Плотников В.С. Геодезические приборы

Подождите немного. Документ загружается.

*п>**

(10.80)

Отношение сигнал/шум можно записать

виде:

= — %

/0"т

'п

'ф)

2</

Д/[/

+ 5,(Ф

+ Ф

(10.81)

где

q -

заряд электрона;

Д/ ^ 1/2 RC; R -

входная нагрузка;

—

ем-

кость входной цепи ФЭУ.

Для обеспечения необходимой надежности целесообразно, чтобы

отношение сигнал/шум

р = с/ш > 10.

Фотодиоды также находят применение

качестве приемников

излучения. Широкое распространение получили кремниевые

германи-

евые фотодиоды. Спектральные характеристики фотодиодов представ-

лены

на рис. 126, е. У

кремниевых фотодиодов

ф = 0,85 мкм, у

гер-

маниевых

ф = 1,55

мкм. Интегральная чувствительность кремниевых

фотодиодов достигает 5 А-Вт"

мАлм"

), германиевых

- 10 А Вт"

(25

мА

лм"

). Темновые токи фотодиодов обычно

не

превышают

не-

скольких микроампер. Постоянная времени фотодиодов обычно поряд-

ка

10"

си

может быть доведена

до 10"

с.

Применение фотоэлектрических приемников позволяет осуществить

в светодальномерах синхронное детектирование

гстсродинироваиие

амплитудно-модулированных световых колебаний

целью получения

низкочастотного сигнала.

65.

Модуляторы светового потока

Для обеспечения необходимой точности измерений световое излучение

должно быть модулировано масштабной частотой.

Процесс модуляции оптического излучения состоит

изменении

по

определенному закону одного

из

параметров частоты, фазы

или

интен-

сивности светового потока.

Для

осуществления модуляции оптического

излучения могут быть использованы

два

основных способа.

Способ внутренней модуляции,

при

котором воздействие

на

излу-

чение происходит

самом источнике излучения, например внутри резона-

тора генерирующего лазера.

2. Способ внешней модуляции,

при

котором воздействие

на

излуче-

ние происходит

вне

источника излучения.

Внутренняя модуляция

настоящее время применяется преиму-

щественно

полупроводниковых лазерах

при

работе

их в

режиме свето-

диода.

этом случае используется практически линейная зависимость

интенсивности излучения

от

величины тока, пропускаемого через диод.

Внешняя модуляция осуществляется следующими путями:

механическим; интерференционным; дифракционным (ультразвуковой

модулятор);

на

основе электрооптического эффекта двойного лучепре-

ломления и некоторыми другими. В настоящее время лишь механиче-

ский способ можно отнести к неперспективным, остальные способы при-

меняются и найдут применение в перспективных разработках светодаль-

номеров.

Для целей светодальнометрии предпочтительно достижение макси-

мальной добротности модулятора. Это необходимо для получения боль-

шой глубины модуляции при малых, средних мощностях, потребляемых

модулятором. Кроме того, к модуляторам света предъявляются следую-

щие основные требования: малая инерционность; линейная зависимость

сдвига фазы от приложенного напряжения; малые световые потери;

сохранение высокой добротности при перестройке резонансной частоты;

отсутствие разности фаз модуляции по сечению пучка; малые габарит-

ные размеры и масса; устойчивость работы в сложных экспедиционных

условиях.

Указанные пути осуществления модуляции светового потока позво-

ляют создать модуляторы двух типов, что определяет принцип работы

дальномера:

Модуляторы с плавным изменением частоты модуляции.

2. Модуляторы, работающие на фиксированных частотах.

Механический способ модуляции светового потока, получивший

самое первое практическое применение, основан на прерывании свето-

вого потока с помощью механических устройств, например вращающе-

гося стеклянного диска с радиальными прозрачными и непрозрачными

штрихами. Недостатки механического модулятора — недостаточная

стабильность частоты модуляции, громоздкость, значительная потребля-

емая мощность - обусловили необходимость создания других, более со-

вершенных модуляторов.

