Плотников В.С. Геодезические приборы

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 41. Расчетные соотношения при использовании зонных пластин

ном

лазерному пучку света,

на

величину

изображение источника

смещается

в ту

же сторону на величину

а,

причем

= а

JLJL

• (7.52)

В зависимости

от

формы

зон

(круговые, линейчатые, прямоуголь-

ные) изображение формируется

виде точки, линии

или

креста

(рис.

42).

Х.К. Ямбаевым

и Г.А.

Нагорским предложена зонная пластина

для

геодезических створофиксаторов*

выполнен расчет простой зонной

марки

виде непрозрачного экрана

набором параллельных щелей.

Края щелей подобраны

так,

чтобы марка обладала фокусирую-

щими свойствами.

Для

геодезических зонных марок оказалось возмож-

ным изготовить экран

виде набора щелей

более плотной упаков-

кой краев рабочих зон,

чем у

линзы Френеля.

Х.К.

Ямбаевым получены

формулы

для

расчета положения внутренних

внешних краев щелей

зонных марок (см. рис.

41 и 42, а)

I„=(-jf-)

(4И + 1-К)

, (7.53)

где

К = 0,797; £

, %

соответственно расстояние

от оси

симмет-

рии зонной пластины

до

центральной зоны,

до

внутреннего

наружного

краев прозрачных

зон (см.

рис.

42, а)\ п= 1, 2, 3 ... -

номер прозрач-

ной зоны.

Параметры

л, £ и /

тах

однозначно определяют конструкцию

зонной марки

для

фиксированной длины волны

Одна

и та же

одно-

мерная зонная марка может быть использована

на

разных расстояниях

между лазером

регистрирующим устройством при условии, что

«*

= >/Щ^

, (7.54)

где

0/ -

угол поворота зонной марки относительно заданного направ-

ления

в /-й

промежуточной точке;

соответствующее фокусное

расстояние, удовлетворяющее зависимости

Pi*i

Рс<*с

Лпах

~ i ~

так как

= q = L/2.

А.с. №

323656

[СССР]. Зонная пластина

Авт. изобрет. Х.К. Ям баев, Г.А. На-

горский.

Заявл.

13.10.69

№

1368030/18-10.

Опубл.

в Б.И., 1972,

№

131

Так как при вращении зонной марки вокруг оси симметрии зон

фокусное расстояние меняется, то при выполнении работ на створе дли-

ной L возможно использование линз одной или нескольких одинаковых

марок с максимальным фокусным расстоянием /

тах

= L/4. При ис-

пользовании двумерной зонной марки ее конструкция должна преду-

сматривать поворот вокруг двух осей - вертикальной и горизонталь-

ной — соответствующих осям симметрии зон Френеля. Величины р, q,

Р и L связаны следующими соотношениями:

1 + sin Р 1 - sin Р

К визуальным лазерным приборам относятся лазерные визиры.

Одним из первых лазерных приборов в практике геодезических работ

был лазерный визир ЛВ-2, применявшийся в 1965 г. в Москве для конт-

роля положения горнопроходческого щита во время строительства тун-

неля для р. Неглинной. В настоящее время выпускается более совершен-

ный лазерный визир ЛВ-5. Он создан на базе гелий-неонового лазера

ОКГ-13 и устанавливается на стандартном штативе. Прибор может пово-

рачиваться вокруг горизонтальной и вертикальной осей соответственно

на 360 и 10°. С визирной трубой прибора жестко связан цилиндрический

контактный уровень с ценой деления 20". Питание прибора осуществля-

ется от сети 220 В промышленной частоты или от аккумулятора 12 В.

Потребляемая мощность — 20 Вт, масса блока питания — 1 кг, масса

прибора -5,8 кг. Лазерные приборы используются для проверки под-

крановых путей, для раз бив очных работ и разметки отверстий, для ори-

ентирования по лазерному пучку различных агрегатов и машин, для

выверки осей протяженных промышленных объектов (прокатных ста-

нов,

транспортных систем, коксовых батарей, вращающихся цементных

печей и т.п.).

Однако визуальные лазерные приборы обладают существенными

недостатками, отмеченными выше, поэтому в аппаратуру все шире

внедряются фотоэлектрические и другие регистрирующие устройства,

позволяющие создать лазерные приборы с дистанционным съемом ин-

формации и автоматизировать процесс измерений.

