Основы лазерной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Применение квантовых и оптоэлектронных приборов

2. Устройство и принцип действия лазерного дальномера, гироскопа, измерителя скорости

1. Применение квантовых и оптоэлектронных приборов

Основой оптоэлектронных методов и устройств являются излучатели и фотоприемники. Широкое применение оптоэлектронных методов сдерживалось отсутствием простых надежных источников излучения. Появление полупроводниковых источников излучения значительно расширило область их применения.

В настоящее время разработаны и серийно выпускаются полупроводниковые излучатели со спектром излучения, начиная с ультрафиолетового участка до ближнего инфракрасного участка оптического спектра. Практически в настоящее время можно разработать излучатели в диапазоне от 210 до 4000 мкм со спектральными характеристиками, близкими к монохроматическим (с квазимонохроматическими спектральными характеристиками). Особенности полупроводниковых излучателей - высокое быстродействие, возможность управления потоком излучения током, монохроматичность, достаточная мощность излучения и малые габаритные размеры. Наличие таких преимуществ у полупроводниковых излучателей создает предпосылки для исследования и разработки различных устройств контроля, измерения и преобразования для различных областей науки и техники. Отсюда и следует широкий спектр работ в области создания устройств и систем на полупроводниковых излучателях.

Основой оптических методов и устройств является наличие излучателя и оптически связанного с ним через среду фотоприемника. Излучение, создаваемое излучателем, пройдя через среду (воздух, вещество и т. д.), воспринимается фотоприемником. В этих методах и устройствах в качестве носителя информации используется оптическое излучение, не создающее электромагнитные помехи и не подверженное влиянию этих помех. Наличие такой особенности и простота приборной реализации создают предпосылки исследования и разработки различных устройств, основанных на применении оптического излучения.

Устройства контроля.

Оптоэлектронные устройства контроля состоят из источников питания, излучающего диода или светоизлучающего диода, фотоприемника, оптически связанного через контролируемый объект с излучателем, и блока обработки фотоэлектрического сигнала. Понятие "оптоэлектронные устройства контроля" включает в себя измерительное преобразование (для решения частной задачи). Оптоэлектронное устройство показывает принципиальную возможность использования одного из физических принципов воздействия на оптическое излучение с целью измерения требуемого параметра.

Быстрыми темпами развивается и совершенствуется текстильная промышленность. Внедряются новейшие достижения техники и совершенствуются существующие.

Основой любой ткани является нить. Если дефектная нить попадает в процесс прядения, то сотканная ткань будет иметь непоправимые дефекты. Это создает предпосылки разработки устройств обнаружения дефектов. В настоящее время существуют различные методы определения дефектов текстильных материалов. Среди них самые распространенные визуальные методы и методы, основанные на применении специальных камер.

Также существуют оптические методы и устройства для определения дефектов нити. Однако в этих устройствах не учитываются влияния конструктивных размеров, и при обнаружении дефектов на результат обнаружения влияет скорость нити, меняющаяся в процессе перемотки за счет увеличения диаметра барабана.

Для определения линейной плотности волокнистого материала просвечивают участок волокнистого материала и по доле прошедшего через волокно излучения судят о величине линейной плотности. Однако такой способ определения линейной плотности недостаточно эффективен.

В процессе тренировки, подготовки, отбора и тестирования спортсменов широко применяются различные электронные приборы и устройства , в том числе с каждым годом совершенствуются и используются оптические (оптоэлектронные) приборы и устройства.

В процессе подготовки и тестирования широко применяются устройства для определения высоты прыжка (соскока) спортсмена, и результаты измерения становятся определяющими для оценки физических данных спортсменов. В связи с этим разработка новых принципов и устройств определения высоты вертикального прыжка (соскока) является актуальной.

Другая немаловажная проблема - счет шагов спортсмена в реабилитационный период после лечения или травматических операций. Счетчики шагов с успехом могут применяться и в период тренировок для определения подвижности спортсмена. Основными требованиями к приборам такого типа являются малые габаритные размеры и низкое энергопотребление. Этим требованиям отвечают устройства, построенные на оптоэлектронных приборах.

