Величко В.А., Мовчан С.Ф., Дементьев В.Е. и др. Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве

Подождите немного. Документ загружается.

При индуцированном излучении происходят малые флуктуации

частоты на величину Av. Промежуток времени, в течение которого

не происходит изменения Av, измеряется величиной A/=1/Av, на-

зываемой временем когерентности. Чем больше величина At, тем

строже выполняются фазовые соотношения между частями волны,

излучаемыми в разные моменты времени.

Пространственно когерентными источниками считаются такие,

которые излучают колебания с одинаковыми фазами или с постоян-

ной разностью фаз. Если по всему сечению активной среды все ато-

мы излучают в одной фазе, то

фронт суммарной волны будет

бесконечно близок к фронту плос-

кой волны. Постоянство кривиз-

ны фронта волны во времени и

пространстве определяется коге-

рентностью излучения.

В идеальном случае излучение

лазера представляет собой плос-

кую или сферическую волну с

большим радиусом кривизны, для

которой распределение интенсив-

ности подчиняется закону Гаусса

(рис. 1.17). При гауссовом рас-

пределении интенсивности мощность излучения в основном скон-

центрирована вблизи оси распространения, т. е. в центре пучка ла-

зерного излучения наблюдается максимум интенсивности, которая

спадает к краям по экспоненциальному закону

где I — интенсивность излучения на расстоянии г от оси распрост-

ранения пучка; /

—интенсивность излучения на оси распростране-

ния пучка; w — поперечное сечение пучка или расстояние от оси

пучка, на котором интенсивность I в е раз меньше по сравнению с

интенсивностью /

на оси пучка.

При гауссовом распределении интенсивность /о является основ-

ной модой ТЕМоо-

Распределение интенсивности в пучке лазерного излучения мо-

жет отличаться от гауссового и зависит от конфигурации и вида

симметрии сечения резонатора.

При работе лазера в многомодовом режиме картина излучения

лазера может изменяться в зависимости от расстояния до него, так

как между модами имеется сдвиг по фазе, зависящий от расстоя-

ния. Генерация на основной моде — необходимое условие получе-

ния высокой степени пространственной и временной когерентности

и, как следствие, минимально возможной угловой расходимости

пучка лазерного излучения, которая определяется только дифрак-

ционными явлениями. Ширина спектра излучения зависит от числа

возбуждения мод; минимальная ширина спектра получается при

генерации на одной аксиальной моде ТЕМ

о.

Рис. 1.17. Распределение интенсивно-

сти в пучке ОКГ, генерирующего на

основной моде ТЕМ

Одномодовый режим генерации лазера можно получить различ-

ными способами, например, настройкой резонатора, изменением

размеров зеркал, мощности накачки. Величина угловой расходимо-

сти зависит от количества типов колебаний, образующихся в резо-

наторе: в одномодовом режиме она минимальная, в многомодо-

вом — максимальная. Газовые лазеры имеют расходимость 5—10',

твердотельные — несколько десятков минут и полупроводниковые

15—20°.

Мощность оптического излучения определяется энергией, излу-

чаемой в единицу времени. Выходная мощность газовых лазеров

как правило меньше мощности твердотельных, вследствие относи-

тельно невысокой плотности возбужденных частиц газа.

Одна из особенностей лазерного излучения — невозможность по-

лучения высокой степени монохроматичности и направленности при

большой мощности. Увеличение мощности вызывает расширение по-

лосы частот, что уменьшает степень монохроматичности и когерент-

ности. В ряде случаев даже при малой мощности излучения можно

получить очень высокую спектральную плотность мощности, если

излучение занимает узкий спектральный диапазон. Спектральная

поверхностная плотность потока излучения лазеров может на не-

сколько порядков превосходить спектральную поверхностную плот-

ность потока излучения Солнца, равную 7-10

Вт/см

. Хотя это и

очень большая величина, но вся энергия распределяется в широком

спектральном диапазоне (видимый участок спектра равен

3,5-10

МГц). Такую же плотность потока излучения можно полу-

чить для газового лазера с длиной волны Х=0,63 мкм при мощно-

сти излучения около 2 мВт. В настоящее время для лазеров полу-

чена плотность потока излучения около 10

Вт/см

, что в миллиард

раз больше солнечной.

По виду активного вещества лазеры принято делить на четыре

группы: твердотельные, газовые, полупроводниковые (инжекцион-

ные) и жидкостные. Для технических целей в инженерной геодезии

пока перспективны первые три типа лазеров.

Лазер твердотельный. Первым лазером был рубиновый;

он создан в 1960 г. Рубин представляет собой драгоценный мине-

рал — кристалл корунда (окись алюминия А1

) с небольшой

(0,05%) примесью хрома. Красный цвет рубина объясняется тем,

что при его освещении естественным светом часть атомов хрома воз-

буждается, а затем спонтанно переходит с высоких энергетических

уровней на нижние, излучая при этом красный цвет.

Рубиновый лазер (рис. 1.18, а) состоит из активного вещества

(кристалла рубина), генератора накачки и объемного оптического

резонатора. Активное вещество (рубин) выполнено в виде цилин-

дрического стержня диаметром около 1 см и длиной 7—10 см. Тор-

цевидные грани стержня отполированы и покрыты пленкой сереб-

ра, образующей отражающий слой объемного резонатора. Длина

L резонатора должна быть «настроена» на длину волны X генери-

руемого света, т. е. отношение 2ЦХ=п должно быть целым числом.

Одна из торцовых граней сделана полупрозрачной; через нее выхо-

дит луч света. В качестве генератора накачки используется газо-

разрядная неоно-криптоновая лампа, дающая зеленое свечение.

В рубиновом лазере используют три энергетических уровня

(рис. 1.18, б). При освещении кристалла рубина зеленым светом

атомы (ионы) хрома возбуждаются и переходят с уровня Е

{

на уро-

вень £3, поглощая энергию зеленой части спектра. Через Ю

-7

с ато-

мы хрома переходят с уровня Е

на метастабильный уровень Е

время жизни атомов на котором около 10~

с. При мощной лампе

накачки за это время удается перевести на уровень Е

более поло-

Рис. 1.18. Схема рубинового лазера (а) и его энер-

гетические уровни (б):

1 — непрозрачное зеркало; 2 — кристалл рубина; 3 — гене-

ратор накачки; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — инду-

цированный свет

вины атомов хрома, что является необходимым условием усиления

света. Если после этого ввести в кристалл слабый луч красного

света в качестве «спускового сигнала», частота которого соответ-

ствует частоте перехода энергии с уровня Е

на уровень Е

то, про-

ходя через кристалл, луч будет переводить атомы (ионы) с мета-

стабильного уровня Е

на нижний уровень Е\. При этом энергия

введенного красного луча усилится за счет излучения атомов хрома.

Чтобы превратить усилитель в генератор, необходимо часть уси-

ленного сигнала подать на вход усилителя вместо «пускового» лу«

ча, т. е. осуществить положительную обратную связь. Это обеспе-

чивается, как уже указывалось, наличием зеркал оптического резо-

натора. Энергия света в резонаторе лавинообразно нарастает и в

какой-то момент выходит из полупрозрачного зеркала в виде осле-

пительной вспышки с плотностью энергии в луче в 10

раз больше

солнечной.

Рубиновый лазер излучает импульсы света на длине волны

0,6943 мкм. Длительность импульсов около 10~

с. Энергия импуль-

са в лазерах разных конструкций составляет от единиц до 10

Дж.

Из-за сильного нагревания рубиновый лазер может работать толь-

ко в импульсном режиме.

На основе рубинового лазера создано довольно много конструк-

ций импульсных светодальномеров для измерения расстояний с точ-

ностью 5—10 м при дальности до 10 км без установки на определя-

емой точке специального отражателя и при условии, что отражаю-

щая способность объекта не менее 10%. Такие дальномеры приме-

няют главным образом в военном деле. Была попытка применения

рубинового лазерного дальномера для топографических целей при

съемке местности взамен измерения расстояния по рейке. Большая

масса (около 20 кг) и энергоемкость (батарея аккумуляторов обес-

печивает измерение 100 линий) не создают пока благоприятных ус-

ловий для его применения. Рубиновый лазерный дальномер был ус-

пешно применен для оптической локации Луны и советского Луно-

хода-1, на борту которого установлен французский трипельпризмен-

ный отражатель.

Лазер газовый. В газовых лазерах активная среда находит-

ся в газо- или парообразном состоянии. Из-за малой связи между

атомами энергетический спектр газов отличается частотой генера-

ции, соответствующей энергетическим уровням отдельных атомов

и молекул. Другая особенность газов — их высокая оптическая од-

нородность и малая плотность, что уменьшает рассеивание света и

его рефракцию при прохождении активной среды. Это позволяет

применить значительные по продольному габариту оптические резо-

наторы и, как следствие, получить высокую направленность и моно-

хроматичность излучения.

К числу недостатков газовых лазеров относится их малая (по

сравнению с твердотельными) мощность и низкий коэффициент по-

лезного действия, что обусловлено малой плотностью вещества и

значительно меньшим количеством возбужденных атомов, излуча-

ющих свет.

Особенность активной газовой среды — многообразие физиче-

ских процессов, приводящих к инверсии населенностей. Такими про-

цессами являются неупругие соударения атомов 1-го и 2-го рода,

диссоциация молекул при соударениях их в электрическом поле,

возбуждение атомов электронным ударом и светом и т. д. В подав-

ляющем числе случаев инверсия населенностей в газовых лазерах

достигается в процессе электрического разряда, поэтому такие ла-

зеры называют газоразрядными.

Среди газоразрядных лазеров для целей инженерной геодезии

наибольшее применение находит гелий-неоновый лазер. В таком ла-

зере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона (Ne).

В электрическом разряде часть атомов неона переходит с основно-

го уровня Е\ на возбужденные Е

и Е

(рис. 1.19). Инверсии насе-

ленностей в чистом ионе мешает метастабильный уровень Е

. Эта

трудность преодолевается введением в неон примеси гелия (Не), у

которого энергия возбуждения уровней Е

и Е

совпадает с уровня-

ми £

и Е

неона. В этом случае возбужденные атомы гелия, нахо-

дящиеся на уровнях Е

И E

сталкиваясь с невозбужденными ато-

мами неона, находящимися на уровне Е

отдают им свою энергию,

и часть атомов неона дополнительно переходит на уровни Е^иЕ

Таким образом, здесь осуществляется резонансная передача воз-

буждения и создается дополнительная населенность верхних уров-

ней неона.

Если правильно подобрать процентный состав смеси гелий-неон,

то можно добиться того, что населенность уровней Е

и Е

неона

будет значительно превышать населенность этих уровней в чистом

неоне, и создать таким образом инверсию населенностей, необхо-

димую для процесса генерации света. Опустошение нижнего уров-

ня £3 неона, необходимое для условия генерации, происходит под

влиянием соударений атомов со стенками газоразрядной трубки.

Соударения со стенками опустошают и метастабильный уровень

. ДЛЯ ТОГО чтобы соударения со стенками газоразрядной трубки

Передача возбуждения при

столкновениях

атомов Не и Ne

•ЛАЛАу—

0,63мкм

1,15 мкм

Гелий

(Не)

Неон

(Ne)

Рис. 1.19. Энергетические уровни гелий-неонового

лазера

эффективно опустошали уровень £

, газовая смесь гелий-неон бе-

рется в пропорции 5: 1 при общем давлении около 1,5- Ю

Па и диа-

метре трубки около 7 мм.

Рабочие уровни неона £5, Е* и £3 представляют собой спектр

тесно расположенных подуровней (рис. 1.19). Поэтому частотный

спектр гелий-неонового лазера может содержать до 30—40 спект-

ральных линий в диапазоне видимого и инфракрасного излучения.

Длина гелий-неоновых лазеров колеблется от 0,17 до 1 м, что

позволяет получать высокую направленность лазерного излучения.

Расходимость пучка (мин)

6^3438)/X/Z,

где

— длина волны излучения, мкм; L — длина оптического резо-

натора, мм.

Например, при L = 300 мм и Х=0,63 мкм

б=34381/0,63/(3-10

) = 5'.

Гелий-неоновые лазеры излучают в красной области видимого

спектра (Х=0,6328 мкм). Большинство лазеров, применяемых для

геодезических работ в СССР и за рубежом, генерирует именно в

этой области. Коэффициент полезного действия лазеров невысок —

около 0,1—0,01%, а выходная мощность лежит в пределах

0,1

—

0,001 Вт.

Общий вид лазера ОКГ-13 и его разрез показаны на рис.

1.20, а, б. Он состоит из газоразрядной трубки 5 (рис. 1.20) и опти-

ческого резонатора, состоящего из двух сферических зеркал /, при-

жатых к инварному корпусу 6.

Газоразрядная трубка представляет собой герметическую стек-

лянную или кварцевую трубку диаметром около 7 мм, наполненную

смесью газов. Активная среда возбуждается посредством электро-

Рис. 1.20. Лазер ОКГ-13 без блока питания (а) и его схематический раз-

рез (б):

/ — сферические полупрозрачные зеркала; 2 — окна Брюстера; 3 — винты для на-

стройки оптического резонатора; 4 — посадочные кольцевые пояски; 5 — газоразряд-

ная трубка; 6 — инварный корпус; 7 — кабель питания; А — анод; К — катод

статического поля, создаваемого подогреваемым катодом К и ано-

дом А трубки. На концах трубки имеются сферические уширения с

прозрачными окнами 2, установленными под углом Брюстера а, что

обусловливает уменьшение потерь на отражение. При этом генери-

руемый лазером свет становится плоскополяризованным, что весь-

ма ценно при применении лазеров в светодальномерах с модулято-

рами, основанными на двойном лучепреломлении.

Настройка лазера осуществляется наклоном трубки внутри кор-

пуса 6 с помощью винтов 3. Кольцевые пояски 4 служат опорой

при сопряжении лазера с уровнем или креплении лазера в лагерах.

Как правило, при заводской настройке лазера стремятся устано-

вить параллельными образующую кольцевых поясков 4 с осью ге-

нерируемого луча с точностью до нескольких угловых минут.

В табл. 1.1 приведены некоторые параметры гелий-неоновых ла-

зеров, выпускаемых отечественной промышленностью. Срок службы

газовых лазеров в значительной степени зависит от устройства ка-

тода. К настоящему времени имеются лазеры с «холодным» като-

2—623 33

Таблица

1.1

Тип

лазера

Модовый состав

излучения

Длина

волны

излучения,

мкм

Мощность

излучения,

мВт

Расходимость,

у гл. мин

Диаметр пуч-

ка,

мм

Рабочая

тем-

пература, °С

Время

готов-

ности,

мин

Средний

ре-

сурс,

Сохраняе-

мость, мес.

Габариты излучателя,

мм

(в

со

Цена, руб.

ЛГ-16

Одномодовый

0,63

—55-г-+70

500

380X88X88

3,3

ЛГ-18

Многомодовый

0,63

—

-30ч- +50

—

500

250X100X79

2 —

ЛГ-28

0,63

2 6

—

—50

ч-+50

—

100

300X30X50

—

ЛГ-31

Одномодовый

0,44

—

500

2000X300X290

2800

ЛГ-34

0,63

0,5

1,2

-60ч- +85

1000 12

400X122X88

3,6

—

ЛГ-36

0,63 20

— — — — — — —

ЛГ-36

Многомодовый

0,63

—

—50-Н+70

750

—

1530X270X290

50 —

ЛГ-36А

Одномодовый

0,63

1,7

— — — — — — —

ЛГ-36

Многомодовый

0,63

0-7-+50

500

—

1880X270X290

—

ЛГ-38

Одномодовый

0,63

0-т-+40

2000

2005X290X300

2530

ЛГ-44

0,63

—

3000

100X570

900

ЛГ-55

Многомодовый

0,63

2 15

— —

0,25

500

—

,—

— —

ЛГ-56

Одномодовый

0,63

—

1,7

— — —

ЛГ-56

Многомодовый

0,63

2 3

—30-Т-+50

7500

58X355

550

ЛГ-63

Одномодовый

0,44

3 3

—

500

500X110X30

4 1900

ЛГ-70

0,44

1,4

0,8

—

750

1000X283X230

5000

ЛГ-75-1

Многомодовый

0,63

—10-7-+40

5000

0103X114X1080

1065

ЛГ-77

Одномодовый

0,63

0,25 0,9

0,5

15-Т-+25

4000

313X125X133

2300

ЛГ-78

Многомодовый

0,63

2 5

—25-Н+40

0,5

5000

33X330

X 48

0,7 500

ЛГ-106

Многомодовый

0,48

1000

—

+5-7-+35

—

1075X280X290

—

ЛГ-126

Одномодовый

0,63;

1,15;

—40-Т-+70

2000

1155X146X132

14,5

1800

ЛГ-149 Многомодовый

О ,Ог7

0,63

15-7-+35

500

—

820X292X180

—

ЛГ-159

0,63

— — —

300

1945X290X270

75 —

ЛГ-209

0,63

2 10

— — —

600

435X90X195

4,5

—

ОКГ-11

0,63

—

_20—+40

—

1000 2

345X500X545

—

ОКГ-12

0,63

12X45

—

—40-S-+50

0,16

500

1150X120X120

—

ОКГ-12-1

0,63

15 20

—

—40-5-+50

0,16

500

1150X120X120

—

ОКГ-13

0,63

0,5

-^30-f-+40

0,16

1000

261X46,5X55

1,5

дом, срок службы которых возрастает в несколько раз, достигая

десятка тысяч часов непрерывной работы.

Рабочая смесь газовых лазеров-в основном возбуждается в про-

цессе электрического разряда.

Малогабаритный блок питания представляет собой усилитель

мощности с широтно-импульсной модуляцией и автономным зада-

ющим генератором. В результате излучение модулируется частотой

17—20 кГц. Наиболее часто в геодезических приборах используют

гелий-неоновые лазеры

ОКГ-13 и ЛГ-78. Они пи-

таются от малогабарит-

ных блоков массой не бо-

лее 1 кг, а в качестве ис-

точников питания служат

аккумуляторы напряже-

нием 12 В.

Лазеры полупро-

водниковые. Эти ла-

зеры были созданы срав-

нительно недавно, когда

газовые и рубиновые ла-

зеры уже успешно рабо-

тали, хотя «лазерные свойства» полупроводников известны давно.

Такое запоздание связано с технологическими трудностями изго-

товления нужных полупроводниковых материалов.

Основные достоинства полупроводниковых лазеров — миниатюр-

ность и простота «накачки» (возбуждения), осуществляемая про-

пусканием электрического тока через полупроводник, а также вы-

сокий КПД. Считается, что можно достичь КПД почти 100%.

В действующих лазерах в самых благоприятных условиях КПД сос-

тавляет около 50%. Излучение полупроводниковых лазеров хоро-

шо модулируется на высоких частотах изменением величины тока

возбуждения.

Первый полупроводниковый лазер был разработан на основе

арсенида галлия (GaAs). Небольшое количество примесей, напри-

мер цинка, в арсениде галлия приводит к образованию р~ и п-об-

ластей. Эти примеси, добавленные в различные части полупровод-

ника, образуют области проводимости, одна из которых является

электронной (/7-областью), а другая — дырочной проводимостью

(р-областью). Часть кристалла между р- и n-областями называют

р-н-переходом. Электрическое поле, приложенное к полупроводни-

ку, вызывает движение электронов и дырок навстречу друг другу,

при этом происходит рекомбинация пары электрон—дырка, сопро-

вождающаяся излучением фотона.

