Парамонова Е.Г., Юнусов А.Г. Геодезические работы в мелиоративном строительстве

Подождите немного. Документ загружается.

троля с помощью системы ПУЛ

зависит от многих факторов, сре-

ди которых важнейшими явля-

ются состояние атмосферы и ха-

рактеристики землеройного меха-

низма. Средняя квадратическая

погрешность управления на рас-

стояниях до 500 м около ±3 см.

При использовании дреноук-

ладчиков, не оборудованных си-

стемами контроля уклона, по*

грассам дрен с памощыо бульдо-

зера предварительно устраивают

путь — корыто, уклон дна кото-

рого должен соответствовать уклону дрен. Ширина корыта

должна соответствовать габаритам дреноукладчика. Контроли-

руется качество планировки пути для дреноукладчиков, при

этом поперечный перекос корыта допускается в пределах

±30 мм, а отклонения в отметках через каждые 10 м не дол-

жны' быть более 0,1 внутреннего диаметра укладываемых дре-

нажных труб.

Фотопри-

Рис. 52. Контроль работы меха-

низма с помощью ПУЛ по уклону

и направлению

Глава III

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРОВ

ДЛЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ В МЕЛИОРАТИВНОМ

СТРОИТЕЛЬСТВЕ

§ 13. Понятие о работе и устройстве лазеров

Лазеры — приборы, преобразующие один из видов энергии

(электрическую, световую, тепловую, химическую) в монохро-

матическЬе, когерентное излучение (излучение строго опреде-

ленной длины волны, причем испускание электромагнитных ко-

лебаний различными частями источника происходит в одной

фазе). Действие лазеров основано на явлении вынужденного

(индуцированного) излучения в инверсной среде (среде, нахо-

дящейся в возбужденном состоянии). В зависимости от вида

активного вещества, играющего роль инверсной среды, разли-

чают твердотельные (кристаллы и стекла с добавками ионов

хрома, неодима, эрбия и др.), жидкостные (растворы окислов

различных металлов), газовые (смеси газов), полупроводник

ковые.

Основными элементами любого лазера являются: активное

вещество, резонатор и система накачки (возбуждения). Резо-

натор служит для накопления энергии возбуждения, формиро-

вания узконаправленного излучения и управления энергетиче-

скими параметрами процесса генерации й представляет собой

систему из двух диэлектрических зеркал, между которыми

помещается рабочее вещество. Режим работы лазера зависит

от энергетических параметров системы накачки и может быть

импульсным или непрерывным.

Излучение лазера отличается от обычных источников не

только высокой монохроматичностью и когерентностью, но и

поляризацией и высокой плотностью энергии в луче. Все эти

свойства делают лазерный луч удобным инструментом для

передачи и получения информации в процессе геодезических

измерений.

В геодезических работах, а также в системах автоматиче-

ского управления механизмами наибольшее распространение в

настоящее время получают газовые гелий-неоновые лазеры с

длиной волны излучения %=0,6328 мкм, работающие в непрерыв-

ном режиме.

Не останавливаясь подробно на рассмотрении физических

процессов, происходящих в гелий-неоновом лазере, которые

яашли отражение в специальной литературе [12], рассмотрим

основные части такого лазера и их назначение на примере

ОКГ-13 (рис. 53).

а 4 2 6 А 7 / J К 7 6 г 4

Активный элемент в ОКГ-13 представляет собой газоразряд-

ную трубку 1 (рис. 53,а), заполненную смесью газов гелия и

неона в соотношении 10: 1. Рабочее вещество в газорязрядной

трубке возбуждается прсредством электростатического поля, со-

здаваемого подогревным катодом К и анодом А трубки. На

концах трубки имеются две полусферы 2

на которых под углом

Брюстера а закреплены выходные окна 3. Назначение окон —

поляризация генерируемого излучения.

Оптический резонатор образуется двумя сферическими зерка-

лами 4

которые прижимаются к инварному корпусу 5, чем обес-

печивается строго фиксированное расстояние между зеркалами.

Зеркала изготавливают из стекла. Отражающие поверхности

зеркал создают напылением нескольких слоев (15 и более) ди-

электрических материалов, коэффициент отражения зеркал

около 99% на рабочей длине волны, причем у одного зеркала

(выходного) коэффициент отражения несколько меньше, чем у

противоположного. Юстировка ОКГ-13 производится на заводе-

изготовителе. Для этого с помощью юстировочных винтов 6 га-

зоразрядная трубка перемещается в корпусе и устанавливается

вдоль оптической оси резонатора. В дальнейшем при работе

с прибором юстировка не требуется.