Интерференционный способ модуляции впервые осуществлен

А.А. Лебедевым в светодальномере ГОИ еще в 1935 г. Принципиально

основу этого модулятора составляет интерферометр Майкельсона, одно

из зеркал которого пьезоэлектрическое. Под действием синусоидально-

го напряжения частоты со

, приложенного к пьезоэлектрическому зер-

калу, разность хода 7 между интерферирующими лучами изменяется по

закону синусоиды

У = ?о

7™

sin

Установкой оптимальных величин у

и у

добиваются максималь-

ной амплитуды при основной частоте, тогда уравнение амплитудно моду-

лированного светового потока примет вид

* =

+ф

sin

Интерференционный модулятор в таком виде не нашел применения

из-за сложности юстировки и недостаточной прочности при работе в поле-

вых условиях. Известны работы по замене пьезоэлектрического зерка-

ла на кристалл, обладающий достаточно сильным электрооптическим

эффектом двойного лучепреломления. Это, возможно, обеспечит более

высокие эксплуатационные качества.

Дифракционные ультразвуковые модуляторы основаны на

использовании колебаний ультразвуковой частоты, которые создаются

элементом, обладающим пьезоэффектом (кварц, турмалин и др.).

Под влиянием ультразвуковых колебаний периодически меняются

плотность и показатель преломления прозрачной среды, в которой эти

колебания распространяются.

Возникает своеобразная дифракционная решетка, созданная ультра-

звуком в прозрачной среде (акустико-оптический эффект). В качестве

прозрачной среды в акустико-оптических модуляторах используют

кварц, некоторые марки стекол, раствор спирта в воде и т.п.

В модуляторах с одним плоским излучателем дифракционная ре-

шетка создается бегущей ультразвуковой волной, поэтому частота моду-

ляции света равна частоте излучателя ультразвука. Такая частота моду-

ляции для геодезических светодальномеров является недостаточной.

Поэтому в прозрачной среде путем установки отражателя или встречного

излучателя создают систему стоячих ультразвуковых волн, увеличивая

в два раза по сравнению с частотой излучения ультразвука частоту моду-

лирования света.

Поскольку кристаллические акустико-оптические модуляторы явля-

ются более предпочтительными

по

сравнению

жидкостными, рассмот-

рим принцип модуляции светового потока

на

основе кристаллического

модулятора

на

кварце

(рис.

127,а).

При

наличии переменного модули-

рующего напряжения, приложенного

противоположным граням кварца

и совпадающего

одной

из его

резонансных частот,

кристалле

под

влиянием обратного пьезоэлектрического эффекта возникают механиче-

ские колебания

по

толщине, которые проявляются

как

стоячие ультра-

звуковые волны.

Известно,

что

резонансные колебания

кварцевой пластинке возни-

кают

при

условии, когда

по

толщине пластинки укладывается целое

число стоячих полуволн упругих (ультразвуковых) колебаний

где

одна

из

резонансных частот;

N -

целое число

(N = 1, 2,

...);

— скорость распространения ультразвуковых колебаний;

—

толщи-

на пластинки.

Отсюда следует,

что

/ =

-y^N,

где h$

Уравнение стоячих волн упругих колебаний, возникающих

квар-

цевой пластинке, имеет

вид

2Лх

= 2

cos——

sinco

r, (10.82)

где

х -

расстояние

по

оси

стоячей волны

от

грани,

которой приложено

переменное напряжение;

А -

амплитуда колебания

пучности стоячей

волны;

со

— частота возбуждающего пластинку напряжения (модули-

рующая частота).

