ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 187
Скачиваний: 0
когерентностью и направленностью. Как видно из схемы, изо браженной на рис. 123, ОКГ состоит из активного вещества, источника энергии накачки и открытого резонатора, образованного зеркалами 1 и 2. В обычных условиях в активном веществе на верх них энергетических уровнях находится меньше атомов, чем на ниж них. Под действием энергии, получаемой от источника накачки, возникнет инверсия населенности * уровней, при которой хотя бы на одном из верхних уровней будет находиться больше атомов, чем на нижнем. Так как атомы с верхнего энергетического уровня будут постоянно переходить на нижний, то инверсное состояние активного вещества может поддерживаться только за счет притока внешней
энергии (энергии накачки). Если переход на нижний уровень |
являет |
||||||||||
ся излуча тельным, то активное |
вещество в указанных |
условиях |
бу |
||||||||
|
дет |
являться |
источником |
|
излучения. |
||||||
Источник |
Ввиду спонтанности |
перехода |
излучение, |
||||||||
энергии |
вообще |
говоря, |
будет некогерентным. |
||||||||
накачки |
В |
|
резонаторе |
излучение |
инверсной |
||||||
|
|
||||||||||
1 |
среды |
при нормальном |
его |
падении |
на |
||||||
зеркала 1 и 2 будет от них отражаться и в |
|||||||||||
Активное |
|||||||||||
^_ среде возникнет |
система бегущих |
волн. |
|||||||||
вещество |
При колебаниях |
с длиной |
волны К, |
удо- |
|||||||
р и с 1 2 з |
влетворяющеи условию |
I = |
п —, где |
п — |
целое число, а / — длина резонатора, в пространстве между зеркалами возникнет стоячая волна той же длины волны %. Эта волна, отдавая энергию среде, будет возбуждать атомы и одновременно стимулировать переход воз бужденных атомов на нижний уровень, причем стимулированное излучение будет совпадать по фазе, частоте и ориентировке плоскости поляризации с вынуждающим его колебанием, т. е. будет когерент ным с ним. Если инверсия населенности будет непрерывно поддер живаться, а поглощение энергии стоячей волной будет меньше, чем излучение среды, то излучение активного вещества будет увеличивать энергию стоячей волны. Если одно из зеркал (например, зеркало 2 на рис.123) сделать полупрозрачным, то часть энергии. световых колебаний будет излучаться во внешнее пространство.
Разработанные к настоящему времени ОКГ весьма разнообразны и различаются по многим признакам. В частности, по виду активного вещества различают ОКГ твердотельные (на рубине, на стеклах с примесью редкоземельных элементов и т. д.), полупроводниковые, жидкостные и газовые. В зависимости от вида энергии, с помощью которой осуществляется инверсия населенности уровней в активном веществе, различают ОКГ с оптической (световая энергия) или элек трической (энергия переменного или постоянного электрического поля) накачкой, а также накачкой электрическим током, которая
* Населенность уровней — число атомов, находящихся на данном уровне в единице объема.
получила преимущественное применение в полупроводниковых ОКГ. В ажнейшими характеристиками ОКГ являются выходная мощность излучения, длина волны, направленность и диаметр пучка, срок службы, потребляемая мощность и др. В светодальномерах в настоя щее время наибольшее распространение получили маломощные га зовые ОКГ на смеси гелия с неоном. Некоторые характеристики двух
отечественных |
гелий-неоновых |
ОКГ, применяемых в |
светодально |
||||
мерах, приведены в табл. 11. Надо |
отметить, что разброс |
парамет |
|||||
ров ОКГ даже |
одной |
серии весьма |
велик |
и потому |
приведенные |
||
в табл. 11 данные носят ориентировочный |
характер. |
|
|
||||
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
11 |
|
|
|
|
|
|
Тип квантового |
||
Наименование |
параметров |
генератора |
генератора |
|
|||
|
|
|
|
|
ЛГ-56 |
ОКГ-16 |
|
|
|
|
|
|
1,0 |
0,2 |
|
|
|
|
|
|
0,6328 |
0,6328 |
|
|
|
|
|
|
1,5 |
1,5 |
|
Угол расходимости |
в угловых |
минутах . . . |
10,0 |
7,0 |
|||
|
|
|
|
|
1,2 |
0,9 |
Для применения в светодальномерах особенно перспективными являются полупроводниковые ОКГ, характеризующиеся малыми размерами, высоким значением коэффициента полезного действия и простотой осуществления амплитудной модуляции — путем изме нения тока накачки. Правда, пока полупроводниковые ОКГ требуют охлаждения, что затрудняет применение их в светодальномерах, однако успехи в разработке приборов этого типа позволяют наде яться на удачное решение данной проблемы.
