Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

391

оптико-электронной системой, в которой операции по анализу изображений будут осуществляться оптическими методами, а алгоритмическая обработка — цифровыми. Сущность метода контроля качества печатных плат состоит) в сравнении рисунка печатного монтажа до и после температурных воздействий. С этой целью на рисунок печатного монтажа платы в нормальных условиях изготавливают ГСФ и измеряют интенсивность корреляционного пятна на выходе согласованного фильтра.

Затем плату последовательно нагревают и охлаждают до температур, оговариваемых в технических условиях, и при нормальной температуре опять устанавливают в схему согласованной фильтрации. Из-за неодинаковых температурных коэффициентов расширения печатных

проводников и материала платы возникают остаточные деформации,

Рис.5.15. Схема получения ГСФ (а) и схема измерений (б).

1 – лазер, 2 – полупрозрачные зеркала, 4 – испытуемая плата, 5

– линза, 6 – фотопластинка, 7 – плата после температурного воздействия, 8 – фурье-голограмма, 9 – ФЭУ.

которые изменяют положение печатных проводников на плате. В результате смещения проводников интенсивность корреляционного пятна будет изменяться в зависимости от величины смещения (деформации). Измеряя интенсивность корреляционного пятна до и после температурных воздействий, можно оценить величину возникших при этом остаточных деформаций и осуществить технологический контроль качества печатных плат. На рис. 16.15 представлена схема получения ГСФ непосредственно с поверхности платы, т. е. в отраженном свете, а не в проходящем, как это обычно делается, и

392

ки интерферограмм — является интегральным методом и легко поддается автоматизации.

Достоинством оптических методов измерений является простота, легкость измерений и автоматизации, что весьма существенно при внедрении этих методов в промышленность. Обеспечиваемая при этом точность вполне достаточна для практики. Оптические методы измерений и контроля особенно эффективны, когда необходимо дать интегральную оценку качества или нельзя использовать контактные методы измерений.

16.2 5. Распознавание образов

С помощью СГФ можно осуществлять распознавание образов для различных конкретных применений [45-48]. Так, например, если изготовить транспарант с буквой Т и записать Его Фурье-образ в виде голограммы по оптической схеме, изображённой на рис. 16.14. После этого поместить в плоскость R транспарант с набором разных фигур, включая и букву Т. То при освещении когерентным пупком лазера в боковых изображениях должны появиться точки, в местах обнаружения буквы Т.

Рассмотрим этот случай, т.е. что произойдет, если анализируемый сигнал сместить в другую точку в плоскости изображений. Такое смещение можно описать сигналом вида

S (x1 ) = S1 (x + x1 )

Его Фурье -образ равен

S1 (w) = ∫ S(x1 + x) × e - j×w×x o dx = S(w) × e j×w×x1

и отличается от Фурье-образа S(a) исходного, несмещенного сигнала множителем exp(jω x1) который, приводит только к дополнительному наклону каждого из боковых пучков.

В результате фильтрации на выходе оптической системы получается сигнал

Поворот оси распространения сигнала в плоскости Фурье-координат вызывает смещение точки, вокруг которой располагается отфильтрованный сигнал. Таким

При повороте объекта в плоскости изображений на угол ϕ1 сигнал автокорреля-

ции, например, прямоугольника» монотонно уменьшается и в минимуме равен (где a и b - ширина и высота прямоугольника), т.е. уменьшается в a/b раза по сравнению с исходным сигналом.

Если изменить масштаб сигнала S(x) , т.е. взять увеличений) в при одной и той же полной интенсивности:

приводит также к ослаблению сигнала.

Устройства, в которых используются пространственные фильтры, называются оптическими корреляторами. Такие корреляторы позволяют производить распознавание образов, т.е. идентифицировать объекты.

Рассмотренные системы оптической обработки информации являются основой сверхбыстродействующих когерентно – оптических вычислительных машин. Такие машины удобно использовать для параллельной обработки информации, поскольку световой поток, переносящий информацию, имеет двумерную структуру.

ГЛАВА 17.

РАЗЛИЧНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ КВАНТОВЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

В настоящее время оптико - электронные квантовые приборы (ОЭКП) широко применяются в различных областях науки и техники, таких как физика, химия, биология, электроника, медицина и бытовая радиоаппаратура. Такое широкое распространение ОЭКП получили благодаря особым свойствам лазерного излучения: высокой монохроматичности, малой расходимости, возможности формирования сверхкоротких импульсов. Прежде всего следует отметить широкие перспективы применения ОЭКП в различных информационных системах: системы локации, связи, навигации, дальнометрии, высотомеры и т.п. Особенностью оптических информационных систем являются их широкополосность и, следовательно, возможность передачи больших объемов информации в короткий промежуток времени. Рабочая полоса канала передачи информации может быть увеличена по сравнению с самой широкополосной системой радиодиапазона в 105 – 10 6 раз, что делает принципиально возможными создание многоканальных систем, использующих излучение одного лазера, без опасности возникновения при этом взаимных помех.

Благодаря возможности получения направленности излучения, близкой к дифракционному пределу θд (θд=1,22λ/D, где D – диаметр сечения лазерного пучка), мощность излучения, необходимая для передачи одинаковых объемов информации, в оптическом диапазоне во много раз меньше, чем в радиодиапазоне. Малая расходимость излучения лазера позволяет направлять всю энергию излучения в строго заданных направлениях, обеспечивает пространственную скрытность и высокую помехозащищенность систем передачи информации, делает принципиально возможным значительное снижение массо-геометрических параметров прямо передающих устройств. Использование ОЭКП для локации и навигации, за счет отмеченных свойств, значительно повышает точность определения координат объектов по сравнению с локационными системами радиодиапазона.

394

17.1. Применение твердотельных лазеров

Технология. Одним из достоинств лазера является его высокая интенсивность излучения, как отмечалось выше. Лазеры, излучающие короткие импульсы (в режиме синхронизации мод или модуляции добротности), позволяют достигать за время длительностью 10-8÷10-11 с, мощности, составляющие 108÷1010 Вт. Такой мощности вполне достаточно для мгновенного нагрева или испарения многих веществ. Благодаря этому лазеры широко используются для резки, сварки, сверления и другой обработки материалов. Для этих целей из твердотельных лазеров используются рубиновые лазеры и лазеры на стекле с неодимом. Плотность мощности лазерного излучения увеличивают с помощью оптических систем, за счет фокусировки света. Лазерный луч не является строго направленным, а обладает конечной угловой расходимостью θ, которая обычно составляет n(1÷10) угловых минут. Поэтому в фокальной плоскости линзы получаем не точку, а пятно с радиусом r (см. рис. 3.40) равным

r = f θ , 2

где f – фокусное расстояние линзы.

Минимальная площадь поперечного сечения лазерного луча равна при этом

S = π f 2θ 2

4

Тогда, зная энергию Er, излучаемую лазером за время действия импульса генерации τ, плотность мощности в пределах фокального пятна можно определить по следующей формуле:

П = 4Er

πf 2θ 2τ

Рис.17.1. Фокусировка лазерного излучения конечной расходимости

При фокусировке излучения плотность мощности повышается в тысячи раз по сравнению с не фокусированным светом. При этом П может достигать величин

395

1015÷1018 Вт/см2. Следует учитывать, что только ~ 1% этой мощности поглощается материалом и идет на нагрев. Остальная часть мощности отражается от обрабатываемой поверхности.

Возможность получения столь высоких плотностей мощности излучения послужила основанием для создания ряда технических установок для термообработки, сварки, обработки тонких пленок, получения отверстий в различных материалах, в том числе и сверхтвердых – алмазе, керамике и т. д.

Промышленные лазерные установки могут пробивать отверстия и производить их обработку в различных металлах, сплавах и неметаллических материалах корунде, ситаллах, а также в полупроводниках. При этом глубина обрабатываемых отверстий может достигать 4 мм, точность обработки не хуже ±0,01 мм. Так для пробивки отверстия диаметром 1,44 мм требуется 550 импульсов излучения рубинового лазера с энергией 2-3Дж и длительностью импульса 0,6 мс.

При использовании лазеров с энергией импульсов излучения порядка нескольких джоулей может производиться сварка таких материалов, как молибден, никель, тантал, кобальт, медь, золото при толщине свариваемых полос порядка 0,5 – 0,8 мм, с помощью лазеров можно сваривать стекло, кварц, полупроводниковые материалы.

Импульсные лазерные установки используются для сварки элементов миниатюрных устройств, соединений электродов транзисторов, монтажа электронных блоков, корпусов интегральных схем.

Системы подводного наблюдения. Весьма важной задачей, стоящей на пути освоения Мирового океана с его бесчисленными ресурсами, является создание систем наблюдения и связей под водой.