Под влиянием стоячих волн упругих колебаний оптическая плот-

ность

кварцевой пластинки

по

отношению

пропускаемому через

нее

параллельному световому пучку изменяется закономерно:

= —— ;— sin —— sin

со

(10.83)

ах

Примерно

по

этому

же

закону изменяется

показатель преломления

кварцевой пластинки, мгновенное значение которого

на

расстоянии

будет

— п

+ An sin sin со

Г, (10.84)

где

величина показателя преломления

при

отсутствии упругих

ко-

лебаний;

An -

амплитуда изменения показателя преломления

пучности

стоячей волны плотности.

Очевидно, что показатель преломления остается неизменным в узлах

стоячих волн плотности. Возбужденная пластинка кварца воздействует

на проходящий через нее параллельный пучок как дифракционная ре-

шетка с переменными оптическими свойствами. В течение одного пери-

ода возбуждающего кварц напряжения такая решетка дважды возни-

кает и дважды исчезает, а световой поток имеет амплитудную модуля-

цию Ф= Ф

+ Ф

sin

со

Г,

причем частота модуляции /

получается

в два раза больше частоты возбуждающего напряжения, т.е. /

= 2 со

Ультразвуковой модулятор потребляет не более

—2 Вт электричес-

кой мощности, имеет коэффициент пропускания около 70%, работает

на фиксированных частотах. Ультразвуковой модулятор впервые был

предложен в 1934 г. советскими учеными Л.И. Мандельштамом, Н.Д. Па-

пал екси, Г.Е. Ландсбергом. Дифракционный модулятор был использован

в светодальномерах ГД-300 и ГДМ, созданных в ГОИ им. СИ. Вавилова.

Этот дифракционный модулятор состоял из кюветы с прозрачными стен-

ками, заполненной жидкостью, в которой на определенном расстоянии

(кратном Х

/2) помещались пьезопластинка и отражатель или две плас-

тинки из титаната бария (ВаТЮ

). Кювета заполнялась 17-процентным

раствором этилового спирта в воде, что не требовало термостатирования.

Однако дифракционные модуляторы с жидкостным исполнением в со-

временных светодальномерах не применяются.

Описанный выше дифракционный модулятор из кристалла кварца

использован в светодальномере EOS, созданном в ГДР народным пред-

приятием "Карл Цейсе".

В Ереванском политехническом институте им. К. Маркса в высоко-

точном светодальномере был применен ультразвуковой дифракционный

модулятор на кристалле ниобата лития. Он обеспечивал стабильную

модуляцию светового потока на частоте 150 МГц при изменении темпе-

ратуры окружающей среды от —10 до +40 °С.

Модуляция света на основе электрооптического эффекта двойного

лучепреломления. При этом виде модуляции используется сильно выра-

женный эффект двойного лучепреломления, свойственный ряду веществ

при помещении их в электрическое силовое поле. Модуляция обеспечи-

вается пропусканием света через электрооптическую ячейку. Ячейка

состоит из трех элементов: поляризатора, двоякопреломляющего элект-

рооптического элемента и анализатора. При использовании в светодаль-

номерах линейно поляризованного лазерного излучения надобность в

поляризаторе отпадает. Физической основой для модуляции света явля-

ется управляемый электрическим путем фазовый сдвиг

между дву-

мя световыми лучами в электрооптической среде. В электрооптических

модуляторах в качестве двоякопреломляющего элемента используют

вещества, в которых фазовый сдвиг ф

Х)

находится или в квадратичной

зависимости от напряженности электрического поля — квадратичный

элсктрооптический эффект (эффект Керра), или зависимость эта выра-

жается линейным законом - линейный эффект (эффект Покксльса).

До недавнего времени в геодезических светодальномерах особенно ши-

роко использовался модулятор, работающий на квадратичном электро-

оптическом эффекте

—

ячейка Керра.

Ячейка Керра

(рис. 127,5)

составлена тремя элементами: двумя

поляризационными устройствами

J и 5 и

расположенным между ними

конденсатором Керра

Конденсатор Керра

- это

стеклянный сосуд

(кювета)

введенными через

его

стенки металлическими стержнями

—

электродами. Электроды изготовляют

из

никеля

или

ковара. Кювета

заполняется жидкостью, чаще всего нитробензолом, после чего внутрен-

няя полость

ее

герметизируется.

