книги из ГПНТБ / Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве учеб. пособие

Зонные пластины находят применение в лазерных створофиксаторах с дистанционным съемом информации о положении тех­ нологического оборудования.

§ I. 6. Глаз как оптическая система

Глаз (рис. 1.10) имеет шарообразную форму и заключен в су­ хожильную оболочку (склеру), передняя часть которой (рогови­ ца), прозрачна и имеет форму, близкую к сфере. К склере приле­

строению, состоящая из десяти слоев, один из которых световоспринимающий. Попадая на нервные элементы (колбочки и па­ лочки), свет вызывает раздражение их, и зрительное восприятие по зрительному нерву передается в головной мозг.

Глаз имеет две особые области: в одной из них — желтом пят­ не, получается наибольшая острота зрения; в другой — слепом пятне, зрительного восприятия нет. Передняя камера глаза (меж­ ду роговицей и хрусталиком), заполнена водянистой влагой, а задняя (между хрусталиком и сетчаткой) —стекловидным телом.

20

Глаз можно рассматривать как оптическую систему, принци­ пиальное отличие которой от обычной оптической системы со­ стоит в том, что расстояние от хрусталика до сетчатки постоянно. В обычной системе резкое изображение на экране имеет место при определенном положении предмета относительно этой систе­ мы, и при изменении расстояния от предмета до оптической систе­ мы необходимо изменять расстояние до экрана. Глазом же мы видим предметы резко при различном удалении за счет измене­ ния кривизны поверхности и соответственно фокусного расстоя­ ния хрусталика.

Способность глаза резко видеть предметы, различно удален­ ные от него, называется аккомодацией. Аккомодационная мышца глаза, к которой прикреплен хрусталик, способна увеличить или уменьшить его кривизну. При спокойном состоянии мышцы нор­ мальный глаз аккомодируется на бесконечность. Чем ближе предмет к глазу, тем сильнее напряжение мышцы. Наименьшее расстояние, при котором нормальный глаз привык к аккомодации в течение длительного времени, называется расстоянием наилуч­ шего зрения. Для нормального глаза оно составляет около 25 см.

Способность глаза раздельно видеть изображение двух точек называется разрешающей способностью. Разрешающая способ­ ность глаза близка к одной угловой минуте. Пределы разрешаю­ щей способности обусловлены структурой сетчатки. Если изобра­ жение предмета умещается в пределах одного элемента сетчатки (например колбочки), то глаз, не различая формы, воспринимает

элементах, разделенных по крайней мере одним нераздражен­ ным элементом. Высокая разрешающая способность глаза при оценке смещения линий имеет большое значение при измерении дальности оптическими дальномерами и при отсчетах по шкалам измерительных приборов.

Сетчатка воспринимает лучистую энергию в пределах от К = = 0,380 мкм до Х=0,780 мкм как световое раздражение. Энер­ гия более коротких и длинных волн поглощается стекловидным телом глаза. Максимальная спектральная чувствительность днев­ ного (колбочкового) зрения находится в области 0,556 мкм (жел­ то-зеленый свет), максимальная спектральная чувствительность палочкового зрения приходится на длину волны 0,507 мкм (ноч­ ное зрение).

При работе с оптическими приборами в условиях дневного освещения действует дневное зрение. При работе ночью — в зави­ симости от освещенности предмета — смешанное или ночное. Признаком ночного зрения является неразличимость цветов, все предметы кажутся голубовато-серыми, как при лунном освеще­ нии. Дисперсионная поправка при визуальных светодальномерных измерениях вводится для длины волны преобладающего зрения.

21

§I. 7. Лазерные источники оптического излучения

Название «лазер» составлено нз первых букв английского вы­

явление усиления электромагнитных колебаний при помощи вы­ нужденного излучения атомов п молекул.

Электромагнитное излучение представляет собою энергию, передаваемую в пространстве в форме электромагнитных волн. Если электрический заряд находится в состоянии колебания или ускорения, то от него распространяется возмущение в виде электрических и магнитного полей. Это возмущение называется электромагнитной волной. Частотный спектр таких волн очень велик: от радиоволн до гамма-излучения.

Электромагнитная энергия излучается и поглощается порция­

где h — постоянная Планка; v — частота.

Таким образом, электромагнитное излучение обладает свойст­ вами как частиц, так и волн. В области гамма-излучения прояв­ ляются только свойства частиц, так как длина волны исчезающе мала. В области оптического диапазона проявляются свойства частиц и волн; в области радиодиапазона излучение характери­ зуется лишь волновыми свойствами. Рассматривая взаимодей­ ствие электромагнитной энергии с материей, необходимо исполь­ зовать как квантовую, так и волновую теории.

В соответствии с представлениями современной физики, атом вещества состоит из ядра и вращающихся вокруг него электро­ нов. Вследствие волновых свойств электронов их движение происходит не по орбите, а в некоторой области, в которой наибо­ лее вероятным местом является орбита. Движение электрона вокруг ядра характеризует его энергетическое состояние. Вели­ чина энергии электрона может принимать лишь определенные дискретные значения, характеризуемые так называемыми кванто­ выми числами.

Каждое энергетическое состояние электрона, по аналогии с потенциальной энергией тела, поднятого на некоторую высоту, принято изображать графически в виде горизонтальной черты на определенном уровне, соответствующем потенциальной энергии электрона (рис. 1.11). Чем дальше электронная орбита от ядра, тем большей энергией Е обладают «населяющие» ее электроны. В основном, или нормальном состоянии (состоянии термодинами-

22

ческого равновесия), электроны распределяются по орбитам так, чтобы атом обладал энергией Е\, наименьшей из всех возможных значений. Ближайшие к ядру орбиты при этом заполняются электронами до предела. Не заполненными могут быть только более далекие (внешние) орбиты. Такой атом может только по­ глощать энергию. В нормальном состоянии атом может сущест­ вовать неограниченное время.

При воздействии на атом внешней электромагнитной энергии, нагревании, облучении светом, бомбардировке потоком элемен­

уровни (метастабильные атомы), которые характеризуются боль­ шим временем жизни. В некоторых средах (например газах) ме­ тастабильные атомы играют значительную роль. При столкнове­ ниях они отдают свою энергию, способствуя этим возбуждению атомов рабочей среды. При переходах атома из состояния с энер­ гией Ei в состояние с энергией Ей при £,•>£& атом отдает, а при Ei<.Eh — поглощает энергию на частоте перехода

Для атомов различных веществ и для разных энергетических уровней характерно собственное значение частоты перехода v. Совокупность переходов между энергетическими уровнями обра­ зует энергетический спектр поглощения или излучения атома. Каждому переходу с излучением соответствует определенная спектральная линия со значением частоты v или длины волны %

X = c/v, \

где с — скорость света.

В малоискаженном виде свойства отдельных атомов проявля­ ются в газах, где взаимодействие между атомами ничто'жно. В твердом теле соседние атомы находятся настолько близко друг к Другу, что внешние оболочки соприкасаются и "Даже перекры­ ваются. В этом случае на электроны действует не только ядро собственного атома, но и ядра соседних атомов, что приводит к

23

смещению и образованию широких энергетических уровней и со­ ответственно широкополосное™ энергетического спектра.

Для атома, находящегося в верхнем энергетическом состоя­ нии, существует определенная вероятность перехода через неко­ торое время на более низкий энергетический уровень. При пере­ ходе атом излучает квант энергии. Процесс излучения при само­ произвольном (спонтанном) переходе электрона хаотичен. Атомы излучают свет независимо друг от. друга и не согласованно по времени, поэтому спонтанное излучение некогерентно и широко­ полосно. Примером спонтанного излучения является свет от обычной электрической лампы накаливания.

Наряду со спонтанным возможно вынужденное (индуцирован­ ное) излучение возбужденного атома под воздействием внешней электромагнитной волны. При этом атомы переходят с верхних энергетических уровней на нижние согласованно и излучают вто­ ричную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направле­ ние распространения полностью совпадают с характеристиками волны, вызвавшей индуцированное излучение. Существует также вынужденное поглощение. Это явление имеет место при переходе атома с уровнем энергии Е\ на более высокий Ei за счет погло­ щения электромагнитной энергии. Если количество атомов, пере­

лять излучением атомов и получать когерентное излучение. Для того, чтобы осуществить индуцированное излучение необходимо выполнение следующих условий: резонанса, инверсии населен­ ности уровней и положительной обратной связи.

Под резонансом подразумевают совпадение частоты волны, вызвавшей индуцированное излучение, с одной из частот энерге­ тического спектра атома. Резонанс связан с выбором рабочего вещества и его агрегатным состоянием.