Наряду с источниками света приемники световой энергии яв ляются непременными элементами светодальномеров. Из известных в настоящее время способов регистрации света в светодальномерах нашли применение только визуальные и фотоэлектрические методы, что объясняется малой величиной принимаемого светового потока. Преимуществом фотоэлектрической регистрации является возмож ность объективной оценки величины принимаемого светового потока и автоматизации процесса измерения расстояний. Поэтому в высоко точных приборах предпочтение отдается фотоэлектрической реги страции. Но вместе с тем приборы с фотоэлектрической регистрацией относительно сложны. Достоинством дальномеров с визуальной ре гистрацией является простота устройства, сравнительно малый вес аппаратуры и надежность в эксплуатации. Однако при выполнении измерений такими светодальномерами к наблюдателю предъ являются высокие требования в отношении остроты зрения и трени рованности, а процесс измерения более утомителен, чем при фото электрической регистрации.
231
Глаз человека — весьма совершенный приемник света, способ ный воспринимать световую энергию в большом диапазоне освещенностей (от Ю - 9 до 101 3 люкс) и обладающий высокой чувствитель ностью. Наименьшее (пороговое) изменение яркости, различаемое
глазом при освещенностях от 10" |
6 до 10"1 люкс, составляет не более |
5%. Особенно ценным свойством |
глаза является его высокая селек |
тивность (избирательность). Поэтому измерения расстояний светодальномерами с визуальной регистрацией светового потока могут
выполняться |
даже |
в неблагоприятных условиях. |
|||
В отличие |
от |
фотоэлектронных |
устройств, которые реагируют |
||
на величину |
светового |
потока, реакция |
глаза пропорциональна |
||
освещенности |
сетчатки. |
Инерционность |
зрительного восприятия |
||
колеблется от 0,03 |
с при |
больших |
яркостях воспринимаемых РІЗО- |
бражений до 0,25 с при малых яркостях. В силу сказанного глаз всегда интегрирует быстропеременный световой поток, принимаемый с дистанции. Глазу присуще свойство адаптации — приспособле ния к изменениям условий освещенности в течение некоторого вре мени, называемого временем адаптации. Поэтому при регистрации светового потока, особенно малого, наблюдатель должен некоторое время пробыть при пониженной освещенности (а ночью — в темноте) и избегать рассматривания ярких предметов во время наблюдений. Чувствительность глаза зависит от длины волны света. Эту зави симость, т. е. спектральную характеристику глаза, называют функ цией видности. Графическое изображение функции видности «сред него» глаза для ночных 1 и дневных 2 условий дано на рис. 124, а. Наибольшей чувствительностью глаз обладает в центральной части видимого участка спектра при длинах волн 0,51—0,56 мкм.
При определении спектрального максимума принимаемого излу чения должны учитываться функция видности, спектральные ха рактеристики модулятора и фазового детектора и коэффициент спект ральной прозрачности атмосферы. При этом спектральная характе ристика реакции глаза, т. е. субъективное ощущение яркости изображения, получится как произведение всех перечисленных харак теристик для каждого значения длины волны. На рис. 124, а тон кими линиями показаны: спектральная прозрачность атмосферы при слабом помутнении и расстояниях порядка 1 км (кривая 3), а также спектральная характеристика лампы ДАЦ-50 (кривая 4) и спектраль ная прозрачность ячейки Керра (кривая 5), используемой в качестве
модулятора |
и фазового детектора |
в |
светодальномере СВВ-1. На |
рис. 124, б |
показаны спектральные |
характеристики реакции глаза |
|
для указанных условий ночью (кривая |
1) и днем (кривая 2), ординаты |
которых получены перемножением ординат соответствующих кри вых, изображенных на рис. 124, а. При практических расчетах максимум спектральной чувствительности глаза иногда принимают равным среднему из максимумов для ночных и дневных условий.