Для установки ОКГ-13 в геодезических приборах на корпусе

имеются кольцевые пояски 7. При изготовлении лазера стре-

мятся к тому, чтобы линия, соединяющая центры кольцевых

поясков (геометрическая ось корпуса), совпадала с осью пучка,

выходящего из лазера.

Однако погрешности изготовления оптических деталей и их

монтажа приводят к тому, что геометрическая ось и ось лазер-

ного луча располагаются в пространстве как скрещивающиеся

линии. На рис. 53, б показаны оптическая ось резонатора 0\0

2г

которая проходит через центры кривизны зеркал, и геометри-

ческая ось корпуса С

Газоразрядная трубка совме-

щается с оптической осью резо-

натора, т. е. в. резонаторе ось ла-

зерного луча совпадает с его

оптической осью. При прохожде-

нии зеркал ось лазерного луча

отклоняется на угол <р

(рис. 54)

вследствие того, что не всегда

удается при изготовлении и сбор-

ке добиться перпендикулярности

плоской поверхности подложки

зеркала к оси луча. Из рис. 54

следует

sin

<р

= п

sin ф

1в

По малости углов <pi и <р

можно записать

2Ч>2

= >*1Ф1.

Отсюда

Ч>2=

—

4>v

где П\ — показатель преломления стекла; п

— показатель пре-

ломления воздуха.

Кроме того, при отражении от поверхностей подложки по-

является один или несколько дополнительных лучей, интенсив-

ность которых значительно меньше интенсивности основного

луча. Эти дополнительные лучи расходятся под небольшими

углами к основному лучу.

При визуальных наблюдениях наличие дополнительных лу-

чей практически не сказывается на точности работ, однако при

фотоэлектрической индикации они могут вызывать сбои в работе

приемного устройства. Поэтому для приборов, работающих с

фотоприемниками, обычно отбирают такие лазеры, у которых

нет дополнительных лучей.

§14. Некоторые характеристики

лазерного излучения

В производстве геодезических работ, связанных с разбивкой

сооружений, с контролем положения землеройных машин и

Рис. 54. Отклонение луча на

выходе из резонатора

дреноукладчиков, лазерный луч используется в качестве опорной

линии, а в некоторых случаях и опорной плоскости, относи-

тельно которой определяется положение объектов. Точность

работы систем и приборов в значительной степени зависит от

геометрических параметров лазерного луча — диаметра луча и

его изменения в пределах дальности прибора или системы, а

также от распределения энергии в поперечном сечении пучка.

Обычно чем меньше изменяется поперечное сечение луча, тем

удобнее его использовать для указанных целей.

Лазерный луч обладает высокой направленностью или, иначе

говоря, малой расходимостью, которая обусловливается тем,

что из резонатора лазера выходят лишь те волны, которые при

многократных отражениях от зеркал не отклонились от оси

резонатора.

Теоретическое рассмотрение электромагнитного поля в резо-

наторах различной конфигурации [13] показывает, что его

можно представить в виде разложения в ряд по некоторой си-

стеме функций, зависящей от трех индексов. Каждое слагаемое

ряда соответствует определенному типу колебаний (или моде)

и обозначается TEN[

MNQ

. Первые два индекса соответствуют

функциям, описывающим поперечную структуру поля (попереч-

ный тип колебаний) — TEM

. Каждому поперечному типу ко-

лебаний соответствует ряд продольных типов, различающихся

числом полуволн, укладывающихся по длине резонатора. Эти

колебания характеризуются индексом q.

Любому типу колебаний соответствует своя частота v

mnq

Тип колебаний, реализуемых в лазерах, определяется шириной

линии люминесценции активного тела и типом резонатора. Для

газовых гелий-неоновых лазеров, которые по сравнению с дру-

гими чаще применяются в геодезической практике, используются

в основном резонаторы со сферическими зеркалами. При про-

ходе излучения в резонаторе сферические зеркала периодически

фокусируют луч. Характер распределения интенсивности по

сечению и угловое расхождение лучей, соответствующих попе-

речным модам, существенно различны для мод разных порядков

(рис. 55). Низший тип колебаний, называемый основной модой,

имеет гауссово распределение интенсивности по сечению луча

[13].

