МОУ «Средняя
Общеобразовательная школа № 35»
Экзаменационная работа по физике
на тему:
«Лазеры. Основа устройства и
применения»
Выполнила:
ученица 11 «А» класса
Репина Н. Р.
Проверила:
Кислицына Н. Г.
Чебоксары 2008
Содержание:
Введение
Определение лазера
Причина удивительных свойств лазерного луча.
Когерентный свет.
а) Анатомия лазера
б) Типы лазеров:
– газоразрядные;
– эксимерные;
– элетроионизационные;
– химические;
4. Применение лазеров в военном деле
а) Лазерная локация
– характерные параметры
б) Наземные лазерные дальномеры и
их применение в армии
Лазеры в медицине
Применение технологии в обработке металлов
а) Возможности применения лазеров для обработки
материалов
б) Лазерная термообработка материалов
в) Лазерная сварка
г) Резка металлов лазерным лучом
д) Пробивка отверстий лазером
Экспериментальная работа
Заключение
Список литературы
1. ВВЕДЕНИЕ
Уже самое начало ХХ века было отмечено величайшими достижениями
человеческого ума. 7 мая 1895 г. на заседании Русского
физико-химического общества Попов А.С. продемонстрировал
изобретенное им устройство связи без проводов, а год спустя
аналогичное устройство связи без проводов, а год спустя
аналогичное устройство предложил итальянский техник и предприниматель
Г.Маркони. Так родилось радио. В конце уходящего века бал
создан автомобиль с бензиновым двигателем, который пришел на смену
изобретенному еще в ХVШ веке паровому автомобилю. Не менее
потрясающим оказались достижения в физике. Только за одно десятилетие
на рубеже двух веков было сделано пять открытий. В 1895 году
немецкий физик Рентген открыл новый вид излучения, названный позднее
его именем. В 1896г. французский физик Антуан Анри Беккерель открыл
явление радиоактивности, в 1897году английский физик Дж. Дж. Томсон
открыл электрон и в следующем году измерил его заряд, 14 декабря 1900
года на заседании немецкого физического общества Макс Планк
дал вывод формулы для испускательной способности черного тела,
этот вывод опирался на совершенно новые идеи, ставшие фундаментом
квантовой теории – одной из основных физических теорий ХХ века. В
1905г. молодой А.Эйнштейн – ему тогда было всего 26 лет – опубликовал
специальную теорию относительности. Все эти открытия производили
ошеломляющее впечатление и многих подвергали в замешательство –
они никак не укладывались в рамки существования физики, требовала
пересмотра ее основных представлений. Едва начавшись, новый век
возвестил о рождении новой физики, обозначил невидимую грань, за
которой осталась прежняя физика, получившая отныне название
«классическая».
Новые фундаментальные знания привели и к новым
техническим достижениям. Началось то, что мы сегодня называем
научно-технической революцией. Развитие вакуумной, а позднее – с
начала 50-х годов – полупроводниковой электроники позволило
создать совершенные системы радиосвязи, радиоуправления,
радиолокации. В 1948 году был изобретен транзистор, в начале 60-х
годов на смену ему пришли интегральные схемы – родилась
микроэлектроника. Развитие атомной и ядерной физики привело к
созданию атомной электростанции (с1954г) и судов с атомными
двигателями (с 1959г). Телевидение, быстродействующие
вычислительные машины, разнообразные компьютеры, промышленные роботы
– такова наша сегодняшняя действительность.
Первый лазер был создан в 1960 году – и сразу началось
бурное развитие лазерной техники. В сравнительно короткое время
появились различные типы лазеров и лазерных устройств,
предназначенных для решения конкретных научных и технических задач.
Человек никогда не хотел жить в темноте, он изобрел
много разнообразных источников света – от канувших в прошлое
стеариновых свечей, газовых рожков, и керосиновых ламп до ламп
накаливания и ламп дневного света, которые сегодня освещают наши
улицы и дома. И вот появился еще один источник света – лазер.
Этот источник света совершенно необычен. В отличие от всех
других источников, он вовсе не предназначается для освещения. Конечно,
при желании лазеры могут применяться в качестве экстравагантных
светильников. Однако использовать лазерный луч в целях освещения
столь же нерационально, как отапливать комнату сжигаемыми в камине
ассигнованиями. В отличие от других источников света лазер генерирует
световые лучи, способные гравировать, сваривать резать материалы,
передавать информации, осуществлять измерения, контролировать процесс,
получать особо чистые вещества, направлять химические реакции…
Так что это поистине удивительные лучи.
2.Определение лазера
Ла?зер ( HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D0%B3%D0%BB%D0%B8%D0%B9%D1%81
%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA” \o “Английский язык” англ.
LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,
«Усиление HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%82” \o “Свет” света
с помощью HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%8B%D0%BD%D1%83%D0%B6%D0%B4%D0%B5
%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B
8%D0%B5” \o “Вынужденное излучение” вынужденного излучения ») —
устройство, использующее HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2
%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B5%D1%85%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0” \o
“Квантовая механика” квантовомеханический эффект вынужденного
(стимулированного) излучения для создания HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%B3%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD
%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C” \o “Когерентность” когерентного
потока света. HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D1%83%D1%87” \o “Луч” Луч лазера
может быть непрерывным, с постоянной HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BC%D0%BF%D0%BB%D0%B8%D1%82%D1%83
%D0%B4%D0%B0” \o “Амплитуда” амплитудой , или HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BC%D0%BF%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%81
” \o “Импульс” импульсным , достигающим экстремально больших пиковых
мощностей. Во многих конструкциях рабочий элемент лазера используется в
качестве оптического усилителя для излучения от другого источника.
Усиленный сигнал очень точно совпадает с исходным по HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B0_%D0%B2%D0%B
E%D0%BB%D0%BD%D1%8B” \o “Длина волны” длине волны , HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B7%D0%B0” \o “Фаза” фазе
и HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%B8%D0%B7
%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F” \o “Поляризация” поляризации , что очень
важно в устройствах оптической связи.
Обычные источники света, такие как HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%BC%D0%BF%D0%B0_%D0%BD%D0%B
0%D0%BA%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F” \o “Лампа
накаливания” лампа накаливания , излучают свет в разных направлениях с
широким HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%94%D0%B8%D0%B0%D0%BF%D0%B
0%D0%B7%D0%BE%D0%BD&action=edit&redlink=1” \o “Диапазон (страница
отсутствует)” диапазоном длин волн. Большинство из них также
некогерентны, то есть фаза излучаемой ими электромагнитной волны
подвержена случайным HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BB%D1%83%D0%BA%D1%82%D1%83%D0%B0
%D1%86%D0%B8%D1%8F” \o “Флуктуация” флуктуациям . Излучение обычного
источника не может, без применения специальных мер, дать устойчивую
HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BD%D1%82%D0%B5%D1%80%D1%84%D0%B5
%D1%80%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%8F” \o “Интерференция”
интерференционную картину. Кроме того, излучение нелазерных источников
обычно не обладает фиксированой поляризацией. Напротив, излучение лазера
HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D1%85%D1%80%D0%BE
%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C” \o
“Монохроматичность” монохроматично и когерентно, то есть имеет
постоянную длину волны и предсказуемую фазу, а также хорошо определённую
поляризацию.
С другой стороны, некоторые типы лазеров, например жидкостные
HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80_%D0%BD%D0%B
0_%D0%BA%D1%80%D0%B0%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8F%D1%85” \o
“Лазер на красителях” лазеры на растворах красителей или
полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор
частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне;
это свойство делает возможной генерацию сверхкоротких импульсов порядка
нескольких фемтосекунд (10?15 с) с помощью синхронизации мод.
Лазеры созданы на стыке двух наук — квантовой механики и HYPERLINK
“http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8
%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0” \o “Термодинамика” термодинамики
, но фактически, многие типы лазеров были созданы методом проб и ошибок.
3. ПРИЧИНА УДИВИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ЛАЗЕРА.
КОГЕРЕНТНЫЙ СВЕТ.
Для объяснения свойств лазера в научном языке есть специальный
термин – когерентность. Ученые скажут, что свет от лампы накаливания
некогерентен, а лазерное излучение когерентно – и все им понятно.
Человеку же, недостаточно просвещенному в области физики, надо
очевидно, пояснить, что такое некогерентный или когерентный свет.