Появление лазеров, работающих в зеленой области спектра (вторая гармоника излучения лазера на аллюминиево иттреевом гранате активированном неодимом), излучение которых проходит через морскую воду с минимальными поглощениями, привело к разработке и созданию лазерно-телевизионных систем подводной локации и обнаружения (обзора дна, поиска затонувших кораблей, обнаружения мин и т.д.).

Оптические локаторы. Вследствие малой расходимости луча лазера поиск цели затруднен, однако оптические дальномеры можно успешно использовать в космических и авиационных системах совместно с приборами сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

Дальность действия локатора можно определить как

К – отражающая поверхность цели;

396

– расходимость луча локатора; S/N – отношение сигнал/шум;

Рпр – предельная чувствительность приемника.

Для обеспечения точного определения дальности, излучение лазера модулируется по синусоидальному закону с помощью электрооптического модулятора.

Чувствительность приемной системы локатора в дневное время примерно 3*10-10 Вт/м2 и 3*10-14 Вт/м2 в ночное время. При этом отношении сигнал/шум в полосе сервосистемы равно 40:1.

Основным преимуществом локаторов оптического диапазона перед радиолокаторами является возможность за счет выходной направленности излучения резко увеличить разрешающую способность по углам и дальности и обеспечить высокую точность измерения. С помощью оптического локатора можно очень точно измерить скорость движущегося объектаυ Согласно эффекту Допплера, относительное изменение частоты сигнала, отраженного от такого объекта, равно

ν = υ . ν c

Чем больше значение ν , тем больше абсолютный частотный сдвиг ∆ν и тем точнее можно определить скорость.

17.2. Применение газовых лазеров

Различные виды газовых лазеров имеют существенные отличия между собой по техническим и эксплуатационным параметрам и характеристикам. Это обуславливает различия в областях их применения.

Высокая степень монохроматичности, стабильности пространственновременнной когерентности позволяет успешно использовать гелий-неоновые лазеры в системах связи, интерферометрии, метрологии, спектроскопии.

Например, создание приборов со стабильностью 10-12 и выше открывает возможность создания на их основе эталонов длины. Высокая направленность излучения обеспечивает эффективность их использования в строительстве при нивелировании и разбивочных работах, при прокладке железных дорог, тоннелей шахт.

Ионные лазеры, имеющие достаточно высокую мощность излучения (единицы – десятки Вт) с длиной волны 0,5мкм находят применение в подводной локации, телевидении и связи, в системах аэрофоторазведки, в приборах ночного видения, для подсветки объектов и целей, в цветном телевидении, медикобиологических исследованиях, используются также в голографических приборах, в системах записи и считывания информации, в приборах спектрального анализа.

Молекулярные лазеры характеризуются большим разнообразием разработанных и созданных типов лазеров. Они излучают в широком спектральном диапазоне длин волн от 0,15 до 774 мкм, имеют большие мощности излучения.

Высокие мощности непрерывной генерации, полученные в газоразрядных молекулярных лазерах на длине волны 10,6 мкм, позволяет с успехом применять их в ряде технологических установок для резки, сверления стекла, металлов, в медицинских и биологических устройствах.

397

Повышение частотной стабильности СО2-лазеров делает их пригодными для систем дальней связи, особенно космической.

Области применения сверхмощных молекулярных лазеров (газодинамических и других) определяются их термическим действием. Они могут быть использованы в системах передачи энергии на расстояния, например, обеспечить питанием ИСЗ (искусственный спутник земли) с земли, в системах связи в атмосфере и космосе.

Мощность, расходимость и ширина спектральной линии излучения существующих лазеров обеспечивают возможность передачи информации на расстояние 160 млн. км (до планеты Марс) со скоростью 1млн. бит/с, 40тысяч бит/с на расстояние 2700 млн. км (до планеты Юпитер) и 1000бит/с на расстояние 6400 млн. км (до Плутона). Для сравнения отметим, что при использовании обычной радиолинии скорость передачи информации с корабля “ Маринер” составляла 8 бит/с.

Газовые лазеры можно использовать в качестве маяков для визуальной ориентировки космонавтов.

Широкие возможности открывает использование газовых лазеров в системах локации, авиационной разведки, в лазерных телевизионных системах.

Основное преимущество телевизионных систем с использованием лазеров заключается в возможности получения изображения высокого качества за счет повышения разрешающей способности и улучшении отношения сигнал/шум.

Широкие перспективы открываются перед газовыми лазерами в медицине, главным образом в хирургии. Однако развиваются также и некоторые диагностические методы с помощью лазера.

В хирургии сфокусированный лазерный пучок (чаще СО2-лазер) используется вместо обычного скальпеля. Инфракрасное излучение СО2-лазера сильно поглощается молекулами воды в ткани, что приводит к интенсивному испарению этих молекул с последующим рассечением тканей. Принципиальные преимущества “ светового скальпеля” состоят в следующем.

1.Разрез может быть произведен с высокой точностью.

2.Возможность проводить операции на недоступных участках.

3.Резкое уменьшение потери крови вследствие прижигающего действия ла-

зерного света на кровеносные сосуды (вплоть до сосудов диаметром ~ 0,5 мм). 4. Ограниченное проникновение в соседние ткани (в пределах десятков

микрометров).

В офтальмологии лазеры уже давно применяются для лечения отслоения сетчатки (обычно Ar+-лазер). Зеленое излучение сильно поглощается красными кровяными тельцами, и последующее тепловое воздействие может привести к “ привариванию” сетчатки или коагуляции её сосудов. Все большее применение находят лазеры в отоларингии, потому что она имеет дело с такими органами, как трахея, глотка, среднее ухо, недоступность которых затрудняет операцию. Лазер также продемонстрировал свою полезность при лечении сильно кровоточащих поражений в желудочно-кишечном тракте. При этом лазерный пучок (от Nd: YAG или Ar+-лазера) направляется на залечиваемый участок при помощи специального световода. Перспективным является применение лазеров в гинекологии, дерматологии (для удаления татуировки и для лечения некоторых сосудистых заболеваний) и т. д.

398

Развитие лазерной техники и голографии открыло возможность создания нового класса запоминающих устройств, но своей эффективности значительно превосходящих существующие. Предложенные в 1966 году голографические системы памяти позволяют довести плотность записи информации до 108 – 10 9 бит/см2, что на несколько порядков превышает значения, достигнутые в запоминающих устройствах на магнитных лентах, дисках и сердечниках. Одновременно с резким увеличением плотности записи информации обеспечивается и малое время поиска и выборки информации, не превышающие долей или единиц микросекунд.

17.3.Области применения полупроводниковых источников излучения

Основные достоинства инжекционных полупроводниковых источников света, такие как: малогабаритность, простота методов накачки и модуляции – позволяют использовать их в устройствах и приборах различного назначения: в дальномерах, световодных и атмосферных линиях связи, в системах подсвета приборов ночного видения и видения сквозь дождь и туман, в бытовой радиоаппаратуре и др.

Дальнометрия. Одной из первых областей применения полупроводниковых квантовых генераторов (ПКГ) является дальнометрия. Структурная схема одного из дальнометров на ПКГ приведена на рис. 17.2.

Рис. 17.2. Структурная схема тактического дальномера на ПКГ:

I – передающее устройство; II – приемное устройство; 1- коллимирующая система передатчика; 2 – ПКГ; 3 – система накачки; 4 – приемная оптическая антенна; 5 – интерференционный входной фильтр; 6 – фотоприемник; 7 – предусилитель; 8 – пороговое устройство; 9 – счетчик дальности

Отсчет дальности производится подсчетом количества периодов синусоидального напряжения известной частоты (15МГц) за период времени между зондирующим и отраженным сигналами.

399

В качестве излучателя используется ПКГ с импульсной мощностью 100 Вт. Его масса с батареями питания составляет 4 кг. Расходимость пучка излучения, при использовании коллимирующей оптики, составляет 5 мрад.. При увеличении импульсной мощности до 1кВт, дальность действия может быть более 1 км.

Световодные линии связи. В последнее время во многих крупных городах ощущается достаточно заметный дефицит пропускной способности действующих линий связи. Дальнейшее их расширение связано со значительными трудностями из-за перегруженности городской территории подземными коммуникациями. Аналогичная картина перегруженности наблюдается и в системах межгородской и межобластной связи.

Поэтому в последнее время усилился интерес к световодным линиям связи, надежность работы которых не зависит от погодных условий и которые отличаются пропускной способностью, на несколько порядков превышающей пропускную способность кабельных линий связи.

Для линий световодной связи протяженностью до 1000 м, работающих со средними скоростями передачи информации (линии 50 Мбит/с) в качестве источников излучения применяются световоды (СИД), работающие в диапазоне длин волн до 0,9 мкм.

Влиниях световодной связи средней протяженности (1 – 10 км) применяют многомодовые градиентные волокна с шириной полосы до 200÷1000 МГц/км, потерями 2÷5 дБ/км при λ=0,85 мкм и 1÷2 дБ/км при λ=1,3 и 1,55 мкм. Значения скорости передачи в таких системах находятся в пределах 30÷100 Мбит/с, но могут достигать 300 Мбит/с и более. Источниками излучения служат ПКГ.

Влиниях большой протяженности (10 – 100 км и более) для наземной связи, где скорости передачи информации 200 – 400 Мбит/с, источниками излучения

служат только одномодовые ПКГ (λ=1,3 мкм; λ=1,55 мкм). Информация в таких системах осуществляется только в дискретной (цифровой) форме.

Переговорные устройства. Под таким названием известны системы одноканальной связи на основе ПКГ, предназначенные для ведения переговоров в условиях оптической видимости. Передающее устройство построено на основе лазерного диода, мощность излучения которого равна 5 Вт при частоте следования импульсов 8 – 10 кГц. Полоса модулирующих частот 300 – 3400 Гц. Для коллимации пучка излучения до расходимости 10 – 60’ используется объектив диаметром 40мм. Мощность, потребляемая приемопередающим блоком, не превышает 2 Вт.

Самолетные системы предупреждения столкновений в воздухе, строятся на основе ПКГ с мощностью излучения 100 Вт, работающих с частотой 1000Гц. Дальность действия таких систем в обычную погоду 3 км.

17. 4. Акусто – оптические системы обработки радиосигналов

Спектральный анализ является одним из основных методов исследования радиосигналов. Важной характеристикой систем, осуществляющих спектральный анализ, является возможность работы в реальном масштабе времени. При этом

400

последовательность спектров может вычисляться одновременно по перекрывающимся во времени сигналам. Такой режим работы спектроанализатора отличается от избирательного, когда для всей полосы анализируемых частот применяется один перестраиваемый узкополосный фильтр. При исследовании сигналов в реальном масштабе времени предполагается, что анализ спектра выполняется за время, меньшее, чем необходимо для заполнения всей апертуры устройства ввода входными данными.

Сейчас разработаны эффективные цифровые алгоритмы, значительно снижающие трудоемкость спектрального анализа. Спектральный анализ в реальном масштабе времени для сигналов с шириной спектра менее 2МГц выполняется, как правило, с помощью специализированных цифровых устройств. При обработке сигналов с шириной спектра более 10МГц значительно возрастает объем и стоимость цифровой аппаратуры, поэтому перспективным является применение акустооптических процессоров.

Разработаны акустооптические анализаторы спектра на объемных акустических волнах со следующими параметрами: ширина полосы анализа 1ГГц, разрешающая способность 1МГц, объем аппаратуры с источником питания менее 0,003 м3. Существует акустооптический приемник радиосигналов со средней частотой 2,8ГГц и шириной полосы анализа 884МГц. Приемник имеет время когерентного накопления 0,5..50 мс, точность измерения частоты ± 250кГц.

Акустооптические спектроанализаторы в зависимости от переменной интегрирования при выполнении преобразования Фурье могут быть разделены на две группы устройств: с пространственным интегрированием, когда преобразование осуществляется по пространственным переменным, и с временным интегрированием, когда преобразование выполняется по временной переменной. В каждой из этих групп можно организовать как одномерное, так и двумерное преобразование Фурье [47-48]. Рассмотрим схемы спектроанализаторов с пространственным интегрированием.

17.4.1. Классический акустооптический спектроанализатор

Рассмотрим классический акустооптический спектроанализатор [46], показанный на рис. 17.1. Во входной плоскости Р1 установлен пространственный модулятор 2, освещаемый сферической волной от точечного источника света 1 с радиусом кривизны d1. Преобразующая линза 3 с фокусным расстоянием F1 размещается в плоскости Р2 на расстоянии d2 от входной плоскости Р1. Выходная плоскость 4, в которой помещается фотоприемник, расположена на расстоянии d3 от линзы.

Выражение для распределения амплитуд поля в плоскости наблюдения Р3 можно записать в виде:

E(x3, y3) =

(iD2D3/(lсв(D2 + F-11 + D3)))×Ф(x3, y3, D3 – (D 23/( D2 - F-11 + D3)))×S(x3, y3),

(17.1)

где