Анализ принципиальных схем оптических систем одноканальных лазерных указок(олу)
Под лазерной указкой понимают устройство, испускающее когерентную электромагнитную лучистую энергию в оптическом диапазоне спектра излучения.
Подобные указки являются уникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях оптического квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это означает, что все колебания в различных частях лазерного излучения происходят согласованно.
Лазерная указка — это портативное устройство, которое генерирует узконаправленный луч лазера в видимом световом диапазоне (диапазон с длиной волны от 0,38 мкм до 0,78 мкм). В большинстве случаев изготавливается на основе лазерного светодиода, который излучает в диапазоне 0,473 — 0,650 мкм. Излучение светодиода фокусируется в линию за счет двояковыпуклой линзы. Из-за того, что диод излучает не направлено, большая часть излучения падает на внутренние стенки корпуса и поглощается. В связи с этим КПД лазерной указки низкий. Однако при качественной фокусировке луча (которую можно произвести самостоятельно, подкручивая прижимную гайку линзы), лазерную указку можно использовать для проведения опытов с лазерным лучом (к примеру, для изучения интерференции)
Лазерные указки, имеют специфические характеристики и параметры. Вследствие этого к оптическим системам, передающим и преобразующим лазерное излучение, предъявляются особенные требования. При формировании технического задания на разработку таких систем не могут не учитывать свойства излучения лазеров.
Лазерные указки являются монохроматическими источниками излучения. В большинстве задач расчёт ведётся на одну основную длину волны излучения.
Многие указки генерируют излучение большой мощности. Высокая плотность потока излучения может привести к нагреву элементов конструкции оптической системы и к так называемому «пробою линз».
Поэтому уже на этапе выбора принципиальной оптической схемы необходимо исключать варианты с промежуточным действительным изображением.
Структура лазерного пучка такова, что после выходного торца имеется область перетяжки, в которой поперечный размер пучка DП минимален. Потом
пучок начинает расходиться.
Основными параметрами таких указок являются угол расходимости пучка 2ϕ и размер перетяжки DП показанные на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1. Структура лазерного пучка.
Где:
1 – выходной торец лазера,
2 – лазерный пучок.
Лазерные указки испускают достаточно узкий пучок лучей. Во многих практических приложениях нужно иметь пучок в несколько раз большего поперечного размера. При этом желательно уменьшить расходимость пучка. Похожее преобразование пучка выполняет телескопическая система, представленная на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3. Преобразование светового пучка телескопической системой.
Все лазерные указки состоят из трех основных конструкционных блоков:
Рис.1.2. Принципиальная схема лазерной указки.
1, 2-резонансная полость; 3-активная среда; 4-источник энергии.
1, 2 - Резонансная полость (оптический резонатор) с емкостным устройством - как правило два зеркала. Оптические резонаторы бывают с плоскими зеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и др. Резонатор представляет собой пару зеркал, которые размещаются параллельно друг другу. Между этими зеркалами помещается активная среда.
Первое из зеркал отражает весь падающий на него свет (“глухое зеркало", обычно используется призма полного внутреннего отражения).
Второе зеркало полупрозрачное (применяется стопа стеклянных пластин), оно возвращает часть излучения в среду для осуществления вынужденного излучения, часть излучения возвращает в среду, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. Резонатор можно настраивать таким образом, что лазер начнет генерировать излучение только одного, строго определенного типа. Настройка реализовывается путем подбора расстояния между зеркалами.
3 - Активная (рабочая) среда - это вещество, в котором зарождается излучение (кристаллы рубина, стекло с примесью неодима и другие материалы), - имеет форму цилиндра или стержня. Активная среда определяет возможную длину волн эмиссии. Она может быть: твердой - кристаллы рубина, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы; жидкой - растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах; газообразной - смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках.
Полупроводниковые материалы, холодная плазма и продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типа активной среды лазеры именуются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях и т.п.
Рис 1.3.
Активная среда "сконструирована" таким образом, что ее атомы обладают как минимум тремя энергетическими уровнями (Рис1.3). В нормальном состоянии они все находятся на самом низком энергетическом уровне с наименьшей энергией Е0. Когда лампа загорается, энергия ее света поглощается атомами и перемещает их из низшего энергетического состояния на более высокий уровень Е2, откуда они немедленно опускаются на уровень Е1. На этом - возбужденном - уровне атомы могут находиться довольно долго. Присутствие такого уровня (он называется метастабильным) - необходимое условие получения лазерного импульса. С этого уровня атом возвращается в конечное состояние, излучая фотон. Причем каждый фотон, пролетая мимо возбужденного атома, заставляет его излучать тоже. Отражаясь в зеркалах резонатора, фотоны многократно проходят активную среду (добротность резонатора чрезвычайно велика: его зеркала поглощают только один фотон из миллиона) и вырываются наружу через полупрозрачное зеркало в виде светового импульса.
4 - Источник энергии (накачки). Например, электрический ток, импульсная лампа или химическая реакция.
Одноканальная лазерная указка состоит из корпуса с лазером, соединенным через электронный прерыватель тока и выключателя с питанием. Лазерная указка работает в мерцающем режиме с частотой 1-20 проблесков в сек., либо в постоянном режиме. Проблесковый режим работы уменьшает напряжение зрительной и нервной систем, облегчает прослеживание за указующим световым пятном, воспринимаемым каждое как новое пятно. Отчего утомление уменьшается. Совмещение направлений светового луча и указки также облегчает поиск и наблюдение за указующим пятном.
В основу лазерных указок положено явление индуцированного излучения, существование которого было прогнозировано Эйнштейном в 1917 году. По его прогнозу, наряду с процессами обычного излучения и резонансного поглощения существует третий процесс - вынужденное (индуцированное) излучение. Свет резонансной частоты, то есть той частоты, которую атомы способны поглощать, переключаясь на высшие энергетические уровни, должен вызывать свечение атомов, уже находящихся на этих уровнях, если такие имеются в среде. Характерная особенность этого излучения заключается в том, что испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, то есть сходится с последним по частоте, по фазе, поляризации и направлению распространения. Это значит, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты света, какие уводит из него резонансное поглощение.
Рис.1.4. Явление индуцированного излучения.
где hν - величина, соответствующая количеству потраченной энергии,
E2 - энергия высшего энергетического уровня,
E1 - энергия низшего энергетического уровня.
Атомы активной среды могут поглощать свет, находясь на нижнем энергетическом уровне, а излучают же они на верхних уровнях. Отсюда можно сделать вывод, что при большом количестве атомов на нижних уровнях, свет, проходя через среду, будет ослабляться. Напротив, если число атомов на верхних уровнях больше числа невозбужденных, то свет, пройдя через данную среду, усилится.
Это значит, что в данной среде преобладает индуцированное излучение. Пространство между зеркалами заполнено активной средой, то есть средой, содержащей большее количество возбужденных атомов (атомов, находящихся на верхних энергетических уровнях), чем невозбужденных. Среда усиливает проходящий через неё свет за счет индуцированного излучения, начало которому даёт спонтанное излучение одного из атомов.
Лазерное излучение – это и есть свечение объектов при нормальных температурах. Но в обычных условиях большинство атомов находятся на низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощенной энергии волны некоторая часть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что на этапе выбора принципиальной оптической схемы одноканальных лазерных указок(ОЛУ) необходимо исключать варианты с промежуточным действительным изображением. Основными параметрами таких указок являются угол расходимости пучка и размер перетяжки. И в основу одноканальных лазерных указок положено явление индуцированного излучения.