Реферат: Применение лазеров в технологических процессах
Министерство образования РоссийскойФедерации
Кубанский государственный технологическийуниверситет
Армавирскиймеханико-технологический институт
Кафедраобщенаучных дисциплин
РЕФЕРАТ
по физике
на тему: «Применение лазеров в
технологических процессах»
Выполнил: студент 1 курса
группы 01-Э132
Кузьмин Александр Владимирович
Научный руководитель:
доцент, канд. физ.-мат. наук
Тунин Михаил Степанович
г.Армавир
2002г.
Содержание
стр.
История создания лазера …………………………………………………… 3
Принцип работы лазера …………………………………………………… 5
Некоторые уникальные свойства лазерного излучения ………………… 7
Применение лазеров в различных технологическихпроцессах ………… 8
Заключение…………………………………………………………………… 27
Список использованной литературы ………………………………………28
История создания лазера
Слово «лазер» составлено изначальных букв в английском словосочетании LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation,что в переводе на русский языкозначает: усиление света посредством вынужденного испускания. Такимобразом, в самом термине лазер отражена так фундаментальная рольпроцессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах иусилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинатьс 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденномиспускании.
Это был первый шаг на пути к лазеру.Следующий шаг сделал советский физик В. А. Фабрикант, указавший в 1939 г. навозможность использования вынужденного испускания для усиленияэлектромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея,высказанная В. А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем синверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественнойвойны В. А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подалв 1951 г. (вместе с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой) заявку на изобретенияспособа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На эту заявкубыло выдано свидетельство, в котором под рубрикой «Предмет изобретения»было написано: «Способ усиления электромагнитных излучений(ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн),отличающейся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой спомощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточною по сравнениюс равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетическихуровнях, соответствующих возбужденным состояниями».
Первоначально этот способ усиленияизлучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазонесверхвысоких частот (СВЧ диапазоне). В мае 1952 г. на Общесоюзной конференциипо радиоспектроскопии советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров сделалидоклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне.Они назвали его «молекулярным генератором» (предполагалось использоватьпучок молекул аммиака). Практически одновременно предложение об использованиивынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн быловысказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом.
В 1954 г. молекулярный генератор,названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и созданнезависимо и одновременно в двух точках земного шара — в Физическом институтеимени П. Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством Н. Г. Басоваи А. М. Прохорова) и в Колумбийском Университете в США (группой под руководствомЧ. Таунса).
Впоследствии от термина«мазер» и произошел термин «лазер» в результате заменыбуквы «М» (начальная буква слова Microwave — микроволновой) буквой «L» (начальная буква слова Light — свет). Воснове работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип — принцип,сформулированный в 1951 г. В. А. Фабрикантом. Появление мазера означало, чтородилось новое направление в науке и технике. Вначале его называли квантовойрадиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.
Спустя десять лет после созданиямазера, в 1964 г. на церемонии, посвященной вручению Нобелевской премии,академик А. М. Прохоров сказал: " Казалось бы, что после создания мазеровв радиодиапазоне вскоре будут созданы квантовые генераторы в оптическомдиапазоне. Однако этого не случилось. Они были созданы только через пять-шесть лет. Чем это объясняется? Здесь были две трудности. Первая трудностьзаключалась в том, что тогда не были предложены резонаторы для оптическогодиапазона длин волн, и вторая — не были предложены конкретные системы и методыполучения инверсной заселенности в оптическом диапазоне".
