы, холодная плазма и продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типа активной среды лазеры именуются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях и т.п. Активная среда "сконструирована" таким образом, что ее атомы обладают как минимум тремя энергетическими уровнями (Рис1.3).

 

Рис 1.3. Схема энергетических уровней активной среды.

 

В нормальном состоянии они все находятся на самом низком энергетическом уровне с наименьшей энергией Е ₀. Когда лампа загорается, энергия ее света поглощается атомами и перемещает их из низшего энергетического состояния на более высокий уровень Е ₂, откуда они немедленно опускаются на уровень Е ₁. На этом - возбужденном - уровне атомы могут находиться довольно долго. Присутствие такого уровня (он называется метастабильным) - необходимое условие получения лазерного импульса. С этого уровня атом возвращается в конечное состояние, излучая фотон. Причем каждый фотон, пролетая мимо возбужденного атома, заставляет его излучать тоже. Отражаясь в зеркалах резонатора, фотоны многократно проходят активную среду (добротность резонатора чрезвычайно велика: его зеркала поглощают только один фотон из миллиона) и вырываются наружу через полупрозрачное зеркало в виде светового импульса.

Источник энергии (накачки). Например, электрический ток, импульсная лампа или химическая реакция.

Одноканальная лазерная указка состоит из корпуса с лазером, соединенным через электронный прерыватель тока и выключателя с питанием. Лазерная указка работает в импульсном с частотой 1-20 Гц. либо в постоянном режиме. Импульсный режим работы позволяет уменьшить напряжение зрительной и нервной систем, облегчает прослеживание за указующим световым пятном, воспринимаемым каждое как новое пятно. Отчего утомление уменьшается. Совмещение направлений светового луча и указки также облегчает поиск и наблюдение за указующим пятном.

В основу лазерных указок положено явление индуцированного излучения, существование которого было прогнозировано Эйнштейном в 1917 году. По его прогнозу, наряду с процессами обычного излучения и резонансного поглощения существует третий процесс - вынужденное (индуцированное) излучение. Свет резонансной частоты, то есть той частоты, которую атомы способны поглощать, переключаясь на высшие энергетические уровни, должен вызывать свечение атомов, уже находящихся на этих уровнях, если такие имеются в среде. Вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты света, какие уводит из него резонансное поглощение (Рис 1.4).

 

Рис.1.4. Явление индуцированного излучения.

где hν - величина, соответствующая количеству потраченной энергии,

E₂ - энергия высшего энергетического уровня, E₁ - энергия низшего энергетического уровня.

 

Атомы активной среды могут поглощать энергию, находясь на нижнем энергетическом уровне, а излучать на верхних уровнях. Отсюда можно сделать вывод, что при большом количестве атомов на нижних уровнях, энергия, проходя через среду, будет ослабляться, и наоборот. Это значит, что в данной среде преобладает индуцированное излучение. Пространство между зеркалами заполнено активной средой, то есть средой, содержащей большее количество возбужденных атомов (атомов, находящихся на верхних энергетических уровнях), чем невозбужденных. Среда усиливает проходящий через неё свет за счет индуцированного излучения, начало которому даёт спонтанное излучение одного из атомов.

Лазерное излучение – это и есть свечение объектов при нормальных температурах. Но в обычных условиях большинство атомов находятся на низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощенной энергии волны некоторая часть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние.