Laserski daljinomer je zanimiv princip delovanja in merila izbire. daljinomeri

Sposobnost elektromagnetnega sevanja, da se širi s konstantno hitrostjo, omogoča določanje razdalje do predmeta. Torej, pri impulzni metodi določanja obsega se uporablja naslednje razmerje:

L = ct/2,

kjer je L razdalja do predmeta,
- c - hitrost širjenja sevanja,
- t - čas prehoda impulza do cilja in nazaj.

Upoštevanje te povezave pokaže, da je potencialna natančnost merjenja razdalje določena z natančnostjo merjenja časa prehoda energijskega impulza do predmeta in nazaj. Jasno je, da čim krajši je utrip, tem bolje.

Naloga določanja razdalje med merilnikom razdalje in ciljem se zmanjša na merjenje ustreznega časovnega intervala med sondirnim signalom in signalom, ki se odbije od cilja. Obstajajo trije načini merjenja dometa, odvisno od tega, kakšna modulacija laserskega sevanja se uporablja v daljinomeru: impulzni, fazni ali fazno-impulzni.

Bistvo pulzne metode določanja razdalje je v tem, da se na objekt pošlje sondirni impulz, ki v daljinomeru sproži tudi števec časa. Ko impulz, ki ga odbija predmet, doseže daljinomer, ustavi števec. Razdalja do predmeta je določena s časovnim intervalom (zakasnitvijo odbitega impulza).

Pri metodi faznega določanja se lasersko sevanje modulira po sinusnem zakonu z modulatorjem (elektrooptični kristal, ki spreminja svoje parametre pod vplivom električnega signala). Običajno se uporablja sinusni signal s frekvenco 10 ... 150 MHz (merilna frekvenca). Odbito sevanje vstopi v sprejemno optiko in fotodetektor, kjer se ekstrahira modulacijski signal. Odvisno od razdalje do objekta se faza odbitega signala spreminja glede na fazo signala v modulatorju. Z merjenjem fazne razlike določite razdaljo do predmeta.

Najbolj priljubljeni modeli laserskih daljinomerov za lov med našimi strankami:

Uporaba laserskih daljinomerov v vojaške namene.

Lasersko določanje razdalje je eno prvih področij praktične uporabe laserjev v tuji vojaški opremi. Prvi poskusi segajo v leto 1961, zdaj pa se laserski daljinomeri uporabljajo v kopenski vojaški opremi (topništvo, tank), v letalstvu (daljinomeri, višinomeri, označevalci tarč) in v mornarici. Ta tehnika je bila bojno preizkušena v Vietnamu in na Bližnjem vzhodu. Trenutno je v vojskah številnih držav sprejetih več merilnikov razdalje.

Prvi laserski daljinomer XM-23 je bil preizkušen v Vietnamu in ga je sprejela ameriška vojska. Zasnovan je bil za uporabo naprednih opazovalnic kopenskih sil. Vir sevanja v njem je bil laser z izhodno močjo 2,5 W in trajanjem impulza 30 ns. Integrirana vezja so bila široko uporabljena pri načrtovanju daljinomera. Oddajnik, sprejemnik in optični elementi so vgrajeni v monoblok, ki ima skale za natančno odčitavanje azimuta in elevacijskega kota cilja. Daljinomer je napajal 24V nikelj-kadmijev akumulator, ki omogoča 100 meritev razdalje brez polnjenja.

Eden prvih proizvodnih modelov je švedski merilnik razdalje, zasnovan za uporabo v sistemih za nadzor ladijskega in obalnega topništva. Zasnova daljinomera je bila še posebej trpežna, kar je omogočilo uporabo v težkih pogojih. Daljinomer bi lahko po potrebi združili z ojačevalcem slike ali televizijskim merilnikom. Način delovanja daljinomera je predvideval bodisi meritve vsaki 2 s za 20 s ali vsake 4 s za dolgo časa.

Od začetka 70. let prejšnjega stoletja so bili na tujih tankih nameščeni laserski daljinomeri. Namestitev laserskih daljinomerov na tanke je takoj zanimala tuje razvijalce orožja. To je posledica dejstva, da je na tanku mogoče uvesti merilnik razdalje v sistem za nadzor ognja tanka, s čimer se povečajo njegove bojne lastnosti. V primerjavi z optičnimi imajo številne prednosti: visoka hitrost, avtomatiziran postopek vnosa izmerjenega obsega v merilne naprave, visoka merilna natančnost, majhnost, teža itd. Za to je bil razvit daljinomer AN / VVS-1 v ZDA za tank M60A. Po zasnovi se ni razlikoval od laserskega topniškega daljinomera na rubinu, vendar je imel poleg izdajanja podatkov o dosegu na digitalnem zaslonu napravo, ki je omogočala vnos obsega v kalkulator sistema za nadzor ognja tanka. V tem primeru bi lahko merjenje dosega opravila tako strelec kot poveljnik tanka. Način delovanja daljinomera - 15 meritev na minuto za eno uro.

Laserski daljinomeri, nameščeni na sodobnih tankih, omogočajo merjenje dosega cilja v razponu od 200 m do 8.000 m (pri ameriških in francoskih tankih) in od 200 do 10.000 m (pri britanskih in zahodnonemških tankih) z natančnostjo do 10 m Večina aktivnih elementov laserskih daljinomerov, ki so trenutno nameščeni na tankih in bojnih vozilih pehote zahodne proizvodnje, temelji na kristalu granata s primesjo neodija (aktivni element je kristal itrijevo-aluminijevega granata Y3A15O3, v katerem so neodimovi ioni III+ so uvedeni kot aktivni centri). Ti laserji ustvarjajo sevanje pri valovni dolžini 1,06 mikrona. Obstajajo tudi laserski daljinomeri, v katerih je aktivni element roza rubinasti kristal. Pri tem je osnova kristal aluminijevega oksida A12O3, aktivni elementi pa so kromovi ioni Cr3*. Ruby laserji ustvarjajo sevanje pri valovni dolžini 0,69 mikrona.

V zadnjem času so se na tujih bojnih vozilih začeli uporabljati laserski daljinomeri z ogljikovim dioksidom. V CO2 laserju je v plinski cevi mešanica ogljikovega dioksida (CO2), molekularnega dušika (N,) in raznih drobnih dodatkov v obliki helija, vodne pare itd. Aktivna središča so molekule CO2. Prednost laserja z ogljikovim dioksidom je, da je njegovo sevanje (valovna dolžina 10,6 µm) razmeroma varno za oko in omogoča boljšo penetracijo skozi dim in meglo. Poleg tega se lahko laser s konstantno emisijo, ki deluje na tej valovni dolžini, uporabi za osvetlitev tarče pri delu s termalnim slikovnim merilom.

Hiter razvoj mikroelektronike je zagotovil zmanjšanje teže in velikosti laserskih daljinomerov, kar je omogočilo ustvarjanje prenosnih daljinomerov. Norveški laserski daljinomer LP-4 se je izkazal za zelo uspešnega. Imel je optično-mehanski zaklop kot Q-stikalo. Sprejemni del daljinomera je tudi pogled operaterja. Premer optičnega sistema je 70 mm. Sprejemnik je prenosna fotodioda. Števec je opremljen z vezjem za strobiranje razdalje, ki deluje pri nastavitvah operaterja od 200 do 3000 m. V vezju za optično viziranje je pred okularjem nameščen zaščitni filter, ki ščiti oko pred izpostavljenostjo lastnemu laserju pri sprejemu odbit impulz. Oddajnik in sprejemnik sta nameščena v enem ohišju. Višinski kot tarče je določen do ~25 stopinj. Baterija je omogočila 150 meritev obsega brez ponovnega polnjenja, njena teža je samo 1 kg. Daljinomer so kupile Kanada, Švedska, Danska, Italija, Avstralija.

Prenosni laserski daljinomeri so bili razviti za pehotne enote in prednje topniške opazovalce. Eden od teh daljinomerov je izdelan v obliki daljnogleda. Vir sevanja in sprejemnik sta nameščena v skupnem ohišju z monokularnim optičnim merilom šestkratne povečave, v vidnem polju katerega je svetlobna plošča LED, ki se jasno razlikuje tako ponoči kot podnevi. Laser kot vir sevanja uporablja itrijev aluminijev granat s Q-stikalom na litijevem niobatu. To zagotavlja največjo moč 1,5 MW. Sprejemni del uporablja dvojni lavinski fotodetektor s širokopasovnim tihošumnim ojačevalnikom, ki omogoča zaznavanje kratkih impulzov z majhno močjo. Lažni signali, ki se odbijejo od bližnjih predmetov, se izločijo z vezjem za zapiranje dosega. Vir napajanja je majhna polnilna baterija, ki omogoča 250 meritev brez polnjenja. Elektronske enote daljinomera so izdelane na integriranih vezjih, kar je omogočilo povečanje mase daljinomera skupaj z virom napajanja na 2 kg.

Naslednji korak v vojaški uporabi laserskih daljinomerov je njihova integracija z osebnim orožjem pehote.

Primer je jurišna puška F2000 (Belgija). Namesto namerilnika je na F2000 mogoče namestiti poseben modul za nadzor ognja, ki vključuje laserski daljinomer in balistični računalnik. Na podlagi podatkov o dosegu cilja kalkulator nastavi ciljno oznako namerila tako za streljanje iz samega mitraljeza kot iz metalca granat (če je nameščen).

Ameriški sistem OICW (Objective Individual Combat Weapon) je poskus dramatičnega povečanja učinkovitosti pehotnega orožja. Razvoj je trenutno v fazi izdelave prototipov. Začetek proizvodnje je načrtovan za leto 2008, začetek obratovanja - za leto 2009. Po trenutnih načrtih bodo za vsako pehotno enoto 4 OICW. OICW je modularna zasnova, sestavljena iz treh glavnih modulov: modula "KE" (kinetična energija), ki je nekoliko posodobljena puška Heckler-Koch G36; Modul "HE" (High Explosive), ki je samonakladalni 20-milimetrski metalec granat z nabojnikom, nameščen na vrhu modula "KE" in uporablja sprožilec, ki je skupen modulu "KE"; in končno modul za nadzor ognja, ki vključuje dnevno/nočne televizijske namerilke, laserski daljinomer in balistični računalnik, ki samodejno nastavi ciljno oznako v objektivu v skladu z dosegom cilja, uporablja pa se tudi za programiranje daljinskega upravljalnika. varovalke za 20mm granate. Pred streljanjem se po podatkih laserskega daljinomera vžig granate programira tako, da v zraku detonira na določeni razdalji, kar zagotavlja zadetek pokritih tarč s šrapneli od zgoraj ali od strani. Določitev dometa za daljinsko detonacijo se izvede s štetjem vrtljajev, ki jih naredi granata med letom.

zvezni državni proračun

Izobraževalna ustanova

Kovrov Državni tehnološki

Akademija jim. V.A. Degtyareva

Povzetek na temo:

"Načelo delovanja laserskega daljinomera"

Dokončano:

študentka skupine U-112

Terekhova A.S.

Preverjeno:

Kuznetsova S.V.

Kovrov 2014

Zgodovina ustvarjanja

Načelo delovanja

Zaključek

Zgodovina nastanka laserja

Beseda "laser" je sestavljena iz začetnih črk angleške fraze Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, kar v prevodu v ruščino pomeni: ojačanje svetlobe s stimulirano emisijo. Tako že sam izraz laser odraža temeljno vlogo procesov stimulirane emisije, ki jo imajo v generatorjih in ojačevalcih koherentne svetlobe. Zato bi se morala zgodovina nastanka laserja začeti leta 1917, ko je Albert Einstein prvič predstavil koncept stimulirane emisije.

To je bil prvi korak k laserju. Naslednji korak je naredil sovjetski fizik V. A. Fabrikant, ki je leta 1939 opozoril na možnost uporabe stimulirane emisije za ojačanje elektromagnetnega sevanja pri prehajanju skozi snov. Ideja, ki jo je predstavil V. A. Fabrikant, je predlagala uporabo mikrosistemov z inverznimi populacijami ravni. Kasneje, po koncu velike domovinske vojne, se je V. A. Fabrikant vrnil k tej ideji in na podlagi svojih raziskav leta 1951 vložil (skupaj z M. M. Vudynskim in F. A. Butaevo) prijavo za izum metode za ojačanje sevanja z uporabo prisilne emisije. Za to prijavo je bil izdan certifikat, v katerem je pod naslovom "Predmet izuma" zapisano: "Metoda za ojačanje elektromagnetnega sevanja (ultravijoličnih, vidnih, infrardečih in radijskih valovnih dolžin), označena s tem, da je ojačano sevanje prehajajo skozi medij, v katerem s pomočjo pomožnega sevanja ali na drug način ustvarjajo presežno koncentracijo atomov, drugih delcev ali njihovih sistemov na zgornjih energijskih ravneh, ki ustrezajo vzbujenim stanjem v primerjavi z ravnotežno.

Sprva se je izkazalo, da se ta metoda ojačanja sevanja izvaja v radijskem območju, natančneje v mikrovalovnem frekvenčnem območju (UHF območje). Maja 1952 sta na vsezvezni konferenci o radijski spektroskopiji sovjetska fizika N. G. Basov in A. M. Prohorov podala poročilo o temeljni možnosti ustvarjanja ojačevalnika sevanja v mikrovalovnem območju. Imenovali so ga »molekularni generator« (uporabljal naj bi žarek molekul amoniaka). Skoraj istočasno je ameriški fizik C. Towns na univerzi Columbia v ZDA predlagal uporabo stimulirane emisije za ojačanje in ustvarjanje milimetrskih valov.

Leta 1954 je molekularni generator, kmalu imenovan maser, postal resničnost. Razvit in ustvarjen je bil neodvisno in hkrati na dveh točkah na svetu - na Fizikalnem inštitutu P. N. Lebedeva Akademije znanosti ZSSR (skupina pod vodstvom N. G. Basova in A. M. Prohorova) in na univerzi Columbia v ZDA (skupina pod vodstvom vodstvo Ch. Towns).

Kasneje je izraz "laser" nastal iz izraza "maser" kot posledica zamenjave črke "M" (začetna črka besede Microwave - mikrovalovna pečica) s črko "L" (začetna črka besede Light - svetloba). Delovanje tako maserja kot laserja temelji na istem principu - principu, ki ga je leta 1951 oblikoval V. A. Fabrikant. Pojav maserja je pomenil rojstvo nove smeri v znanosti in tehnologiji. Sprva so jo imenovali kvantna radiofizika, kasneje pa kvantna elektronika.

Deset let po nastanku maserja, leta 1964, je na slovesnosti ob podelitvi Nobelove nagrade akademik A. M. Prohorov dejal: "Zdi se, da bodo po ustvarjanju maserjev v radijskem območju kmalu nastali kvantni generatorji v optičnem območju. Vendar , se to ni zgodilo. "Nastale so šele po petih ali šestih letih. Kaj pojasnjuje to? Bili sta dve težavi. Prva težava je bila, da takrat niso bili predlagani resonatorji za območje optičnih valovnih dolžin, druga pa je bila, da so specifični sistemi in metode za pridobivanje inverzne populacije v optičnem območju".

Šest let, ki jih omenja A. M. Prohorov, je bilo res polnih tistih študij, ki so v končni analizi omogočile prehod od maserja k laserju. Leta 1955 sta N. G. Basov in A. M. Prohorov utemeljila uporabo metode optičnega črpanja za ustvarjanje populacije inverznih ravni. Leta 1957 je N. G. Basov predstavil idejo o uporabi polprevodnikov za ustvarjanje kvantnih generatorjev; hkrati je predlagal uporabo posebej obdelanih površin samega vzorca kot resonatorja. Istega leta 1957 sta V. A. Fabrikant in F. A. Butaeva opazovala učinek optičnega kvantnega ojačanja v poskusih z električnim praznjenjem v mešanici hlapov živega srebra in majhnih količin vodika in helija. Leta 1958 sta A. M. Prohorov in neodvisno od njega ameriški fizik C. Towns teoretično utemeljila možnost uporabe pojava stimulirane emisije v optičnem območju; so (kot tudi ameriški R. Dicke) predstavili idejo o uporabi v optičnem območju ne v razsutem stanju (kot v mikrovalovnem območju), ampak odprtih resonatorjev. Upoštevajte, da se strukturno odprt resonator razlikuje od velikega resonatorja po tem, da so stranske prevodne stene odstranjene (končni reflektorji, ki fiksirajo os resonatorja v prostoru, so ohranjeni) in da so linearne dimenzije resonatorja izbrane velike v primerjavi z dolgo valovno dolžino sevanja.

Leta 1959 je bilo objavljeno delo N. G. Basova, B. M. Vula in Yu. M. Popova s ​​teoretično utemeljitvijo ideje o polprevodniških kvantnih generatorjih in analizo pogojev za njihov nastanek. Končno se je leta 1960 pojavil utemeljen članek N. G. Basova, O. N. Krokhina, Yu. M. Popova, v katerem so bili celovito obravnavani principi ustvarjanja in teorija kvantnih generatorjev in ojačevalnikov v infrardečem in vidnem območju. Na koncu članka so avtorji zapisali: "Odsotnost temeljnih omejitev nam omogoča, da upamo, da bodo generatorji in ojačevalniki v infrardečem in optičnem območju valovnih dolžin ustvarjeni v bližnji prihodnosti."

Tako so intenzivne teoretične in eksperimentalne raziskave v ZSSR in ZDA pripeljale znanstvenike zelo blizu ustvarjanju laserja na samem koncu petdesetih let prejšnjega stoletja. Uspeh je padel na usodo ameriškega fizika T. Maimana. Leta 1960 je v dveh znanstvenih revijah poročal, da mu je uspelo pridobiti sevanje v optičnem območju na rubinu. Tako je svet izvedel za rojstvo prvega "optičnega maserja" - rubinastega laserja. Prvi vzorec laserja je bil videti precej skromen: majhna rubinasta kocka (1x1x1 cm), katere dve nasprotni strani sta imeli srebrno prevleko (te strani so igrale vlogo resonatorskega zrcala), so občasno obsevali z zeleno svetlobo iz visoko zmogljiva bliskavica, ki se je vila okoli rubinaste kocke. Ustvarjeno sevanje v obliki rdečih svetlobnih impulzov je bilo oddano skozi majhno luknjo v eni od posrebrenih ploskev kocke.

Istega leta 1960 so ameriški fiziki A. Javan, W. Bennett, E. Herriot uspeli pridobiti generiranje optičnega sevanja v električni razelektritvi v mešanici helija in neona. Tako se je rodil prvi plinski laser, katerega videz je bil dejansko pripravljen z eksperimentalnimi študijami V. A. Fabrikanta in F. A. Butaeva, izvedenih leta 1957.

Od leta 1961 so laserji različnih vrst (trdni in plinski) zavzeli trdno mesto v optičnih laboratorijih. Osvajajo se novi aktivni mediji, razvija in izboljšuje se tehnologija izdelave laserjev. V letih 1962-1963 prvi polprevodniški laserji nastajajo istočasno v ZSSR in ZDA.

Tako se začenja novo, »lasersko« obdobje optike. Laserska tehnologija se je od svojih začetkov razvijala izjemno hitro. Pojavljajo se nove vrste laserjev in hkrati se izboljšujejo stari. To je bil razlog za globok prodor laserjev v številne veje nacionalnega gospodarstva.

Načelo delovanja laserja

Sl.1 Shema delovanja laserja

Shema laserja je izjemno preprosta (slika 1): aktivni element je nameščen med dvema medsebojno vzporednima ogledaloma. Zrcala tvorijo tako imenovani optični resonator; eno od zrcal je rahlo prozorno in laserski žarek izstopa iz resonatorja skozi to zrcalo. Za začetek generiranja laserskega sevanja je potrebno aktivni element "črpati" z energijo iz nekega vira (imenuje se črpalna naprava).

Dejansko je glavni fizikalni proces, ki določa delovanje laserja, stimulirana emisija sevanja. Nastane pri interakciji fotona z vzbujenim atomom, ko energija fotona sovpada z energijo vzbujanja atoma (ali molekule).

Zaradi te interakcije vzbujeni atom preide v nevzbujeno stanje, odvečna energija pa se odda v obliki novega fotona s popolnoma enako energijo, smerjo širjenja in polarizacijo kot primarni foton. Tako je posledica tega procesa prisotnost dveh popolnoma enakih fotonov. Z nadaljnjo interakcijo teh fotonov z vzbujenimi atomi, podobnimi prvemu atomu, lahko pride do "verižne reakcije" reprodukcije enakih fotonov, ki "letijo" v popolnoma isto smer, kar bo privedlo do pojava ozko usmerjenega svetlobnega žarka. Za nastanek plazu enakih fotonov je potreben medij, v katerem bi bilo več vzbujenih atomov kot nevzbujenih, saj bi se fotoni absorbirali ob interakciji fotonov z nevzbujenimi atomi. Takšen medij imenujemo medij z inverzno naseljenostjo energijskih nivojev (slika 2).

Slika 2. Shematski prikaz medija z inverzno naseljenostjo energijskih nivojev.

Torej poleg prisilne emisije fotonov s strani vzbujenih atomov obstaja tudi proces spontane, spontane emisije fotonov med prehodom vzbujenih atomov v nevzbujeno stanje in proces absorpcije fotonov med prehodom atomov iz nevzbujeno stanje v vzbujeno stanje. Te tri procese, ki spremljajo prehode atomov v vzbujena stanja in obratno, je leta 1916 postavil A. Einstein, kot je bilo že omenjeno.

Če je število vzbujenih atomov veliko in obstaja inverzna populacija ravni (v zgornjem, vzbujenem stanju je več atomov kot v spodnjem, nevzbujenem stanju), potem bo že prvi foton, rojen kot posledica spontane emisije povzroči vedno večji plaz pojavljanja njemu enakih fotonov. Povečalo se bo spontano oddajanje.

Ob hkratni produkciji (načeloma je to možno) velikega števila spontano oddanih fotonov nastane veliko število snežnih plazov, od katerih se vsak širi v svojo smer, ki jo poda začetni foton ustreznega snežnega plazu.

Slika 3. Spontano rojeni fotoni, katerih smer širjenja ni pravokotna na ravnino zrcal, ustvarjajo plazove fotonov, ki presegajo medij.

Posledično bomo prejeli tokove svetlobnih kvantov, vendar ne bomo mogli dobiti ne usmerjenega snopa ne visoke monokromatičnosti, saj je vsak plaz sprožil svoj začetni foton. Da bi medij z obrnjeno populacijo lahko uporabili za generiranje laserskega žarka, tj. usmerjenega žarka z visoko monokromatičnostjo, je treba "odstraniti" inverzno populacijo s primarnimi fotoni, ki že imajo enako usmerjenost sevanja in enako energija , ki sovpada z energijo danega prehoda v atomu. V tem primeru bomo imeli laserski ojačevalnik svetlobe.

Obstaja pa še ena možnost za pridobitev laserskega žarka, povezana z uporabo povratnega sistema. Na sl. Slika 3 prikazuje, da spontano proizvedeni fotoni, katerih smer širjenja je pravokotna na ravnino zrcal, ustvarjajo plazove fotonov, ki segajo izven medija. Hkrati bodo fotoni, katerih smer širjenja je pravokotna na ravnino zrcal, ustvarjali plazove, ki se množijo v mediju zaradi večkratnih odbojev od zrcal. Če ima eno od zrcal majhno prepustnost, potem bo usmerjen fotonski tok izstopil skozi njega pravokotno na ravnino zrcal. S pravilno izbrano prepustnostjo zrcal, njihovo natančno naravnanostjo med seboj in glede na vzdolžno os medija z inverzno naseljenostjo je lahko povratna zveza tako učinkovita, da lahko "bočno" sevanje popolnoma zanemarimo v primerjavi s sevanjem, ki nastaja. skozi ogledala. V praksi je to res mogoče storiti. To povratno vezje se imenuje optični resonator in ta tip resonatorja se uporablja v večini obstoječih laserjev.

Nekatere edinstvene lastnosti laserskega sevanja

Oglejmo si nekaj edinstvenih lastnosti laserskega sevanja. Med spontanim sevanjem atom oddaja spektralno črto končne širine. Z plazovitim povečanjem števila stimulirano izsevanih fotonov v mediju z obrnjeno populacijo se bo intenzivnost sevanja tega plazu povečala predvsem v središču spektralne črte danega atomskega prehoda in kot Zaradi tega procesa se bo širina spektralne črte začetne spontane emisije zmanjšala. V praksi je pod posebnimi pogoji možno, da je relativna širina spektralne črte laserskega sevanja 107-108-krat manjša od širine najožjih spontanih emisijskih linij, ki jih opazimo v naravi.

Poleg zožitve emisijske črte v laserju je mogoče doseči divergenco žarka manj kot 10-4 radianov, to je na ravni ločnih sekund.

Znano je, da je usmerjen ozek snop svetlobe načeloma mogoče dobiti iz katerega koli vira, če na poti svetlobnega toka na isti ravni liniji postavimo več zaslonov z majhnimi luknjami. Predstavljajmo si, da smo vzeli segreto črno telo in s pomočjo diafragm sprejeli žarek svetlobe, iz katerega smo s pomočjo prizme ali druge spektralne naprave izolirali žarek s spektralno širino, ki ustreza širini spektra laserskega sevanja. Če poznamo moč laserskega sevanja, širino njegovega spektra in kotno razhajanje žarka, je mogoče z uporabo Planckove formule izračunati temperaturo namišljenega črnega telesa, ki se uporablja kot vir svetlobnega žarka, enakovrednega laserju. žarek. Ta izračun nas bo pripeljal do fantastične številke: temperatura črnega telesa mora biti na desetine milijonov stopinj! Neverjetna lastnost laserskega žarka - njegova visoka efektivna temperatura (tudi pri relativno nizki povprečni moči laserskega sevanja ali nizki energiji laserskega impulza) odpira raziskovalcem velike možnosti, ki so brez uporabe laserja popolnoma nemogoče.

Uporaba laserjev v različnih tehnoloških procesih

tehnološka moč laserskega sevanja

Pojav laserjev je takoj vplival in še vpliva na različna področja znanosti in tehnologije, kjer je postalo mogoče uporabiti laserje za reševanje specifičnih znanstvenih in tehničnih problemov. Izvedene študije so potrdile možnost pomembnega izboljšanja številnih optičnih naprav in sistemov, ki uporabljajo laserje kot svetlobni vir, in privedle do ustvarjanja popolnoma novih naprav (ojačevalniki svetlosti, kvantni žirometri, hitra optična vezja itd.). Pred očmi ene generacije je potekalo oblikovanje novih znanstvenih in tehničnih področij - holografija, nelinearna in integrirana optika, laserske tehnologije, laserska kemija, uporaba laserjev za nadzorovano termonuklearno fuzijo in drugi energetski problemi. Sledi kratek seznam aplikacij laserjev na različnih področjih znanosti in tehnologije, kjer so edinstvene lastnosti laserskega sevanja omogočile pomemben napredek ali pripeljale do popolnoma novih znanstvenih in tehničnih rešitev.

Visoka monokromatičnost in koherenca laserskega sevanja zagotavljata uspešno uporabo laserjev v spektroskopiji, iniciaciji kemijskih reakcij, pri ločevanju izotopov, v sistemih za merjenje linearnih in kotnih hitrosti, v vseh aplikacijah, ki temeljijo na uporabi interference, v komunikaciji in svetlobi. lokacijski sistemi. Omeniti velja očitno uporabo laserjev v holografiji.

Visoka energijska gostota in moč laserskih žarkov, sposobnost fokusiranja laserskega sevanja v majhno točko se uporabljajo v laserskih sistemih za termonuklearno fuzijo, v tehnoloških procesih, kot so lasersko rezanje, varjenje, vrtanje, površinsko utrjevanje in dimenzijska obdelava različnih delov. Enake lastnosti in usmerjenost laserskega sevanja zagotavljajo uspešno uporabo laserjev v vojaški tehniki.

Usmerjenost laserskega sevanja, njegova nizka divergenca se uporabljajo pri določanju smeri (v gradbeništvu, geodeziji, kartografiji), za ciljanje in označevanje ciljev, na lokaciji, vključno z merjenjem razdalj do umetnih zemeljskih satelitov, v komunikacijskih sistemih skozi vesoljske in podvodne komunikacije.

Z ustvarjanjem laserjev je bil dosežen ogromen napredek v razvoju nelinearne optike, preučevanju in uporabi takšnih pojavov, kot so generiranje harmonikov, samofokusiranje svetlobnih žarkov, večfotonska absorpcija, različne vrste sipanja svetlobe, ki jih povzroča laser. polje sevanja.

Laserji se uspešno uporabljajo v medicini: v kirurgiji (vključno z operacijo oči, uničenjem ledvičnih kamnov itd.) in terapiji različnih bolezni, v biologiji, kjer fokusiranje na majhno točko omogoča delovanje na posamezne celice ali celo na njihove dele.

Večina zgoraj navedenih področij uporabe laserjev je samostojnih in obsežnih vej znanosti oziroma tehnologije in seveda zahteva samostojno obravnavo. Namen kratkega in nepopolnega seznama uporabe laserja, ki je tukaj podan, je ponazoriti ogromen vpliv, ki ga je imel pojav laserjev na razvoj znanosti in tehnologije, na življenje sodobne družbe.

Uporaba laserjev v industriji nakita

V zadnjih letih se je pojavila težnja po širitvi uporabe laserjev v industriji nakita. Najbolj razširjeni stroji za obdelavo s polprevodniškimi laserji na itrijevem aluminijevem granatu, katerega sevanje precej dobro absorbirajo glavni materiali nakitne industrije - plemenite kovine in kamni. Nekateri tehnološki procesi laserske obdelave so v celoti razviti in implementirani v industriji nakita, nekateri procesi in tehnologije pa so v razvoju in bi jih lahko kmalu uporabili pri obdelavi nakitnih izdelkov. Zato bom poskušal razmisliti o vseh možnih možnostih uporabe laserjev v tehnoloških procesih v industriji nakita.

Izbijanje lukenj v kamne. Ena prvih uporab laserjev je bilo prebijanje lukenj v kamne za ure. Vrtanje lukenj je že od nekdaj izjemno delovno intenzivna operacija. Sodobna laserska tehnologija omogoča hitro in kakovostno prebadanje lukenj želene oblike v različne vrste kamnov.

Lasersko varjenje. Ena prvih uporab laserjev v industriji nakita je bilo popravilo različnih izdelkov z laserskim varjenjem. Primer uporabe laserskega varjenja v serijski masovni proizvodnji je lasersko varjenje verig med njihovo proizvodnjo.

riž. 4. Vrste verig za varjenje.

riž. 5. Primer laserskega varjenja zlate lasnice

Dejansko vsi poznajo in uspešno uporabljajo opremo za proizvodnjo verig, zlasti italijanska podjetja. Značilnost tega postopka je njegova dvostopenjska narava: najprej se oblikuje veriga, nato pa se spajka s tradicionalnimi metodami. Laserji omogočajo varjenje verižnega člena neposredno med njegovim oblikovanjem na eni tehnološki operaciji in na isti opremi. To tehnologijo je za varjenje zlatih verižic najprej razvilo italijansko podjetje Laservall. Varjenje je mogoče uporabiti tudi pri povezovanju različnih vozlov nakita, pritrjevanju igel znakov (slika 2), varjenju velikega obroča za ključavnico itd. Prednosti laserskega varjenja so lokalnost vnosa toplote, odsotnost talil in dodajnega materiala (spajke), majhne izgube materiala med varjenjem, možnost povezovanja delov izdelka s kamni, praktično brez segrevanja celotnega izdelka kot celote. Posebej je treba opozoriti, da je lasersko varjenje eden najkompleksnejših tehnoloških procesov in zahteva razvoj tehnologije (pravila montaže, načini varjenja, priprava in načrtovanje enote za varjenje) v skoraj vsakem primeru uporabe tega postopka.

Lasersko varjenje z dodatkom (navarjanje). Takšen postopek lahko izvedemo podobno kot varjenje, vendar s ponovnim taljenjem v območju varjenja dodatnega dodajnega materiala - spajke. Tako je mogoče rešiti vprašanje varjenja notranjih praznin in lupin izdelkov, ki se odprejo med poliranjem in brušenjem izdelkov po litju, kot tudi varjenje spojev z velikimi režami.

Lasersko označevanje in graviranje. Eden najbolj zanimivih načinov obdelave plemenitih kovin je označevanje in graviranje. Sodobni laserji, opremljeni z računalniškim nadzorom, omogočajo nanašanje skoraj vseh grafičnih informacij - risb, napisov, monogramov, logotipov - na kovino z laserskim označevanjem in graviranjem (površinske spremembe pod vplivom laserskega sevanja.). Poleg tega je sliko mogoče uporabiti tako v rastrski kot v konturni sliki. Sodobna oprema vam omogoča premikanje laserskega žarka s hitrostjo več kot dva metra na minuto in zagotavljanje grafične ločljivosti na kovini do 10...15 vrstic na milimeter. V tej tehniki je možno poceni izdelati različne obeske, lasnice in drug nakit z nekakšno lasersko grafiko (slika 3). Zanimiva uporaba tehnologije laserskega graviranja je tudi lasersko nanašanje različnih logotipov, monogramov lastnikov, blagovnih znamk in znakov na elemente namiznega pribora, tako iz plemenitih kovin kot tudi iz neplemenitega, na primer za označevanje "nerjaveče". na rezilih nožev.

Slika 6. Vzorci laserskega označevanja in graviranja nakita.

Visoka ločljivost (tanke črte), natančnost in ponovljivost (manj kot 5 mikronov) grafičnega vzorca na kovini omogoča učinkovito uporabo laserja za označevanje oznak izdelkov za nadaljnje ročno graviranje, na primer pri izdelavi spominskih znakov, medalj. ali orodja za njihovo izdelavo. Širok nabor načinov laserske obdelave vam omogoča natančno odmerjanje energije laserskega sevanja, kar posledično zagotavlja možnost visoko natančne obdelave dvoslojnih materialov, na primer predhodno lakiranega nakita iz navadnih kovin. Odstranjevanje laka pod vplivom laserskega sevanja brez motenj geometrijskih parametrov kovinske površine omogoča naknadno galvansko nanašanje plemenite kovine skoraj katere koli grafične podobe in pridobitev nenavadnega izdelka.

