Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 10 )

В последнее десятилетие появились новые перспективные системы отображения - дисплеи на органических светодиодах. Для них применяются органические тонкопленочные соединения, способные излучать в видимом спектральном диапазоне. Их основными достоинствами являются: малые габариты, масса, энергопотребление, малое время отклика, независимость качества изображения от угла наблюдения, возможность создания гибких экранов. Яркость их свечения достигает сотни и тысячи кд/м2, срок службы превышает 15…18 тыс. ч.

Лазеры. Создание оптических квантовых генераторов - лазеров привело к настоящей революции в оптико-электронном приборостроении. Уникальные свойства лазеров – высокая когерентность излучения, его монохроматичность, направленность и поляризованность привели к эффективному использованию этих излучателей в самых различных областях науки, техники, народного хозяйства. Физические основы работы лазеров рассматриваются в современных курсах физики и поэтому здесь не излагаются.

Замечательные свойства лазеров широко используются в оптико-электронных информационно-измерительных и следящих приборах и системах, в том числе и геодезических. Например, именно благодаря изобретению лазеров появилась новая большая группаОЭП– лазерные локаторы (ладары и лидары).

Монохроматичность лазерного излучения позволяет осуществить эффективную спектральную селекцию на фоне помех и заметно повысить отношение «сигнал-помеха», например, при измерении углов и расстояний днем, когда уровень помех, создаваемых солнечным излучением, весьма велик. Свойство монохроматичности дает возможность рассчитывать скорость света в среде для фазового показателя преломления, а не группового, что очень важно при высокоточных интерферометрических геодезических измерениях.

Когерентность лазерного излучения позволяет вести передачу и прием информации на оптических частотах, создавать эталоны длины и времени. Расстояние, на котором можно получать интерференционную картину при использовании некогерентных излучателей, не превышает нескольких метров. Для лазерных приборов оно заметно возрастает и практически ограничивается лишь искажающим влиянием флуктуаций прозрачности атмосферы. Свойство когерентности используется для приема оптического сигнала методом гетеродинирования, увеличивающим помехозащищенность измерительной системы.

Поскольку уменьшение угла расходимости пучка лучей, создаваемого излучателем, очень важно для увеличения дальности действия многих оптико-электронных приборов и повышения их углового разрешения, высокая направленность излучения, свойственная многим лазерам, позволяет улучшить эти важные эксплуатационные параметры.

Поляризованность лазерного излучения также находит пратическое применение. Например, при использовании модуляции по поляризации снижаются потери энергии в модуляторах.

Современные лазеры по виду вещества, в котором создается вынужденное (лазерное) излучение, делятся на твердотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные. Каждая из этих групп может быть разделена на подгруппы; например, газовые лазеры бывают атомарными (на нейтральных газах), ионными, молекулярными, газодинамическими и др.

Основные параметры лазеров можно разделить на две группы: параметры излучения, знание которых необходимо при оценке принципиальной физической возможности решения той или иной практической задачи, и эксплуатационные параметры, определяющие технико-экономическую эффективность применения лазера в качестве излучателя. К первым относятся энергетические, пространственные и частотно-временные параметры. Ко вторым – к. п.д., потребляемая мощность, рабочая температура, время готовности к работе, время непрерывной работы, долговечность, габариты, масса, энергопотребление, надежность и ряд других.

Параметры излучения зависят от режима излучения лазера, который может быть непрерывным, пульсирующим, режимом одиночных импульсов. В непрерывном режиме работает большинство газовых лазеров при комнатной температуре, а также некоторые твердотельные и полопроводниковые лазеры при охлаждении до 77 К и ниже. При импульсном (пульсирующем) режиме излучение лазера происходит в виде регулярной последовательности импульсов, причем длительность импульсов гораздо меньше периода их повторения. Пульсирующий режим характерен для полупроводниковых и некоторых газовых лазеров. В режиме одиночных импульсов период их повторения определяется временем, необходимым для зарядки блока питания или для охлаждения излучателя. Этот режим характерен для твердотельных лазеров. Разновидностью его является режим гигантских импульсов, когда мощность импульса очень велика, а его длительность чрезвычайно коротка. Режим работы лазера необходимо согласовывать с инерционностью и другими параметрами приемника излучения.

Для оценки возможности использования лазера в сложных эксплуатационных условиях, например полевых или летных, очень важным является такой параметр как рабочая температура. Некоторые лазеры работают в условиях охлаждения активного (излучающего) элемента и системы накачки до криогенных температур (77 К и ниже). Это часто делает невозможной длительную работу с лазером из-за малого времени работы автономных охлаждающих устройств или их сложности, громоздкости, низкого к. п.д.