Периодический или непрерывный контроль пульса спортсмена является составной частью комплексного тестирования спортсмена в период отбора и тренировок. Требования, предъявляемые к приборам такого типа, - это малые габаритные размеры, малое энергопотребление и возможность беспроводной связи с пультом контроля (с компьютером). Всем этим требованиям отвечают оптоэлектронные устройства на полупроводниковых излучателях.

Все эти приборы являются составной частью комплексной системы отбора и тестирования спортсменов в период тренировок и соревнований. Поиск новых методов и разработка более совершенных устройств, несомненно, актуальная проблема.

Как известно, скорость пули является основным параметром, по которому определяют убойную силу и расстояние полета пули.

В настоящее время существуют различные методы измерения скорости пули, в том числе и оптические, с применением быстродействующих твердотельных полупроводниковых камер. Применение в этих устройствах дорогостоящих, быстродействующих камер ограничивает области применения оптических методов. Анализ методов показывает, что общим принципом для всех методов является фиксация времени прохождения пулей заранее установленного расстояния между двумя сенсорами.

Источники света.

В наши дни для освещения применяют лампы накаливания и флюросенсные лампы. В последнее время для целей освещения начали применять светоизлучающие диоды. Проведенные исследования показывают, что применение светоизлучающих диодов в качестве источников освещения позволяет понизить энергопотребление и потери. По сравнению с классическими источниками освещения источники освещения на светоизлучающих диодах при тех же фотометрических данных почти наполовину меньше потребляют энергии.

Совершенствование полупроводниковых технологий и разработка суперярких светоизлучающих диодов создают предпосылки исследования и разработки устройств освещения на светоизлучающих диодах.

Применение полупроводниковых элементов в установках освещения позволяет снизить стоимость систем освещения и увеличить срок службы систем освещения.

В наши дни разработаны светоизлучающие диоды красного, зеленого, синего, желтого, белого цвета и инфракрасного спектра.

Светоизлучающие диоды применяют в установках освещения двух тиров: в установках общего освещения и в установках аварийного (указательного) освещения.

Оптическая связь и индикация.

Преимущество оптических методов и устройств передачи информации заключается в том, что оптическое излучение не создает помех и распространяется в ограниченных пространствах, обеспечивая необходимую секретность передачи информации. В настоящее время существуют стационарные и мобильные средства передачи как цифровой, так и аналоговой информации. Потребность в таких устройствах с каждым днем растет, и, следовательно, исследование этих методов и расширение областей применения является актуальной задачей.

Полупроводниковые излучатели (светоизлучающие диоды) широко используются в качестве элементов индикации и отображения знаков (в качестве индикаторных ламп и отображения цифр и букв). Особенностями светоизлучающих диодов являются малое энергопотребление и малые габариты, а также различные цвета индикации.

Полупроводниковые излучатели также используются в различных электронных устройствах. Одним из примеров является применение излучающих диодов в устройствах для получения периодических импульсов (в оптоэлектронных генераторах). В отличие от классических генераторов на RLC-элементах, здесь есть возможность одновременного получения и световых импульсов.

Основой для построения оптоэлектронных влагомеров является свойство воды поглощать ИК излучение определенной длины волны. Все вещества и материалы обладают определенной гигроскопичностью и, следовательно, поглощают влагу из внешней среды.

Особенности ИК методов - высокая избирательность, чувствительность, точность и воспроизводимость измерений, а также возможность непрерывного неразрушающего контроля, бесконтактность и оперативность анализа. Для создания ИК влагомеров наиболее перспективна ближняя ИК область 0,8…6,1 мкм, в которой влага имеет ряд полос поглощения разной интенсивности. Для исключения влияния на результат измерения рассеивающих свойств веществ и, следовательно, повышения чувствительности обычно применяется двухволновая структурная схема.

Излучения на опорной длине волны, лежащей вне полосы поглощения влагой, и на измерительной длине волн, совпадающей с полосой поглощения влагой, поочередно посылают на исследуемое вещество. Доля излучения после взаимодействия с влажным веществом фотоприемником преобразуется в электрический сигнал. Использование отношения двух сигналов от потоков опорного и измерительного каналов позволяет свести к минимуму влияние нестабильности приемника и источника излучения, а также несколько уменьшить влияние насыпной плотности образца. Абсолютная погрешность результатов измерения содержания влаги составляет около 0,05%.

Классификацию оптических влагомеров можно осуществить по следующим признакам: по способу выделения анализирующего излучения рабочего участка спектра (при помощи светофильтров или с использованием монохроматических источников излучения, полупроводниковых излучателей); по способу приема доли излучения после взаимодействия с контролируемым объектом (влагомеры, основанные на приеме отраженного или прошедшего через объект излучения); по способу обработки фотоэлектрического сигнала (схемы непосредственной оценки, дифференциальные, логарифмические, комбинированные и с функциональной разверткой); по виду контролируемого объекта (влагомеры жидкостей, газов и твердых веществ и материалов).

Влагомеры с использованием полупроводниковых излучателей можно разделять на оптоэлектронные влагомеры импульсного действия и влагомеры с функциональной разверткой. В свою очередь оптоэлектронные влагомеры с функциональной разверткой подразделяются на влагомеры с функциональной разверткой со стороны излучателя и со стороны фотоприемника.

Квантовая электроника - это современная область физики, изучающая взаимодействие электромагнитного излучения с электронами, входящими в состав атомов молекул твердых тел и создающая на основе этих исследований научные методы для разработки квантовых устройств различного назначения.

На основе квантовой электроники как науки быстро формируется лазерная техника, включающая в себя научные рекомендации и технические решения, при выполнении которых создаются разнообразные приборы квантовой электроники. Эти приборы генерируют электромагнитное излучение, усиливают и формируют его, а также преобразуют спектр лазерного излучения. Следует также упомянуть аппаратуру различного практического назначения, в которой в качестве источника излучения, задающего, преобразующего и отображающего информацию, используются лазеры.

Современным требованиям получения информации о свойствах возмущенной среды или проведения прецизионных измерений различных величин могут удовлетворять некоторые оптические методы, согласно которым пучок лазерного излучения можно рассматривать как оптический сигнал с определенной частотой, фазой, амплитудой, поляризацией и направлением распространения. При взаимодействии излучения со средой может изменяться любой из этих параметров. Например, поляризация определяется анизотропными свойствами, а фаза - геометрией и показателем преломления среды взаимодействия. Необходимо учитывать также высокую степень когерентности, монохроматичности и спектральной плотности энергии вынужденного излучения.

Несколько в стороне от данного научного направления находится голография - метод получения объемного изображения объекта, основанный на интерференции электромагнитных волн. Однако без когерентного излучения лазеров практическая направленность голографии вряд ли была возможной.

Границы квантовой электроники и лазерной техники определить очень трудно. Это характерно для всех быстро развивающихся наук. Тем не менее, сформулируем предмет лазерной техники, некоторые основы которого будут освещены в дальнейшем.

Лазерная техника - это совокупность научно обоснованных методик расчета, технических решений и средств, позволяющих оптимальным образом создавать схемы и конструкции квантовых приборов, основанных на использовании лазерного излучения.

Квантовые приборы, устройства и системы в основном можно классифицировать следующим образом:

квантовые стандарты длины, частоты и времени;

квантовые усилители оптического (лазерные усилители) и СВЧ-диапазона длин волн (молекулярные, парамагнитные и т. д.);

лазеры;

преобразователи частоты лазерного излучения;

лазерные модуляционные устройства;

лазерные системы (лидары, гирометры, лазерные доплеровские измерители угловой скорости, системы оптической связи, вычислители и т. д.);

лазерные технологические методы и оборудование для обработки материалов, запись и отображение информации, лазерные интегрально-оптические устройства и т. д.

Наиболее обширным классом квантовых приборов являются лазеры, которые в основном классифицируют по трем признакам: режиму работы, типу активной среды и способу накачки.

По режиму работы лазеры делят на генераторы непрерывного излучения (одно-, многомодовые и одночастотные) и лазеры импульсного излучения (режим свободной генерации, модуляции добротности резонатора и моноимпульсный).

В качестве активных элементов для лазеров в настоящее время используют множество веществ. По активной среде лазеры разделяются на четыре группы: твердотельные лазеры (на активированных стеклах, ионных кристаллах, флюоритах, активированных редкоземельными элементами), газовые лазеры (атомарные, молекулярные, газодинамические, ионные, на парах металлов, химические, плазменные и т. д.), жидкостные лазеры (на растворе неорганических соединений, органических соединений), полупроводниковые лазеры (инжекционные, гетероструктурные, с распределенной обратной связью и т. д.).

Для создания инверсии населенностей в активной среде применяют различные методы возбуждения (накачки). По этому признаку лазеры разделяются на лазеры с оптической накачкой, лазеры с химической накачкой, газоразрядные лазеры, лазеры с электронной накачкой, накачкой рентгеновскими лучами, плазменным шнуром, ядерной накачкой.

Современный этап в развитии квантовой электроники и лазерной техники характеризуется внедрением лазерной технологии в промышленное производство, исследованиями лазерного термоядерного синтеза и разработкой устройств когерентной и интегральной оптики.

2. Устройство и принцип действия лазерного дальномера, лазерного гироскопа, лазерного измерителя скорости

квантовый оптоэлектронный лазерный гироскоп

Лазерный дальномер

Среди многочисленных областей применения лазеров перспективным является создание лазерных систем измерения дальности и угловых координат движущихся объектов (кораблей, самолетов, искусственных спутников Земли, планет).

Лазерная локация осуществляется облучением объекта наблюдения (цели) лазерным излучением и приемом части отраженной от этого объекта энергии, несущей полезную информацию о местоположении его в пространстве. Техническими средствами лазерной локации являются высотомеры, дальномеры и лазерные локационные станции (лидары).

С развитием новых, высокоинтенсивных источников излучения, в частности твердотельных лазеров импульсного действия, лазерные локаторы получили широкое распространение. Они используются в бортовых системах управления летательными аппаратами, в метеорологии и геодезии, применяются для картографирования Луны.

Узкая направленность и высокая монохроматичность лазерного излучения позволяют создавать спектральную и пространственную плотность энергии, превышающую аналогичную характеристику радиолокаторов диапазона СВЧ.

Системы лазерной локации обладают преимуществом по сравнению с радиолокаторами: большей точностью измерения доплеровско-го сдвига частот, лучшим разрешением, большей точностью определения координат наблюдаемого объекта. Лазерные дальномеры имеют функциональную схему, аналогичную схеме радиолокатора. Отличие состоит в основном в электронных схемах приема и обработки оптического сигнала и характеристиках излучателя и антенн.

Существует несколько основных методов измерения дальности до неподвижных и подвижных объектов: импульсный, фазовый, интерференционный, базовый и т. д. Рассмотрим первые два из них.

Импульсный метод основан на измерении промежутка времени, необходимого для прохождения импульса излучения до объекта иобратно, по количеству калиброванных импульсов п_и:

ф_зн= n_ИТ = 2D/c D= 0,5cф_зн,

где Т -- период калиброванного импульса.

Погрешность измерения дальности в этом случае приблизительно можно оценить погрешностью измерения времени Дт_зн:

ДD = (DАс/с + 0,5сДт_зн) ? 0,5сДт_зн,

Фазовый метод измерения дальности основан на регистрации запаздывания фазы модулированного сигнала при двойном прохождении измеряемого расстояния. Дальность до объекта в данном случае является функцией разности фаз и частоты модуляции излучения: D = + ц/(2р)], где М -- целое число полных фазовых циклов в общем сдвиге фаз ц (либо целое число длин волн , укладывающихся на расстоянии 2D); ц/(2р) -- дробная часть фазового цикла 0? ц? 2р. Для определения числа М измерения D производят на нескольких частотах.

Рис. 1. Функциональная схема типового импульсного лазерного высотомера (дальномера): 1 -- лазер-излучатель; 2 -- коммутатор: 3 -- телеобъектив; 4 -- объектив с фильтром; 5 -- схема накачки; 6 -- усилитель; 7 -- триггер; 8 -- схема совпадения; 9 -- счетчик; 10 -- индикатор;11 -- фотоэлектронный умножитель; VD -- фотодиод: М1, М2 -- двигатели.

Рассмотрим импульсный лазерный дальномер, предназначенный для измерения расстояния до 160 км с точностью до 1,5 м (см. рис. 1). Рубиновый лазер 1 с длиной волны излучения 0,6943 мкм работает в режиме модуляции добротности, осуществляемом вращающейся призмой БР-180 с помощью электродвигателя ДИД-1. Генерируемые импульсы имеют длительность ~20 нс. Накачка рубина производится системой 5 с импульсной ксеноновой лампой типа ИСП-250. Выходящее излучение направляется на трассу телескопическим объективом 3, уменьшающим угловую расходимость излучения до 1' при одновременном увеличении диаметра пучка до = 20 см.

Отраженное от объекта излучение собирается оптической системой 3 и через объектив и интенференционный оптический фильтр 4 поступает на фотоумножитель 11 (ФЭУ-84). Коммутатор 2 переключает каналы приема -- передачи оптического сигнала. Часть излучения лазера через фотодиод VD типа ФД-256 передается непосредственно в оптоэлектронный канал, минуя трассу, и создает опорный сигнал.

После фотоэлектрического преобразования сигнал усилителем 6 усиливается и из него формируется импульс, под действием которого происходит переброска триггера 7. Стартовый импульс триггера запускает счетное устройство 9. Отраженное от объекта излучение образует на выходе фотоумножителя сигнал, сдвинутый по времени относительно опорного; он также после усилителя-формирователя 6 подается на триггер 7. Под действием этого импульса триггер перебрасывается в исходное состояние и генерирует стоп-импульс, останавливающий счетчик 9. Таким образом, счетное устройство измеряет время задержки ф_зн отраженного светового импульса относительно опорного. В высотомере используются схема совпадения 8 и два кварцевых генератора на 5 и 5,05 МГц. Результат измерения расстояния выдается на цифровой индикатор 10, и в зависимости от времени запаздывания определяется высота объекта Н = ст_зн/2.

Принцип действия, состав и характеристики лазерного гироскопа

В лазерном гироскопе (ЛГ) носителем информации об угловой скорости относительно инерциального пространства является электромагнитное излучение, параметры которого изменяются в зависимости от вектора угловой скорости вращения . Они используются для измерения угловой скорости объектов.

Принцип работы ЛГ можно описать следующим образом. В кольцевом резонаторе под воздействием накачки возбуждаются две электромагнитные волны с частотами н₁ и н₂, распространяющиеся по замкнутому контуру в противоположных направлениях. Эти волны, интерферируя между собой, образуют стоячую волну с узлами и пучностями, так что суммарная амплитуда интенсивности электромагнитных колебаний либо максимальна, либо равна нулю. С помощью специального оптического смесителя -- интерферометра и при наличии внешнего возмущения в виде угловой скорости (t), которую нужно измерять, интерференционную картину можно зафиксировать .

Если кольцевой резонатор привести во вращение, то на основании эффекта Саньяка в смесителе-интерферометре и в оптически связанном с ним фотоприемнике выделяется сигнал разностной частоты F_p ~ (н₁ - н₂) - частота биений, по которой можно четко различить прохождение темносветлых полосок интерференционной картины относительно фотоприемника. Чем быстрее вращается система в целом, тем чаще проходят темные полоски и тем выше частота выходного сигнала.

Таким образом, мерой угловой скорости(t) служит сигнал разностной частоты F_р. Ток фотоприемника усиливается, формируется и преобразуется в электронном тракте в сигнал двоичного кода, который поступает в бортовую ЭВМ и далее, например в контур управления полетом летательного аппарата.