Инверсия (обращение) населенностей связана с переводом электронов с нижних на более высокие «разрешенные» энергети­ ческие уровни. Для осуществления генерации нужно, чтобы из двух выбранных рабочих уровней верхний был заселен больше, чем нижний. Инверсия населенностей достигается за счет так на­ зываемой накачки — подведения световой или электромагнитной энергии возбуждения извне.

Для управления индуцированным излучением необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества, вынуждая к индуцированному излу­ чению все больше и больше новых атомов. Эта задача решается с помощью зеркал. Рабочее вещество помещается между двумя плоскими параллельными друг другу, зеркалами (рис. \Л2,а),

24

одно из которых полупрозрачно. Эти зеркала образуют «откры­ тый» оптический резонатор (резонатор Фабри — Перо), осущест­ вляющий положительную обратную связь: часть стимулирован­

фотонов на зеркала близок к прямому, то поток фотонов будет

плитуда световых колебаний на отражающем слое близка к ну­ лю. Данное ус'ловие приводит к тому, что будет иметь место сов­ падение фаз падающей и отраженной волн. Если в промежутке между двумя зеркалами укладывается целое число полуволн световых колебаний, то в оптическом резонаторе возникает так называемое стоячее световое поле. Расстояние между зеркалами при этом должно быть кратно длине полуволны л/2

котировочными винтами, а сам процесс установки зеркал назы­

25

ны R. В этом случае настройка оптического резонатора произво­ дится изменением наклона трубки с рабочим веществом. Если в первом положении трубки (сплошная линия) луч света проходит расстояние L — R, то при наклоне на угол О

Lo = Я ( 1 + 0*).

Например, при R = 300 мм и угле наклона О = Г, что состав­ ляет 1 : 3438 радиана

Lo = 300[1 + (1/34382)] = 300,0003 мм,

т. е. на 0,3 микрона больше. Конфокальные резонаторы проще в настройке и имеют меньшие дифракционные потери, чем резона­ торы с плоскими зеркалами.

Рис. 1.13. Положение уровней энергии:

- теоретическое; б — действительное; е — спектр излучения

Спектр излучения на первый взгляд должен быть линейчатым. В действительности из-за «размыва» уровней энергии возникает некоторая ширина спектра излучения. На рис. 1.13,а показано теоретическое положение уровней Е\ и Е2, на рис. 1.13,6 — дей­ ствительное положение основного значения уровня Ei и Е2( тол­ стые линии) и их подуровней (тонкие линии), наличие которых, например в газах, обусловлено столкновением частиц между со­ бою и со стенками сосуда, в котором находится рабочее веще­ ство. Кроме того уровни расширяются из-за эффекта Доплера, вызываемого тепловым движением частиц.

Таким образом, между основным уровнем и подуровнями воз­ можен переход на частотах от vm in до vmaxНа рис. I . 13, в изобра­ жен спектр индуцированных колебаний с максимумом на часто­ те v0 ; ширина его

Av = 2 Д Е / А ,

где Л £ — наибольшая разность энергий подуровней.

Ширину полосы излучения обычно характеризуют степенью монохроматичности. За меру монохроматичности спектральной

линии принимают отношение ДАДтах, здесь А т ах — длина макси­ мальной волны излучения,

ДАДтах = 0. Идеально монохроматического излучения не сущест­ вует даже в том случае, когда на элементарные частицы ие дей­ ствуют никакие внешние силы. Это обусловлено.естественной ши­ риной энергетических уровней (уровни не являются бесконечно узкими), Доплеровским уширением уровней в зависимости от направления и скорости движения частиц относительно прием­

Высокая степень монохроматичности излучения лазеров по­ зволяет увеличить отношение сигнал/шум на входе приемника за счет спектральной селекции, которая может быть осуществлена применением узкополосных интерференционных фильтров или приемников, чувствительных к излучению в узкой области спектра.

Как уже отмечалось, при индуцированном излучении проис­ ходят малые флуктуации частоты на велчину Av. Промежуток времени, в течение которого не происходит изменения Av, измеря­ ется величной At = 1/Ду, называемой временем когерентности. Чем больше величина Д^, тем строже выполняются фазовые соот­ ношения между частями волны, излучаемыми в разные моменты времени.