Упомянутые А. М. Прохоровым шесть летдействительно были заполнены теми исследованиями, которые позволили, в конечномсчете, перейти от мазера к лазеру. В 1955 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоровобосновали применение метода оптической накачки для создания инверснойзаселенности уровней. В 1957 г. Н. Г. Басов выдвинул идею использованияполупроводников для создания квантовых генераторов; при этом он предложил использоватьв качестве резонатора специально обработанные поверхности самого образца. В томже 1957 г. В. А. Фабрикант и Ф. А. Бутаева наблюдали эффект оптического квантовогоусиления в опытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути и небольших количествахводорода и гелия. В 1958 г. А. М. Прохоров и независимо от него американскийфизик Ч. Таунс теоретически обосновали возможность применения явлениявынужденного испускания в оптическом диапазоне; они (а также американец Р.Дикке) выдвинули идею применения в оптическом диапазоне не объемных (как в СВЧдиапазоне), а открытых резонаторов. Заметим, что конструктивно открытый резонаторотличается от объемного тем, что убраны боковые проводящие стенки (сохраненыторцовые отражатели, фиксирующие в пространстве ось резонатора) и линейныеразмеры резонатора выбраны большими по сравнению с длинной волны излучения.
В 1959 г. вышла в свет работа Н. Г.Басова, Б. М. Вула и Ю. М. Попова с теоретическим обоснованием идеиполупроводниковых квантовых генераторов и анализом условий их создания.Наконец, в 1960 г. появилась обосновательная статья Н. Г. Басова, О. Н. Крохина,Ю. М. Попова, в которой были всесторонне рассмотрены принципы создания и
теория квантовых генераторов иусилителей в инфракрасном и видимом диапазонах. В конце статьи авторыписали: «Отсутствие принципиальных ограничений позволяет надеяться на то,что в ближайшее время будут созданы генераторы и усилители в инфракрасном иоптическом диапазонах волн».
Таким образом, интенсивныетеоретические и экспериментальные исследования в СССР и США вплотную подвелиученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера. Успех выпал на долюамериканского физика Т. Меймана. В 1960 г. в двух научных журналах появилосьего сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения воптическом диапазоне. Так мир узнал о рождении первого «оптическогомазера» — лазера на рубине. Первый образец лазера выглядел достаточноскромно: маленький рубиновый кубик (1x1x1 см), двепротивоположные грани которого, имели серебряное покрытие (эти грани игралироль зеркала резонатора), периодически облучались зеленым светом отлампы-вспышки высокой мощности, которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемоеизлучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшоеотверстие в одной из посеребренных граней кубика.
В том же 1960 г. американскимифизиками А. Джавану, В. Беннету, Э. Эрриоту удалось получить генерациюоптического излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона. Такродился первый газовый лазер, появление которого было фактически подготовленоэкспериментальными исследованиями В. А. Фабриканта и Ф. А. Бутаевой, выполненнымив 1957 г.
Начиная с 1961 г., лазеры разных типов (твердотельные и газовые) занимают прочноеместо в оптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатываетсяи совершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР иСША одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры.
Такначинается новый, «лазерный» период оптики. С начала своеговозникновения лазерная техника развивается исключительно быстрыми темпами.Появляются новые типы лазеров и одновременно усовершенствуются старые. Этопослужило причиной глубокого проникновения лазеров во многие отрасли народногохозяйства.
Принципработы лазераРис.1 Схема работы лазера.
/> Принципиальная схема лазера крайне проста (рис. 1):активный элемент, помещенный между двумя взаимно параллельными зеркалами. Зеркалаобразуют так называемый оптический резонатор; одно из зеркал делают слегка прозрачным,сквозь это зеркало из резонатора выходит лазерный луч. Чтобы началась генерациюлазерного излучения, необходимо «накачать» активный элемент энергиейот некоторого источника (его называют устройством накачки).Действительно,основной физический процесс, определяющий действие лазера, — это вынужденноеиспускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденныматомом приточном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (илимолекулы).
В результате этого взаимодействия возбужденный атомпереходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виденового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения иполяризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данногопроцесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшемвзаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первомуатому, может возникнуть «цепная реакция» размножения одинаковыхфотонов, «летящих» абсолютно точно в одном направлении, что приведетк появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичныхфотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы
/>больше чемневозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомамипроисходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверснойнаселенностью уровней энергии (рис. 2).
Рис.2
Схематическое изображение среды с инверсной населенностью уровней энергии.
Итак, кроме вынужденного испускания фотоноввозбужденными атомами происходят также процесс самопроизвольного, спонтанногоиспускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбужденное состояниеи процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния ввозбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденныесостояния и обратно, были постулированы, как уже говорилось выше, А. Эйнштейномв 1916 г.
Если число возбужденных атомов велико, исуществует инверсная населенность уровней (в верхнем, возбужденном состоянииатомов больше, чем в нижнем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся врезультате спонтанного излучения, вызовет нарастающую лавину появления идентичныхему фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения.
При одновременном рождении(принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотоноввозникает большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своемнаправлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины.
/>Рис.3
Спонтаннородившиесяфотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскостизеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределы среды
В результате мы получим потоки квантовсвета, но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности,так как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным фотоном. Длятого чтобы среду с инверсной населенностью можно было использовать длягенерации лазерного луча, т. е. Направленного луча с высокой монохроматичностью,необходимо «снимать» инверсную населенность с помощью первичныхфотонов, уже обладающих одной и той же направленностью излучения и одной и тойже энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мыбудем иметь лазерный усилитель света.
Существует, однако, и другой вариант получениялазерного луча, связанный с использованием системы обратной связи. На рис. 3видно, что спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которыхперпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределысреды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярноплоскости зеркал, создадут лавины, многократно усилившиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшимпропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотоновперпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал,точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси средыс инверсной населенностью обратная связь может оказаться на столько эффективной,что излучение «вбок» можно будет полностью пренебречь по сравнению сизлучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно, удаетсясделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именноэтот тип резонатора используется в большинстве существующих лазеров.
Некоторыеуникальные свойства лазерного излученияРассмотрим некоторые уникальные свойствалазерного излучения. При спонтанном излучении атом излучает спектральную линиюконечной ширины. При лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенныхфотонов в среде с инверсной населенностью интенсивность излучения этой лавиныбудет возрастать, прежде всего, в центре спектральной линии данного атомногоперехода, и в результате этого процесса ширина спектральной линиипервоначального спонтанного излучения будет уменьшаться. На практике вспециальных условиях удается сделать относительную ширину спектральной линиилазерного излучения в 107 — 108 раз меньше, чем ширинасамых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе.
Кроме сужения линии излучения влазере удается получить расходимость луча менее 10-4 радиана, т. е.На уровне угловых секунд.
Известно, что направленный узкий луч света можно получить в принципе от любогоисточника, поставив на пути светового потока ряд экранов с маленькимиотверстиями, расположенными на одной прямой. Представим себе, что мы взялинагретое черное тело и с помощью диафрагм получили луч света, из которогопосредством призмы или другого спектрального прибора выделили луч с ширинойспектра, соответствующей ширине спектра лазерного излучения. Зная мощностьлазерного излучения, ширину его спектра и угловую расходимость луча, можно с помощью формулы Планка вычислить температуру воображаемогочерного тела, использованного в качестве источника светового луча,эквивалентного лазерному лучу. Этот расчет приведет нас к фантастической цифре:температура черного тела должна быть порядка десятков миллионов градусов! Удивительноесвойство лазерного луча — его высокая эффективная температура (даже при относительномалой средней мощности лазерного излучения или малой энергии лазерного импульса)открывает перед исследователями большие возможности, абсолютно не осуществимыебез использования лазера.
Применение лазеров в различныхтехнологических процессахПоявление лазеров сразу оказало и продолжает оказыватьвлияние на различные области науки и техники, где стало возможным применение лазеровдля решения конкретных научных и технических задач. Проведенные исследованияподтвердили возможность значительного улучшения многих оптических приборов исистем при использовании в качестве источника света лазеров и привели ксозданию принципиально новых устройств (усилители яркости, квантовые гирометры,быстродействующие оптические схемы и др.). На глазах одного поколения произошлоформирование новых научных и технических направлений — голографии, нелинейной иинтегральной оптики, лазерных технологий, лазерной химии, использование лазеровдля управляемого термоядерного синтеза и других задач энергетики. Ниже приведенкраткий перечень применений лазеров в различных областях науки и техники, гдеуникальные свойства лазерного излучения обеспечили значительный прогресс илипривели к совершенно новым научным и техническим решениям.
Высокая монохроматичность и когерентность лазерногоизлучения обеспечивают успешное применение лазеров в спектроскопии, инициированиихимических реакций, в разделении изотопов, в системах измерения линейных иугловых скоростей, во всех приложениях, основанных на использованииинтерференции, в системах связи и светолокации. Особо следует, очевидно,выделить применение лазеров в голографии.
Высокая плотность энергии и мощность лазерных пучков,возможность фокусировки лазерного излучения в пятно малых размеров используютсяв лазерных системах термоядерного синтеза, в таких технологических процессах,как лазерная резка, сварка, сверление, поверхностное закаливание и размернаяобработка различных деталей. Эти же свойства и направленность лазерногоизлучения обеспечивают успешное применение лазеров в военной технике.
Направленность лазерного излучения, его малаярасходимость применяются при провешивании направлений (в строительстве,геодезии, картографии), для целенаведения и целеуказания, в локации, в томчисле и для измерения расстояний до искусственных спутников Земли, в системахсвязи через космос и подводной связи.
С созданием лазеров произошел колоссальный прогресс вразвитии нелинейной оптики, исследовании и использовании таких явлений, как генерациягармоник, самофокусировка световых пучков, многофотонного поглощения, различныхтипов рассеивания света, вызванных полем лазерного излучения.
Лазеры успешно используются в медицине: в хирургии (втом числе хирургии глаза, разрушение камней в почках и т.д.) и терапииразличных заболеваний, в биологии, где фокусировка в малое пятно позволяет действоватьна отдельные клетки или даже на их части.
Большинство из перечисленных выше областей применениялазеров представляет собой самостоятельные и обширные разделы науки или техникии требует, естественно, самостоятельного рассмотрения. Цель приведенного здеськраткого и неполного перечня применений лазеров — проиллюстрировать тогромадное влияние, которое оказало появление лазеров на развитие науки итехники, на жизнь современного общества.
Применение лазеров в ювелирной отрасли:
В последние годы наметилась тенденция расширенияприменения лазеров в ювелирной отрасли. Наиболее широкое распространениеполучили станки для обработки с твердотельными лазерами на алюмо-иттриевом гранате,излучение которых достаточно хорошо поглощается основными материалами ювелирнойпромышленности — драгоценными металлами и камнями. Часть технологическихпроцессов лазерной обработки полностью отработана и внедрена в ювелирнойотрасли, некоторые процессы и технологии находятся в стадии разработки, ивозможно, в скором времени могут быть применены для обработки изделий ювелирнойпромышленности. Поэтому я постараюсь рассмотреть все возможные вариантыприменения лазеров в технологических процессахювелирной промышленности.
Пробивка отверстий в камнях. Одним из первых применений лазеров была пробивкаотверстий в часовых камнях. Сверление отверстий всегда было чрезвычайно трудоемкойоперацией. Современная лазерная технология позволяет прошивать отверстия требуемойформы в камнях различных типов с высокой скоростью и качеством.
Лазерная сварка. Одним из первых применений лазеровв ювелирной отрасли были операции ремонта различных изделий с помощью лазернойсварки. Примером применения в серийном массовом производстве лазерной сваркиявляется лазерная сварка цепей при их производстве.
/> /> /> /> /> /> <td/> />Рис. 4. Типы свариваемыхцепей.
Действительно, всем известно и с успехом применяетсяоборудование для производства цепочек, особенно итальянских фирм. Особенностьюэтого процесса является его двухстадийность: сначала формируется цепочка, потомпроизводится ее пайка традиционными методами. Лазерыпозволяют производить сварку звена цепи непосредственно при его формировании наодной технологической операции и одном и том же оборудовании. Впервые такаятехнология была разработана для сварки золотых цепочек итальянской фирмойLаservall. Также возможно применение сварки при соединении различных узловювелирных изделий, закреплении иголок знаков (рис.2),сварка большого кольца для замка и т.п. Преимущества сварки лазером — локальность ввода тепла, отсутствиефлюсов и присадочного материала (припоя), низкие потери материала при сварке,возможность соединения деталей изделий с камнями, практически без нагрева всегоизделия в целом. Следует особо отметить, что лазерная сварка один из наиболеесложных технологических процессов и требует отработки технологии (правил сборки,режимов сварки, подготовку и конструирование узла под сварку) практически вкаждом случае применения этого процесса.
Лазерная сварка с присадкой (наплавка). Такой процесс может осуществляться аналогично сварке,но с переплавлением в сварочной зоне дополнительно присадочного материала — припоя. Так может быть решен вопрос заварки внутренних пустот и раковинизделий, вскрывающихся при полировке и шлифовки изделий после литья, а такжесварка соединений с большими зазорами.
Лазерная маркировка и гравировка. Одним из наиболее интересных методов обработкидрагоценных металлов является маркировка и гравировка. Современные лазеры, оснащенныекомпьютерным управлением, позволяют наносить на металл методом лазерноймаркировки и гравировки (модификации поверхности под воздействием лазерногоизлучения.) практически любую графическую информацию — рисунки, надписи,вензеля, логотипы. Причем изображение можно наносить как в растровом, так и вконтурном изображении. Современное оборудование позволяет перемещать лазерныйлуч со скоростью более двух метров в минуту и обеспечивать графическоеразрешение на металле до 10...15 линий на миллиметр. В такой технике возможноизготовление с низкой себестоимостью различных подвесок, заколок, и другихювелирных изделий со своеобразной лазерной графикой (рис.3). Также интереснымприменением лазерной технологии гравировки является нанесение лазером различныхлоготипов, вензелей владельцев, товарных марок и знаков на элементы столовойпосуды, как из драгоценных металлов, так и недрагоценных металлов, например дляобозначения «нерж.» на клинках ножей.
/>
Рис.6. Образцы лазерной маркировки и гравировкиювелирных изделий.
Высокое разрешение (тонкие линии), точность и повторяемость (менее 5 мкм)графичес-кого рисунка на металле позволяет эффективно применить лазер длямаркировки разметки изделий под дальнейшую ручную гравировку, например приизготовлении памятных знаков, медалей или инструмента для их производства.Широкий диапазон режимов обработки на лазерах позволяетточно дозировать энергию лазерного излучения, что в свою очередь обеспечиваетвозможность высокоточной обработки двухслойных материалов, например ювелирныхизделий из недрагоценных металлов предварительно покрытых лаком. Удаление лакапод воздействием лазерного излучения без нарушения геометрических параметров поверхностиметалла, дает возможность провести в последующем гальваническое осаждениедрагоценного металла практически любого графического изображения и получить необычноеизделие.
Маркировка бриллиантов. Современное развитие лазерови лазерной техники, совершенствование параметров лазерного излучения, />/>разработка принципиально новых лазерных излучателейоткрыло возможности маркирования бриллиантов. По сообщениям журнала«Ювелирное Обозрение» американский институт геммологии с целью улучшенияхарактеристик рынка бриллиантов приступил к маркированию лазером бриллиантов весом от 0,99 карат. Аналогичныеработы проводятся и в России. Так на рис. 4.приведен пример нанесения изображения лазером на синтетический алмаз, которыйпо физико-химическим свойствам очень близок к натуральному камню и являетсяхорошим модельным материалом для исследования технологического процесса маркировкибриллиантов. Поскольку, размер хорошо идентифицируемых знаков на приведенномрисунке составляет около 125 мкм, то открывается возможность маркировки лазером по рундисту бриллиантов весом от 0,2 карат,так как размер рундиста при этом составляет около 200 мкм. Это оченьперспективная технология.