Угол расходимости луча определяется типом колебаний в

резонаторе, а также явлением дифракции [12]

Т/ЩГ ak

где \i — множитель, учитывающий индекс моды; k — волновое

2я

число

= -—, где

— длина волны излучения); /?

— конфо-

кальный параметр (радиус кривизны зеркал эквивалентного

резонатора, т. е. конфокального резонатора, имеющего такие

ИНН

Рис. 55. Распределение энергии в световой волне при различных модах

же пространственные характеристики, как и данный резонатор);

а — радиус апертурной диафрагмы резонатора.

Для практических целей угол расходимости лазерного луча

может быть найден по формуле

0 = р,

—

где d и D — диаметры сечения пучка соответственно на выходе

из лазера и на экране (рис. 56); L — I — расстояние между

этими сечениями.

В табл. 5 приведены параметры некоторых отечественных ге-

лий-неоновых лазеров, работающих на длине волны 0,6328 мкм.

Значение угла расходимости изменяется в пределах 3—20', что

объясняется различием типов колебаний, реализуемых в резо-

наторе, и конструктивными различиями приборов.

Таблица 5 .

Тип лазера

Мощность из-

Расходимость

Тип лазера

лучения (мВт)

луча (мин)

ОКГ-11

1-2

8—10

ОКГ-13

0,3—0,5

8—10

ЛГ-24

6—10 3—20

ЛГ-35

12—20

3—20

ЛГ-55

1—3 3—10

ЛГ-52-3

Рис. 56. Определение угла расходи-

мости лазерного луча

8Э

Более полными характеристиками лазерного пучка являются

местоположение перетяжки и ее размер соо, конфокальный Пара-

та и

2я

метр /<э, волновое число k= —— ,

В том случае, когда эти характеристики известны, диаметр

луча в любом его сечении (рис. 57) определяется по формуле

Рис. 57. Изменение диаметра, лазерного луча в зависимости от расстояния

<0;

(IH.2)

где z—расстояние от перетяжки до сечения.

Для получения пучка с возможно меньшим углом расходи-

мости применяют оптические системы. При прохождении луча

через линзу меняются его параметры (рис. 58), которые можно

определить из соотношения [12]

0-f)

o-f)-

(37

0-f)

Рис. 5S. Изменение параметров

лазерного пучка при прохождении

линзы

где d и /?

— расстояние перетяжки от линзы и конфокальный

параметр для падающего пучка; d' и R'

—те же параметры

для прошедшего линзу пучка; f — фокусное расстояние линзы.

Для уменьшения угла расходимости (см. формулу III.

не-

обходимо, чтобы параметр /?

увеличивался. В принципе воз-

можно получение пучка малой расходимости с помощью одной

длиннофокусной линзы, передняя фокальная плоскость которой

совмещена с перетяжкой исходного пучка. Однако более прием-

лемыми по габаритам являются двухкомпонентные системы.

Например, телескопическая система [25] во столько раз умень-

шает угол расходимости луча, во сколько увеличивает его диа-

метр на выходе (рис. 59)

(

где d\ и /1 — диаметр и фокусное расстояние конденсора;

и /2 — диаметр и фокусное расстояние объектива.

Для конечных расстояний за счет фокусировки можно умень-

шить диаметр луча по сравнению с его диаметром на выходе

из оптической системы do- Расстояние, на котором еще воз-

можна фокусировка (т. расстояние, на котором еще можно

получить называется расстоянием Релея. Его можно

определить по формуле

Х.-4-

(ш

з)

где

— длина волны излучения.

Формула (111.3) справедлива для точечного источника излу-

чения и идеального объектива. Для реального пучка это рас-

стояние будет меньше. Во всяком случае следует иметь в виду,

что на расстояниях до 300 м, с которыми приходится иметь дело

ъ ходе выполнения разбивочных работ при строительстве ме-

лиоративных систем, после прохождения оптической системы и

соответствующей фокусировки пучок можно характеризовать

перетяжкой, местом ее положения и конфокальным парамет-

ром /?

. Размер пятна будет подчиняться зависимости (III.2).

§ 15. Об изменении положения лазерного луча

вследствие температурных деформаций

корпуса лазера

При использовании лазерного луча в качестве опорной линии

при производстве разбивочных работ важнейшим требованием

-является стабильность направления распространения луча во

времени. Одной из причин, вызывающих нестабильность на-

правления луча лазера, является изменение температуры -ла-

зера.