Для получения индуцированного излучения необходимо создать

на р-м-переходе очень большую плотность тока, порядка несколь-

ких тысяч ампер на квадратный сантиметр. С повышением плотно-

сти тока накачки увеличивается интенсивность выходного сигнала.

Для получения генерации необходима обратная связь, т. е. р-/г-пе-

Рис. 1.21. Схема конструкции полупроводнико-

вого лазера (а) и спектр излучения (б):

1 — /i-область; 2 — р-л-переход; 3 — р-область; 4 —

контакты; 5 — излучение

реход нужно поместить в оптическии резонатор, роль которого в

данном случае выполняют зеркально отполированные грани полу-

проводникового кристалла. Размеры кристалла не превышают

1X1X1 мм.

Имеется ряд полупроводниковых материалов, на которых изго-

товляются лазеры. Лучшие результаты получены на лазерном р-п-

переходе в арсениде галлия; на этом переходе можно получить из-

лучение мощностью до 10 Вт при температуре жидкого азота при-

мерно —77° С с рабочего тела очень малых размеров. Толщина

р-я-перехода около 2 мкм; длина излучающей части не более 1 мм;

направленность излучения несколько градусов. При комнатной

температуре мощность излучения составляет десятые или сотые

доли ватта. На рис. 1.21 схематично показана конструкция полупро-

водникового лазера на основе арсенида галлия и спектр его излуче-

ния (зависимость мощности излучения Ф от длины волны Л).

Полупроводниковые лазеры применяют в светодальномерах с

небольшой дальностью действия, в том числе и в светодальноме-

рах, предназначенных для инженерно-геодезических целей.

Глава II

ПРИБОРЫ ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ

ИЗМЕРЕНИИ

§ II I МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕРНЫЕ ПРИБОРЫ

Приборы для измерения длин линий, применяемые в настоя-

щее время в инженерной геодезии, можно условно разделить на

две большие группы (рис. II.1): механические и физико-оптиче-

ские.

Механические мерные приборы представляют собой линейные

меры различной длины, изготавливаемые чаще всего из металла

в виде лент, рулеток, проволок и т. п., служащие для непосред-

ственного измерения длины линии путем последовательного отло-

жения длины мерного прибора в створе измеряемой линии. Ре-

зультат измерений получают суммированием количества отложе-

ний в принятых единицах измерений.

Измерения производят либо по поверхности земли, либо под-

вешивая мерный прибор на небольшой высоте (1—1,5 м) на спе-

циальных штативах. В обоих случаях вместо прямой — кратчай-

шего расстояния между конечными точками линии — измеряют

некоторую ломаную линию. Поэтому для получения горизонталь-

ного проложения измеряют углы наклона линии или отдельных ее

частей.

Ленты землемерные (ГОСТ 10815—64). Отечественная

промышленность выпускает землемерные ленты двух типов: JI3 —

лента землемерная и ЛЗШ — лента землемерная штриховая. Их

номинальная длина может быть 20, 24 и 50 м.

Рулетки измерительные металлические (ГОСТ

7502—69). Для измерений в строительстве наиболее удобны сталь-

ные рулетки типов: PC—рулетка самосвертывающаяся, РЖ —

рулетка желобчатая, РЗ — рулетка в закрытом корпусе, РК — ру-

летка на крестовине, РВ — рулетка на вилке и РЛ — рулетка с

грузом.

В зависимости от положения начала шкалы на измерительной

ленте рулетки ГОСТ предусматривает выпуск рулеток в двух

исполнениях: А — начало шкалы сдвинуто от торца измерительной

ленты; Б — начало шкалы совпадает с торцом измерительной

ленты.