Клеймение.Клеймение является разновидностью лазерной маркировки, когда изображениеформируется на металле в результате проецирования предварительно созданногорисунка лазерным лучом. Такой метод позволяет легко получать небольшие размерына металле и применяется для постановки именников предприятия-изготовителяизделия и пробирных клейм. Высокое разрешение позволяет получать изображения свысокой степенью защиты от воспроизведения (подделки) и может применяться дляпостановки пробирных клейм.
Клеймо на изделии одновременно является знаком егокачества. Технология нанесения клейма лазеромне приводит к потери качества изделий, не требует операций заправки клейма,обладает высокой производительностью и эргономичностью. Особенно эффективноприменение лазерного клеймения на легковесные и тонкостенные изделия из драгоценныхметаллов.
Применение лазеров в военном деле:К настоящему времени сложились основные направления,по которым идет внедрение лазерной техники в военное дело. Этими направлениямиявляются:
1. Лазерная локация (наземная, бортовая, подводная).
2. Лазерная связь.
3. Лазерные навигационные системы.
4. Лазерное оружие.
5. Лазерные ситным ПРО и ПКО, создаваемые в рамкахстратегической оборонной инициативы — СОИ.
Сейчас, получены такие параметры излучения лазеров,которые способны существенно повысить тактико-технические данные различных образцоввоенной аппаратуры (стабильность частоты порядка 10-14, пиковаямощность 10-12 Вт, мощность непрерывного излучения 104Вт, угловой раствор луча 10-6 рад, t=10-12 с,…=0,2...20 мкм.
Лазерная локация. Лазерной локацией называют область оптикоэлектроники, занимающегосяобнаружением и определением местоположения различных объектов при помощиэлектромагнитных волн оптического диапазона, излучаемого лазерами. Объектамилазерной локации могут быть танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные ивоенные сооружения. Принципиально лазерная локация осуществляется активнымметодом. Нам уже известно, что лазерное излучение отличается от температурноготем, что оно является узконаправленным, монохраматичным, имеет большуюимпульсивную мощность и высокую спектральную яркость. Все это делаетоптическую локацию конкурентоспособной в сравнении с радиолокацией, особеннопри ее использовании в космосе (где нет поглощающего воздействия атмосферы) ипод водой (где слоя ряда волн оптического диапазона существуют окнапрозрачности).
В основе лазерной локации, так же как и радиолокации,лежат три основных свойства электромагнитных волн:
1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон, накотором она расположена, по-разному отражают упавшее на них излучение. Лазерноеизлучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, отлеса, пашни, воды. Более того, оно отражается от любых объектов, размерыкоторых меньше длины волны, лучше, чем радиоволны. Это хорошо известно изосновной закономерности отражения, по которой следует, что чем короче длинаволны, тем лучше она отражается. Мощность отраженного в этом случае излученияобратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Лазерному локаторупринципиально присуща и большая обнаружительная способность, чем радиолокатору- чем, короче волна, тем она выше. Поэтому-то проявлялась по мере развитиярадиолокации тенденция перехода от длинных волн к более коротким. Однако изготовлениегенераторов радиодиапазона, излучающих сверх короткие радиоволны, становилосьвсе более трудным делом, а затем и зашло в тупик.
Создание лазеров открыло новые перспективы в техникелокации.
2. Способность распространяться прямолинейно.Использование узконаправленного лазерного луча, которым производиться просмотрпространства, позволяет определить направление на объект (пеленг цели).
Это направление находят по расположению осиоптической системы, формирующей лазерное излучение (в радиолокации — понаправлению антенны). Чем уже луч, тем с большей точностью может бытьопределен пеленг. Определим коэффициент направленного действия, и диаметр антенныпо следующей простой формуле,
G = 4п * S
/ 2
где G — коэффициент направленного действия, S — площадьантенны, м2, / — длина волны излучения мкм.