Рис. 2. Структурная схема ЛГ с синусоидальной "подставкой": 1, 11 -- системы стабилизации периметра резонатора и мощности соответственно; 2-- кольцевой лазер (квантовый чувствительный модуль); 3 -- фотодиоды; 4 -- усилители; 5 -- формирователи; 6 -- оптический смеситель; 7 -- схема знака; 8 -- реверсивный счетчик; 9 -- система "подставки"; 10...13 -- системы питания и поджига; (t) -- входное воздействие (измеряемая угловая скорость); СИ -- синхроимпульсы из ЭВМ

Лазерный гироскоп представляет собой многоконтурную взаимосвязанную систему автоматического регулирования, в которую помимо чувствительного модуля (кольцевого лазера) введен целый ряд систем: стабилизации мощности, магнитного поля, частоты, регулировки периметра резонатора. Для создания смещения по частоте, увеличения точности ЛГ и определения знака вводят систему частотной "подставки" и систему обработки информации (рис. 2). Стабилизация устройства основана на методах, обеспечивающих защиту резонатора, цепей питания и выходного сигнала от действия внешних и внутренних электрических и магнитных полей. Используют и другой метод стабилизации -- введение экстремальных адаптивных систем.

Если сформулировать кратко, то ЛГ является квантовый прибор, основанный на физическом эффекте Саньяка и измеряющий угловую скорость объекта в инер-циальном пространстве. Он представляет собой последовательно включенные преобразователи энергии: кольцевой лазер -- квантовый чувствительный модуль механического воздействия; оптические, фотоэлектрические и электронные измерительные преобразователи механических, оптических и электрических сигналов.

Лазерные гироскопы используются, в частности, на спутниках и космических кораблях для контролирования вращения объектов, перемещающихся по орбите. Современные лазерные гироскопы могут фиксировать очень малые угловые скорости - вплоть до тысячных долей градуса в час.

Доплеровские измерители скорости

Область применения

Одной из важных проблем газовой динамики является определение поля скоростей при обтекании моделей различных тел турбулентным потоком газа, а также получение визуальной картины процесса обтекания. Эта проблема решается различными способами. Например, скорость потока газовой среды определяется с помощью манометров с насадками, регистрирующими давление, и термоанемометров, а визуализация осуществляется теневым методом. В поток, обтекающий модель, вводится нагреваемая электрическим током проволока, и по степени ее охлаждения определяется скорость газа в данной точке. Недостаток этих методов заключается в конечных размерах датчиков, возмущающих анализируемый объем потока, что отрицательно сказывается на точности измерения и качестве визуальной картины.

С развитием лазерной техники появилась возможность создания устройств для измерения вектора скорости движущейся среды, использующих доплеровский эффект сдвига частоты при рассеянии коллимированных пучков излучения лазера движущимися частицами среды. Этот принцип положен в основу работы лазерных доплеровских измерителей скорости (ЛДИС) -- перспективных устройств, обладающих рядом преимуществ по сравнению с традиционными измерителями: например, отсутствием искажения потока в точке измерения; весьма широким динамическим диапазоном измеряемых скоростей (10^-6... ...10⁶ м/с); хорошим пространственным разрешением (10^-10см³); непосредственным измерением скорости, не требующим последующей математической обработки информации. К существенным ограничениям принципа следует отнести то, что исследуемая среда должна быть оптически прозрачной и содержать рассеивающие частицы оптимальных размеров и с оптимальными оптическими свойствами. Эффект Доплера, используемый в этих устройствах, заключается в изменении длины волны (частоты), которое наблюдается при движении источника излучения относительно приемника. Этот эффект характерен для любого волнового процесса распространения света, радиоволн, звука и имеет следующее объяснение. Если источник колебаний с периодом Т₀ (частотой V₀ = 1/Т₀) неподвижен относительно приемника, то длина волны, воспринимаемая приемником, равна произведению скорости света с на период колебаний Т₀. Если же источник, например, будет приближаться к наблюдателю (или наблюдатель к источнику) со скоростью х, то длина волны изменится:

л= (с -- х) Т₀ = л₀ (1 -- х/с),

наблюдатель зарегистрирует длину волны л < л₀, причем относительное изменение длин волн

Все многообразие различных схем ЛДИС можно разделить на два типа- схемы с опорным лучом и дифференциальные схемы.