Не останавливаясь на анализе всех параметров и характеристик лазеров, на вопросах их расчета и выбора, которые подробно рассмотрены в многочисленной литературе [7,10,15 и др.], приведем краткий обзор современных выпускаемых промышленностью лазеров.

Наиболее распространенные твердотельные лазеры строятся на базе кристаллов синтетического рубина Al2O2:Cz2+( λ=0,694 мкм), стекла с добавлением неодима Nd ( λ=1,058 мкм), иттрий-алюминиевого граната ИАГ (YAG) (λ=1,064 мкм). Схематически устройство твердотельного лазера показано на рис.2.6 [7]. Кроме показанных на рис.2.6 блоков в состав лазера может входить система охлаждения, а также оптическая система для формирования требуемой диаграммы направленности лазерного пучка.

Рис.2.6. Устройство твердотельного лазера

Источником накачки обычно служит импульсная газоразрядная ксеноновая лампа. Для повышения эффективности накачки активный элемент и лампу накачки помещают внутри отражателя. Оптический резонатор представляет собой систему из двух зеркал, обращенных друг к другу, между которыми размещается активный элемент. Одно из зеркал – полностью отражающее, а другое – частично прозрачное, чем обеспечивается выход лазерного излучения из резонатора.

В качестве примеров в табл. 2.5 и 2.6 приведены параметры ряда твердотельных лазеров [7].

Таблица 2.5. Параметры твердотельных импульсных лазеров серий «BRILLIANT» и «BRILLIANT B»

Таблица 2.6. Параметры твердотельных непрерывных лазеров компании Laser Quantum

Из-за слабого взаимодействия между частицами газа, являющегося активным элементом газовых лазеров, последние обладают наиболее высокой монохроматичностью, временной и пространственной когерентностью по сравнению с другими типами лазеров. Высокая оптическая однородность газовой активной среды позволяет получать излучение с малой расходимостью. При использовании больших объемов газа можно получить в импульсном режиме значительную мощность излучения, близкую к мощности твердотельных лазеров. Атомарные гелий-неоновые лазеры состоят из блока излучателя, в который входит газоразрядная трубка и зеркала оптического резонатора, и блока питания БП (рис.2.7) [7]. Основные линии их излучения расположены на длинах волн 0,6328; 1,153; 3,39 мкм. Эти лазеры обладают большой монохроматичностью – в одномодовом режиме работы ширина линий их излучения может достигать 10-6…10-10 мкм, что позволяет использовать их в высокоточных спектральных и интерференционных измерениях.

Рис.2.7. Устройство гелий-неонового лазера:1 – электроды, 2 – пластины - окна, наклоненные на угол Брюстера относительно оси пучка, 3 – зеркала резонатора, 4 – блок питания

Аналогично устроены гелий-кадмиевые лазеры, создающие раздельно или одновременно излучение на длинах волн ) 0,4416 и 0,325 мкм. В табл. 2.7 приведены параметры ряда газовых гелий-неоновых (ГНИК) и гелий-кадмиевых (ГКЛ) газовых лазеров [7].

Таблица 2.7. Параметры газовых лазеров

Тип лазера	Длина волны излучения, мкм	Мощность излучения, мВт	Поляри- зация	Расходи- мость, мрад, не более	Диаметр пучка, мм	Потребляемая мощность, Вт, не более	Габариты излучателя /источника питания, мм, не более	Масса излучателя /блока питания, кг
ГНИК-1-1	1,15	1,5	100:1	-	-	-	-	-
ГНИК-3-К	3,5	не менее10	100:1	-	-	80	ᴓ55 х 930 / 100 х 65 х 330	2,5/2,5
ГНИК-3-3	3,392	15	100:1	-	-	-	-	-
ГКЛ-20	0,32 /0,44	6/25	100:1	1,2/0,9	1,5/1,5	-	-	-
ГКЛ-100	0,32 /0,44	40/150	100:1	1,5/0,9	2,5/2,5	не более 1000	1510х160х190/ 460х450х140	20/10

Из ионных лазеров наибольшее распространение получили аргонные, генерирующие излучение на 8…10 спектральных линиях – от 0,405 до 0,647 мкм, а также криптоновые, излучающие на наскольких длинах волн в красной части видимого диапазона и в ближней инфракрасной области – на λ=1,523 мкм. В непрерывном режиме выходная мощность аргоновых лазеров составляет единицы ватт при к. п.д. порядка 0,1%. В импульсном режиме пиковая мощность достигает единиц киловатт при длительности импульсов порядка 10-6 с и частоте их повторения до 100 Гц. Расходимость лазерного пучка составляет 5΄…10 ΄.