Визуально с высокой степенью точности можно установить ра венство яркости двух или более объектов, но очень грубо можно установить количественные отношения между разными яркостями.
232
Поэтому в визуальных светодальномерах производится регистрация либо экстремальных значений световых потоков, когда яркость фактически оценивается по сравнению с яркостью того же предмета в предшествующий момент времени с участием зрительной памяти, либо одновременно наблюдают два близко расположенных объекта, добиваясь равенства их яркостей в один и тот же момент времени.
Фотоэлектрическая регистрация осуществляется с помощью уст ройств, электрические свойства которых меняются под воздействием света, что приводит к изменению тока и используется для измере ний. По принципу действия фотоэлектронные преобразователи под
разделяют |
на приборы с внешним и внутренним |
фотоэффектом. |
К первым |
относятся вакуумные и газонаполненные |
фотоэлементы |
Ри с . 124
ифотоэлектронные умножители (ФЭУ), чаще называемые фотоумно жителями. Фотоэлементы обладают сравнительно низкой чувстви тельностью и поэтому в светодальномерах не применяются. К при борам с внутренним фотоэффектом относятся фоторезисторы, вен тильные фотоэлементы, фотодиоды и фототранзисторы. Во всех этих приборах используют свойство полупроводниковых материалов из менять электрическую проводимость под воздействием света. Полу проводниковые приборы миниатюрны, питаются током низкого напряжения, но, как и фотоэлементы, обладают низкой чувствитель ностью, вследствие чего они также пока не нашли применения в све тодальномерах.
Фотоэлектронный умножитель представляет собой комбинацию фотоэлемента с внешним фотоэффектом и электронного усилителя фототока, основанного на использовании вторичной электронной эмис сии. Устройство фотоумножителя с электростатической фокусиров кой схематически показано на рис. 125, а. В стеклянном баллоне между фотокатодом ФК и анодом А помещается несколько дополни тельных электродов Эг, Э2, . . ., называемых эмиттерами, на кото рые подаются напряжения так, что величина их возрастает от катода к аноду. Электроны, покидающие фотокатод под воздействием света,
233
попадая в ускоряющее |
электрическое поле между фотокатодом ФК |
и первым эмиттером Эх, |
приобретают кинетическую энергию, доста |
точную для того, чтобы при соударении с первым эмиттером Эх возбудить несколько электронов, которые оказываются в состоянии его покинуть. Эмигрировавшие с поверхности Эх вторичные элек троны, в свою очередь, будут ускорены электрическим полем между эмиттерами Эг и Э2 и выбьют из эмиттера Э2 еще большее число вторичных электронов и т. д. Для количественной оценки вторичной эмиссии пользуются коэффициентом вторичной эмиссии er, под кото рым понимают отношение числа эмиттирующих с электрода вторич ных электронов к числу соударяющихся с его поверхностью первич ных электронов. Величина коэффициента а зависит от приложенной
\,мкм
Рис . 125
кдвум смежным электродам разности потенциалов. Величина фото
тока /ф, протекающего в анодной цепи ФЭУ, выражается уравнением
в котором Д — ток фотокатода, а п—число каскадов умножения фототока, равное числу эмиттеров. Важнейшими эксплуатационными характеристиками фотоумножителя являются вольт-амперные (анод ные), световые и спектральные характеристики.
Вольт-амперной характеристикой называют зависимость фото тока от напряжения питания анода ФЭУ при неизменном световом потоке постоянного спектрального состава. В общем случае эта ха рактеристика имеет вид кривой с протяженным горизонтальным участком.
Световая характеристика (см. рис. 125, б) отражает зависимость фототока от величины светового потока при неизменном напряжении питания фотоумножителя и постоянном спектральном составе излу чения. При рабочих значениях напряжений питания ФЭУ световые характеристики обычно близки к прямым.
Спектральная характеристика, показывающая зависимость фото тока от длины волны монохроматического света при сохранении интенсивности светового потока и напряжения питания ФЭУ, в ос
новном зависит от |
материала и способа |
обработки фотокатода. |
В фотоумножителях, |
предназначенных для |
работы в видимой части |
234 |
' |