Оптические системы ЛК

Газовые лазеры

Из газовых лазеров в ЛК применяются лазеры на двуокиси углерода. Молекулярный лазер на СО₂ работает на колебательно-вращательных переходах молекул СО₂. Кроме углекислого газа в состав смеси входят буферный газ - азот (для резонансной передачи энергии возбуждения молекулам СО₂) и различные добавки (гелий, пары воды). Для создания энергии возбуждения используется тлеющий либо импульсный разряд. Газовые лазеры на СО₂ позволяют получить высокие мощности излучения в непрерывном режиме и характеризуются исключительно высоким значением КПД (до 40%). Это приводит к тому, что выходная мощность зависит от температуры газа, и при 800-1000 K происходит срыв генерации из-за теплового заселения нижнего рабочего уровня и уменьшения времени жизни верхнего рабочего уровня. Одним из методов, позволяющих повысить мощность электроразрядных лазеров до 10 кВт, является прокачка газа через рабочий объем с охлаждением в теплообменнике. Длина волны излучения газового лазера составляет 10,6 мкм и находится в окне прозрачности атмосферы, что делает его перспективным для использования в ЛК.

ЛК имеет, как правило, две оптические системы, формирующие диаграммы направленности на передачу и прием. Принципиальным отличием от АРК является то, что в ЛК эти диаграммы формируются раздельно и независимо. Типовые схемы приемных оптических систем ЛК аналогичны приемным системам ИК (рис. 5.1).

Схема оптической передающей системы ЛК приведена на рис. 5.2, где 1 - лазер, 2 - объектив, 3 - устройство сканирования, состоящее из двух плоских зеркал 4 и 5, имеющих взаимно перпендикулярные оси вращения. На схеме показаны основные элементы твердотельного лазера: полупрозрачное зеркало 6, электрооптический затвор 7, активный элемент 8, глухое зеркало 9 и лампа накачки 10, осветитель 11.

Работа твердотельного лазерного передатчика происходит следующим образом. В соответствии с синхронизирующим импульсом из синхронизатора (см. рис. 1.2) на лампу-вспышку 10 подается напряжение накачки u_н. Обычно это напряжение предварительно заряженной емкости, которая служит накопителем энергии в лазерном передатчике. Разряд емкости через лампу накачки вызывает электрический ток в лампе и ее интенсивное свечение. Состав газа в лампе-вспышке подбирают таким, чтобы максимальная интенсивность излучения находилась в спектре поглощения активного элемента. Для собирания световой энергии лампы накачки на активном элементе служит осветитель 11, имеющий изнутри хорошее отражающее покрытие. Под действием лучистой энергии лампы накачки электроны активного элемента возбуждаются и переходят на новый метастабильный уровень, где могут существовать некоторое время, после чего перейдут в исходное состояние, спонтанно излучая при этом фотоны. Для управления этим процессом активный элемент 8 помещен в оптический резонатор, образованный двумя зеркалами 6 и 9. Внутрь этого резонатора введен электрооптический затвор, который в исходном состоянии представляет собой непрозрачное тело, а при подаче напряжения u_з просветляется и становится прозрачным. Импульс открытия электрооптического затвора u_з подается через некоторое время после импульса u_н. Эта задержка подбирается для каждого лазера такой, чтобы обеспечить максимальное число возбужденных электронов в активном элементе. После открытия электрооптического затвора происходит лавинообразный процесс

а) б)

d

F F

в) г)

F

Рис. 5.1

5 3 2 6 7 8 1 9

4 u_з 10 u_н 11

Рис. 5. 2

быстрого перехода электронов из возбужденного состояния в исходное (генерация излучения). Длительность импульса излучения определяется объемом активного элемента и добротностью резонатора и составляет 10-20 нс, угловая расходимость генерируемого лазерного луча определяется размерами резонатора и активного элемента. Естественная угловая расходимость твердотельных генераторов составляет 15-30 угловых минут. Для уменьшения угловой расходимости лазерного луча и соответствующего увеличения его поперечного размера служит объектив 2. Положение лазерного луча в пространстве относительно корпуса определяется угловым положением зеркал 4 и 5, управляя которыми можно программно осуществлять сканирование лазерного луча в пространстве. Связь между угловым положением лазерного луча и фотоприемной системой может быть механической и электрической.

Для систем технического зрения и координаторов систем, имеющих запас по чувствительности приемника и мощности излучателя, возможно применение совмещенных приемопередающих оптических систем, использующих единую сканирующую систему.