Diamantno označevanje. Sodoben razvoj laserjev in laserske tehnologije, izboljšanje parametrov laserskega sevanja, razvoj popolnoma novih laserskih sevalcev so odprli možnost označevanja diamantov.

riž. 4. Videz oznake sintetičnega diamanta.

Po poročanju revije Jewellery Review je Ameriški inštitut za gemologijo, da bi izboljšal značilnosti trga diamantov, začel lasersko označevati diamante, ki tehtajo od 0,99 karata. Podobno delo se izvaja v Rusiji. Torej na sl. 4. Podan je primer nanašanja laserske slike na sintetični diamant, ki je po fizikalno-kemijskih lastnostih zelo blizu naravnemu kamnu in je dober modelni material za proučevanje tehnološkega procesa označevanja diamantov. Ker je velikost dobro prepoznavnih znakov na sliki približno 125 mikronov, odpira možnost laserskega označevanja na pasu diamantov s težo od 0,2 karata, saj je velikost pasu okoli 200 mikronov. To je zelo obetavna tehnologija.

blagovna znamka. Žigosanje je vrsta laserskega označevanja, ko se slika oblikuje na kovino kot rezultat projiciranja predhodno ustvarjenega vzorca z laserskim žarkom. Ta metoda omogoča enostavno pridobivanje majhnih velikosti na kovini in se uporablja za nastavitev imen proizvajalca izdelka in zaščitnih znakov. Visoka ločljivost omogoča pridobivanje slik z visoko stopnjo zaščite pred reprodukcijo (ponarejanjem) in se lahko uporablja za žigosanje.

Znamka na izdelku je tudi znak njegove kakovosti. Tehnologija nanašanja blagovne znamke z laserjem ne vodi do izgube kakovosti izdelkov, ne zahteva ponovnega polnjenja blagovne znamke, ima visoko produktivnost in ergonomijo. Še posebej učinkovita je uporaba laserskega žigosanja na lahkih in tankostenskih izdelkih iz plemenitih kovin.

Zemeljski laserski daljinomeri. Lasersko določanje razdalje je eno prvih področij praktične uporabe laserjev v tuji vojaški opremi. Prvi poskusi segajo v leto 1961, zdaj pa se laserski daljinomeri uporabljajo tako v kopenski vojaški opremi (topništvu ipd.), kot v letalstvu (merilci razdalje, višinomeri, označevalci ciljev) in v mornarici. Ta tehnika je bila bojno preizkušena v Vietnamu in na Bližnjem vzhodu. Trenutno so številne vojske sveta sprejele številne daljinomere.

Naloga določanja razdalje med merilnikom razdalje in ciljem se zmanjša na merjenje ustreznega časovnega intervala med sondirnim signalom in signalom, odbojem od cilja. Obstajajo trije načini merjenja dometa, odvisno od tega, kakšna modulacija laserskega sevanja se uporablja v daljinomeru: impulzni, fazni ali fazno-impulzni.

Bistvo pulzne metode določanja razdalje je v tem, da se na objekt pošlje sondirni impulz, ki hkrati sproži števec časa v daljinomeru. Ko impulz, ki ga odbija predmet, doseže daljinomer, ustavi števec. Glede na časovni interval se razdalja do objekta samodejno prikaže pred operaterjem. Z uporabo predhodno obravnavane formule ocenimo natančnost takšne metode določanja razdalje, če je znano, da natančnost merjenja časovnega intervala med sondiranjem in odbitim signalom ustreza 10-9 s. Ker lahko predpostavimo, da je hitrost svetlobe 3 * 1010 cm/s, dobimo napako pri spreminjanju razdalje približno 30 cm, kar je po mnenju strokovnjakov povsem dovolj za rešitev številnih praktičnih problemov.

Pri metodi faznega določanja se lasersko sevanje modulira po sinusnem zakonu. V tem primeru se intenzivnost sevanja spreminja v znatnem območju. Odvisno od razdalje do predmeta se spremeni faza signala, ki je padel na predmet. Signal, ki se odbija od predmeta, bo do sprejemne naprave prišel tudi z določeno fazo, odvisno od razdalje. To je dobro prikazano v poglavju o geodetskih daljinomerih. Ocenimo napako faznega daljinomera, primernega za delovanje na terenu. Strokovnjaki pravijo, da operaterju (ne zelo kvalificiranemu vojaku) ni težko določiti faze z napako največ ene stopinje. Če je frekvenca modulacije laserskega sevanja 10 MHz, bo napaka pri merjenju razdalje približno 5 cm.

Prvi laserski daljinomer XM-23 je bil testiran in sprejet v vojske. Zasnovan je za uporabo v naprednih opazovalnih točkah kopenskih sil. Vir sevanja v njem je rubinasti laser z izhodno močjo 2,5 W in trajanjem impulza 30 ns. Integrirana vezja se pogosto uporabljajo pri načrtovanju daljinomera. Oddajnik, sprejemnik in optični elementi so vgrajeni v monoblok, ki ima skale za natančno javljanje azimuta in elevacijskega kota cilja. Daljinomer napaja 24 V nikelj-kadmijeva baterija, ki omogoča 100 meritev razdalje brez ponovnega polnjenja. V drugem topniškem daljinomeru, ki so ga prav tako sprejele vojske, je naprava za hkratno določanje dometa do štirih ciljev, ki ležijo na isti črti, z zaporednim strobiranjem razdalj 200, 600, 1000, 2000 in 3000 m.

Zanimiv švedski laserski daljinomer. Namenjen je uporabi v sistemih za nadzor ognja mornariškega in obalnega topništva na krovu. Zasnova daljinomera je še posebej trpežna, kar omogoča uporabo v težkih pogojih. Daljinomer se lahko po potrebi združi z ojačevalcem slike ali televizijskim merilnikom. Način delovanja daljinomera omogoča bodisi meritve vsaki 2 s. v 20ih. in s premorom med serijami meritev 20 s. ali vsake 4s. Dolgo časa. Digitalni indikatorji razdalje delujejo tako, da ko eden od indikatorjev poda zadnji izmerjeni doseg, se preostale štiri prejšnje meritve razdalje shranijo v pomnilnik drugega.

Zelo uspešen laserski daljinomer je LP-4. Ima optično-mehanski zaklop kot Q-stikalo. Sprejemni del daljinomera je tudi pogled operaterja. Premer vhodnega optičnega sistema je 70mm. Sprejemnik je prenosna fotodioda, katere občutljivost ima največjo vrednost pri valovni dolžini 1,06 μm. Merilnik je opremljen s strobobnim vezjem dometa, ki deluje glede na nastavitve operaterja od 200 do 3000 m. V shemi optičnega namerila je pred okularjem nameščen zaščitni filter, ki ščiti operaterjevo oko pred učinki njegovega laserja pri sprejemanju odbitega impulza. Oddajnik in sprejemnik sta nameščena v enem ohišju. Višinski kot tarče je določen znotraj + 25 stopinj. Baterija omogoča 150 meritev razdalje brez polnjenja, njena teža je samo 1 kg. Daljinomer je bil testiran in kupljen v številnih državah, kot so - Kanada, Švedska, Danska, Italija, Avstralija. Poleg tega je britansko obrambno ministrstvo podpisalo pogodbo za dobavo modificiranega daljinomera LP-4, ki tehta 4,4 kg, britanski vojski.

Prenosni laserski daljinomeri so namenjeni pehotnim enotam in prednjim topniškim opazovalcem. Eden od teh daljinomerov je izdelan v obliki daljnogleda. Vir sevanja in sprejemnik sta nameščena v skupnem ohišju z monokularnim optičnim merilom šestkratne povečave, v vidnem polju katerega je svetlobna plošča LED, ki se dobro razlikuje tako ponoči kot podnevi. Laser kot vir sevanja uporablja itrijev aluminijev granat s Q-stikalom na litijevem niobatu. To zagotavlja največjo moč 1,5 MW. Sprejemni del uporablja dvojni lavinski fotodetektor s širokopasovnim nizkošumnim ojačevalnikom, ki omogoča zaznavanje kratkih impulzov z nizko močjo le 10-9 W. Lažni signali, ki se odbijejo od bližnjih predmetov, ki so v cevi s tarčo, se izločijo z vezjem za zapiranje dosega. Vir napajanja je majhna polnilna baterija, ki omogoča 250 meritev brez polnjenja. Elektronske enote daljinomera so izdelane na integriranih in hibridnih vezjih, kar je omogočilo povečanje mase daljinomera skupaj z virom napajanja na 2 kg.

Namestitev laserskih daljinomerov na tanke je takoj zanimala tuje razvijalce vojaškega orožja. To je posledica dejstva, da je na tanku mogoče uvesti merilnik razdalje v sistem za nadzor ognja tanka, s čimer se povečajo njegove bojne lastnosti. Za to je bil razvit daljinomer AN / VVS-1 za tank M60A. Po zasnovi se ni razlikoval od laserskega topniškega daljinomera na rubinu, poleg tega pa je podatke o dosegu prikazoval na digitalnem zaslonu v kalkulatorju sistema za nadzor ognja tanka. V tem primeru lahko merjenje dometa opravita tako strelec kot poveljnik tanka. Način delovanja daljinomera - 15 meritev na minuto za eno uro. Tuji tisk poroča, da ima naprednejši daljinomer, ki so ga razvili pozneje, omejitev dosega od 200 do 4700 m. z natančnostjo + 10 m, ter računalnik, povezan s sistemom za vodenje ognja tanka, kjer se skupaj z ostalimi podatki obdeluje še 9 vrst podatkov o strelivu. To po mnenju razvijalcev omogoča zadetek tarče s prvim strelom. Sistem za nadzor ognja tankovske pištole ima analog, ki je bil obravnavan prej, kot merilnik razdalje, vendar vključuje še sedem senzoričnih senzorjev in optični cilj. Ime namestitve Kobelda . Tisk poroča, da zagotavlja visoko verjetnost zadetka tarče in kljub zapletenosti te namestitve se balistični mehanizem preklopi v položaj, ki ustreza izbrani vrsti strela, in nato pritisne gumb laserskega daljinomera. Pri streljanju na premikajočo se tarčo strelec dodatno spusti stikalo za zaklepanje nadzora ognja, tako da signal senzorja hitrosti pomika kupole pri sledenju cilja gre za tahometrom v računalniško napravo, kar pomaga ustvariti signal iz institucije. Laserski daljinomer vključen v sistem Kobelda , vam omogoča istočasno merjenje dosega do dveh tarč, ki se nahajata na poravnavi. Sistem je hitro delujoč, kar omogoča snemanje v najkrajšem možnem času.

Če pri stacionarnih tarčah verjetnost zadetka pri uporabi laserskega sistema v primerjavi z verjetnostjo zadetka pri uporabi sistema s stereo daljinomerom ne predstavlja velike razlike na razdalji cca 1000m, občuti pa se šele na razdalji 1500m oz. več, potem je za premikajoče se tarče dobiček jasen. Vidimo, da se verjetnost zadetka premikajoče se tarče pri uporabi laserskega sistema v primerjavi z verjetnostjo zadetka pri uporabi sistema s stereo daljinomerom že na razdalji 100 m poveča za več kot 3,5-krat, pri razdalje 2000 m., kjer sistem s stereo daljinomerom postane praktično neučinkovit, laserski sistem zagotavlja verjetnost poraza od prvega strela približno 0,3.

