Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 11 )

Российское ОАО «Плазма» производит газоразрядные ионные лазеры с аргоновым, криптоновым и неоновым наполнением. Лазер этой фирмы ЛГН-519 имеет долговечность не менее 2000 часов. Стабилизированный лазер М-931 с мощностью излучения до 1,5 Вт в сине-зеленой части спектра, до 100 мВт в фиолетовой и до 150 мВт в ультрафиолетовой частях обладает высокой надежностью и механической прочностью.

Молекулярные газовые лазеры на CO2 с длиной волны излучения 10,6 мкм имеют высокий к. п.д. – до 50%, большую мощность излучения (в непрерывном режиме – десятки и сотни кВт, в импульсном режиме энергия импульса достигает 100 кДж, а пиковая мощность 105…108 Вт).

Полупроводниковые лазеры имеют малые габариты, что является причиной их небольшой мощности – даже в импульсном режиме она обычно не превышает десятки ватт. Материалами для их изготовления служат GaAs, GaAsP, InP, InAs, InGaAs, InPAs. Линии излучения большинства полупроводниковых лазеров лежат в красной и ближней инфракрасной областях спектра. Для получения мощности импульсов в 1 кВт и более используются многоэлементные излучатели с плотным расположением отдельных активных элементов.

Для получения инверсного состояния через полупроводник в прямом направлении пропускается электрический ток большой плотности. Несмотря на большие плотности значение тока невелико – доли и единицы ампер. Малое сопротивление p-n-перехода в прямом направлении позволяет применять низковольтные источники питания. Большие плотности тока приводят к нагреву активного элемента, что требует его охлаждения или импульсного режима работы. В лазерах, работающих при температурах, близких к комнатной, возможно использовать небольшие по габаритам и энергопотреблению термоэлектрические охладители. Мощные полупроводниковые лазеры приходится охлаждать до 77 К и менее. Длина волны излучения меняется при вариациях температуры. Например, лазер на GaAs при 77 К имеет максимум излучения на длине волны 0,845 мкм, а при 300 К – на 0,905 мкм.

Из-за малых размеров активной среды, что приводит к значительной дифракции, расходимость пучка на выходе полупроводникового лазера велика – до 5о…10о в вертикальной и до 1о…2о в горизонтальной плоскостях.

Параметры некоторых отечественных полупроводниковых лазеров приведены в табл. 2.8 и 2.9 [7].

Таблица 2.8. Параметры полупроводниковых многомодовых лазеров непрерывного действия

Тип лазера	Длина волны излучения, нм	Мощность излучения, мВт	Ток накачки, мА	Напряжение питания, В	Рабочие темп ературы, оС
ИЛПН-108	845±35	40	300	2,4	3…35
ИЛПН-114	830±10	200	600	2,5	-30…40
ИЛПН-115	850±40	30	350	2,4	3…35
ИЛПН-117	850±30	120	700	2,5	-30…40

Таблица 2.9. Параметры полупроводниковых импульсных лазеров

Тип лазера	Длина волны излучения, нм	Средняя мощность импульса, мВт	Длительность импульсов, нс	Частота импульсов, кГц	Ток потребления, мА	Напряжение питания, В	Рабочие температуры, оС	Минимальная наработка, ч
ЛПИ-108	880±30	8	60	12±0,1	100	20±0,1	-10…40	200
ЛПИ-120	875±25	15	50…150	не более 3	150	24±0,1	-60…60	150
ЛПИ-121	875±25	6	60…200	12±0,1	30…120	18±0,1	-60…60	50

Естественные источники оптического излучения. К их числу относятся различные небесные тела (Солнце, Луна, звезды и др.), наземные ландшафты, облака, которые могут быть как объектами наблюдения, так и источниками помех. Вкратце рассмотрим параметры и характеристики некоторых излучателей естественного происхождения.

Излучение Солнца на среднем его расстоянии от Земли (150 млн. км) характеризуется поверхностной плотностью излучения 1400 Вт/м2. Угловой размер Солнца составляет около 35΄. Спектр излучения Солнца за пределами земной атмосферы близок к спектру излучения черного тела с температурой 5800 К. В приземном слое атмосферы Солнце эквивалентно черному телу с температурой 5600 К. В максимуме спектральной характеристики этого спектра облученность равна примерно 2000 Вт·м-2· мкм-1. До поверхности Земли через атмосферу доходит излучение с длинами волн λ от 0,3 мкм до немногим бóльших 3…4 мкм.