В общих чертах такое пояснение дать вроде бы несложно. Вполне
понятно, что поток света, распространяющийся от любого источника,
есть суммарный результат высвечивания великого множества
элементарных излучателей, каковыми являются отдельные атомы или
молекулы светящегося тела. В случае лампы накаливания каждый
атом-излучатель высвечивается, никак не согласуясь с другими
атомами-излучателями, поэтому в целом получается световой поток,
который можно называть внутренне непорядочным, хаотическим. Это есть
некогорентный свет. В лазере же гигантское количество атомов
излучателей высвечивается согласованно, в результате возникает
внутренне упорядоченный световой поток. Это есть когерентный свет.
Когда мы говорим о лазерном луче, то обычно представляем себе
яркий и тонкий световой шнур или световую нить. Нечто подобное можно
увидеть в действительности если включить гелий-неоновый лазер.
Правда, этот лазер маломощный настолько, что его луч можно спокойно,
ловить, в руку. К тому же луч не ослепительно белый, а сочного
красного цвета. Чтобы он был лучше виден, надо создать в лаборатории
полумрак и легкую задымленность. Луч почти не расширяется и
везде имеет практически одинаковую интенсивность. Можно разместить
на его пути ряд зеркал и заставить его описать сложную
изломанную траекторию в пространстве лаборатории. В результате
возникнет эффективное зрелище – комната, как бы,
перечеркнутая, в разных направлениях яркими красными прямыми нитями.
Однако не всегда лазерный луч выглядит столь эффектно. Например,
луч СО2 – лазера вообще невидим – ведь его длина волны попадает в
инфракрасную область спектра. Кроме того, не следует думать, что
лазерный луч – это обязательные непрерывный поток световой
энергии. В большинстве случаев лазеры генерируют не непрерывный
световой пучок, а световые импульсы.
3.1. Анатомия лазера.
Лазеры отличаются большим разнообразием. Существует огромное число
разных типов лазеров, они различаются не только характеристиками
генерируемого ими излучения, но также внешним видом, размерами,
особенностями конструкции.
”Сердце лазера” – его активный элемент. У одних лазеров он
представляет собой кристаллический или стеклянный стержень
цилиндрической формы. У других – это отпаянная стеклянная трубка, внутри
которой находится специально подобранная газовая смесь. У третьих –
кювета со специальной жидкостью. Соответственно различают лазеры
твердотельные, газовые и жидкостные.
Твердотельные лазеры:
Существует большое количество твердотельных лазеров, как импульсных, так
и непрерывных. Наибольшее распространение среди импульсных получили
лазер на рубине и неодимовом стекле (стекле с примесью Nd). Неодимовый
лазер работает на длине волны l = 1,06 мкм. Оказалось возможным
изготовлять сравнительно большие и достаточно оптически однородные
стержни длиной до 100 см и диаметром 4—5 см. Один такой стержень
способен дать импульс генерации с энергией 1000 дж за время ~ 10?3 с.
Лазер на рубине, наряду с лазером на неодимовом стекле, являются
наиболее мощными импульсными лазерами. Полная энергия импульса генерации
достигает сотен дж при длительности импульса 10?3 с. Оказалось также
возможным реализовать режим генерации импульсов с большой частотой
повторения (до нескольких кгц). Примером твердотельных лазеров
непрерывного действия являются лазеры на флюорите кальция CaF2 с
примесью диспрозия Dy и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате Y3Al5O12
с примесями различных редкоземельных атомов. Большинство таких лазеров
работает в области длин волн l от 1 до 3 мкм. Типичное значение мощности
генерации твердотельных лазеров в непрерывном режиме ~ 1 вт или долей
вт, для лазеров на иттриево-алюминиевом гранате ~ десятков вт. Если не
принимать специальных мер, то спектр генерации твердотельных лазеров
сравнительно широк, т.к. обычно реализуется многомодовой режим
генерации. Однако введением в оптический резонатор селектирующих
элементов удаётся получать и одномодовую генерацию. Как правило, это
связано со значительным уменьшением генерируемой мощности. Трудности
выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов
однородного и прозрачного стекла привели к созданию жидкостных лазеров,
в которых примеси атомов редкоземельных элементов вводятся не в
кристаллы, а в жидкость. Однако жидкостные лазеры имеют недостатки и
поэтому применяются не столь широко, как твердотельные лазеры.
Жидкостный лазер:
Лазер с жидким активным веществом. Преимущество жидкостных лазеров —
возможность циркуляции жидкости с целью её охлаждения. Это позволяет
получить большие энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном
режимах.
Во-первых, житкостный лазер использовались растворы редкоземельных
хелатов. Они пока не нашли применения вследствие малости достижимой
энергии и недостаточной химической стойкости хелатов. Жидкостные лазеры,
работающие на неорганических активных жидкостях, предложенных и
синтезированных в СССР, обладают большими импульсными энергиями при
значительной средней мощности. При этом Жидкостные лазеры генерируют
излучение с узким спектром частот. Интересными особенностями обладают
Жидкостные лазеры, работающие на растворах органических красителей.
Широкие спектральные линии люминесценции органических красителей
позволяют осуществить Жидкостные лазер с непрерывной перестройкой длин
волн излучения в диапазоне порядка несколько сотен. Заменяя красители,
можно обеспечить перекрытие всего видимого и части инфракрасного
участков спектра. В Жидкостных лазерах на красителях в качестве
источника накачки обычно используются твердотельные лазеры. Для
некоторых красителей можно использовать накачку от специальных
импульсных газосветных ламп, дающих более короткие интенсивные вспышки
белого света, чем обычные импульсные лампы (менее 50 мксек).
Газовые лазеры (лазер со2):
Основным достоинством газов как активной среды лазера является высокая
оптическая однородность. Поэтому для тех научных и технических
применений, для которых, прежде всего, необходимы максимально высокая
направленность и монохроматичность излучения, газовые лазеры
представляют наибольший интерес. Вслед за первым газовым лазером на
смеси гелия и неона (1960) было создано большое количество разнообразных
газовых лазеров, в которых используются квантовые переходы нейтральных
атомов, молекул и ионов, имеющих частоты в диапазоне от ультрафиолетовой
до далёкой инфракрасной частей спектра. Среди лазеров непрерывного
действия видимой и ближней инфракрасной областей спектра наибольшее
распространение получил гелий-неоновый лазер. Этот лазер представляет
собой заключённую в оптический резонатор газоразрядную трубку,
заполненную смесью Не и Ne. В излучении газовые лазеры наиболее
отчётливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая
направленность и монохроматичность. Существенным достоинством является
их способность работать в непрерывном режиме. Применение новых методов
возбуждения и переход к более высоким давлениям газа могут резко
увеличить мощность газового лазера. С помощью газового лазера возможно
дальнейшее освоение далёкого инфракрасного диапазона, диапазонов
ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Открываются новые области
применения газового лазера, например в космических исследованиях.
3.2. Типы лазеров.
Продолжая знакомиться с лазерами, совершим экскурсию по
обширному лазерному хозяйству. Остановимся на некоторых типах лазеров.
Газоразрядные лазеры. Так называют лазеры на разряженных
газовых смесях (давление смеси 1-10мм рт. cт.), которые возбуждаются
самостоятельным электрическим разрядом. Различают три группы
газоразрядных лазеров:
-лазеры, в которых генерируемое излучение рождается на
переходах между энергетическими уровнями свободных ионов (применяется
термин “ионные лазеры”).
– лазеры, генерирующие на переходах между уровнями свободных
атомов.
-лазеры, генерирующие на переходах между уровнями молекул
(так называемые молекулярные лазеры).
Из огромного числа газоразрядных лазеров выделим три:
гелий-неоновый (как пример лазера, генерирующего на переходах в атомах),
аргоновый (ионовый лазер) и СО2- лазер (молекулярный лазер).
Гелий – неоновой лазер имеет три основных рабочих перехода, на
длинах волн 3,39 и 1,15 и 0,63 мкм.
В аргоновом лазере генерация происходит на переходах между
уровнями однократного иона аргона (Ar+) основными являются переходах на
длинах волн 0,488 (голубой цвет) и 0,515 мкм (зеленый цвет).
Генерация в СО2 -лазере происходит на переходах между
колебательными уровнями молекулы углекислого газа (СО2) основными
являются переходы на длинах волн 9,6 и 10,6 мкм. Основными
составляющими газовой смеси являются углекислый газ и молекулярный
азот.