Например, созданы лазерные интерференционные створофиксаторы

ЛИСТ-2 и ЛИСТ-3 с фотоэлектрическими устройствами соответственно

аналогового и дискретного типов.

§ 38. Особенности расчета и конструирования

приборов с лазерами

Применение лазеров в качестве источников излучения в геодезических

и других приборах объясняется их особенностями и характеристиками,

выгодно отличающими лазеры от других источников излучения. К этим

характеристикам относятся:

1) высокая монохроматичность, а следовательно, возможность

обеспечения более качественной спектральной селекции

на

фоне помех

и увеличения отношения полезного сигнала

уровню шумов.

Так, ши-

рина спектра излучения

ориентировочно составляет

для

газовых

лазеров

10~

,..., 10~

нм, для

твердотельных

- 10"

,..., КГ

нм, для

полупроводниковых

1, ...

10 нм,

тогда

как

ширина спектра излуче-

ния лампы накаливания более

нм.

Если учесть,

что

ширина полосы

пропускания узкополосных интерференционных светофильтров может

составлять

1, ... 5 нм, то в

случае использования лазеров

сочетании

с такими светофильтрами можно обеспечить хорошую спектральную

селекцию

увеличить отношение сигнал/шум

и,

следовательно, помехо-

защищенность

условиях фоновых засветок.

Это

означает,

что при од-

ной

и той же

дальности действия прибор

лазером будет работать

при

значительно более высоком уровне помех,

чем

прибор

обычным источ-

ником излучения,

а при

равном уровне помех дальность действия прибо-

ра

лазером,

без

учета других факторов, будет больше;

2) когерентность излучения лазера, связанная

с его

монохрома-

тичностью* Излучение лазера

не

является полностью когерентным, одна-

ко

по

сравнению

обычным излучением степень когерентности лазер-

ного излучения весьма высока. Время когерентности

примерно

об-

ратно пропорционально ширине спектра излучения

(Ду)"

•

Исходя

из приведенных выше значений ширины спектра, наибольшим временем

когерентности обладают газовые лазеры, затем следуют твердотельные

и полупроводниковые. Временем

или

длиной когерентности определя-

ется дальность действия приборов

систем, основанных

на

интерферен-

ционных способах измерения.

При обычных источниках излучения можно получить интерференци-

онную картину

при

разности хода

не

более

1 м.

Если исходить только

из времени когерентности

и не

учитывать влияние атмосферы,

то при

использовании лазеров можно было

бы

получить интерференцию

при

разности хода

несколько тысяч километров. Флуктуации атмосферы

снижают дальность действия интерференционных приборов

до

несколь-

ких сотен метров. Свойство когерентности позволяет, очевидно, полу-

чить информационную систему значительной емкости

обеспечить

ее

высокую помехозащищенность;

3) направленность (небольшая расходимость пучка) позволяет

существенно снизить потери энергии

при

работе

на

больших расстояниях,

улучшить возможности пространственной фильтрации объекта

повы-

сить угловое разрешение

помехозащищенность. Следует учитывать,

однако,

что

увеличение степени концентрации (уменьшение расходимос-

ти),

диктуемое энергетическими соображениями, ограничивается увели-

чением времени поиска объекта

повышением требований

стабили-

зации передающей системы

точности наведения

на

объект. Такой фак-

тор,

как

турбулентность атмосферы, должен быть учтен

любом случае.

Если прибор

лазером работает активным методом

площадь объекта

меньше площади сечения пучка

плоскости объекта,

то

отраженная

мощность обратно пропорциональна квадрату расходимости пучка

[

Это означает,

что при

прочих равных условиях,

чем

меньше расходи-

мость пучка, тем большую дальность обеспечивает прибор. С направлен-

ностью связана и точность работы прибора с лазером, так как размер

пятна в фокальной плоскости приемного объектива, прямо зависящий

от расходимости, влияет на точность определения центра пучка, т.е.

угловых или линейных координат.

Расходимость пучка лазеров без применения дополнительной опти-

ческой системы обычно составляет для газовых лазеров единицы угло-

вых минут, для твердотельных - несколько десятков угловых минут,

для полупроводниковых - от единиц до десятков градусов. Дополни-

тельные оптические системы позволяют получить расходимость в не-

сколько угловых секунд. Минимально достижимые значения расходи-

мости ограничиваются дифракцией на выходном компоненте коллими-

рующей системы;

4) интенсивность излучения лазера, определяемая его яркостью,

силой излучения и т.п., позволяет получить видимый для глаза реаль-

ный физический пучок и использовать его для проведения измерений.