V vojskah se laserski daljinomeri poleg topništva in tankov uporabljajo v sistemih, kjer je treba v kratkem času določiti doseg z visoko natančnostjo. Tako so v tisku poročali, da je bil razvit avtomatski sistem za sledenje zračnim ciljem in merjenje razdalje do njih. Sistem omogoča natančno merjenje azimuta, višine in dometa. Podatke lahko posnamemo na magnetni trak in obdelamo na računalniku. Sistem ima majhno velikost in težo ter je nameščen na mobilnem kombiju. Sistem vključuje laser, ki deluje v infrardečem območju. Sprejemnik infrardeče TV kamere, TV monitor, ogledalo za sledenje servo kablom, digitalni zaslon in snemalnik. Laserska naprava iz neodimovega stekla deluje v načinu s preklopom Q in oddaja energijo pri valovni dolžini 1,06 µm. Moč sevanja je 1 MW na impulz s trajanjem 25 ns in hitrostjo ponavljanja impulza 100 Hz. Divergenca laserskega žarka je 10 mrad. Sledilni kanali uporabljajo različne vrste fotodetektorjev. Sprejemnik uporablja silikonsko LED. V sledilnem kanalu - rešetka, sestavljena iz štirih fotodiod, s pomočjo katerih se ustvari signal neusklajenosti, ko se cilj premakne stran od osi vida v azimutu in višini. Signal iz vsakega sprejemnika se napaja v video ojačevalnik z logaritemskim odzivom in dinamičnim razponom 60 dB. Najmanjši prag signala, pri katerem sistem nadzoruje cilj, je 5 * 10-8 W. Zrcalo za sledenje cilju poganjajo servomotorji po azimutu in elevaciji. Sistem za sledenje vam omogoča določanje lokacije zračnih ciljev na razdalji do 19 km. medtem ko je natančnost sledenja cilju, ugotovljena eksperimentalno, 0,1 mrad. v azimutu in 0,2 mrad v elevaciji cilja. Natančnost merjenja razdalje + 15 cm.

Laserski daljinomeri na rubinastem in neodimskem steklu zagotavljajo merjenje razdalje do mirujočih ali počasi premikajočih se predmetov, saj je hitrost ponavljanja impulza nizka. Ne več kot en hertz. Če je potrebno meriti kratke razdalje, vendar z večjo frekvenco merilnih ciklov, se uporabljajo fazni daljinomeri s polprevodniškim laserskim oddajnikom. Kot vir praviloma uporabljajo galijev arzenid. Tukaj je značilnost enega od daljinomerov: izhodna moč je 6,5 W na impulz, katerega trajanje je 0,2 μs, hitrost ponavljanja impulza pa je 20 kHz. Divergenca laserskega žarka je 350*160 mrad, tj. spominja na cvetni list. Po potrebi se lahko kotna divergenca žarka zmanjša na 2 mrad. Sprejemnik je sestavljen iz optičnega sistema, katerega goriščna ravnina je diafragma, ki omejuje vidno polje sprejemnika na želeno velikost. Kolimacijo izvaja leča s kratkim fokusom, ki se nahaja za diafragmo. Delovna valovna dolžina je 0,902 mikrona, razpon pa od 0 do 400 m. Tisk poroča, da so bile te značilnosti bistveno izboljšane v poznejših modelih. Tako je bil na primer že razvit laserski daljinomer z dosegom 1500 m. in natančnost merjenja razdalje + 30m. Ta merilnik razdalje ima hitrost ponavljanja 12,5 kHz s trajanjem impulza 1 μs. Drug daljinomer, razvit v ZDA, ima doseg od 30 do 6400 m. Moč impulza je 100 W, frekvenca ponavljanja impulza pa 1000 Hz.

Ker se uporablja več tipov daljinomerov, se je pojavila težnja po poenotenju laserskih sistemov v obliki ločenih modulov. S tem je poenostavljena njihova montaža, pa tudi menjava posameznih modulov med delovanjem. Po mnenju strokovnjakov modularna zasnova laserskega daljinomera zagotavlja maksimalno zanesljivost in vzdržljivost na terenu.

Oddajni modul je sestavljen iz palice, črpalke, osvetljevalca, visokonapetostnega transformatorja, resonatorskih zrcal in Q-stikala. Kot vir sevanja se običajno uporablja neodimovo steklo ali aluminijev natrijev granat, ki zagotavlja delovanje daljinomera brez hladilnega sistema. Vsi ti elementi glave so nameščeni v togo cilindrično telo. Natančna obdelava sedežev na obeh koncih cilindričnega telesa glave omogoča hitro menjavo in montažo brez dodatnih nastavitev, kar zagotavlja enostavno vzdrževanje in popravilo. Za začetno nastavitev optičnega sistema se uporablja referenčno ogledalo, nameščeno na skrbno obdelani površini glave, pravokotno na os cilindričnega telesa. Difuzijski osvetljevalec je sestavljen iz dveh valjev, ki vstopata drug v drugega, med stenama katerih je plast magnezijevega oksida. Q-stikalo je zasnovano za neprekinjeno stabilno delovanje ali pulzno s hitrimi zagoni. glavni podatki enotne glave so naslednji: valovna dolžina - 1,06 μm, energija črpalke - 25 J, energija izhodnega impulza - 0,2 J, trajanje impulza 25 ns, hitrost ponavljanja impulza 0,33 Hz za 12 s, delovanje s frekvenco 1 Hz je dovoljeno), kot razhajanja je 2 mrad. Zaradi visoke občutljivosti na notranji šum so fotodioda, predojačevalnik in napajalnik nameščeni v istem ohišju s čim bolj gosto razporeditvijo, pri nekaterih modelih pa je vse skupaj izdelano v eni sami kompaktni enoti. To zagotavlja občutljivost reda 5 * 10-8 W.

Ojačevalnik ima pragovno vezje, ki se aktivira v trenutku, ko impulz doseže polovico največje amplitude, kar pomaga izboljšati natančnost daljinomera, ker zmanjša učinek nihanj amplitude prihajajočega impulza. Zagonski in zaustavitveni signal generira isti fotodetektor in sledita isti poti, kar odpravlja sistematične napake določanja razdalje. Optični sistem je sestavljen iz afokalnega teleskopa za zmanjšanje divergence laserskega žarka in fokusne leče za fotodetektor. Fotodiode imajo premer aktivne površine 50, 100 in 200 µm. Znatno zmanjšanje velikosti je olajšano z dejstvom, da sta sprejemni in oddajni optični sistem združena, osrednji del pa se uporablja za oblikovanje sevanja oddajnika, periferni del pa za sprejem signala, ki se odbija od cilja.

Zračni laserski sistemi. Tuji tisk poroča, da so se v vojaškem letalstvu ZDA in držav Nata široko uporabljali laserski daljinomeri in višinomeri, ki zagotavljajo visoko natančnost pri merjenju razdalje ali višine, imajo majhne dimenzije in se enostavno vključijo v sistem za nadzor ognja. Poleg teh nalog so laserskim sistemom zdaj dodeljene številne druge naloge. Ti vključujejo usmerjanje in določanje cilja. Sistemi za lasersko vodenje in označevanje ciljev se uporabljajo v helikopterjih, letalih in brezpilotnih zračnih plovilih. Delimo jih na polaktivne in aktivne. Načelo izdelave polaktivnega sistema je naslednje: tarča je obsevana z laserskim sevanjem neprekinjeno ali impulzno, vendar tako, da je izključena izguba tarče laserskega sistema za navajanje, za kar je ustrezna frekvenca sporočila je izbrano. Cilj je osvetljen bodisi s tal bodisi z zračne opazovalnice; lasersko sevanje, ki se odbije od cilja, zazna glava za nastavljanje, nameščena na raketi ali bombi, ki določa napako v neskladju med položajem optične osi glave in potjo leta. Ti podatki se vnesejo v krmilni sistem, ki zagotavlja natančno vodenje rakete ali bombe na cilj, osvetljen z laserjem.

Laserski sistemi zajemajo naslednje vrste streliva: bombe, rakete zrak-zemlja, mornariška torpeda. Bojna uporaba laserskih sistemov za navajanje je določena z vrsto sistema, naravo cilja in pogoji bojnega delovanja. Na primer, pri vodenih bombah sta lahko označevalec tarče in naravnana bomba na istem nosilcu.

Za boj proti taktičnim kopenskim tarčam v tujih laserskih sistemih se lahko označevanje tarč izvaja iz helikopterjev ali s pomočjo zemeljskih prenosnih označevalcev, napad pa se lahko izvaja s helikopterjev ali letal. Obstaja pa tudi težava pri uporabi ciljnih označevalcev letalskih prevoznikov. To zahteva popoln stabilizacijski sistem, da laserska točka ostane na tarči.

Laserski izvidniški sistemi. Za izvidovanje iz zraka v tujih vojskah se uporabljajo različna sredstva: fotografska, televizijska, infrardeča, radijska tehnika itd. Poroča se, da foto izvidniška sredstva zagotavljajo največjo zmogljivost uporabnih informacij. Vendar imajo takšne pomanjkljivosti, kot je nezmožnost izvajanja prikritega izvidovanja ponoči, pa tudi dolga obdobja obdelave prenosa in zagotavljanja materialov, ki nosijo informacije. Televizijski sistemi omogočajo ažuren prenos informacij, vendar ne omogočajo dela ponoči in v neugodnih vremenskih razmerah. Radijski sistemi vam omogočajo delo ponoči in v slabih vremenskih razmerah, vendar imajo relativno nizko ločljivost.

Načelo delovanja laserskega izvidniškega sistema je naslednje. Sevanje iz vgrajenega nosilca obseva raziskano območje terena in predmeti, ki se nahajajo na njem, drugače odbijajo sevanje, ki je padlo nanj. Vidimo lahko, da ima isti predmet, odvisno od ozadja, na katerem se nahaja, različen koeficient svetlosti, zato ima razkrivajoče znake. Z lahkoto ga je ločiti od okoliškega ozadja. Lasersko sevanje, ki se odbija od spodnje površine in predmetov na njej, zbira sprejemni optični sistem in ga usmeri na občutljiv element. Sprejemnik pretvori sevanje, ki se odbija od površine, in električni signal, ki bo moduliran v amplitudi glede na porazdelitev svetlosti. Ker se v laserskih izvidniških sistemih praviloma izvaja črtno-okvirno skeniranje, je tak sistem blizu televiziji. Ozko usmerjen laserski žarek se razporedi pravokotno na smer leta letala. Istočasno se skenira tudi vzorec sevanja sprejemnega sistema. To zagotavlja oblikovanje slikovne linije. Zamah okvirja zagotavlja gibanje letala. Slika se posname na film ali pa se ustvari na zaslonu katodne cevi.