Эксимерные лазеры. Так называют газовые лазеры, генерирующие
на переходах между электронными состояниями эксимерный (разлетных)
молекул. К таким молекулам относятся, например молекулы Ar2, Kr2, Xe2
, ArF, KrCl, XeBr и др. Эти молекулы содержат атомы инертных газов.
Заметим, что в эксимерных лазерах реализованы наиболее низкие
значения генерируемых длин волн. Так в лазере на молекулах Хе2
наблюдалась генерация на длине волн 0,172 мкм, в лазере на молекулах Kr2
0,147 мкм, в лазере на Ar2 0,126 мкм.
Электроионизационные лазеры. В качестве ионизирующего
излучения используют ультрафиолетовое излучение, электронный пучок
из ускорителя, пучки заряженных частиц, являющихся продуктами ядерных
реакций.
Химические лазеры. Реакции идущие с высвобождением энергии,
называют экзоэнергетичсекими. Они-то и представляют интерес для
химических лазеров. В этих лазерах, высвобождающаяся при химических
реакциях, идет на возбуждение активных центров и, в конечном счете,
преобразуется в энергию когерентного света.
Приведем пример реакций замещения, которые используются в
химических лазерах:
F + H2 -> HF* + H , F + D2 ->DF* + D, H + Cl2 -> Hcl* + Cl,
Cl + HJ – > HCl* + J
Звездочка указывает на то, что молекула образуется в
возбужденном колебательном состоянии.
4. Применение лазеров в военном деле
К настоящему времени сложилась основные направления, по которым идет
внедрение лазерной техники в военное дело. Этими направлениями являются:
1. Лазерная локация (наземная, бортовая, подводная).
2. Лазерная связь.
3. Лазерные навигационные системы.
4. Лазерное оружие.
5. Лазерные системы ПРО и ПКО, создаваемые в рамках
стратегической
оборонной инициативы – СОИ.
Сейчас, получены такие параметры излучения лазеров, которые способны
существенно повысить тактико-технические данные различных образцов
военной аппаратуры (стабильность частоты порядка 10?14, пиковая
мощность 10?12 Вт, мощность непрерывного излучения 104 Вт, угловой
раствор луча 10?6 рад, t=10?12 с, … =0,2…20 мкм.
4.1 ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ
Лазерной локацией называют область оптикоэлектроники,
занимающегося обнаружением и определением местоположения различных
объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона,
излучаемого лазерами. Объектами лазерной локации могут быть танки,
корабли, ракеты, спутники, промышленные и военные сооружения.
Принципиально лазерная локация осуществляется активным методом. Нам
уже известно, что лазерное излучение отличается от температурного
тем, что оно является узконаправленным, монохраматичным, имеет
большую импульсивную мощность и высокую спектральную яркость. Все это
делает оптическую локацию конкурентноспособной в сравнении с
радиолокаций, особенно при ее использовании в космосе (где нет
поглощающего воздействия атмосферы) и под водой (где слоя ряда волн
оптического диапазона существуют окна прозрачности).
В основе лазерной локации, так же как и радиолокации, лежат
три основных свойства электромагнитных волн:
1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон, на котором
она расположена, по-разному отражают упавшее на них излучение.
Лазерное излучение отражается от всех предметов: металлических и
неметаллических, от леса, пашни, воды. Более того, оно отражается от
любых объектов, размеры которых меньше длины волны, лучше, чем
радиоволны. Это хорошо известно из основной закономерности отражения,
по которой следует, что чем короче длина волны, тем лучше она
отражается. Мощность отраженного в этом случае излучения обратно
пропорциональна длине волны в четвертой степени. Лазерному
локатору принципиально присуща и большая обнаружительная
способность, чем радиолокатору – чем, короче волна, тем она выше.
Поэтому-то проявлялась по мере развития радиолокации тенденция перехода
от длинных волн к более коротким. Однако изготовление генераторов
радиодиапазона, излучающих сверх короткие радиоволны, становилось все
более трудным делом, а затем и зашло в тупик.
Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации.
2.Способность распространяться прямолинейно. Использование
узконаправленного лазерного луча, которым производиться
просмотр пространства, позволяет определить направление на объект
(пеленг цели).
Это направление находят по расположению оси оптической системы,
формирующей лазерное излучение (в радиолокации – по направлению
антенны). Чем уже луч, тем с большей точностью может быть определен
пеленг. Определим коэффициент направленного действия, и диаметр антенны
по следующей простой формуле,
G = 4п * S / 2
где G – коэффициент направленного действия , S – площадь антенны,
м2, / – длина волны излучения мкм.
Простые расчеты показывают – чтобы получить коэффициент
направленности около 1,5 при пользовании радиоволн сантиметрового
диапазона, нужно иметь антенну диаметром около 10м. Такую антенну
трудно поставить на танк, а тем более на летательный аппарат. Она
громоздка и нетранспортабельна. Нужно использовать более короткие
волны.
Угловой раствор луча лазера, изготовленного с
использованием твердотельного активного вещества, как известно,
составляет всего 1,0 – 1,5 градуса и при этом без дополнительных
оптических фокусирующих систем (антенн). Следовательно, габариты
лазерного локатора могут быть значительно меньше, чем аналогического
радиолокатора. Использование же незначительных по габаритам
оптических систем позволит сузить луч лазера до нескольких угловых
минут, если в этом возникнет необходимость.
3. Способность лазерного излучения распространяться с
постоянной скоростью дает возможность определять дальность до
объекта. Так при импульсном методе дальнометрирования используется
следующее соотношение:
L = ct и2
где L – расстояние до объекта, км, С – скорость
распространения излучения км/с, t и – время прохождения импульса до
цели и обратно, с.
Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная
точность измерения дальности определяется точностью измерения времени
прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Совершенно ясно,
что чем, короче импульс, тем лучше (при наличии хорошей полосы
пропускания, как говорят радисты). Но нам уже известно, что самой
физикой лазерного излучения заложена возможность получения импульсов с
длительностью 10?7 – 10?8 с.
А это обеспечивает хорошие данные лазерному локатору.
Какими же параметрами принято характеризовать локатор? Каковы
его паспортные данные? Рассмотрим некоторые из них.
Прежде всего, зона действия. Под ней понимают область
пространства, в которой ведется наблюдение. Ее границы
обусловлены максимальной и минимальной дальности действия и пределами
обзора по углу места и азимуту. Эти размеры определяются назначением
военного лазерного локатора.
Другим параметром локатора является время обзора. Под ним
понимается время, в течение которого лазерный луч приводит
однократный обзор заданного объема пространства.
Следующим параметром локатора являются определяемые координаты.
Они зависят от назначения локатора. Если он предназначен для
определения местонахождения наземных и надводных объектов, то
достаточно измерять две координаты: дальность и азимут. При наблюдении
за воздушными объектами нужны три координаты. Эти координаты
следует определять с заданной точностью, которая зависит от
систематических и случайных ошибок. Будем пользоваться таким понятием,
как разрешающая способность. Под разрешающей способностью
понимается возможность раздельного определения координат близко
расположенных целей. Каждой координате соответствует своя
разрешающая способность. Кроме того, используется такая
характеристика, как помехозащищенность. Это способность лазерного
локатора работать в условиях естественных (Солнце, Луна) и
искусственных помех.
И весьма важной характеристикой локатора является надежность.
Это свойство локатора сохранять свои характеристики и
установленных пределах в заданных условиях эксплуатации.
Функциональную схему типового лазерного локатора рассмотрим на примере
приборов класса Airborne Laser Terrain Mapper (ALTM) производства
компании Optech Inc., мирового лидера в этой области.
Основные функциональные компоненты типового воздушного лидара
обсуждались выше. Повторим полученные выводы теперь уже применительно к
прибору класса ALTM. Основные функциональные компоненты схемы,
реализующей лазерно-локационный метод измерения, сведены в таблице
Таблица 1. Основные структурные компоненты схемы, реализующей
лазерно-локационный метод измерения
Компонент Функции
Сканирующий блок Генерация лазерных импульсов, прием отраженного сигнала
и определение наклонной дальности до точки отражения, управление
разверткой.
Бортовой навигацион-ный комплекс (БНК) Обеспечение каждого первичного
измерения полным набором элементов внешнего ориентирования.
Сеть наземных базовых GPS станций Проведения дифференциальной коррекции
траекторных данных бортового GPS приемника.
При этом сканирующий блок и бортовой навигационный комплекс относятся к
воздушному сегменту схемы, а сеть наземных базовых GPS станций – к
наземному сегменту.
Функциональная схема бортовой части лазерного локатора изображена на
рисунке:
Рассмотрим схему информационного взаимодействия основных структурных
компонентов.
Бортовой навигационный комплекс (БНК) вырабатывает последовательность
навигационных данных по траектории движения носителя X, Y, Z и углам
ориентации H, R, P в СК WGS-84. Эти данные, как правило, генерируются с
частотой 50-200 Гц. Навигационные данные так же, как и дальномерные
данные, вырабатываемые сканерным блоком, через SCSI или Ethernet
интерфейс поступают на бортовой магнитный регистратор. Здесь необходимо
сделать два замечания касательно режима работы БНК:
1) указанные на схеме навигационные данные X, Y, Z и R, P, H являются
окончательным результатом навигационного решения, полученного в реальном
времени. Кроме них, регистрируется множество другой вспомогательной
информации, отражающей внутреннюю работу навигационного комплекса.
Впоследствии в ходе наземной постобработки эта информация используется
для получения уточненного навигационного решения;
2) часто GPS приемник, входящий в состав навигационного комплекса,
выполняет самостоятельную регистрацию своих данных на собственный
носитель.
Другой функцией навигационного комплекса является временная
синхронизация работы всех компонентов локатора. Синхронизация
выполняется за счет выработки БНК импульса синхронизации, который
подается на все внутренние устройства локатора. Для этой цели
используется стандартный PPS импульс, вырабатываемый GPS приемником,
который, таким образом, является источником бортового GPS времени.
Важно, что секундные импульсы вырабатываются GPS приемником с
достаточной точностью в реальном времени [Шануров, Мельников, 2001],
т.е. без дифференциальной коррекции. Описанный режим синхронизации имеет
большое значение для всего бортового информационно-измерительного
комплекса в целом. Он позволяет отказаться от выполнения аппаратной
синхронизации всех источников информации, как это делалось ранее при
создании летающих лабораторий. Вместо этого любая порция данных
снабжается временной меткой, согласованной с источником абсолютного GPS
времени, в результате чего любая порция данных, записываемая на
регистратор, оказывается полностью определенной во временном отношении,
а фактическая синхронизация потоков данных осуществляется в результате
наземной постобработки. Это обстоятельство имеет два главных
практических последствия:
1) значительно разгружается электронный блок локатора, точнее, та его
часть, которая отвечает за формирование единого кадра системы;
2) возможности бортового информационно-измерительного комплекса могут
быть существенно расширены за счет комплексирования ЛЛ с другими
(внешними по отношению к локатору) источниками данных. При этом нет
необходимости аппаратно включать новый поток данных в кадр локатора.
Достаточно синхронизировать его с абсолютным GPS временем. Примером
подобного подхода является совместное использование ЛЛ и цифровых
аэрофотоаппаратов. Другим возможным практически значимым примером может
явиться комплексирование с тепловизионной или спектрозональной
аэросъемочной аппаратурой.
Перейдем к рассмотрению сканирующего блока. Сканирующий блок использует
концепцию приемопередатчика, характерную для многих оптико-электронных
активных систем, используемых в авиационном дистанционном зондировании.
В структуре сканирующего блока можно выделить следующие компоненты:
1)излучатель;
2)приемник;
3)оптическаясистема;
4)дискретизатор и аналогоцифровой преобразователь (АЦП), совместно
выполняющие функции модуля измерения дальности.
В качестве излучателя используется твердотельный лазер типа YLF,
работающий в импульсном режиме. Рассматриваемая модель лазера
использовалась в первых моделях лидаров типа ALTM. В таблице 2 приведены
основные технические параметры лазера типа Q-switched, серия 7960.
Таблица 2. Основные технические параметры лазера
Параметр Значение
Мощность накачки, мВт 2000
Активная среда YLF
Модель лазера 7960-L4-E
Рабочая длина волны, нм 1047
Энергия импульса, мкДж 140
Ширина импульса, нс 100:1
Пространственный тип TEM00
Стабильность выходных параметров –
Стабильность энергии импульса –
СКО 1%
3? ± 2%
Стабильность пиковой мощности импульса –
СКО 2%
3? ± 5%
На рисунке 2 показана типовая диаграмма полной энергии импульса в
зависимости от частоты генерации.
Рабочая длина волны лазерного излучения составляет 1047 нм, что
соответствует ближнему инфракрасному диапазону. В результате этого:
1) лазерный локатор оказывается чрезвычайно чувствительным к
метеорологическому состоянию атмосферы и наличию механических примесей,
которые значительно ослабляют сигнал, а в некоторых случаях делают
съемку невозможной. Однако еще раз заметим, что зависимость лидаров типа
ALTM от состояния атмосферы существенно меньше, чем у приборов,
использующих лазеры, работающих на длине волны около 1.5 мкм;
2) лазерное излучение на этой длине волны является наиболее опасным для
зрения, т.к. может вызвать ожог сетчатки. В силу этого вводятся
ограничения на минимальную высоту полета, которая в зависимости от
модели лидара при максимальной мощности излучения составляет 300-500 м.
Это обстоятельство является дополнительным ограничением при планировании
аэросъемочных работ.
Значение полной энергии импульса и средней мощности (определяемое как
отношение полной энергии к длительности) косвенно определяют такой
важный параметр как максимально возможная высота съемки. Для модели
ALTM-3100 паспортное значение составляет 3500 м, однако на практике в
условиях ясной атмосферы возможна съемка и с больших высот с потерей не
более 10% импульсов.
Эффективный диаметр луча увеличивается после выхода из лазера с помощью
коллиматора до нескольких миллиметров, что позволяет снизить его
расходимость до примерно 0.3 мрад. Окончательное значение расходимости d
играет важную роль, так как определяет размер пятна по формуле d*H, где
H – рабочая высота полета. Понятно, что это значение лимитирует точность
и разрешающую способность ЛЛ метода съемки. Из рисунка 18 видно, что,
начиная с некоторого значения, увеличение частоты генерации импульсов
приводит к быстрому падению полной энергии импульса и увеличению его
ширины. Ясно, что это имеет следствием падение соотношения сигналшум и
негативно сказывается на вероятности регистрации отраженного импульса.
Это обстоятельство учитывается при выборе рабочего значения частоты
генерации.
Что касается типовой формы лазерного импульса, то здесь следует отметить
следующее:
1) с точки зрения точности определения наклонной дальности, как показано
ниже, решающее значение имеет крутизна переднего фронта импульса и его
стабильность. Это, безусловно, верно при регистрации первого отраженного
импульса;
2) длительность импульса сказывается на разрешающей способности по
дальности. Так, при нормативной ширине импульса в 15 нс длина “мертвой
зоны” составляет 15*10-9с * 3*108м/с = 0.45 м. Все отражения на
интервале этой длине, следующим за первым отражением, будут потеряны.
Временная диаграмма процесса измерения наклонной дальности изображена на
рисунке 3.
По переднему фронту исходящего импульса запускается счетчик блока
измерения дальности TIM. На рисунке 3 ось TIM для наглядности размечена
в единицах дальности, а не времени. Понятно, что переход от одной шкалы
к другой осуществляется по формуле D = c*t, где c – скорость света в
вакууме. Для режима работы TIM блока, изображенного на рисунке 19, блок
TIM ожидает прихода отраженных импульсов до момента времени,
соответствующего 5000 м, т.е. максимально возможная замеренная наклонная
дальность составляет 2500 м. Механизм регистрации задержки времени
распространения несколько отличается для первого (FIRST) и последнего
(LAST) импульсов. Время задержки (а значит и дальность) импульса FIRST
определяется по накопленному значению счетчика TIM FIRST канала с
момента запуска до момента прихода первого отраженного импульса, т.е. в
этом случае дальность до объекта, вызвавшего отражение, определяется по
формуле: D = DFIRST.
Одновременно каждый новый входящий импульс вызывает запуск счетчика
канала LAST, который накапливает значение дальности до момента окончания
работы счетчика канала FIRST. В результате фактическая дальность до
объекта, вызвавшего отражение, в этом случае будет определяться по
формуле D = 2500-DLAST.
Излученный импульс, не вызвавший ответного сигнала в течение интервала,
соответствующего дальности 2500 м, считается потерянным. Общее
количество потерянных импульсов регистрируется локатором. Информация об
этом доступна оператору и при наземной обработке для определения
статистики.