Сила излучения лазера благодаря малому углу расходимости при той

же мощности по сравнению с другими источниками света значительно

выше. Интенсивность излучения определяет плотность мощности (облу-

ченность) на приемной апертуре прибора. При расчете и проектировании

лазерных приборов с визуальной регистрацией необходимо учитывать

предельно допустимый для глаза человека уровень энергетического ко-

личества освещения Я

э доп

< ЫСГ

Дж/м (см. далее раздел по тех-

нике безопасности при использовании приборов с лазерами);

5) поляризованность лазерного излучения используется для

улучшения параметров приборов в части уменьшения потерь при моду-

ляции излучения, увеличения отношения сигнал/фон путем использо-

вания поляризационных фильтров, что увеличивает дальность действия

и помехозащищенность.

Излучение почти всех типов лазеров является поляризованным

[11].

Степень поляризации близка к 100%, и излучение является линей-

но поляризованным, если торцы активных элементов лазера скошены

под углом Брюстера. В рубиновых лазерах вид и степень поляризации,

если торцы нормальны к оси стержня, зависят от ориентации оптиче-

ской оси кристалла относительно геометрической оси стержня. При

углах 60 и 90° поляризация линейная, при угле, равном нулю, поля-

ризация отсутствует.

К основным недостаткам лазеров можно отнести пока еще

довольно большие габариты, низкий КПД, сложность конструкции,

высокую стоимость, нестабильность параметров. Некоторые лазеры

требуют охлаждения активного элемента и элементов системы накачки

до температур 4-77 К. Это значительно осложняет применение лазер-

ных систем из-за малого времени работы охлаждающих устройств, их

сложности и громоздкости. Кроме того, при окончательном решении

о целесообразности выбора лазера в качестве источника излучения долж-

ны быть учтены такие параметры, как надежность, срок службы, усло-

вия длительного хранения, безопасность обращения и вредное влияние

излучения на зрение, энергопотребление.

Рис.

43.

Вид лазерного пучка Рис.

44.

Основные параметры резонатора

Параметры пучка, необходимые

для

расчета приборов

лазерами,

подробно рассмотрены

[II]. Приведем наиболее важные

из них.

Рас-

пределение интенсивности

сечении пучка определяется параметром

величина которого равна расстоянию

от оси

пучка

до

точки,

где

интен-

сивность

сечении основной моды падает

в е

раз 7,3

раза),

ампли-

туда

в с раз.

Параметр

называется размером пятна

зависит

от

кон-

фигурации резонатора

сечения пучка.

Размер пятна

со

основной моды

плоскости перетяжки

(рис. 43)

равен

\/ЛЯ

/2я,

где

—

конфокальный параметр, определяющий характеристики

ре-

зонаторов устойчивой конфигурации.

Величину конфокального параметра

"пустого" резонатора

можно определить

но

формуле

= 2L

V*i*

(1 -

*i*

)/fei

2*!*,),

(7.55)

где

и g

—

обобщенные параметры, определяющие конфигурацию

резонатора, причем

для

случая "пустого" резонатора

случая, когда

активная среда заполняет резонатор полностью (рис.

44),

Ljr

;

= 1 - L/r

Если активная среда заполняет резонатор

не

полностью

(см. рис. 44),

то параметры

вычисляются следующим образом:

= 1 - (/, +

>/")/>Y>

= +/

//я)/г

(7.56)

Энергия излучения лазера

резонатором, образованным двумя

сферическими

или

плоским

сферическим зеркалами, распространя-

ется

пространстве

по

криволинейным лучам-гиперболам

(см. рис. 44),

которые совпадают

нормалями

волновому фронту. Вблизи

оси

вол-

новой фронт представляет собой сферу,

а в

некотором сечении,

где

фронт волны плоский, пучок имеет минимальный поперечный размер

(перетяжку).

удалением

от

плоскости перетяжки размеры пучка

увеличиваются.

Положение плоскости перетяжки (плоскости сравнения) относи-

тельно зеркал резонатора определяется отрезками

(см. рис. 43)

(1 - g

{

) .

