Файл: Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве учеб. пособие.pdf

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