Первые модели лидаров, выпускаемые компанией Optech, позволяли
регистрировать только FIRST или только LAST импульсы. В последующем
появились приборы, способные регистрировать и FIRST и LAST импульсы
одновременно. В настоящее время лидары типа ALTM 3100 фирмы Optech и
приборы других производителей позволяют регистрировать до 5 отраженных
импульсов, что имеет большое значение в таких приложениях, как съемка
лесных массивов.
Отметим также, что отраженный сигнал после приема и усиления
подвергается дискретизации. Дискретизация является аналоговой
процедурой, в результате которой входной импульс преобразуется к
стандартному виду прямоугольных импульсов фиксированной длины. Это
значительно повышает точность фиксации временного интервала.
Однако в ЛЛ серии ALTM длина импульса на выходе дискретизатора
составляет 80 нс, в результате чего канал приемника оказывается
блокированным для приема импульсов от объектов, отстоящих от первого
зарегистрированного импульса на расстояние 80*10-9с * 3*108 м/с = 2.4 м.
Принципиальная схема оптической системы изображена на рисунке 4.
Лазерный луч от излучателя И через призму П и два вспомогательных
зеркала попадает на сканирующее зеркало З. Сканирующее зеркало З
совершает колебательные движения. Сканирующее зеркало обеспечивает
зигзагообразную развертку в направлении, перпендикулярном направлению
полета. Продольная развертка обеспечивается за счет движения носителя.
Призма Пр обеспечивает направление отраженного потока на собирающую
линзу О, выполняющую функции объектива. Перед тем как попасть на
приемник П, поток проходит через интерференционный фильтр Ф. Фильтр
пропускает на приемник только излучение в узком диапазоне длин волн, с
центром в рабочей длине волны излучателя ? = 1047 нм.
Мгновенное поле зрения (МПЗ) приемника юстировано с направлением
распространения луча. При выборе ширины мгновенного поля зрения
принимаются во внимание следующие факторы:
1. МПЗ приемника не может быть слишком широким по следующим причинам.
Во-первых, расширение МПЗ приводит к падению соотношения сигнал-шум за
счет того, что приемник облучается фоновым излучением, мощность
которого, естественно, пропорциональна угловой ширине МПЗ. Второе
ограничение носит принципиальный характер. Широкое МПЗ позволяет
достоверно фиксировать только первый отраженный импульс, т.к. по
определению оптическая длина (и следовательно время распространения) до
точки первого отражения всегда минимальна. Поэтому первый отраженный
импульс всегда соответствует точке, лежащей на линии распространения
зондирующего луча. Однако первое и все последующие отражения луча
вызывают диффузное переотражение во всех направлениях, в результате чего
возникает масса новых переотражений, часть энергии которых может быть
переотражена в сторону приемника. В этом случае точка, вызвавшая
отражение, не может быть зафиксирована в координатном пространстве, т.к.
при широком МПЗ приемника принципиально отсутствует возможность
определить направление падающего излучения. Таким образом, можно сделать
вывод, что для всех импульсов, кроме первого, результирующую точность
определения координат в большей степени лимитирует ширина МПЗ приемника,
чем эффективная ширина зондирующего луча.
2. Вместе с тем ширина мгновенного поля зрения не может быть уменьшена
до величины эффективной ширины зондирующего луча. Во-первых, это труднее
реализовать с чисто технической точки зрения, так как необходима очень
точная юстировка излучателя и приемника. Имеется также и другое более
серьезное ограничение. Для надежной регистрации отраженного сигнала
необходимо, чтобы отраженное излучение осталось в пределах мгновенного
поля зрения приемника, несмотря на его смещение, вызванное непрерывным
вращением сканирующего зеркала. Это смещение может быть значительно по
сравнению с эффективной шириной зондирующего луча. Обратимся к примеру.
Пусть выполняется съемка с высоты H=1000 м, с частотой сканирования
F=100 Гц и амплитудой сканирования ± 20°. Тогда угловая скорость
вращения зеркала составляет ?=80° * 100Гц=8*103 град./с, а время
распространения луча до объекта и обратно составит ?=2000м /3*108 м/c.
За это время МПЗ изменит свое положение в пространстве на величину
?*?=0,94 мрад, что почти в четыре раза больше значения эффективной
ширины луча. Из этого простого рассуждения видно, что при данном методе
сканирования значение МПЗ приемника должно выбираться с запасом, исходя
из предполагаемых условий эксплуатации. Этот запас должен быть тем
больше, чем выше максимально допустимая высота съемки, амплитуда и
частота сканирования.
4.2. НАЗЕМНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ДАЛЬНОМЕРЫ.
Лазерная дальнометрия является одной из первых областей практического
применения лазеров в зарубежной военной технике. Первые опыты
относятся к 1961 году, а сейчас лазерные дальномеры используются и в
наземной военной технике (артиллерийские, таковые), и в авиации
(дальномеры, высотомеры, целеуказатели), и на флоте. Эта техника
прошла боевые испытания во Вьетнаме и на Ближнем Востоке. В настоящее
время ряд дальномеров принят на вооружение во многих армиях мира.
Задача определения расстояния между дальномером и целью
сводится к измерению соответствующего интервала времени между
зондирующим сигналом и сигналом, отражения от цели. Различают три
метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер
модуляции лазерного излучения используется в дальномере:
импульсный, фазовый или фазово-импульсный. Внешний вид импульсного
дальномера показан на рисунке:
Сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в том, что к
объекту посылается зондирующий импульс, он же запускает временной
счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к
дальномеру, то он останавливает работу счетчика. По временному
интервалу автоматически высвечивается перед оператором расстояние
до объекта. Используя ранее рассмотренную формулу, оценим точность
такого метода дальнометрирования, если известно, что точность
измерения интервала времени между зондирующим и отраженным сигналами
соответствует 10 в-9 с. Поскольку можно считать, что скорость света
равна 3*10в10 см/с, получим погрешность в изменении расстояния
около 30 см. Специалисты считают, что для решения ряда
практических задач этого вполне достаточно.
При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение
модулируется по синусоидальному закону. При этом интенсивность
излучения меняется в значительных пределах. В зависимости от
дальности до объекта изменяется фаза сигнала, упавшего на объект.
Отраженный от объекта сигнал прийдет на приемное устройство также с
определенной фазой, зависящей от расстояния. Это хорошо показано в
разделе геодезических дальномеров. Оценим погрешность фазового
дальномера, пригодного работать в полевых условиях. Специалисты
утверждают, что оператору (не очень квалифицированному солдату) не
сложно определить фазу с ошибкой не более одного градуса. Если
же частота модуляции лазерного излучения составляет 10 Мгц, то
тогда погрешность измерения расстояния составит около 5 см.
Первый лазерный дальномер ХМ-23 прошел испытания , и был принят
на вооружение армий. Он рассчитан на использование в передовых
наблюдательных пунктах сухопутных войск. Источником излучения в нем
является лазер на рубине с выходной мощностью 2.5 Вт и
длительностью импульса 30нс. В конструкции дальномера широко
используются интегральные схемы. Излучатель, приемник и оптические
элементы смонтированы в моноблоке, который имеет шкалы точного
отчета азимута и угла места цели. Питание дальномера
производится то батареи никелево-кадмиевых аккумуляторов напряжением
24в, обеспечивающей 100 измерений дальности без подзарядки. В
другом артиллерийской дальномере, также принятом на вооружение
армий, имеется устройство для одновременного определения дальности
до четырех целей, лежащих на одной прямой, путем последовательного
стробирования дистанций 200,600,1000, 2000 и 3000м.
Интересен шведский лазерный дальномер. Он предназначен
для использования в системах управления огнем бортовой корабельной и
береговой артиллерии. Конструкция дальномера отличается особой
прочностью, что позволяет применять его в сложенных условиях.
Дальномер можно сопрягать при необходимости с усилителем изображения
или телевизионным визиром. Режим работы дальномера предусматривает
либо измерения через каждые 2с. в течение 20с. и с паузой между серией
измерений в течение 20с либо через каждые 4с в течение длительного
времени. Цифровые индикаторы дальности работают таким образом, что
когда один из индикаторов выдает последнюю измеренную дальность, и
в памяти другого хранятся четыре предыдущие измерения дистанции.