(\ - si)

= L : > z

- L - . (7.57)

Размер пятна

на

расстоянии

z от

плоскости сравнения можно най-

ти

из

соотношения

Чип

ТГТУ

(7.58)

где

со

тп

размер пятна

плоскости перетяжки моды ТЕМ

ШЛ

; % —

2 z/ R

относительная координата сечения.

Размер пятен

мод

более высоких порядков

зависимости

от

номера

моды можно получить умножением размера пятна основной моды

на

соответствующий коэффициент

Значения

приведены

в [11].

Расходимость пучка

как

параметр лазера можно определить вели-

чиной

lim(co

/z)

при z -•«>. (7.59)

Для основной моды

y/2\lnRj

Х/ясо

где 0

расходи-

мость пучка

одну сторону

от оси по

уровню снижения интенсивности

раз от

максимального значения.

Расходимость

по

любому уровню интенсивности

можно найти

из соотношения

= в

>/0,5

1п(Л*

/М).

(7.60)

Например, расходимость пучка основной моды

по

уровню снижения

интенсивности

в два

раза будет равна

О|5

= 0,47

%/Х/Л

В плоском резонаторе волновой фронт колебаний представляет

собою плоскость,

расходимость лучей определяется дифракцией

на

апертуре резонатора. Величина расходимости рассчитывается

по

перво-

му дифракционному минимуму

одну сторону

от оси:

= Кд \/2а, (7.61)

где 2

а -

размер апертуры

данной меридиональной плоскости;

Лд -

коэффициент, зависящий

от

вида распределения плотности потока излу-

чения

поперечном сечении пучка

и от

формы апертуры.

При

равномер-

ном распределении

круглой апертуре

Ад = 1,22; при

прямоугольной

апертуре

- 1.

Приведенные выражения

для

расходимости показывают,

что она

независимо

от

того, ограничен

или нет

пучок реальной диафрагмой,

носит дифракционный характер.

Как

известно,

при

рассмотрении диф-

ракции вводят понятия зоны дифракции Френеля

зоны дифракции

Фраунгофера.

По

отношению

пучку лазера

эти

зоны принято называть

соответственно ближней

дальней зонами.

зоне дифракции Френеля

расходимость нучка непрерывно увеличивается,

зоне дифракции

Фраунгофера (дальней зоне) расходимость постоянна. Условия дифрак-

ции Фраунгофера выполняются

при

расстояниях

/X,

(7.62)

где

D -

диаметр апертуры,

на

которой происходит дифракция. При рас-

чете оптических систем

лазерами

конструировании приборов

лазе-

рами необходимо учитывать следующие основные особенности.

Отсутствие

лазере реальной излучающей поверхности,

что

озна-

чает,

что

пучку лазера понятие яркости неприменимо,

понятие энер-

гетической светимости

светимости можно применять лишь условно,

характеризуя

их

как

отношение потока

площади поперечного сечения

пучка

выбранном сечении; волновой фронт лазера является сфериче-

ским,

дальней зоне площадь излучающей поверхности

dS -* 0

(лучи

сходятся

центре перетяжки)

центру кривизны фронта соответству-

ет эквивалентный точечный источник.

Поэтому

из

энергетических параметров, кроме энергии излуче-

ния

(Дж),

потока излучения — лучистого потока —

jdt

(Вт),

одним

из

основных параметров следует считать энергетическую

силу света

величину лучистого потока, приходящегося

на

единицу

телесного угла,

котором распространяется излучение:

d<b

(7.63)

Видимое излучение можно характеризовать световым потоком

и силой света

Переход

от

эйергетических величин

световым осу-

ществляется

по

зависимости

Ф„

683Ф,1/

(7.64)

где

коэффициент относительной спектральной световой эффектив-

ности

на

длине волны излучения лазера. Пользоваться величиной

)

можно только

дальней зоне,

где

пучок характеризуется определенной

расходимостью.

При

одномодовом излучении, расходимость которого

равна

, а

телесный угол

сила излучения

направлении, характери-

зуемом углом

равна

2Фсо"

ехр

[-2(0/0

)

(7.65)

При малом угле расхождения плоский угол

сферический

угол

и)

связаны известной зависимостью

= д

2. Существенное отличие закономерностей прохождения излучения

лазера

атмосфере

по

сравнению

тепловым излучением. Например,

с монохроматичностью излучения лазера связано существенно иное

его

поглощение

при

прохождении

атмосфере.