Holografski indikatorji na vetrobranskem steklu. Za uporabo v opazovalnem in navigacijskem sistemu za nočno opazovanje, zasnovanem za lovec F-16 in jurišno letalo A-10, je bil razvit holografski indikator na vetrobranskem steklu. Ker so dimenzije kabine letala majhne, ​​so se razvijalci odločili, da pod armaturno ploščo postavijo kolimacijski element, da bi dobili veliko trenutno vidno polje indikatorja. Optični sistem vključuje tri ločene elemente, od katerih ima vsak lastnosti difrakcijskih optičnih sistemov: sredinski ukrivljeni element deluje kot kolimator, druga dva elementa služita za spreminjanje položaja žarkov. Razvita je bila metoda za prikaz kombiniranih informacij na enem zaslonu: v obliki rastra in v črtkani obliki, kar dosežemo z uporabo povratnega snopa pri oblikovanju rastra s časovnim intervalom 1,3 ms, med katere informacije se reproducirajo na televizijskem zaslonu v alfanumerični obliki in v obliki grafičnih podatkov, ustvarjenih s črtkano metodo. Za zaslon televizijske cevi indikatorja je uporabljen ozkopasovni fosfor, ki zagotavlja dobro selektivnost holografskega sistema pri reprodukciji slik in prenosu svetlobe brez rožnatega odtenka iz zunanjega okolja. V procesu tega dela je bil rešen problem usklajevanja opazovane slike s sliko na indikatorju med leti na majhnih višinah ponoči (sistem za nočno opazovanje je dal nekoliko povečano sliko), ki je pilot ni mogel uporabiti. , saj je to nekoliko popačilo sliko, ki bi jo lahko dobili z vizualnim pregledom. Študije so pokazale, da v teh primerih pilot izgubi samozavest, teži k letenju z nižjo hitrostjo in na visoki nadmorski višini. Treba je bilo izdelati sistem, ki bi zagotavljal dovolj veliko realno sliko, da bi lahko pilot ponoči in v težkih vremenskih razmerah vizualno upravljal z letalom, le občasno s pomočjo instrumentov. To je zahtevalo široko indikatorsko polje, ki širi pilotovo sposobnost pilotiranja letala, odkrivanja ciljev stran od poti ter izdelave protiletalske poti in manevra za napad na cilj. Za zagotovitev teh manevrov je potrebno veliko vidno polje v višini in azimutu. Ko se kot nagiba letala poveča, mora imeti pilot široko navpično vidno polje. Postavitev kolimacijskega elementa čim višje in bližje očem pilota je bila dosežena z uporabo holografskih elementov kot ogledal za spreminjanje smeri žarka. Čeprav je to zakompliciralo zasnovo, je omogočilo uporabo preprostih in poceni holografskih elementov z visokimi donosi.

V ZDA razvijajo holografski koordinator za prepoznavanje in sledenje tarčam. Glavni namen takšnega korelatorja je razvoj in nadzor krmilnih signalov za vodenje projektila v srednjem in končnem odseku trajektorije leta. To dosežemo s takojšnjo primerjavo slik zemeljskega površja v vidnem polju sistema na spodnji in sprednji polobli s sliko različnih delov zemeljske površine vzdolž dane trajektorije, shranjeno v pomnilniku sistema. Tako je mogoče nenehno določati lokacijo rakete na poti z uporabo tesno ležečih površin, kar omogoča korekcijo tečaja v pogojih delne zatemnjenosti terena z oblaki. Visoka natančnost v končni fazi leta je dosežena z uporabo korekturnih signalov s frekvenco manj kot 1 Hz. Sistem za vodenje rakete ne zahteva inercialnega koordinatnega sistema in koordinat natančnega položaja cilja. Kot so poročali, bi morali biti začetni podatki za ta sistem zagotovljeni s predhodnim izvidovanjem v zraku ali vesolju in bi morali biti sestavljeni iz niza zaporednih okvirjev, ki predstavljajo Fourierjev spekter slike ali panoramskih fotografij terena, kot je to storjeno z uporabo obstoječega površinskega korelatorja terena. Uporaba te sheme bo po mnenju strokovnjakov omogočila izstrelitev raket z nosilca, ki se nahaja zunaj območja zračne obrambe sovražnika, s katere koli višine in točke poti, pod katerim koli kotom, zagotavlja visoko odpornost proti hrupu, vodenje vodenega orožja po izstrelitvi na vnaprej izbrane in dobro kamuflirane stacionarne tarče. Vzorec opreme vključuje vhodno lečo, napravo za pretvorbo trenutne slike, ki deluje v realnem času, niz holografskih leč, usklajen z lasersko holografsko shranjevalno napravo, vhodni fotodetektor in elektronske enote. Značilnost te sheme je uporaba matrike leč s 100 elementi s formatom 10x10. Vsaka elementarna leča omogoča pogled na celotno vhodno opremo in posledično celoten signal iz vhodne slike terena ali cilja. Na določeni goriščni ravnini se oblikuje 100 Fourierjevih spektrov tega vhodnega signala. Tako je trenutni vhodni signal istočasno naslovljen na 100 pomnilniških mest. V skladu z matriko leč se z uporabo usklajenih filtrov in ob upoštevanju potrebnih pogojev uporabe izdela holografski pomnilnik visoke zmogljivosti. Poročajo, da so bile med fazo testiranja sistema ugotovljene številne njegove pomembne značilnosti. Visoka zaznavnost pri nizkem in visokem kontrastu slike, sposobnost pravilne identifikacije vnosa

informacije, tudi če je na voljo le del njih. Možnost nemotenega samodejnega prehoda sledilnih signalov pri menjavi ene slike terena v drugo, ki je v pomnilniški napravi.

Uporaba laserjev v računalniški tehnologiji

Glavni primer delovanja polprevodniških laserjev je magnetno-optični pomnilnik (MO).

Pogon MO je zgrajen na kombinaciji magnetnega in optičnega principa shranjevanja informacij. Informacije se zapisujejo z laserskim žarkom in magnetnim poljem, branje pa poteka samo z laserjem.

V procesu zapisovanja na MO disk laserski žarek segreje določene točke na disku, pod vplivom temperature pa upor za obračanje polarnosti za segreto točko močno pade, kar omogoči magnetnemu polju, da spremeni polariteto točke. . Po koncu segrevanja se upor ponovno poveča, vendar polarnost segrete točke ostane v skladu z magnetnim poljem, ki je nanjo uporabljeno v času segrevanja. V trenutno razpoložljivih napravah za shranjevanje MO se za zapisovanje informacij uporabljata dva cikla, cikel brisanja in cikel pisanja. Med postopkom brisanja ima magnetno polje enako polarnost, ki ustreza binarnim ničlam. Laserski žarek sekvenčno segreje celotno izbrisljivo območje in tako zapiše zaporedje ničel na disk. V zapisovalnem ciklu se polarnost magnetnega polja obrne, kar ustreza binarni enoti. V tem ciklu se laserski žarek vklopi samo na tistih območjih, ki bi morala vsebovati binarne enice, področja z binarnimi ničlami ​​pa pustijo nespremenjena.

V procesu branja z diska MO se uporablja Kerrov učinek, ki je sestavljen iz spreminjanja ravnine polarizacije odbitega laserskega žarka, odvisno od smeri magnetnega polja odbojnega elementa. Odbojni element je v tem primeru točka na površini diska, magnetizirana med snemanjem, ki ustreza enemu bitu shranjene informacije. Pri branju se uporablja laserski žarek nizke intenzivnosti, ki ne povzroča segrevanja odčitanega območja, zato se pri branju shranjene informacije ne uničijo.

Ta metoda za razliko od običajne, ki se uporablja pri optičnih diskih, ne deformira površine diska in omogoča ponovno snemanje brez dodatne opreme. Ta metoda ima tudi prednost pred tradicionalnim magnetnim snemanjem v smislu zanesljivosti. Ker je remagnetizacija odsekov diska mogoča le pod vplivom visoke temperature, je verjetnost nenamerne remagnetizacije zelo majhna, v nasprotju s tradicionalnim magnetnim zapisom, ki se lahko izgubi zaradi naključnih magnetnih polj.

Področje uporabe MO diskov je določeno z visoko zanesljivostjo, prostornino in nadomestnimi lastnostmi. MO disk je potreben za naloge, ki zahtevajo veliko diskovnega prostora, to so naloge kot so CAD, obdelava avdio slik. Nizka hitrost dostopa do podatkov pa ne omogoča uporabe diskov MO za naloge s kritično reaktivnostjo sistema. Zato je uporaba diskov MO pri takšnih nalogah zmanjšana na shranjevanje začasnih ali varnostnih kopij informacij na njih. Za diske MO je zelo ugodna uporaba za varnostno kopiranje trdih diskov ali baz podatkov. Za razliko od tračnih pogonov, ki se tradicionalno uporabljajo za te namene, shranjevanje varnostnih kopij podatkov na diske MO bistveno poveča hitrost obnovitve podatkov po okvari. To je zato, ker so diski MO naprave z naključnim dostopom, kar vam omogoča obnovitev samo podatkov, za katere je bilo ugotovljeno, da so bili neuspešni. Poleg tega s to metodo obnovitve ni treba popolnoma zaustaviti sistema, dokler podatki niso popolnoma obnovljeni. Zaradi teh prednosti, skupaj z visoko zanesljivostjo shranjevanja informacij, je uporaba diskov MO za varnostno kopiranje donosna, čeprav dražja od streamerjev.

Uporaba diskov MO je priporočljiva tudi pri delu z velikimi količinami zasebnih informacij. Enostavna menjava diskov vam omogoča, da jih uporabljate samo med delom, brez skrbi za zaščito vašega računalnika v prostem času, podatke lahko shranite na ločeno, varno mesto. Ista lastnost naredi diske MO nepogrešljive v situacijah, ko je treba prevažati velike količine iz kraja v kraj, na primer iz službe domov in nazaj.

Glavne možnosti za razvoj MO diskov so povezane predvsem s povečanjem hitrosti zapisa podatkov. Počasno hitrost določa predvsem algoritem dvoprehodnega pisanja. V tem algoritmu se ničle in enice zapisujejo v različnih prehodih, ker magnetno polje, ki določa smer polarizacije določenih točk na disku, ne more dovolj hitro spremeniti svoje smeri.

Najbolj realna alternativa dvoprehodnemu snemanju je tehnologija, ki temelji na fazni spremembi. Takšen sistem so že uvedli nekateri proizvajalci. V tej smeri je še nekaj drugih dosežkov, povezanih s polimernimi barvili in modulacijami magnetnega polja ter moči laserskega sevanja.

Tehnologija, ki temelji na spremembi faznega stanja, temelji na sposobnosti snovi, da preide iz kristalnega stanja v amorfno stanje. Dovolj je, da določeno točko na površini diska osvetlimo z laserskim žarkom določene moči, saj snov na tem mestu preide v amorfno stanje. To spremeni odbojnost diska na tej točki. Zapisovanje informacij je veliko hitrejše, vendar ta proces deformira površino diska, kar omejuje število ciklov ponovnega pisanja.

Tehnologija na osnovi polimernih barvil omogoča tudi prepisovanje. S to tehnologijo je površina diska prekrita z dvema slojema polimerov, od katerih je vsaka občutljiva na svetlobo določene frekvence. Za snemanje se uporablja frekvenca, ki jo zgornja plast ignorira, v spodnji pa povzroči reakcijo. Na mestu vpadanja žarka spodnja plast nabrekne in tvori izboklino, ki vpliva na odbojne lastnosti površine diska. Za brisanje se uporablja druga frekvenca, na katero reagira le zgornja plast polimera, med reakcijo se izboklina zgladi. Ta metoda, tako kot prejšnja, ima omejeno število ciklov pisanja, saj se površina med pisanjem deformira.