Разность

фаз ф

колебаний

обыкновенном

необыкновенном

лучах пропорциональна квадрату напряженности электрического поля:

ф»

2ттВ1Е

(10.85)

где

В -

электрооптическая постоянная жидкости (нитробензола);

длина пути света

анизотропной среде;

—

U:300d

—

напряжен-

ность электрического поля;

U -

напряжение между электродами;

d -

расстояние между электродами

(для

ячеек Керра геодезических свето-

дальномеров

0,2 <d < 1,5 мм).

Световой поток, излучаемый источником

оптической конденсор-

ной системы

собирается между электродами конденсатора Керра

середина которых совпадает

фокальной плоскостью объектива

передающей оптической системы светодальномера.

конденсатор Керра

световой поток попадает через поляризатор

3, где

превращается

плос-

кополяризованный. После ячейки Керра шюскоиоляризованный све-

товой поток становится эллиптически поляризованным,

колебания

обыкновенного

необыкновенного лучей будут обладать разностью

фаз

. С

помощью анализатора

изменения разности

фаз

преобразу-

ются

изменения интенсивности потока излучения, выходящего

из

ана-

лизатора.

Когда плоскости поляризации поляризатора

анализатора парал-

лельны

(а = 0) или

взаимно перпендикулярны

(а = 90°) и

расположены

под углом

=45°

направлению электрического поля, эллиптическая

поляризация превращается

круговую,

глубина модуляции приобре-

тает наибольшее значение. Углы

а и 0

необходимо выдерживать

с по-

грешностью

не

более

±1°.

Значение светового потока

после ячейки Керра

при 0 = 45 и а =

90°

будет:

BIU

шах

^п

-у- =

тах

sin

(т^г).

(10-86)

где Ф

тах

—

максимальное значение светового потока, прошедшего

ячейку Керра.

Так

как

согласно формуле

(10.86)

зависимость светового потока

от фазового сдвига

нелинейна,

то

необходимо предусматривать

ус-

ловия работы такого модулятора

минимальными нелинейными иска-

жениями.

Так, для

обеспечения наименьших нелинейных искажений

помимо гармонического модулирующего напряжения

амплитудой

20 -

B.C. Плотников

к электродам конденсатора прикладывается постоянное напряжение

смещения и

(поляризующее напряжение).

Оптимальные соотношения между прикладываемыми напряжениями

следующие:

"о %

0,9 < + < 1;

"о

0,55 < —— < 0,7,

(10.87)

где - критическое (полуволновое) напряжение, при котором

= я

и Ф = Ф

тах

. Критическое напряжение для конкретного экземпляра кон-

денсатора Керра определяется экспериментальным путем.

Напряжение смещения и$ должно быть больше, чем модулирующее

напряжение и

. (Обычно и

до

3500

В, и

- до 1500 В.)

Формула

(10.86)

показывает, что при данных геометрических пара-

метрах конденсатора Керра / и d с увеличением электрооптической

постоянной В нужный фазовый сдвиг ф

может быть получен при

меньшем напряжении U

. Из всех известных жидкостей наибольшую

величину электрооптической постоянной имеет нитробензол (C

Это жидкость желто-зеленого цвета, ядовита, летуча, гигроскопична,

на воздухе быстро разлагается, температура кипения 211 °С, температу-

ра затвердевания 5,6 °С. В конденсаторах Керра используется тщательно

очищенный и обезвоженный нитробензол.

При расстоянии между электродами конденсатора Керра 0,7-1 мм

пробивное напряжение достигает 10-15 кВ, в реальных условиях экс-

плуатации рабочее напряжение в 2-3 раза меньше.

Ячейка Керра одинаково хорошо работает на фиксированных часто-

тах и при гшавном изменении частоты. Она надежна, малоинерционна,

имеет небольшие габариты. Практически целесообразная частота моду-

ляции достигает 30 МГц, при коэффициенте нелинейных искажений,

не превышающем

5-10%,

глубина модуляции может достигать 80%.

