Електромагнітні хвилі оптичного діапазону

Електромагнітні хвилі оптичного діапазону у с вітловіддалемірів є несучими коливаннями, на яких розповсюджується вимірянні коливання між прийомопередавачем і відбивачем. У перших світловіддалемірів джерелом несучих коливань були лампи розжарювання, пізніше стали використовуватись також газорозрядні лампи. У сучасних світловіддалемірів джерелами світла служать лазери і світлодіоди. Для світловіддалемірів важливими характеристиками джерела світла є потужність випромінювання і його спрямованість, розміри поверхні випромінювання, спектральний склад випромінювання світлового потоку, потужність живлення і простота обслуговування. Від потужності випромінювання джерела залежить радіус дії світловіддалемірів. У світловіддалемірів,призначених для вимірювання коротких ліній, використовують джерела світла з невисокою потужністю випромінювання. Вони, як правило вимагають і малої потужності живлення. До таких джерел належать світлодіоди і напівпровідникові лазери. Газові лазери, потужність випромінювання яких є більшою, використовують у світловіддалемірах з великим радіусом дії, призначеними в основному для вимірювання сторін Д2М. Потужність випромінювання джерела світла вимірюється у Вт. Але не рідко її оцінюють за дією випромінювання на око людини, тобто в фотометричних одиницях. Людське око чутливе до електромагнітних хвиль з довжиною 0,4-0,76 мкм. При цьому його чутливість неоднакова до випромінювання різних кольорів і залежить від довжини хвилі випромінювання. Максимальна чутливість припадає на довжину 0,555 мкм, тобто на випромінювання жовтого кольору. У фотометрії відповідником потужності випромінювання є світловий потік. Одиниця світлового потоку є люмен. Для переходу від Вт до Лм використовують відносну спектральну чутливість ока К . Вона дорівнює відношенню чутливості ока до випромінювання з довжиною хвилі і його чутливість до випромінювання з довжиною хвилі ₀ =0,555 мкм.

де Ф_лм –світловий потік випромінювання з довжиною хвилі в Лм;

При ₀=0,555 мкм К =1 і 1Вт =650Лм або 1Лм= 0,0016 Вт.

Не менш важливою характеристикою, ніж потужність, є спрямованість випромінювання джерела світла. Якщо випромінювання джерела світла має велику інтенсивність, але заповнює собою великий тілесний кут, то ми використовуємо з нього тільки ту невелику частину, яка збігається з напрямком від передавача на відбивач, тобто тільки не велику частину потужності випромінювання. Якщо ця спрямованість є високою, то практично вся випромінювальна енергія може бути використана. Оптична схема формує випромінювання у вузько спрямований промінь тільки тоді, коли поверхня випромінювання джерела має мінімальну площу. В ідеалі вона повинна бути близькою до точки. Важливим фактором також є спектральний склад та широта спектрального випромінювання джерела. Для того щоб втрати світлової енергії були мінімальні.максимальна інтенсивність випромінювання повинна припадати на ту ділянку спектра, до якої має максимальну чутливість перетворювач світла у фотострум або індикатор світловіддалеміра, а також для якої атмосфера є максимально прозорою. Ідеально узгодити ці характеристики не вдається. Але до цього прямують. Перетворення світлового потоку у фотострум у відбувається у ФЕП. Їх спектральна чутливість залежить від матеріалу, з якого виготовлений фотокатод. Так сурмяно-цезієві фотокатоди найбільш чутливі до голубого та зеленого випромінювання, а киснево-цезієві- до ультрафіолетового червоного та інфрачервоного. Атмосфера найбільш прозора для червоного випромінювання. У світловіддалемірах бажано мати джерела світла з випромінюванням, близьким до монохроматичною, або з вузьким спектром випромінювання. Такі джерела, по-перше,дають можливість вузько смуговими інтерференційними фільтрами того світлового потоку, що потрапив у приймач,оптичної системи, виділив відбитий промінь, тобто корисний сигнал, тому що на неї потрапляє не тільки відбитий світловий потік,а й розсіювань сонячного випромінювання та випромінювання сторонніх джерел. Здатність виділення корисного сигналу є дуже важливою, бо дає можливість працювати вдень.

Будова газового лазера показана на рис.6.1.

Розглянемо коротко функціонування гелій-неонового лазера. Суміш газів Ne і He у відношенні 1:10 є в ньому активною речовиною. Цією сумішшю заповнена капілярна трубка 4 при р=0,7 до 2 ГПа. На кінцях трубка розширена, і її кінці герметично закриті плоско паралельними пластинками 2,які розташовані під кутом Брюстера до осі труби. Таке розташування пластинок забезпечує плоска поляризацію випромінювання лазера і зменшує втрати в ньому. Трубку встановлюють між двома дзеркалами 1,які утворюють активний оптичний резонанс. Ці дзеркала можуть бути вгнутими або плоскими. Для виходу випромінювання одне з дзеркал резонатора роблять частково прозорим. Збудження газу відбувається під дією високочастотної,так і постійної напруги. Для її підведення на трубу накладають або в неї впаюють електроди 3.

Енергетичні рівні лазера показано на рис. 6.2.

Атоми гелію і іону має близькі енергетичні рівні. Атоми гелію збуджуються при електричному розряді і переходять на метастабільний рівень2³S. При зітхне ні вони передають свою енергію атомам неону. Атоми неону збуджуються ромасштабном рівні 2S. Тепер 2S→2р дає інфрачервоне випромінювання. З рівня 2р атоми переходять на рівень 1S, що супроводжується червоним випромінюванням. З рівня 1S атоми повертаються у вихідний стан в результаті зіткнення з іншими атомами або стінками трубки.

Рівні 2S,2Р,1S є багатократні, тому випромінювання лазера здійснюється на багатьох червоних і інфрачервоних лініях. Щоб одержати випромінювання певної довжини хвилі необхідно мати в резонаторі селективні дзеркала з високим коефіцієнтом відбиття для цієї довжини хвилі. Випромінювання, що виходить з трубки в напрямку її осі, багаторазово відбивається дзеркалами резонатора і при проходженні через суміш газів, підсилюється. При цьому вона формується у вузький пучок, тобто є високо спрямованим. Розбіжність пучка, що виходить через частково прозоре дзеркало резонатора складає від 20″ до декількох минут (в залежності від будови резонатора). Кут розбіжності випромінювання можна визначити за формулою:

(7,1) де λ-довжина хвилі випромінювання;

l- довжина резонатора в мм.

Така мала розбіжність дозволяє передавальній оптичній системі спрямувати на відбивач практично все випромінювання лазера. Газовий лазер працює в безперервному режимі, тому його потужність відносно не велика і залежить від довжини трубки. При довжині трубки 25 см потужність випромінювання 2-3 мВт, а при довжині 1м потужність 25-36мВт. Потужність живлення лазера –декілька десятків ват. Отже його ККД не перевищує 0,01%. Цей недолік компенсує висока спрямованість випромінювання. Газовий лазер не вимагає охолодження, що зручно для польових умов. Ширина випромінювальних ним ліній спектру мала (10 кГц). У СД застосовують лазери з довжиною хвилі випромінювання 0,6328 мкм, тому що є чутливі до цієї ділянки спектра, та атмосфера її мало поглинає.

Лекція 7.