Електромагнітні хвилі оптичного діапазону

Електромагнітні хвилі оптичного діапазону у світловіддалемірів є несучими коливаннями, на яких розповсюджується вимірянні коливання між прийомопередавачем і відбивачем. У перших світловіддалемірів джерелом несучих коливань були лампи розжарювання, пізніше стали використовуватись також газорозрядні лампи. У сучасних світловіддалемірів джерелами світла служать лазери і світлодіоди. Для світловіддалемірів важливими характеристиками джерела світла є потужність випромінювання і його спрямованість, розміри поверхні випромінювання, спектральний склад випромінювання світлового потоку, потужність живлення і простота обслуговування. Від потужності випромінювання джерела залежить радіус дії світловіддалемірів. У світловіддалемірів ,призначених для вимірювання коротких ліній , використовують джерела світла з невисокою потужністю випромінювання. Вони , як правило вимагають і малої потужності живлення. До таких джерел належать світлодіоди і напівпровідникові лазери. Газові лазери, потужність випромінювання яких є більшою, використовують у світловіддалемірах з великим радіусом дії, призначеними в основному для вимірювання сторін Д2М. Потужність випромінювання джерела світла вимірюється у Вт. Але не рідко її оцінюють за дією випромінювання на око людини, тобто в фотометричних одиницях. Людське око чутливе до електромагнітних хвиль з довжиною 0,4-0,76 мкм. При цьому його чутливість неоднакова до випромінювання різних кольорів і залежить від довжини хвилі випромінювання. Максимальна чутливість припадає на довжину 0,555 мкм, тобто на випромінювання жовтого кольору. У фотометрії відповідником потужності випромінювання є світловий потік. Одиниця світлового потоку є люмен. Для переходу від Вт до Лм використовують відносну спектральну чутливість ока К . Вона дорівнює відношенню чутливості ока до випромінювання з довжиною хвилі і його чутливість до випромінювання з довжиною хвилі ₀ =0,555 мкм.

де Ф_лм –світловий потік випромінювання з довжиною хвилі в Лм;

При ₀=0,555 мкм К =1 і 1Вт =650Лм або 1Лм= 0,0016 Вт.

Не менш важливою характеристикою , ніж потужність, є спрямованість випромінювання джерела світла. Якщо випромінювання джерела світла має велику інтенсивність, але заповнює собою великий тілесний кут, то ми використовуємо з нього тільки ту невелику частину, яка збігається з напрямком від передавача на відбивач, тобто тільки не велику частину потужності випромінювання. Якщо ця спрямованість є високою, то практично вся випромінювальна енергія може бути використана. Оптична схема формує випромінювання у вузько спрямований промінь тільки тоді, коли поверхня випромінювання джерела має мінімальну площу. В ідеалі вона повинна бути близькою до точки. Важливим фактором також є спектральний склад та широта спектрального випромінювання джерела. Для того щоб втрати світлової енергії були мінімальні .максимальна інтенсивність випромінювання повинна припадати на ту ділянку спектра, до якої має максимальну чутливість перетворювач світла у фотострум або індикатор світловіддалеміра, а також для якої атмосфера є максимально прозорою. Ідеально узгодити ці характеристики не вдається. Але до цього прямують. Перетворення світлового потоку у фотострум у відбувається у ФЕП. Їх спектральна чутливість залежить від матеріалу, з якого виготовлений фотокатод. Так сурмяно-цезієві фотокатоди найбільш чутливі до голубого та зеленого випромінювання, а киснево-цезієві- до ультрафіолетового червоного та інфрачервоного. Атмосфера найбільш прозора для червоного випромінювання. У світловіддалемірах бажано мати джерела світла з випромінюванням, близьким до монохроматичною, або з вузьким спектром випромінювання. Такі джерела, по-перше,дають можливість вузько смуговими інтерференційними фільтрами того світлового потоку , що потрапив у приймач ,оптичної системи, виділив відбитий промінь, тобто корисний сигнал, тому що на неї потрапляє не тільки відбитий світловий потік ,а й розсіювань сонячного випромінювання та випромінювання сторонніх джерел. Здатність виділення корисного сигналу є дуже важливою , бо дає можливість працювати вдень.

Будова газового лазера показана на рис.6.1.

Розглянемо коротко функціонування гелій-неонового лазера. Суміш газів Ne і He у відношенні 1:10 є в ньому активною речовиною. Цією сумішшю заповнена капілярна трубка 4 при р=0,7 до 2 ГПа. На кінцях трубка розширена, і її кінці герметично закриті плоско паралельними пластинками 2 ,які розташовані під кутом Брюстера до осі труби. Таке розташування пластинок забезпечує плоска поляризацію випромінювання лазера і зменшує втрати в ньому. Трубку встановлюють між двома дзеркалами 1,які утворюють активний оптичний резонанс. Ці дзеркала можуть бути вгнутими або плоскими. Для виходу випромінювання одне з дзеркал резонатора роблять частково прозорим. Збудження газу відбувається під дією високочастотної,так і постійної напруги. Для її підведення на трубу накладають або в неї впаюють електроди 3.

Енергетичні рівні лазера показано на рис. 6.2.

Атоми гелію і іону має близькі енергетичні рівні. Атоми гелію збуджуються при електричному розряді і переходять на метастабільний рівень2³S. При зітхне ні вони передають свою енергію атомам неону. Атоми неону збуджуються ромасштабном рівні 2S. Тепер 2S→2р дає інфрачервоне випромінювання. З рівня 2р атоми переходять на рівень 1S, що супроводжується червоним випромінюванням. З рівня 1S атоми повертаються у вихідний стан в результаті зіткнення з іншими атомами або стінками трубки.

Рівні 2S,2Р,1S є багатократні , тому випромінювання лазера здійснюється на багатьох червоних і інфрачервоних лініях. Щоб одержати випромінювання певної довжини хвилі необхідно мати в резонаторі селективні дзеркала з високим коефіцієнтом відбиття для цієї довжини хвилі. Випромінювання, що виходить з трубки в напрямку її осі, багаторазово відбивається дзеркалами резонатора і при проходженні через суміш газів, підсилюється. При цьому вона формується у вузький пучок , тобто є високо спрямованим. Розбіжність пучка , що виходить через частково прозоре дзеркало резонатора складає від 20″ до декількох минут (в залежності від будови резонатора ). Кут розбіжності випромінювання можна визначити за формулою:

(7,1) де λ-довжина хвилі випромінювання;

l- довжина резонатора в мм.

Така мала розбіжність дозволяє передавальній оптичній системі спрямувати на відбивач практично все випромінювання лазера. Газовий лазер працює в безперервному режимі , тому його потужність відносно не велика і залежить від довжини трубки. При довжині трубки 25 см потужність випромінювання 2-3 мВт, а при довжині 1м потужність 25-36мВт. Потужність живлення лазера –декілька десятків ват. Отже його ККД не перевищує 0,01%. Цей недолік компенсує висока спрямованість випромінювання. Газовий лазер не вимагає охолодження, що зручно для польових умов. Ширина випромінювальних ним ліній спектру мала (10 кГц ). У СД застосовують лазери з довжиною хвилі випромінювання 0,6328 мкм, тому що є чутливі до цієї ділянки спектра , та атмосфера її мало поглинає.

Лекція 7.