Пространственно когерентными источниками считаются такие, которые излучают колебания с одинаковыми фазами или с по^ стоянной разностью фаз. Если по всему сечению активной среды все атомы излучают в одной фазе, то фронт суммарной волны будет бесконечно близок к фронту плоской волны. Постоянство кривизны фронта волны во времени и пространстве определяется когерентностью излучения.

Мощность оптического излучения определяется энергией, из­ лучаемой в единицу времени. Выходная мощность газовых лазе­ ров как правило меньше, чем мощность твердотельных, вслед­ ствие относительно невысокой плотности возбужденных частиц газа.

Одна из особенностей лазерного излучения — невозможность получения высокой степени монохроматичности и направленности при большой мощности. Увеличение мощности вызывает расши­ рение полосы частот, что уменьшает степень монохроматичности

27

и когерентности. В ряде случаев даже при малой мощности из­ лучения можно получить очень высокую спектральную плотность мощности, если излучение занимает узкий спектральный диапа­ зон. Спектральная плотность мощности лазеров может на не* сколько порядков превосходить спектральную плотность мощнос­ ти Солнца, равную 7-103 Вт/см2 . Хотя это и очень большая вели­ чина, но вся энергия распределяется в широком спектральном диапазоне (видимый участок спектра равен 3,5-108 МГц). Такую же плотность мощности можно получить для газового лазера с длиной волны К = 0,63 мкм при мощности излучения около 2 мВт. В настоящее время для лазеров получена плотность мощности излучения около 1011 Вт/см2 , что в миллиард раз больше сол­ нечной.

По виду активного вещества лазеры принято делить на четыре группы: твердотельные, газовые, полупроводниковые (инжекци-

Рис. 1.14. Рубиновый лазер:

онные) и жидкостные. Для технических целей в инженерной гео­ дезии перспективны, пока, первые три типа лазеров.

минерал — кристалл корунда (окись алюминия А12 0з) с неболь­ шой (0,05%) примесью хрома. Красный цвет рубина объясняется

(кристалла рубина), генератора накачки и объемного оптическо­ го резонатора. Активное вещество (рубин) выполнено в виде цилиндрического стержня диаметром около 1 см и длиной 74-10 см. Торцевидные грани стержня отполированы и покрыты пленкой серебра, образующей отражающий слой объемного ре­ зонатора. Длина L резонатора должна быть «настроена» на дли­ ну волны X генерируемого света, т. е. отношение 2LjX=n должно

28

быть целым числом. Одна из торцевых граней сделана полупро­ зрачной; через нее выходит луч света. В качестве генератора на­ качки используется газоразрядная неоно-криптоновая лампа, дающая зеленое свечение.

уровень Е% более половины атомов хрома, что является необходи­ мым условием усиления света. Если после этого ввести в кри­ сталл слабый луч красного света в качестве «спускового сигна­ ла», частота которого соответствует частоте перехода энергии

'с уровня £ 2 на уровень Е\, то проходя через кристалл, луч будет переводить атомы (ионы) с метастабильного уровня Е2 на ниж­ ний уровень Е\. При этом энергия введенного красного луча уси­ лится за счет излучения атомов хрома.

Чтобы превратить усилитель в генератор, необходимо часть усиленного сигнала подать на вход усилителя, вместо «пускового» луча, т. е. осуществить положительную обратную связь. Это обеспечивается, как уже указывалось, наличием зеркал оптиче­ ского резонатора. Энергия света в резонаторе лавинообразно на­

до 108 Дж . Из-за сильного нагревания рубиновый лазер может работать только в импульсном режиме.

На основе рубинового лазера создано довольно много кон­ струкций импульсных светодальномеров для измерения расстоя­ ний с точностью 5—10 м при дальности до 10 км без установки на определяемой точке специального отражателя, при условии, что отражающая способность объекта не менее 10%. Такие дально­ меры находят применение главным образом в военном деле. Была попытка применения рубинового лазерного дальномера для топографических целей при съемке местности, взамен измерения расстояния по рейке. Большой вес (около.20 кг) и энергоемкость (батарея аккумуляторов обеспечивает измерение 100 линий) не создают пока благоприятных условий для его применения. Руби­ новый лазерный дальномер был успешно применен для оптиче­ ской локации Луны и советского Лунохода-1, на борту которого установлен французский трипельпризменный отражатель.

29