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

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