Trenutno se že razvija tehnologija, ki vam omogoča, da spremenite polarnost magnetnega polja v nasprotno v samo nekaj nanosekundah. To bo omogočilo spreminjanje magnetnega polja sinhrono s prihodom podatkov za snemanje. Obstaja tudi tehnologija, ki temelji na modulaciji laserskega sevanja. Pri tej tehnologiji disk deluje v treh načinih - nizko intenzivnem načinu branja, srednje intenzivnem pisanju in visoko intenzivnem pisanju. Moduliranje intenzitete laserskega žarka zahteva bolj zapleteno strukturo diska in dopolnitev mehanizma diskovnega pogona z inicializacijskim magnetom, ki je nameščen pred prednapetostnim magnetom in ima nasprotno polariteto. V najpreprostejšem primeru ima disk dve delovni plasti - inicializacijo in snemanje. Inicializacijski sloj je narejen iz takšnega materiala, da lahko inicializacijski magnet spremeni svojo polariteto brez dodatnega laserskega delovanja. Med postopkom snemanja je inicializacijski sloj zapisan z ničlami, pri izpostavljenosti srednje intenzivnemu laserskemu žarku pa se snemalni sloj magnetizira z inicializacijskim, pri izpostavitvi visokointenzivnemu žarku pa se snemalni sloj magnetizira v skladu z s polariteto prednapetostnega magneta. Tako lahko snemanje podatkov poteka v enem prehodu, ko se preklopi moč laserja.

Seveda so MO diski obetavne in hitro razvijajoče se naprave, ki lahko rešijo nastajajoče težave z velikimi količinami informacij. A njihov nadaljnji razvoj ni odvisen samo od tehnologije snemanja nanje, temveč tudi od napredka na področju drugih pomnilniških medijev. In če ne bomo izumili učinkovitejšega načina shranjevanja informacij, bodo diski MO verjetno prevladovali.

Zaključek

V zadnjem času so v Rusiji in tujini potekale obsežne raziskave na področju kvantne elektronike, ustvarjeni so bili različni laserji, pa tudi naprave, ki temeljijo na njihovi uporabi. Laserji se zdaj uporabljajo na področju lokacije in komunikacij, v vesolju in na zemlji, v medicini in gradbeništvu, v računalniški tehnologiji in industriji ter v vojaški tehnologiji. Pojavila se je nova znanstvena smer - holografija, katere nastanek in razvoj si prav tako ni mogoče zamisliti brez laserjev.

Vendar pa nam omejen obseg tega dela ni omogočil, da bi opazili tako pomemben vidik kvantne elektronike, kot je laserska termonuklearna fuzija, uporaba laserskega sevanja za proizvodnjo termonuklearne plazme in stabilnost stiskanja svetlobe. Tako pomembni vidiki, kot so lasersko ločevanje izotopov, laserska proizvodnja čistih snovi, laserska kemija in mnogi drugi, niso bili upoštevani.

Ne vemo še, a kaj, če znanstveno revolucija v svetu, ki temelji na današnjih dosežkih laserske tehnologije. Prav mogoče je, da bo čez 50 let realnost veliko bogatejša od naše domišljije ...

Morda selitev v časovni stroj 50 let naprej bomo videli svet, ki se skriva pod puškami laserjev. Zmogljivi laserji, ki iz kritja merijo na vesoljska plovila in satelite. Posebna zrcala v nizkih zemeljskih orbitah so pripravljena odbiti neusmiljeni laserski žarek v pravo smer in ga usmeriti na pravi cilj. Na veliki višini so lebdeli močni gama laserji, katerih sevanje je sposobno v nekaj sekundah uničiti vse življenje v katerem koli mestu na Zemlji. In nikamor se ne morete skriti pred mogočnim laserskim žarkom - razen v globokih podzemnih zakloniščih.

Ampak to je vse fantazija. In bog ne daj, da postane resničnost.

Vse to je odvisno od nas, od naših današnjih dejanj, od tega, kako aktivno bomo vsi pravilno obravnavali dosežke svojega uma in usmerili svoje odločitve v vredno smer tega neizmernega. reke , ki mu je ime laser.

Seznam uporabljene literature

1. Letalstvo in kozmonavtika št. 5 1981 od 44-45
2. Gorny S.G. "Uporaba laserjev v industriji nakita" 2002.
3. Donina N.M. Pojav kvantne elektronike. Moskva: Nauka, 1974.
4. Kvantna elektronika Moskva: Sovjetska enciklopedija, 1969.
5. Karlov N.V. Predavanja o kvantni elektroniki. Moskva: Nauka, 1988.
6. Laserji v letalstvu (pod urednikovanjem V. M. Sidorina) Vojaška založba, 1982.
7. Petrovsky V.I. Lokatorji na laserjih Voenizdat
8. Redy J. Industrijska uporaba laserjev Svet 1991
9. Priezzhev A.V., Tuchin V.V., Shubochkin L.P. Laserska diagnostika v biologiji in medicini. Moskva: Nauka, 1989.
10. Tarasov L.V. Spoznajte laserje Radio in zveze 1993
11. Tarasov L.V. Laserji realnost in upi ur. Nauka 1985
12. Tarasov L.V. Fizika procesov v koherentnih optičnih generatorjih
13. Fedorov B.F. Laserske naprave in letalski sistemi Strojništvo 1988

mentorstvo

Potrebujete pomoč pri učenju teme?

Naši strokovnjaki vam bodo svetovali ali nudili storitve mentorstva o temah, ki vas zanimajo.
Oddajte prijavo navedite temo prav zdaj, da izveste o možnosti pridobitve posvetovanja.

Pogosto naletite na mnenje, da se s pomočjo laserja razdalja meri le z neposrednim merjenjem časa "preleta" laserskega impulza od laserja do odbojnega predmeta in nazaj. Pravzaprav se ta metoda (imenovana impulz ali čas preleta, TOF) uporablja predvsem v primerih, ko so razdalje do želenega objekta dovolj velike (> 100 m). Ker je hitrost svetlobe zelo velika, je zelo težko izmeriti čas preleta svetlobe in s tem razdaljo z veliko natančnostjo v enem laserskem impulzu. Svetloba prepotuje 1 meter v približno 3,3 ns, zato mora biti natančnost merjenja časa nanosekunda, čeprav bo natančnost merjenja razdalje še vedno na desetine centimetrov. Za merjenje časovnih intervalov s tako natančnostjo se uporabljajo FPGA in specializirana mikrovezja.

Obstajajo pa tudi druge laserske metode za spreminjanje razdalje, ena izmed njih je fazna metoda. Pri tej metodi za razliko od prejšnje laser deluje konstantno, vendar je njegovo sevanje amplitudno modulirano s signalom določene frekvence (običajno so to frekvence nižje od 500 MHz). Valovna dolžina laserja ostane nespremenjena (običajno se izbere laser 500-1100 nm).
Sevanje, ki se odbija od predmeta, sprejme fotodetektor, njegovo fazo pa primerja s fazo referenčnega signala - iz laserja. Prisotnost zakasnitve pri širjenju valov povzroči fazni zamik, ki ga meri daljinomer.
Razdalja je določena s formulo:

Kjer je c hitrost svetlobe, f frekvenca laserske modulacije in phi fazni zamik.

Ta formula je veljavna le, če je razdalja do predmeta manjša od polovice valovne dolžine moduliranega signala, ki je enaka c / 2f.
Če je frekvenca modulacije 10 MHz, lahko izmerjena razdalja doseže do 15 metrov, ko se razdalja spremeni od 0 do 15 metrov, se bo fazna razlika spremenila od 0 do 360 stopinj. Sprememba faznega premika za 1 stopinjo v tem primeru ustreza premiku predmeta za približno 4 cm.
Ko je ta razdalja presežena, nastane dvoumnost - nemogoče je določiti, koliko period valovanja se prilega izmerjeni razdalji. Za razrešitev dvoumnosti se frekvenca laserske modulacije preklopi, nakar se reši nastali sistem enačb.

Najenostavnejši primer je uporaba dveh frekvenc, pri nizki frekvenci je razdalja do objekta približno določena (vendar je največja razdalja še vedno omejena), pri visoki pa je razdalja določena z zahtevano natančnostjo - z enako natančnostjo kot merjenje faznega premika bo pri uporabi visoke frekvence natančnost merjenja razdalje opazno večja.

Ker obstajajo razmeroma preprosti načini za merjenje faznega zamika z visoko natančnostjo, lahko natančnost merjenja razdalje v takšnih daljinomerih doseže do 0,5 mm. Fazni princip se uporablja pri merilnikih razdalje, ki zahtevajo visoko natančnost merjenja - geodetski merilniki razdalje, laserske rulete, skenirajoči merilniki razdalje, nameščeni na robote.

Vendar ima metoda tudi slabosti - moč sevanja nenehno delujočega laserja je opazno nižja od moči impulznega laserja, kar ne omogoča uporabe faznih daljinomerov za merjenje velikih razdalj. Poleg tega lahko merjenje faze z zahtevano natančnostjo traja določen čas, kar omejuje delovanje naprave.

Najpomembnejši proces v takem daljinomeru je merjenje fazne razlike signalov, ki določa natančnost merjenja razdalje. Obstajajo različni načini za merjenje fazne razlike, tako analogni kot digitalni. Analogni je veliko enostavnejši, digitalni daje večjo natančnost. Hkrati je težje izmeriti fazno razliko visokofrekvenčnih signalov z digitalnimi metodami - časovni zamik med signali se meri v nanosekundah (ta zakasnitev se pojavi na enak način kot pri merilniku razdalje impulzov).

Za poenostavitev naloge se uporablja heterodinska pretvorba signala - signali iz fotodetektorja in laserja se ločeno mešajo s signalom bližnje frekvence, ki ga generira dodatni generator - lokalni oscilator. Frekvenci moduliranega signala in lokalnega oscilatorja se razlikujeta za kiloherce ali enote megahercev. Signali diferenčne frekvence so izolirani od prejetih signalov s pomočjo nizkopasovnega filtra. Fazna razlika signalov pri taki pretvorbi se ne spremeni. Po tem je veliko lažje izmeriti fazno razliko prejetih nizkofrekvenčnih signalov z digitalnimi metodami - signale lahko preprosto digitalizirate z ADC z nizko hitrostjo ali izmerite zakasnitev med signali (opazno se poveča z zmanjšanjem po frekvenci) z uporabo števca. Oba načina sta zelo enostavna za implementacijo na mikrokontrolerju.

Obstaja še en način za merjenje fazne razlike - digitalno sinhrono zaznavanje. Če frekvenca moduliranega signala ni zelo visoka (manj kot 15 MHz), potem lahko tak signal digitaliziramo s hitrim ADC, sinhroniziranim z laserskim modulacijskim signalom. Iz Kotelnikovega izreka sledi, da mora biti frekvenca vzorčenja dvakrat višja od frekvence laserske modulacije. Ker pa se digitalizira ozkopasovni signal (razen frekvence modulacije na vhodu ADC ni drugih signalov), je mogoče uporabiti metodo podvzorčenja, s katero lahko frekvenco vzorčenja ADC občutno zmanjšamo na nekaj megahercev. Jasno je, da je analogni del daljinomera v tem primeru poenostavljen.

Problem natančnega merjenja naravnih razdalj na terenu, v geodeziji, gradbeništvu in vojaških zadevah, je bil rešen šele s prihodom lahkega prenosnega laserskega daljinomera. Z razvojem mikroprocesorske tehnike imajo laserske naprave možnost ne samo merjenja, ampak tudi izračuna razdalje iz posrednih meritev. Z razvojem in uveljavitvijo laserskih daljinomerov je prišlo do majhne revolucije v tehniki merjenja dolgih razdalj.

Kako meri laserski daljinomer?