Простые расчеты показывают — чтобы получитькоэффициент направленности около 1,5 при пользовании радиоволн сантиметрового диапазона, нужно иметь антенну диаметром около 10м. Такую антенну труднопоставить на танк, а тем более на летательный аппарат. Она громоздка инетранспортабельна. Нужно использовать более короткие волны.
Угловой раствор луча лазера, изготовленного сиспользованием твердотельного активного вещества, как известно, составляетвсего 1,0 — 1,5 градуса и при этом без дополнительных оптических фокусирующихсистем (антенн). Следовательно, габариты лазерного локатора могут бытьзначительно меньше, чем аналогического радиолокатора. Использование женезначительных по габаритам оптических систем позволит сузить луч лазера донескольких угловых минут, если в этом возникнет необходимость.
3. Способность лазерного излучения распространяться спостоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так. приимпульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:
L = ct и
2
где L — расстояние до объекта, км, С — скоростьраспространения излучения км/с, t и — время прохождения импульса до цели иобратно, с.
Рассмотрение этого соотношения показывает, чтопотенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерениявремени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Совершенно ясно,что чем, короче импульс, тем лучше (при наличии хорошей полосы пропускания, какговорят радисты). Но нам уже известно, что самой физикой лазерного излучениязаложена возможность получения импульсов с длительностью 10-7 — 10-8 с. А это обеспечивает хорошие данные лазерному локатору.
Какими же параметрами принято характеризовать локатор?Каковы его паспортные данные?
Прежде всего зона действия. Под ней понимают областьпространства, в которой ведется наблюдение. Ее границы обусловлены максимальнойи минимальной дальности действия и пределами обзора по углу места и азимуту.Эти размеры определяются назначением военного лазерного локатора.
Другим параметром локатора является время обзора. Подним понимается время, в течение которого лазерный луч приводит однократный обзорзаданного объема пространства.
Следующимпараметром локатора являются определяемые координаты. они зависят отназначения локатора. Если он предназначен для определения местонахожденияназемных и надводных объектов, то достаточно измерять две координаты: дальностьи азимут. При наблюдении за воздушными объектами нужны три координаты. Этикоординаты следует определять с заданной точностью, которая зависит отсистематических и случайных ошибок. Их рассмотрение выходит за рамки даннойкниги. Однако будем пользоваться таким понятием, как разрешающая способность. Под разрешающей способностью понимается возможность раздельногоопределения координат близко расположенных целей. Каждой координатесоответствует своя разрешающая способность. Кроме того, используется такаяхарактеристика, как помехозащищенность. Это способность лазерного локатораработать в условиях естественных (Солнце, Луна) и искусственных помех.
И весьма важной характеристикой локатора является надежность. Это свойство локатора сохранять свои характеристики и установленных пределах в заданных условиях эксплуатации.
Схема лазерного локатора, предназначенного дляизмерения четырех основных параметров объекта (дальности, азимута, угла места искорости). Хорошо видно, что конструктивно такой локатор состоитиз трех блоков: передающего, приемного и индикаторного. Основное назначениепередающего локатора — генерирование лазерного излучения, формирование его в пространстве, во времени и направлении в район объекта. Передающий блоксостоит из лазера с источником возбуждения, модулятора добротности,сканирующего устройства, обеспечивающего посылку энергии в заданной зоне позаданному закону сканирования, а также передающей оптической системы.
Основное назначение приемного блока — прием излученияотраженного объектом, преобразование его в электрический сигнал и обработка длявыделения информации об объекте. Оно состоит из приемной оптической системы,интерференционного фильтра, приемника излучения, а также блоков измерениядальности, скорости и угловых координат.
Индикаторный блок служит для указания в цифровойформе информации о параметрах цели.
Взависимости от того, для какой цели служит локатор, различают: дальномеры,измерители скорости (доплеровские локаторы), собственно локаторы (дальность,азимут, и угол места).