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

между атомами энергетический спектр газов отличается чисто­ той генерации, соответствующей энергетическим уровням отдель­ ных атомов и молекул. Другая особенность газов — их высокая оптическая однородность и малая плотность, что уменьшает рас-' сеивание света и его рефракцию при прохождении активной сре­ ды. Это позволяет применить значительные по продольному габа­ риту оптические резонаторы и, как следствие, получить высокую направленность и монохроматичность излучения.

молекул при соударениях их в электрическом поле, возбужде­ ние атомов электронным ударом и светом и т. д. В подавляющем числе случаев инверсия населенностей в газовых лазерах дости­ гается в процессе электрического разряда, поэтому такие лазеры называются газоразрядными.

Среди газоразрядных лазеров для целей инженерной геодезии наибольшее применение находит гелий-неоновый лазер. В таком лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона (Ne). В электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня Ei на возбужденные £ 4 и Е$ (рис 1.15). Инвер­ сии населенностей в чистом неоне мешает метастабильный уро­ вень Е2 . Эта трудность преодолевается введением в неон примеси

отдают им свою энергию, и часть атомов неона дополнительно переходит на уровни Ei и Е5. Таким образом, здесь имеет место

30

резонансная передача возбуждения и создается дополнительная населенность верхних уровней неона.

Если правильно подобрать процентный состав смеси гелийнеон, то можно добиться того, что заселенность уровней Е± и Еь

необходимую для процесса генерации света. Опустошение ниж­ него Е3 уровня неона, необходимое для условия генерации, про­ исходит под влиянием соударений атомов со стенками газораз­ рядной трубки. Соударения со стенками опустошают и метастабильный уровень Е2. Для того, чтобы соударения со стенками газоразрядной трубки эффективно опустошали уровень Е3, газо­ вая смесь гелий-неон берется в пропорции 5:1 при общем давле­ нии около 1,1 мм рт. ст. и диаметре трубки около 7 мм.

стотный спектр гелий-неонового лазера может содержать до 30— 40 спектральных линий в диапазоне видимого и инфракрасного излучения.

Длина гелий-неоновых лазеров колеблется от 0,17 до 1 м, что позволяет получать высокую направленность лазерного излуче­ ния. Расходимость 9 луча в минутах дуги приближенно может быть определена по следующему соотношению

б « 3438]А7Г,

где Я — длина волны излучения; L — длина оптического резона­ тора.

Например, при L = 300 мм и Я,=0,63 мкм

6 = 3438 V 0,63/(3-105) = 5 ' .

Гелий-неоновые лазеры излучают в красной области видимо­ го спектра (А, = 0,6328 мкм). Подавляющие большинство лазеров, применяемых для геодезических работ в СССР и за рубежом, генерирует именно в этой областиКоэффициент полезного дейст­ вия лазеров невысок — около 0,1—0,01%', а выходящая мощность лежит в пределах от 0,1 до 0,001 Вт.

На рис. 1.16 дан общий вид лазера и блока питания, а на рнс. 1.17 разрез газового лазера. Основными элементами лазера явля­ ются газоразрядная трубка 5 (см. рис. 1.17) и оптический резо­ натор, состоящий из двух сферических зеркал 1, прижатых к инварному корпусу 6, определяющему расстояние между зер­ калами.

Газоразрядная трубка представляет собою герметическую стеклянную или кварцевую трубку диаметра около 7 мм, напол­ ненную смесью газов. Возбуждение активной среды производится посредством электростатического поля, создаваемого подогревае­ мым катодом К и анодом А трубки. На концах трубки имеются

31

Т а б л и ц а 1,1

Гелий-неоновые лазеры непрерывного действия, выпускаемые промышленностью (А. = 0,63 мкм)

лодиым» катодом; срок службы таких лазеров возрастает в не­

даны сравнительно недавно, когда газовые и рубиновые лазеры уже успешно работали, хотя «лазерные свойства» полупроводни­ ков известны давно. Такое запоздание связано с технологически­ ми трудностями изготовления нужных полупроводниковых мате­ риалов.

Основное достоинство полупроводниковых лазеров — миниа­ тюрность и простота «накачки» (возбуждения), осуществляемая пропусканием электрического тока через полупроводник. Полу­ проводниковые лазеры имеют высокий коэффициент полезного действия. Считается, что можно достичь к. п. д. почти 100%'. В действующих лазерах в самых благоприятных условиях-^к. п. д.

проводника, образуют области проводимости, одна из которых яв­ ляется электронной (n-областью), а другая — дырочной проводи­ мостью (р-областью). Часть кристалла между р- и п-областями называется р- n-переходом. Электрическое поле, приложенное к полупроводнику, вызывает движение электронов и дырок навстре­ чу друг другу, при этом происходит рекомбинация пары элек­ трон— дырка, сопровождающаяся излучением фотона.

Для получения индуцированного излучения необходимо соз­ дать на р- «-переходе очень большую плотность тока, порядка нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр. С повышени­ ем плотности тока накачки увеличивается интенсивность выход­ ного сигнала. Для получения генерации необходима обратная связь, т. е. р- п-переход нужно поместить в оптический резона­ тор, роль которого в данном случае выполняют зеркально отпо­ лированные грани полупроводникового кристалла. Размеры кри­ сталла не превышают I X ЬХ1 мм.

Имеется ряд полупроводниковых материалов, из которых из­ готовляются лазеры. Лучшие результаты получены на лазерном

'4 0,8** 0,8*6 0,8*8

р- n-переходе в арсениде галлия; на этом переходе можно полу­ чить излучение мощностью до 10 Вт при температуре жидкого азота примерно —77° по шкале Цельсия с рабочего тела очень малых размеров. Толщина р-гс-перехода около 2 мкм; длина из­ лучающей части не более 1 мм; направленность излучения не­ сколько градусов. При комнатной температуре мощность излуче­ ния составляет десятые или сотые доли ватта. На рис. 1.18 схе­ матично показана конструкция полупроводникового лазера на основе арсенида галлия и спектр его излучения.

Полупроводниковый лазер находит широкое применение в светодальномерах с небольшой дальностью действия, в том чис­ ле и в светодальномерах, предназначенных для инженерно-геоде­ зических целей.

34