К недостаткам ячейки Керра относятся: малый коэффициент пропус-

кания

(20-30%);

сравнительно большие значения напряжений UQ

и и

; высокая температура замерзания нитробензола (5,6 °С); суще-

ственное уменьшение электрооптической постоянной при повышении

температуры (при 40 °С она уменьшается примерно в 2 раза по сравне-

нию с ее значением при нормальной температуре 20 °С).

Для модуляции светового потока используется электрооптичес-

кий эффект Покксльса в искусственных прозрачных одноосных

кристаллах. Наибольшее применение нашли кристаллы из группы дигид-

рофосфатов: дигидрофосфат аммония - ADP

(NH

)

и дигидро-

фосфат калия - KDP (КН

Р0

). Кроме того, применяют кристаллы

из ниобата лития и дейтерированный дигидрофосфат (DKDP), выращен-

ный в тяжелой воде с целью уменьшения гигроскопичности кристал-

ла KDP.

Инерционность эффекта Поккельса намного меньше инерционности

эффекта Керра,

поэтому возможна модуляция света

на

частотах вплоть

до

10 ГГц.

При модуляции света возможны различные варианты взаимной ори-

ентации электрического поля, направления света

и его

поляризации.

Но чаще всего электрическое поле направлено вдоль оптической

оси.

Свет через кристалл пропускают

или

вдоль силовых линий этого поля

—

продольный эффект,

или

перпендикулярно

силовым линиям

—

попе-

речный эффект.

Фазовый сдвиг между обыкновенным

необыкновенным лучами

прямо пропорционален напряженности электрического поля:

ф„

= 2тг , (10.88)

эф

•

зоо

где

—

показатель преломления кристалла

для

обыкновенного луча;

ьъ

— электрооптический коэффициент;

U -

напряжение, приложенное

к электродам

обкладкам кристалла;

ф -

эффективная длина несу-

щих световых волн.

На

рис. 127, в

представлена схема кристаллического модулятора

Поккельса.

В отличие

от

ячейки Керра через модулятор проходит почти парал-

лельный пучок (угол расхождения

не

более

1°),

поэтому модулятор

Поккельса лучше,

чем

модулятор Керра, подходит

для

луча лазера

с небольшим диаметром сечения

(0,5—1,0 мм).

Модулятор Поккельса

в СВЧ

диапазоне представляет собой объем-

ный резонатор,

емкостном зазоре которого расположен электроопти-

ческий элемент.

модуляторах Поккельса

на

кристаллах

KDP для вы-

сокоточных светодальномеров достигнута добротность

—

900— 1000,

при этом имеется возможность широкодиапазонной перестройки резо-

нансной частоты.

Для повышения линейности вводят напряжение смещения

0,5 и

Однако

при

изменении температуры рабочая точка характерис-

тики смещается

середины прямолинейного участка.

Лучшим решением, использованным, например,

геодиметре АГА-8,

является применение вместо напряжения смещения

на

пути лучей чет-

вертьволновой двоякопреломляющей пластинки

(см. рис. 127, в) из

слюды.

Существенным недостатком модулятора Поккельса

на

кристаллах

из группы дигидрофосфатов является

то, что для них

величина полу-

волнового напряжения

является очень большой.

Так,

например,

для

длины световой волны

0,547

мкм

полуволновое напряжение крис-

талла

ADP

равно

8,6 кВ, a KDP - 7,5 кВ.

Поскольку амплитуда пере-

менного модулирующего напряжения должна быть несколько меньше,

но порядка

0,5 U

, при

частоте модуляции

несколько десятков

МГц

(в АГА-8

^ 30

МГц) получение переменного напряжения такой боль-

шой амплитуды является достаточно сложной задачей.

скан

страницы

отсутствует

скан

страницы

отсутствует