D
I
:
h? ? h? h!? h? hC? O Oe hC? h? gd? h? h? h? h? h? h? h? A///////eeeeeeeeaUeeeeeeI gdWwm gd? h? h? h? h? h? h? h? h? h? h? h? h? gd?8f gd·!K gd?8f gd?8f h? h? h? h? h? h? h? h? h? h? h? h? h? ?'?????????h hz ooeoooooooaooooUIAA¶ h h h hz hz ” gd G Mоптической системы составляет 70мм. Приемником служит портативный фотодиод, чувствительность которого имеет максимальное значение на волне 1,06 мкм. Счетчик снабжен схемой стробирования по дальности, действующей по установке оператора от 200 до 3000м. В схеме оптического визира перед окуляром помещен защитный фильтр для предохранения глаза оператора от воздействия своего лазера при приеме отраженного импульса. Излучатель в приемник смонтированы в одном корпусе. Угол места цели определяется в пределах +25 градусов. Аккумулятор обеспечивает 150 измерений дальности без подзарядки, его масса всего 1 кг. Дальномер прошел испытания и был закуплен в ряде стран таких как - Канада, Швеция, Дания, Италия, Австралия. Кроме того, министерство обороны Великобритании заключило контракт на поставку английской армии модифицированного дальномера LP-4 массой в 4.4кг. Портативные лазерные дальномеры разработаны для пехотных подразделений и передовых артиллерийской наблюдателей. Один из таких дальномеров выполнен в виде бинокля. Источник излучения и приемник смонтированы в общем корпусе, с монокулярным оптическим визиром шестикратного увеличения, в поле зрения которого имеется световое табло из светодиодов, хорошо различимых как ночью, так и днем. В лазере в качестве источника излучения используется аллюминиево-иттриевый гранат, с модулятором добротности на ниобате лития. Это обеспечивает пиковую мощность в 1,5 Мвт. В приемной части используется сдвоенный лавинный фотодетектор с широкополосным малошумящим усилителем, что позволяет детектировать короткие импульсы с малой мощностью, составляющей всего 10 в -9 Вт. Ложные сигналы, отраженные от близлежащих предметов, находящихся в стволе с целью, исключается с помощью схемы стробирования по дальности. Источником питания является малогабаритная аккумуляторная батарея, обеспечивающая 250 измерений без подзарядки. Электронные блоки дальномера выполнены на интегральных и гибридных схемах, что позволило довести массу дальномера вместе с источником питания до 2 кг. Установка лазерных дальномеров на танки сразу заинтересовала зарубежных разработчиков военного вооружения. Это объясняется тем, что на танке можно ввести дальномер в систему управления огнем танка, чем повысить его боевые качества. Для этого был разработан дальномер AN/VVS-1 для танка М60А. Он не отличался по схеме от лазерного артиллерийского дальномера на рубине, однако, помимо выдачи данных о дальности на цифровое табло в счетно-трешающее устройство системы управления огнем танка. При этом измерение дальности может производится как наводчиком пушки так и командиром танка. Режим работы дальномера - 15 измерений в минуту в течение одного часа. Зарубежная печать сообщает, что более совершенный дальномер, разработанный позднее, имеет пределы измерения дальности от 200 до 4700м. с точностью + 10 м, и счетно-решающее устройство, связанное с системой управления огнем танка, где совместно с другими данными обрабатывается еще 9 видов данных о боеприпасах. Это, по мнению разработчиков, дает возможность поражать цель с первого выстрела. Система управления огнем танковой пушки имеет в качестве дальномера аналог, рассмотренный ранее, но в нее входят еще семь чувственных датчиков и оптический прицел. Название установки “Кобельда”. В печати сообщается, что она обеспечивает высокую вероятность поражения цели и, несмотря на сложность этой установки переключатель механизма баллистики в положение, соответствующее выбранному типу выстрела, а затем нажать кнопку лазерного дальномера. При ведении огня по подвижной цели наводчик дополнительно опускает блокировочный переключатель управления огнем для того, чтобы сигнал от датчика скорости поворота башни при слежении за целью поступал за тахометром в вычислительное устройство, помогая вырабатывать сигнал учреждения. Лазерный дальномер, входящий в систему “Кобельда”, позволяет измерять дальность одновременно до двух целей, расположенных в створе. Система отличается быстродействием, что позволяет произвести выстрел в кратчайшее время. На рисунке 6 приведены зависимости, показывающие, как изменяется вероятности поражения неподвижной цели в случае использования обычного прицела, стеродальномера с простейшим счетным прибором, системы с лазерным дальномером. Анализ графиков показывает, что использование системы с лазерным дальномером и ЭВМ обеспечивает вероятность поражения цели близкую к расчетной. Графики также показывают, насколько повышается вероятность поражения движущейся цели. Если для неподвижных целей вероятность поражения при использовании лазерной системы по сравнению с вероятностью поражения при использовании системы со стереодальномером не составляет большой разницы на дистанции около 1000м, и ощущается лишь на дальности 1500м, и более, то для движущихся целей выигрыш явный. Видно, что вероятность поражения движущейся цели при использовании лазерной системы по сравнению с вероятностью поражения при использовании системы со стереодальномером уже на дистанции 100м, повышается более чем в 3,5 раза, а на дальности 2000м, где система со стереодальномером становиться практически неэффективной, лазерная система обеспечивает вероятность поражения с первого выстрела около 0,3. В армиях, помимо артиллерии и танков, лазерные дальномеры используются в системах, где требуется в короткий промежуток времени определить дальность с высокой точностью. Так, в печати сообщалось, разработана автоматическая система сопровождения воздушных целей и измерения дальности до них. Система позволяет производить точное измерение азимута, угла места и дальности. Данные могут быть записаны на магнитную ленту и обработаны на ЭВМ. Система имеет небольшие размеры и массу и размещается на подвижном фургоне. В систему входит лазер, работающий в инфракрасном диапазоне. Приемное устройство с инфракрасной телевизионной камерой, телевизионное контрольное устройство, следящее зеркало с сервопроводом, цифровой индикатор и записывающее устройство. Лазерное устройство на неодимовом стекле работает в режиме модулированной добротности и излучает энергию на волне 1,06 мкм. Мощность излучения составляет 1 Мвт в импульсе при длительности 25нс и частоте следования импульсов 100 Гц. Расходимость лазерного луча 10 мрад. В каналах сопровождения используются различные типы фотодетекторов. В приемном устройстве используется кремниевый светодиод. В канале сопровождения - решетка, состоящая из четырех фотодиодов, с помощью которых вырабатывается сигнал рассогласования при смещении цели в сторону от оси визирования по азимуту и углу места. Сигнал с каждого приемника поступает на видеоусилитель с логарифмической характеристикой и динамическим диапазоном 60 дБ. Минимальной пороговый сигнал, при котором система следит за целью составляет 5*10в-8Вт. Зеркало слежения за целью приводится в движение по азимуту и углу места сервомоторами. Система слежения позволяет определять местоположение воздушных целей на удалении до 19 км. при этом точность сопровождения целей, определяемая экспериментально составляет 0,1 мрад по азимуту и 0,2 мрад по углу места цели. Точность измерения дальности + 15см. Лазерные дальномеры на рубине и неодимовом стекле обеспечивают измерение расстояния до неподвижной или медленно перемещающихся объектов, поскольку частота следования импульсов небольшая. Не более одного герца. Если нужно измерять небольшие расстояния, но с большей частотой циклов измерений, то используют фазовые дальномеры с излучателем на полупроводниковых лазерах. В них в качестве источника применяется, как правило , арсенид галлия. Вот характеристика одного из дальномеров: выходная мощность 6,5 Вт в импульсе, длительность которого равна 0,2 мкс, а частота следования импульсов 20 кГц. Расходимость луча лазера составляет 350*160 мрад т.