Схемы ЛДИС с опорным лучом.

Разработка первого ЛДИС по схеме с опорным лучом относится к середине 60-х годов . Работал он следующим образом. Луч газового лазера 1 с частотой излучения х₀ и волновым вектором к₀ = 2р/л₀ падает на частицы среды в точке А (рис.3 а, б), которые движутся в анализируемом пространстве со скоростью х и рассеивают свет. Рассеянные лучи с частотой н_р волновым вектором _р = 2р/л_р собираются на фотокатоде приемника. Часть начального пучка лазера отклоняется полупрозрачным зеркалом 2, отражается зеркалом 3, затем попадает на полупрозрачное зеркало 4 и совмещается с рассеянным излучением. Если на чувствительном слое фотокатода волновые фронты обоих пучков совпадают, то выходной ток фотоумножителя будет содержать компоненту разностной частоты н_D = н_р-- н₀. Таким образом выделяется полезный сигнал доплеровской частоты.

Рис. 3.Варианты схемы ЛДИС с опорным лучом (я, б) и треугольник волновых векторов _р, ₀, (в).

Преобразование оптического сигнала в электрический. В схеме на рис.3, а на фотоумножитель падают две волны: опорная с напряженностью электрического поля

Е_о (t) = Е_отехр(- jщ₀t)

и рассеянная

Е_р (t) = Е_pтехр(- jщ_pt)

где Еот, Ерт -- амплитуды интерферирующих волн.

Преобразованный электрический сигнал зависит от чувствительности фотоумножителя и контраста интерференционной картины смешиваемых волн

i_ф (t) = g_ф ? g_ф ,(1)

где g_ф-- коэффициент усиления фотоумножителя.

Из анализа (1) следует, что выходной ток содержит постоянную составляющую, определяемую квадратом амплитуд Ер и Е²₀, и переменную составляющую, промодулированную частотой, равной разности частот опорного и рассеянного сигналов от двух интерферирующих волн. Эта разность и равна доплеровскому смещению частоты н_D = ()/(2р).

Вкратце остановимся на особенностях схемы ЛДИС с опорным лучом. В ней доплеровский сигнал имеет максимальное значение только в том случае, если соблюдается совмещение опорной и рассеянной волн, т. е. если выполняется условие оптического гетеродинирования:

A_эф ДЩ ~ ,

где A_эф ДЩ -- светосила (так называемое французскими оптиками "этандю" -- геометрия данной оптической системы, которая может принять и пропустить далее определенную порцию энергии излучения); A_эф --эффективная площадь фотокатода приемника; ДЩ -- телесный угол, под которым виден анализируемый объем со стороны апертуры приемника.

Для гелий-неонового лазера, применяемого в качестве излучателя, показано, что A_эф ДЩ / = (рN_Ф)², гдеN_ф-- число Френеля. Отсюда, чем больше площадь фотокатода приемника, тем в меньшем телесном угле захватывается излучение, что накладывает ограничения на прием сигнала, несущего информацию о скорости. Это условие требует совмещения на фотокатоде волновых фронтов с точностью до долей длины волны; поэтому такая схема критична к настройке.

В действительности мощности опорной и рассеянной волн неодинаковы. Требуются определенные оптимальные соотношения мощностей этих излучений, т. е. необходимо вводить дополнительные оптические элементы для ослабления энергии опорной волны.

Список литературы

1. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - К.: Выща школа, 1988.

2. Смирнов А.Г. Квантовая электроника и оптоэлектроника. - Мн.: Высш. шк., 1987.

3. Тарасов Л.В. Лазеры и их применение.- М.: Радио и связь, 1983.

4. Свечников С.В. Оптическая электроника.- К.: "Знание",1969.

Размещено на Allbest.ru