Во время работы прибор нагревается вследствие выделения

тепла спиралью катода газоразрядной трубки. Тепловые де-

формации корпуса лазера приводят к смещениям зеркал резо-

натора и к смещению его оптической оси. Характер смещений

оптической оси резонатора зависит от типа резонатора, а также

от материала, из которого изготовлен корпус лазера.

Можно рассматривать свойства деформированного резона-

тора (резонатора, у которого разъюстированы зеркала) в рам-

ках геометрической оптики, учитывая, что поле излучения ла-

зера в основном сосредоточено вблизи оптической оси резона-

тора, а зеркала могут смещаться в процессе эксплуатации

Рассмотрим оптический ре-

зонатор типа плоскость — сфе-

ра. Такой резонатор можно

представить в виде резонато-

ра, состоящего из двух сфери-

ческих зеркал с одинаковыми

радиусами кривизны, если по-

строить изображение сферичес-

кого зеркала Mi в плоском

N (рис. 60, а). При разъюсти-

ровке сферического зеркала

{

на угол q> (рис. 60, Б)

центр кривизны его О

смеща-

ется от главной оптической оси

Oi0

на некоторое расстояние

р в точку 0[

при этом само

зеркало тоже смещается, но в

противоположную сторону.

Зеркальное отображение сфе-

рического зеркала отклрняется

на угол ф, а центр кривизны

его 0

также сместится на рас-

стояние р в точку О

Оптичес-

ская ось (линия, соединяющая

центры кривизны) резонатора смещается параллельно на вели-

чину р.

Величина смещения оптической оси деформированного кон-

фокального резонатора вычисляется по формуле [48]

Р = Ф#, (III.4)

где ф — угол разъюстировки зеркал резонатора; R— радиус

кривизны конфокального резонатора, т. е. резонатора с зерка-

лами одинаковой кривизны, фокусы которых совпадают.

Любой резонатор можно представить в виде конфокального

резонатора, пользуясь конфокальным параметром R

[44]. Для

резонатора плоскость — сфера

= 2 VL{r-L) ,

только на малые углы [21].

0, Ог

Рис. 60. Изменение положения оси

резонатора вследствие температурных

деформаций

где L — расстояние между плоским и сферическим зеркалами;

г — радиус кривизны сферического зеркала.

Поэтому формула (III.4) примет вид

р = ф2VL(r — L) .

В случае поворота плоского зеркала на угол ф (рис. 60, в)

центр кривизны зеркального отображения 0

смещается на

некоторое расстояние р от главной оптической оси в точку 0'

а положение центра кривизны реального сферического зерка-

ла 0\ не изменяется. Оптическая ось деформированного резо-

натора OiOg образует с осью нормального резонатора угол в..

Из треугольников 0

0\0'

й 0

С0'

можно записать

ig 0 = _Li- ;

* OA

= 0

C tg 2ф.

Учитывая, что углы в и ф малы и 0\0

=20

в=ф. Угол

поворота оптической оси равен углу разъюстировки плоского

зеркала и не зависит от радиуса кривизны сферического зер-

кала, а точка поворота оптической оси совпадает с центром

кривизны сферического зеркала и не зависит ,от геометрии резо-

натора.

При горизонтальном расположении лазера вследствие нерав-

номерного нагрева корпуса верхняя часть его удлиняется боль-

ше, чем нижняя, и оба зеркала поворачиваются относительно

исходного положения, следовательно, будет иметь место как

сдвиг оптической оси р, так и поворот ее на угол 0.

Из рис. 60, б можно заключить также, что если резонатор

составлен двумя сферическими зеркалами с одинаковыми ра-

диусами кривизны, то при одновременной разъюстировке зеркал

на одинаковый угол оп-

тическая ось будет сме-

щаться параллельно са-

мой себе, а ее ориентиров-

ка останется неизменной.

Рассмотрим, к чему

приводят деформации ре-

зонатора в том случае,

когда лазер используется

совместно с телескопичес-

кой коллимирующей си-

стемой. На рис. 61, а по-

казано положение оси

луча на выходе из кол-

лиматора после поворота

его на входе на угол фь

Рис. 61. Смещение и отклонения луча на

выходе из коллиматора