е. напоминает лепесток. При необходимости угловая расходимость луча может быть уменьшена до 2 мрад. Приемное устройство состоит из оптической системы, а фокальной плоскости, которой расположена диафрагма, ограничивающая поле зрения приемника в нужном размере. Коллимация выполняется короткофокусной линзой, расположенной за диафрагмой. Рабочая длина волны составляет 0,902 мкм, а дальность действия от 0 до 400м. В печати сообщается , что эти характеристики значительно улучшены в более поздних разработках. Так, например уже разработан лазерный дальномер с дальностью действия 1500м. и точностью измерения расстояния + 30м. Этот дальномер имеет частоту следования 12,5 кГц при длительности импульсов 1 мкс. Другой дальномер, разработанный в США имеет диапазон измерения дальности от 30 до 6400м. Мощность в импульсе 100Вт, а частота следования импульсов составляет 1000 Гц. Поскольку применяется несколько типов дальномеров, то наметилась тенденция унификации лазерных систем в виде отдельных модулей. Это упрощает их сборку, а также замену отдельных модулей в процессе эксплуатации. По оценкам специалистов, модульная конструкция лазерного дальномера обеспечивает максимум надежности и ремонтопригодности в полевых условиях. Модуль излучателя состоит из стержня, лампы-накачки, осветителя, высоковольтного трансформатора, зеркал резонатора. модулятора добротности. В качестве источника излучения используется обычно неодимовое стекло или аллюминиево-натриевый гранат, что обеспечивает работу дальномера без системы охлаждения. Все эти элементы головки размещены в жестком цилиндрическом корпусе. Точная механическая обработка посадочных мест на обоих концах цилиндрического корпуса головки позволяет производить их быструю замену и установку без дополнительной регулировки, а это обеспечивает простоту технического обслуживания и ремонта. Для первоначальной юстировки оптической системы используется опорное зеркало, укрепленное на тщательно обработанной поверхности головки, перпендикулярно оси цилиндрического корпуса. Осветитель диффузионного типа представляет собой два входящих один в другой цилиндра между стенками, которых находится слой окиси магния. Модулятор добротности рассчитан на непрерывную устойчивую работу или на импульсную с быстрым запусками. Основные данные унифицированной головки таковы: длина волны - 1,06 мкм, энергия накачки - 5 Дж, энергия выходного импульса - 0,2 Дж, длительность импульса 25нс, частота следования импульсов 0,33 Гц в течение 12с допускается работа с частотой 1 Гц), угол расходимости 2 мрад. Вследствие высокой чувствительности к внутренним шумам фотодиод, предусилитель и источник питания размещаются в одном корпусе с возможно более плотной компоновкой, а в некоторых моделях все это выполнено в виде единого компактного узла. Это обеспечивает чувствительность порядка 5*10?8 Вт. В усилителе имеется пороговая схема, возбуждающаяся в тот момент, когда импульс достигает половины максимальной амплитуды, что способствует повышению точности дальномера, ибо уменьшает влияние колебаний амплитуды приходящего импульса. Сигналы запуска и остановки генерируются этим же фотоприемником и идут по тому же тракту, что исключает систематические ошибки определения дальности. Оптическая система состоит из афокального телескопа для уменьшения расходимости лазерного луча и фокусирующего объектива для фотоприемника. Фотодиоды имеют диаметр активной площадки 50,100 и 200 мкм. Значительному уменьшению габаритов способствует то, что приемная и передающая оптические системы совмещены, причем центральная часть используется для формирования излучения передатчика, а периферийная часть – для приема отраженного от цели сигнала 5.Лазеры в медицине Медицинские лазеры — одно из самых молодых и быстро развивающихся направлений лазерной техники. В настоящее время большинство высокоразвитых стран мира разрабатывает и производит медицинское лазерное оборудование. Несмотря на огромное разнообразие областей применения, и реализуемых технических решений все медицинские лазерные установки могут быть поделены на три основные группы: для оказания лечебных воздействий, для диагностических и вспомогательных целей. Наиболее развито направление, связанное с непосредственным использованием лазеров в лечебном процессе. Первые лазерные лечебные установки — рубиновые коагуляторы для офтальмологии — были созданы в 1961 г, практически вместе с разработкой первых лазеров. В настоящее время для лечебных целей применяют практически все известные типы лазеров, при этом круг решаемых задач очень широк. Использование лазеров для диагностики — новое направление их применения в медицине, имеющее большие перспективы. Эту группу составляют приборы для спектрального анализа, лазерные интерферометры, лазерные тахометры, различного рода измерители. Значительная часть из них пока остается лабораторными приборами. К третьей группе можно отнести различные установки и устройства, например, для искусственного фотосинтеза, ферментной стимуляции роста клеток, системы передачи изображений, в том числе голографические и т. п. С чисто технической точки зрения вся совокупность выпускаемых в настоящее время лазерных лечебных установок может быть, в свою очередь, поделена на две группы: высоко- и низко- интенсивные. Высокоинтенсивные установки позволяют оказывать непосредственно физическое (тепловое и силовое) воздействие за счет передачи энергии. Они применяются в хирургии, офтальмологии для проведения различных коагуляций, в том числе и через эндоскоп, сварки тканей, дробления и т. д. В таких установках используются, как правило, лазеры на углекислом газе, на органических красителях, ионные и твердотельные. В последнее время в этом направлении начинают активно применяться эксимерные лазеры. К группе низкоинтенсивных принято относить установки, создающие ни облучаемом объекте спектральный световой поток, не превышающий величины естественной солнечной радиации, т. е. не приводящий к необратимым изменениям в биологических тканях. Это терапевтические установки, предназначенные, в основном, для биостимуляции, снятия болевых ощущений и заживления ран и язв. Наиболее широко здесь используются Не—Ne и полупроводниковые GaAs-лазеры. Лазерные медицинские установки, обладая универсальными свойствами, имеют широкие возможности воздействия на живую ткань путем облучения, иссечения, испарения и коагуляции биоткани лазерным излучением. Достижение необходимого эффекта воздействия зависит от энергетических параметров лазерного луча, времени воздействия, теплофизических характеристик биоткани и ее объема, в котором поглощается энергия излучения. Этот объем определяется глубиной проникновения в ткань светового потока, что, в свою очередь, определяется длиной волны лазера. Излучение с длиной волны А.=0.6... 1,5 мкм глубоко проникает в биоткани и применяется для терапевтического воздействия. Наиболее распространены при этом He-Ne – лазеры, используемые в физиотерапии и ИАГ: Nd**-лазеры, излучение которых проникает на глубину до 10 мм и используется для прекращения кровотечении и коагуляции патологических образований. Лазеры видимого и ближнего инфракрасного диапазона представляют больной интерес для медицины еще и потому, что для передачи их излучения можно использовать волоконнооптические световоды малого диаметра (10... ...100 мкм), с помощью которых обеспечивается воздействие на внутренние органы без хирургического вмешательства. Наибольшее распространение СО2-лазеры получили в хирургии, что обусловлено высоким коэффициентом поглощения живой тканью излучения с длиной волны HYPERLINK "http://10.fi" 10.6i мкм и, следовательно, воздействием лазерного луча на ограниченную область без поражения глубоко лежащих тканей. Основными узлами лазерной медицинской установки являются (рис.6): блок генерации излучения (лазер), блок питания, система передачи (наведения) лазерного излучения, блок управления и контроля параметров излучения и режимов работы лазера. * Блок генерации излучения содержит один или несколько лазеров. Здесь же может располагаться дополнительный источник видимого излучения, служащий для удобства наведения рабочего излучения на облучаемый объект. Система пере дачи излучения зависит от типа лазера. Для лазеров видимого и ближнего инфракрасного диапазона используются гибкие волоконные световоды, а для лазеров, излучающих в дальней инфракрасной области, многоколенные зеркальнопинзовые или призменные системы. Рис. 7 Схема лазерной медицинской установки:1 блок питания; 2 — вспомогательный излучатель; 3— лазер; 4—система передачи лазерного излучения; 5 —объект: 6 —блок управлении В табл.3 приведены некоторые характеристики и области применения лазеров в медицине. Естественно, что таблица далеко не полностью отражает перспективы медицинских лазеров. В последнее время, в частности, большой интерес вызывают твердотельные лазеры с длинами вали от 2 до 3 мкм на основе матриц из иттрий-алюминиевых, иттрий-скан-днй-геллиевых, гадолнний-сканднй-алюмнниевых гранатов с активными ионами эрбия, туллия, гольмия и других редкоземельных металлов. Для этого спектрального диапазона характерны очень высокие коэффициенты поглощения биотканью, что обеспечивает локализацию области воздействия. Таблица 7 Тип лазера Длина волны. ИКИ Мощность, Вт Область применения Достоин ста а Недостатки СО2 - Ю.6 До 100 * Общая хирургия, кардиологии, нейрохирургия Гинекология Дерматология: удаление бородавок, различных видов рака кожи- Онкология; удаление опухолей Ортопедии: удаление поврежденных участков кости, артопластика Стоматология Высокая мощность излучения в импульсном и непрерывных режимах. 