Osnovni princip delovanja laserskega daljinomera temelji na lastnostih koherentnega sevanja. Za civilne različice se uporabljata dve glavni metodi:

1. Merjenje časa, ki ga svetlobni impulz potrebuje, da potuje od naprave do merjene točke in nazaj. Glede na notranji časovnik, ki se začne sinhrono z laserskim impulzom, mikroprocesor izračuna razdaljo do predmeta;
2. Odčitavanje faze vhodnega odbitega laserskega sevanja. V tem primeru se na izhodu daljinomera žarek modulira s frekvenco do 100 MHz, signal, ki se odbije od predmeta z 99,9% verjetnostjo, bo imel fazno karakteristiko, ki se razlikuje od začetne. Prevožena razdalja se izračuna iz razlike med začetnim in končnim kotom vrtinčenja žarka.

Za tvoje informacije! V praksi se najpogosteje uporabljata obe metodi hkrati, zato včasih pravijo, da imajo laserski daljinomeri tri principe merjenja.

Najvišjo natančnost ima fazna metoda, vendar se uporablja pri merjenju razdalje največ deset metrov. Za izračun razdalje z natančnostjo nekaj milimetrov mora daljinomer v celoti "videti" točko laserskega sevanja na površini predmeta. Za srednje in dolge razdalje se uporablja pulzno-fazna metoda, za velike razdalje pa pretežno pulzna metoda.

Gradbeni in geodetski daljinomeri profesionalne kakovosti v jasnem, a ne sončnem vremenu delujejo stabilno na razdalji do 250 m, v jutranji meglici, rahli megli, dežju se lasersko sevanje razprši, zato bo delujoča naprava dala določeno napako .

Praktične meritve z daljinomerom

Kako deluje terenski daljinomer? Za merjenje razdalje do določene točke je treba napravo varno pritrditi, po možnosti s stativom ali univerzalnim nosilcem. Usmerite oddajnik v smeri površine, do katere se meri razdalja, zaženite merilni način in počakajte določen čas, da naprava odda niz laserskih impulzov in izračuna razdaljo. Na gradbišču se za merjenje razdalje med stenami daljinomer enostavno postavi na škatlo ali na betonska tla.

Kakovost in natančnost meritve je v veliki meri odvisna od tega, kako učinkovito odbija površino, na katero pade laserski žarek. Pogosto je na grobih, zarjavelih, ohlapnih in razsutih površinah nameščena tako imenovana tarča - plastični element s kalibriranim albedom.

Najuspešnejši modeli laserskih daljinomerov

Sodobna naprava za merjenje razdalje z uporabo laserskega sevanja je izdelana na relativno močnih polprevodniških ali polprevodniških laserjih. Za civilne namene se uporabljajo samo polprevodniški oddajniki. Za industrijsko in domače merjenje razdalje so laserski merilniki razdalje na voljo v več različicah ohišja in merilnih sistemih:

1. Konstrukcija in krmilne naprave so izdelane v obliki elektronske enote, nekoliko večje od tipkalnega mobilnega telefona. Običajno je ohišje zaprto v vodotesno in protiprašno ohišje, kar zelo poenostavi uporabo na terenu in na gradbišču;
2. Daljinomeri povečane natančnosti so izdelani v obliki ročne video kamere ali nivoja. Naprava je poleg procesorske enote in fotodetektorja opremljena z video iskalom, ki zelo poenostavi usmerjanje oddajnika na merilni objekt;
3. Vgrajeni laserski daljinomeri se uporabljajo za geodetsko opremo, v lovskih daljnogledih, v vseh optičnih napravah, ki zahtevajo natančno merjenje razdalje, vključno z vojaškimi merilniki in video skenerji.

Za tvoje informacije! Zelo pogosto se civilni laserski merilniki razdalje izdelujejo in izdelujejo na podlagi vojaških modelov, z umetno nizko natančnostjo in merilnim obsegom.

Med civilnimi napravami so v državi najbolj znani izdelki nemških podjetij Leica in Bosch, ruskega Condtrola in kitajskega Sndwaya. Izdelki teh podjetij predstavljajo 75% celotne prodaje na domačem trgu.

Nemški kakovostni laserski daljinomeri

Do danes so optika in kamere Leica znane kot vzor visokokakovostne optike in precizne mehanike. Laserski daljinomer Leica ni izjema. Primer je model Leica Disto D210.

Kompakten, velikosti mobilnega telefona, "Leica Disto D210". zasnovan za meritve v odsotnosti motenj v obliki prahu, megle, padavin. Proizvajalec priporoča uporabo laserskega daljinomera Leica predvsem v prostorih končanih gradbenih projektov. Model "Leica Disto D210". Opremljen je z zunanjim zaščitnim pokrovom, zato se omejitve delovanja nanašajo predvsem na temperaturno območje - od 0 ° do +40 °. Pri nizkih temperaturah lahko laserski daljinomer Leica deluje, vendar s povečano merilno napako.

Dimenzije Leica Disto D210. 11,1 x 4,3 cm oziroma z debelino ohišja 2,3 cm Dimenzije ohišja vam omogočajo normalno držanje laserskega daljinomera Leica in izvajanje ukazov na tipkovnici s prsti ene roke.

Dizajn "Leica Disto D210". Zasnovan je za merilno območje 60 m z natančnostjo milimetra in pol. Naprava naprave vam omogoča shranjevanje 10 vrednosti najnovejših meritev v pomnilnik, izvajanje operacij sledenja, označevanje segmentov, izračun razdalj iz posrednih meritev in uporabo najpreprostejših planimetričnih formul. Takšna Leica danes stane vsaj 200 dolarjev, kar je približno tri do štirikrat dražje od kitajskih analogov. Laserski daljinomeri Bosch PLR 50C podobne funkcionalnosti so 20% cenejši, vendar povratne informacije večine uporabnikov o rezultatih praktične uporabe še enkrat potrjujejo visok ugled Leice.

Ruski in kitajski laserski daljinomeri

Danes je trg dobesedno natrpan s sorazmerno poceni kitajskimi kolegi znanih blagovnih znamk. Od predlagane ponudbe je še posebej vredno podrobneje pogledati izdelke podjetja Sndway. Najprej je treba opozoriti, da stroški najbolj dostopnih modelov Sndway SWT40 v kitajskih spletnih trgovinah komaj presegajo 25 dolarjev. Na ruskem trgu lahko kupite za 2500-2700 rubljev.

Model Sndway SWT40 lahko imenujemo proračunska ali domača možnost daljinomera, vendar le zato, ker je proizvajalec omejil največje območje zajema žarka na 40 m, merilna natančnost je 2 mm, kar je več kot dovolj za domače namene. Napajalnik zadošča za 600-700 meritev, s strani proizvajalca deklariranih 800 ciklov. Ločeno je treba omeniti visoko kakovost izdelave ohišja, ki sama po sebi govori o visoki proizvodni kulturi.

Elektronski daljinomeri z digitalnimi mikroprocesorji, ki so nadomestili tračne rulete in kovinske števce, bistveno znižajo stroške dela pri izvajanju merilnih del. To ni le draga spektakularna igrača, s katero lahko rešujete vsakdanje vsakodnevne težave, ampak tudi profesionalno orodje, ki izboljšuje kakovost in produktivnost merilnega dela na stopnjah ocenjevanja, načrtovanja in gradnje.

Funkcionalnost

Glavna funkcija laserskih daljinomerov je izvajanje daljinskih linearnih meritev. Odvisno od vgrajenih algoritmov je možno tudi samodejno izračunati obseg, prostornino zaprtih prostorov, izračunati tudi razdalje do oddaljenih krajinskih objektov ter opraviti kotne in diagonalne meritve.

Nekateri modeli so opremljeni s funkcijo sledenja, ki vam omogoča, da naredite oznake na določeni razdalji od predmeta. Laserski daljinomeri imajo lahko možnost neprekinjenega merjenja, ki omogoča nastavitev vnaprej določene razdalje od ničelne točke z usmerjanjem žarka vzdolž določene črte.

Drug od načinov vam omogoča izračun stranic trapeza (na primer poševne strehe) na podlagi meritev ostalih treh parametrov (oziroma višine sten in vodoravnice tal).

Možnost Pitagorejskega izreka vam omogoča posreden izračun težko dostopnih segmentov, pri čemer pridobite vrednost ene od strani trikotnika na podlagi dolžine ene od nog in hipotenuze. Beležnica za shranjevanje in shranjevanje podatkov je še ena prednost elektronskih merilnih instrumentov.

Vrste daljinomerov glede na princip delovanja

Fazni razdaljomeri so zelo natančni, vendar omejenega dosega. Izračuni temeljijo na faznem zamiku usmerjenih in odbitih laserskih valov.

Impulzni merilnik razdalje izračuna odvod časa prehoda laserskega žarka in hitrosti svetlobe. Ta princip zagotavlja največje merilno območje in je najbolj primeren za uporabo na odprtih območjih.

Posebne naprave popravljajo obdelavo signala in zagotavljajo natančnost meritev. Impulzni daljinomeri so zaradi svoje zapletene zasnove dražji od faznih razdaljomerov.

Možnosti izbire

Prvi parameter, ki bo pomagal ugotoviti, kateri daljinomer je najbolj primeren za določeno zahtevo, je največji doseg. Potem morate biti pozorni na moč mikroprocesorja, ki določa hitrost delovanja in funkcionalne značilnosti naprave.

Merilna natančnost laserskih daljinomerov se giblje od 1-1,5 mm in ni odločilen pokazatelj izbire. Napake pri meritvah so lahko tudi posledica zunanjih dejavnikov, ki jih odpravimo z dodatnimi ukrepi, na primer z vgradnjo tarč za korekcijo določenih površin s povečanimi absorpcijskimi ali odbojnimi učinki.

Očala s svetlobnimi filtri in modeli, zasnovani za različne vremenske razmere, lahko rešijo profesionalne probleme katere koli kompleksnosti. Cenovni razred je odvisen od nabora možnosti, lastnosti opreme in avtoritete proizvajalca.

Dodatne naprave

Različni modeli daljinomerov, sodeč po izboru fotografij, izgledajo skoraj enako: sprednja plošča je opremljena z zaslonom in gumbi za upravljanje, na sprednji strani sta oddajnik in sprejemnik, v nekaterih primerih optična naprava.

Natančnost meritev je odvisna tako od tehničnih parametrov kot od pravilne lokacije daljinomera, zato je za preverjanje ničelnega indikatorja priporočljivo uporabiti mehurček.

Nekateri modeli imajo tako vgrajeno napravo, ki olajša nastavitev položaja navpično in vodoravno. Profesionalne modifikacije za topografska dela so opremljene z optičnim vizirjem.

Za montažo na ničelne površine ali stojala so na voljo zložljivi omejevalniki in sponke. Prisotnost odstranljivih baterij, indikator porabe energije in samodejni izklop olajšajo uporabo. Sodobni modeli imajo možnost povezave z računalnikom in uporabo izmenljive pomnilniške kartice.

Razred zaščite ohišja in kakovost zaslona sta izbrana glede na zunanje pogoje, v katerih bo naprava uporabljena.

Varnostni predpisi

Navodila za nekatere modele daljinomerov vsebujejo nabor pravil za uporabo in shranjevanje naprave. Poleg posebnih zahtev zaradi konstrukcijskih značilnosti vseh laserskih naprav ni mogoče razstaviti in popraviti zunaj sten specializiranih delavnic.

Napravo je treba shraniti v posebnem ohišju, da preprečite njeno pregrevanje ali hipotermijo, da jo zaščitite pred udarci in padci. Pri delu z daljinomerom je prepovedano usmerjati žarek na ljudi in živali.

Fotografija laserskih daljinomerov