связи

трудностями тео-

ретического расчета коэффициента поглощения излучения лазера из-за

отсутствия многих исходных данных достоверные данные о коэффици-

енте поглощения можно получить лишь экспериментальным путем.

Таким образом, использование коэффициентов поглощения для тепло-

вого излучения может привести к погрешностям.

3. Ограниченная лучевая прочность оптических материалов. Кон-

центрация мощности излучения не должна превышать пороговых значе-

ний плотности мощности для конкретных материалов.

4. Необходимость согласования длительности импульса с постоянной

времени приемника излучения при работе в импульсном режиме. В прин-

ципе требование является общим для любых оптико-электронных прибо-

ров,

однако при импульсном режиме работы лазера этот параметр явля-

ется определяющим для прибора в целом.

5. Нестабильность параметров лазеров во времени. Изменение во

времени теоретически претерпевают все параметры лазера. Практически

важно, чтобы нестабильность параметров не превышала определенные

достижимые пределы. Нестабильность мощности, например, составляет

от 1, ... , 2,5 % за 2, . .., 5 мин до 0,04% за 30 мин. Нестабильность

спектрального состава излучения у хороших лазеров по воспроизводи-

мости достигает 10~

. Изменение положения энергетической оси пучка

лазера может происходить из-за угловых разъюстировок зеркал резона-

тора и при изменении распределения интенсивности в пучке. Первая

причина характерна для газовых лазеров, вторая - для твердотельных.

В газовых лазерах происходит неравномерный нагрев деталей резонато-

ра. Температурные деформации корпуса оказывают наибольшее влияние

при горизонтальном расположении лазера (верхние детали нагреваются

сильнее), поэтому для уменьшения смещения пучка целесообразно

лазер располагать вертикально. Уменьшает угловые развороты оси

пучка на выходе лазера и коллимирующая оптическая система (см.

далее).

Экспериментально установлено, что в лазере типа ОКГ-11 стацио-

нарный режим достигается через

25-30

мин после включения. За это

время ось пучка смещается снизу вверх примерно на 20", смещений

в горизонтальной плоскости практически не наблюдалось. Поэтому

в зависимости от типа и назначения лазера экспериментально устанав-

ливается и предусматривается в инструкции по эксплуатации прогрев

в течение определенного времени до начала измерительных работ.

При разъюстировке резонатора и колебаниях мощности накачки

изменяется расходимость лазерного пучка.

Из оптических систем приборов с лазерами кратко рассмотрим

оптические системы для изменения кривизны волнового фронта и при-

емные оптические системы. К первым относятся оптические системы для

изменения расходимости или диаметра лазерного пучка, т.е. для кон-

центрации (фокусирования), коллимации, деколлимации и согласова-

ния волновых пучков лазеров.

Увеличение расходимости (деколлимация) пучка лазера может

быть осуществлено одной положительной или отрицательной линзой

(рис.

45,я), фокусирование излучения - с помощью положительной

линзы. Для уменьшения расходимости пучка (коллимация) в принципе

Рис.

45. Схемы для

трансформирования

лазерного пучка

Рис.

46. Типы приемных

систем:

—

линзовая

фокусирующая;

—

линзовая

коллимирующая;

—

зеркаль-

ная

фокусирующая;

—

комбинированная

может быть также использована одна положительная линза, но обычно

применяют двухкомпонентные квазителескопические системы различ-

ных схем (рис. 45, б). При коллимации пучка

ВЬ1Х

< 0

ВХ

, следователь-

но,

' > /j, так как в первом приближении

ВЫ

#вх

, где Г

увеличение телескопической системы. Квазителескопические системы

при соответствующем расфокусировании могут использоваться для

концентрации излучения на сравнительно большие расстояния

(рис. 45, в), а также для деколлимации. Изменение диаграммы направ-

ленности можно получить также двухкомпонентной оптической систе-

мой (рис. 45, г). Приемные оптические системы (рис. 46) могут быть

как линзовыми, так и зеркальными, фокусирующими или коллимирую-

щими. Тип приемной системы определяется длиной волны и мощностью

принимаемого лазерного излучения, типом приемника, конструктивны-