1 Коагуляция кровеносных сосудов диаметром до 2 ми Невозможность передачи мощного излучении по гибким волоконным световодам К) ИАГ:Nd 1.06 До 100 1 Офтальмологии: хирургия капсулы хрусталика. Гинекология: микрохирургия Дерматология: удаление гематом Гастроэнтерология остановка желудочных и кишечных кровотечений Стоматологи* Передача излучения по гибким световодам лам. Малое поглощение излучения | кровью, коагуляция на глубоком уровне Трудности определения и контроля глубины разрушен и я * Ar 0.488...0,514 I...5 Офтальмология: фотокоагуляция при кровотечениях сетчатки, лечение глаукомы Гастроэнтерология: остановка желудочных и кишечных кровотечений Гинекология лечение хронически кровотечений Дерматология: удаление капиллярных гематом, удаление татуировок и варикозых вен | Онкологии: облучение опухолей Передача излучения по волоконным световодам Сильное поглощение излучения кровью На органических красителях 0.6...1,1 I...4 Фоторадиациоиная терапия Передача излучения по волоконным световодам Трудности эксплуатации из-за большой сложности системы На рубине 0.693 Энергии импульса излучении 1 Дж Дерматологии, офтальмология Nе-Ne 0,639 10-3 .5-10-2 Фоторадиациоиная терапия, дерматология, стоматологии, оториноларингологии, гинекология, онкология, лабораторные исследования, голография Передача излучения по волоконным све-товодам Эксимерный 0.25 5 (средняя мощность) Микрохирургия, онкология, стоматологии Слабо поглощается костной тканью 6. Применение технологии в обработке металлов 6.1 Возможности применения лазеров для обработки материалов Обработкой материала будем называть такое воздействие на него лазерным излучением, в результате которого происходит удаление части материала или изменение его физических свойств. На рис 8 приведена диаграмма, показывающая ориентировочные значения интенсивности и длительности лазерных импульсов, предпочтительные с точки зрения различных процессов обработки материалов. Лазерную обработку материалов целесообразно проводить в области параметров, расположенной ниже порога образования плазмы. Тогда энергия лазерного излучения может быть использована на изменение состояния обрабатываемого объекта более полно. Однако и в этой области существуют определенные ограничения на характеристики лазера. Так, например, для оптимальных режимов сварки необходимо обеспечить определенную глубину проплавленного слоя, чему соответствует, как видно из рис. 8 достаточно узкий диапазон интенсивности и времени воздействия излучения В областях больших интенсивностей активно идут процессы испарения, и, следовательно, для сварки такие режимы менее благоприятны. При слишком малых интенсивностях температура поверхности может не достичь точки плавления. При пробивке отверстий также оказывается важным обеспечить оптимальные условия воздействия. Слишком короткие импульсы большой мощности приводят к тому, что значительная часть энергии излучения расходуется на нагрев и диссоциацию оттекающих продуктов. Рис. 8. Диапазоны интенсивности и времени воздействия лазерного излучения, пригодные для различных процессов обработки материалов При слишком длительных и маломощных импульсах заметная часть энергия излучения отводится из зоны воздействия и рассеивается в твердом тепе за счет теплопроводности материала. 6.2 Лазерная термообработка материалов Основными видами лазерной термообработки поверхностей являются термоупрочнение, плакирование, легирование, аморфизация и ударное упрочнение. Термоупрочнение (закалка) вследствие структурных изменений в тонком (0.05... 1,0 мм) поверхностном слое материала, плакирование и легирование требуют световых потоков в диапазоне 0,5-105. .2-10е кВт/м* (105 кДж/м* в импульсе). Процесс аморфизации протекает при интенсивностях излучения 10'...10» кВт/м2 (10...10* кДж/м3), а ударное упрочнение—при 10ю кВт/м2 (Id3 кДж/м2) и длительности импульсов —10-7 с. Специфика лазерной термообработки связана с необходимостью предварительного нанесения поглощающих излучение покрытий, использования лазеров большой мощности со сложными системами сканирования луча Наибольшие трудности возникают при выборе оптимальных режимов технологических процессов и обеспечении высокого уровня автоматизации этих процессов с учетом неоднородных поверхностных свойств материала. Лазерная поверхностная термообработка—наиболее перспективная область использования лазеров в обработке материалов, с которой труднее конкурировать альтернативным видам технологии. До 70 % потребности в лазерной обработке приходится на термическую обработку, причем наибольший эффект ожидается в таких направлениях, как обработка ответственных узлов детален механизмов и машин при их массовом производстве в автостроении, дорожном и сельскохозяйственном машиностроении, закалка валов прокатных станов, обработка инструментов, штампов, легирование и ремонт режущих кромок орудий и машин. Для этих целей используются непрерывные технологические СО2-лазеры мощностью 2...5 кВт. Закалку инструмента рекомендуется выполнять с помощью лазеров мощностью до 2 кВт, также могут быть эффективны и импульсные лазеры. Упрочнение деталей автомобильных двигателей и трансмиссии выполняется лазерами с мощностью излучения 5... 10 кВт. В процессе лазерной термообработки поверхности материала (рис. 9) луч 2 от лазера попадает на поворотное зеркало 3 и, отразившись под прямым углом, фокусируется оптической системой 4 (обычными объективами из стекла для твердотельных лазеров с длиной волны 0,53, 0,69. 1,06 мкм или линзами из KCI. ZnSe и других оптических материалов, прозрачных для непрерывного излучения С02-лазеров с длиной волны X» 10.6 мкм) на обрабатываемых деталях 5, размешенных на рабочем столе 6". Соосно с лучом лазера в зону обработки через сопло 7 подается аргон или азот при давлении (1,5 .. 2.5)-10s Па. Размер светового пятна регулируется в широком диапазоне смещением фокальной плоскости (дефокусировкой f) фокусирующей оптической системы относительно поверхности обрабатываемой детали. Тем самым можно менять в широких пределах интенсивность лазерного излучения. Обработка проводится, как правило, в расходящемся пучке (Д/), причем обеспечивается такая интенсивность излучения, чтобы не происходило повреждение образца вследствие плавления или испарения материала на поверхности. Рис. 9. Принципиальная схема процесса лазерной поверх костной термообработки: / — лазер. 2 — луч лазера. 3 — поворотное зеркало, 4 — оптическая система. 5 — обрабатываемые детали, б —рабочий стол, 7 —сопло для подачи газа я . • зону обработки Из-за влияния теплопроводности и неоднородного распределения энергии в световом пятне глубина зоны упрочнения сильно уменьшается на краях пятна. Поэтому обработка протяженных участков деталей ведется с перекрытием однократных зон упрочнения в условиях относительного перемещения луча лазера и детали, причем перемещение может быть днерстным (при импульсной обработке в паузах между импульсами) или непрерывным. Скорость непрерывного перемещения должна быть меньше скорости процессов поверхностной обработки. В то же время глубина изменения свойств материала зависит от его теплофизических характеристик, интенсивности излучения, а также времени воздействия луча лазера T*«d/i) (где d—размер светового пятна, a v — скорость относительного перемещения луча* по поверхности). На рис. 10 приведена диаграмма зависимости характерных параметров процесса лазерной закалки чугуна с содержанием 3,5% углерода [Та.,=а\470 К) от интенсивности и времени воздействия излучения. Рис. 10. Характеристики лазерной закалки При увеличении интенсивности излучения вследствие более быстрого нагрева поверхности глубина прогретой зоны уменьшается. Лазерное плакирование заключается в расплавлении предварительно нанесенного на поверхность детали материала, который затем растекается по ней с последующим быстрым затвердением. При этом обеспечивается получение поверхностного слоя с заданными свойствами путем нанесения определенных металлов и сплавов. Для плакирования, как привило, используются материалы с высокой температурой плавления (например С, Ni. сплавы на основе железа), наносимые на детали из материалов с более низкой температурой плавления. Улучшить такие эксплуатационные свойства металлов и сплавов, как например, коррозионная стойкость, жаропрочность, красностойкость, можно с помощью лазерного легирования, сущность которого заключается в расплавлении участка поверхности металла или сплава вместе с добавляемыми легирующими элементами, предварительно нанесенными на обрабатываемый участок, что позволяет получить в локальном объеме новый сплав с заданными свойствами. Использование лазеров для нагрева поверхностей открывает возможности аморфизации металлических сплавов, т.е. образования слоев в расположении атомов, в которых отсутствуют кристаллические структуры. Сравнительные оценки различных свойств кристаллических и аморфных сплавов по называют, что у последних наблюдаются более высокие прочностные и коррозионные свойства, увеличение пластичности, радиационная стойкость I т. д. Для их получения вместе с высокими интенсивное гимн облучения
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