Дневное небо в предположении, что излучение Солнца равномерно рассеивается по направлению к Земле, имеет одинаковую яркость, часто принимаемую равной 10-5 от яркости Солнца и составляющей в максимуме спектра излучения (0,55 мкм) 3·102 Вт·м-2·мкм-1·ср-1 и около 1 Вт·м-2·мкм-1·ср-1 на длине волны λ=4 мкм. Цветовая температура дневного неба оценивается в 12000…25000 К. Эта величина в очень большой степени зависит от положения Солнца на небе и высоты места наблюдения над уровнем моря. Участки неба, противоположные Солнцу, гораздо ярче участков, удаленных от него на 90о.

Излучение ночного неба в отсутствие рассеянного солнечного излучения создается собственным излучением паров и газов, образующих атмосферу. Максимум излучения при наблюдении с Земли находится в области около 10,5 мкм, а спектр его аналогичен спектру излучения черного тела при температуре атмосферы (для областей неба, близких к горизонту). Иногда энергетическая яркость ночного неба в видимой части спектра принимается равной (5,5…8,5)·10-7 Вт·м-2·ср-1.

Помимо излучения атмосферы свой вклад в свечение ночного неба вносит рассеянный свет звезд и галактическое свечение. Иногда они создают такое же излучение как и атмосфера. Так, в ясную ночь звезды создают на Земле освещенность около 2·10-4 лк.

Тепловое излучение тропосферы и облаков объясняется тем же собственным излучением составляющих их частиц и веществ. В соответствии с законом Кирхгофа нижний слой атмосферы (тропосфера) или облака большой толщины излучают как черные тела. Яркость этого излучения определяется температурой тех слоев атмосферы, которые находятся ближе к прибору.

Следует учитывать, что в спектральном диапазоне 8…14 мкм пропускание чистой атмосферы столь велико, что при небольших зенитных углах, когда оптическая толща атмосферы сравнительно мала, спектральная яркость собственного теплового излучения также мала (имеется провал в спектральной характеристике излучения).

Для излучения Земли в космическое пространство характерно преобладающее влияние облачного покрова Земли. Интегральная плотность излучения системы «Земля + атмосфера» в космос равна приблизительно 2·102 Вт·м-2 с максимумом в области 8…12 мкм.

Луна имеет визуальную звездную величину -12m,2. Ее средний видимый диаметр составляет около 33΄, т. е. почти равен видимому диаметру Солнца. Освещенность от Луны меняется в зависимости от ее положения, сезона наблюдения и других факторов в пределах от 4,1·10-2 лк (через семь дней до и после полнолуния, при фазовом угле Луны ±85о) до 37,7·10-2 лк (в полнолуние, при фазовом угле 0о). Эффективная температура отраженного Луной солнечного света равна 5900 К, а коэффициент отражения от ее поверхности (альбедо) принимается равным 0,007. Эффективная температура поверхности самой Луны равна 400 К, т. е. максимум собственного ее излучения приходится на длину волны 7,2 мкм.

Наземные покрытия (ландшафт) являются весьма распространенным фоном, на котором наблюдаются обнаруживаемые или исследуемые объекты, а иногда, например в космической или аэрофотосъемке, и сами являются объектами изучения. У многих наземных покрытий коэффициенты отражения близки к 0,15…0,2. В ближнем инфракрасном диапазоне (0,7…1 мкм) этот коэффициент увеличивается до 0,7…0,8. В более длинноволновом спектральном диапазоне излучение ландшафта обусловлено не столько его отражательной способностью, сколько его собственным излучением. Отраженное излучение земных покровов определяется излучением Солнца и превышает собственное (тепловое) излучение для λ˂ 4 мкм. Часто излучение многих естественных покровов (почва, растительность) считают аналогичным излучению черного тела при той же температуре, что и собственная температура покрова.

Планеты и звезды часто используются в качестве рабочих излучателей для навигационных оптико-электронных приборов и систем. При максимальной яркости визуальная звездная величина Солнца равна - 26m,8; Луны – 12m,2; Венеры – 4m,4; Марса – 2m,8; Сириуса – 1m,58; Канопуса – 0m,86; Веги - 0m,14; Бетельгейзе - 0m, 92.

Контрольные вопросы

1. Какими факторами обусловлено деление инфракрасного участка спектра на поддиапазоны?

2. Почему черное тело используют в качестве эталона в оптико-электронном приборостроении?

3. Какой световой поток соответствует потоку излучения лазера в 1мВт, если лазер излучает на длине волны λ=0,63 мкм?

4. В каких случаях расчета потока, приходящего на приемник излучения ОЭП, можно пользоваться законом Стефана-Больцмана?

5. Чему равно максимальное значение Меλ серого излучения?

6. Составить возможные структурные и функциональные схемы ОЭП, измеряющих цветовую температуру селективного излучателя.

7. Определить погрешности определения λmax и Ме для черного тела с температурой Т, известной с погрешностью ΔТ.