При конструировании приборов с лазерами необходимо учесть следующие особенности лазера как источника излучения: некоторые лазеры требуют охлаждения, излучение лазера обычно поляризовано, положение оси пучка задается оптической осью резонатора, некоторые элементы лазера и его излучение могут быть опасными для человека. Как и при использовании других источников излучения, конструкция прибора с лазером должна обеспечивать возможность замены одного лазера другим. Кроме того, при конструировании лазерных приборов, работающих с быстродвижущимися объектами, необходимо учесть из-менение углового направления отраженного луча вследствие «аберра-ции скорости» (см. ниже).
Обеспечение температурного режима работы лазера достигает-ся либо с помощью системы охлаждения, либо за счет естественного охлаждения лазера при теплообмене с окружающей средой. В первом случае конструкция прибора должна обеспечивать функционирование системы охлаждения, а во втором ‒ условия для теплообмена. Необходи-мо иметь в виду, что некоторые элементы лазера во время работы нагре-ваются до высоких температур (газоразрядные трубки газовых лазеров примерно до температуры 100–150 °С, лампы накачки – до нескольких сот градусов). Это может вызвать деформацию конструкции прибора, и при необходимости в ней следует устанавливать теплозащитные экраны.
Если излучение лазера линейно поляризовано и положение плоско-сти поляризации имеет значение для работы прибора, то крепление ла-зера должно производиться с учетом требуемой ориентации плоскости поляризации относительно других частей прибора.
Тот факт, что положение оси пучка задается оптической осью резонатора, означает, что в процессе работы оно может изменяться. Причиной изменения положения оптической оси резонатора являет-ся неравномерный нагрев деталей резонатора. Если лазер расположен горизонтально, то более сильный нагрев верхних деталей приведет к изменению положения оси в вертикальной плоскости. Если угол по-ворота больше допустимого значения, то целесообразно располагать
лазер вертикально. Следует отметить, что если излучение лазера кол-лимируется, то на выходе коллимирующей системы угловые развороты уменьшаются в число раз, равное увеличению системы. Наконец, мож-но предусмотреть прогрев прибора в течение некоторого времени до начала измерительных работ.
В некоторых случаях важно и то, вокруг какой точки происходит разворот оптической оси резонатора. Понятно, что чем дальше нахо-дится точка разворота от входного зрачка передающей системы, тем большие смещения, при одном и том же угловом развороте, вызывает это в плоскости входного зрачка. Положение оптической оси после пе-редающей системы меняется не только вследствие угловых разворотов. Нетрудно видеть, что линейные смещения также приводят к угловым разворотам пучка после передающей оптической системы. Поэтому в конструкции прибора необходимо предусмотреть юстировки лазера как
в продольных направлениях, так и по углу. Иногда требуется юстировка и вдоль оси, когда важно положение перетяжки.
Если лазерный прибор работает по сигналу, отраженному от бы-стро летящего объекта, например, спутника, то отраженный пучок от-клоняется от первоначального направления на угол
∆Θ = Θ – arctg[(c sinΘ – 2 V)/ c ]cos Θ,
где Θ – зенитный угол объекта; V – скорость движения объекта относи-тельно неподвижной земной системы координат.
Достаточно хорошее совпадение с результатами вычисления по этой формуле получается при использовании более простой формулы:
∆Θ = (2 V / c)cos Θ.
Аберрация скорости объекта объясняется появлением члена 2 V / c (члены с более высокой степенью опускаются) в результате перехода от пространственно-временных координат, связанных с Землей, к движу-щейся системе координат спутника. При этом вектор направления рас-пространения излучения, вышедшего из передатчика, имеет различные углы с вертикальной осью Z в системе координат Земли и спутника (век-тор r вращается относительно вектора V против часовой стрелки). При от-ражении от уголкового отражателя вектор r продолжает вращаться в том же направлении, осуществляя полный поворот в ∆Θ. Величина ∆Θ может достигать значений, сравнимых с дифракционной расходимостью пучка передатчика или пучка, отраженного отражателем. Например, при Θ = 0 (когда спутник находится в зените) и скорости 7 км/с величина ∆Θ = 9ʺ.
Вследствие аберрации скорости центр диаграммы направленно-сти отраженного пучка не будет совпадать с осью передатчика. Поэто-му при конструировании систем нужно либо смещать передатчик от-носительно приемника на величину предполагаемого смещения, либо конструировать отражатели с такой диаграммой направленности, при которой максимум интенсивности отраженного пучка будет совпадать
с апертурой приемника, совмещенного с передатчиком, либо расширять диаграмму направленности.
Конструкция лазерного прибора должна предусматривать возмож-ность юстировки лазера относительно передающей оптической систе-мы. Если излучение лазера происходит в видимом диапазоне спектра, то юстировку можно произвести визуально. Для этого сначала снимают все оптические детали и отмечают положение центра лазерного пуч-ка на экране, установленном на некотором расстоянии от лазера. За-тем последовательно устанавливают элементы оптической системы и юстируют их до тех пор, пока центр пучка не окажется на прежнем месте, а изображения будут иметь наилучшее качество. Для определе-ния положения центра пучка и оценки качества изображения можно использовать известные фотоэлектрические способы. При этом можно отъюстировать и лазеры, работающие в невидимом диапазоне спектра. Визуальная оценка, конечно, необъективна, но она обладает таким не-сомненным преимуществом, как наглядность. В некоторых случаях применение фотоэлектрических способов затруднено из-за необходи-мости иметь приемник излучения, работающей в длинноволновой об-ласти спектра.
Поэтому часто стараются про-извести юстировку с помощью ла-зеров, работающих в видимом ди-апазоне. На рис.4.1 показана схема юстировки оптической системы 4, работающей по излучению лазера, который действует в невидимом диапазоне спектра, с помощью лазера 1, имеющего видимое из-лучение. Предполагается, что вы-ходное зеркало 3 резонатора ра-бочего лазера плоское. Излучение
1
4
3 2
Рис. 4.1. Схема юстировки оптической системы, работающей
в ИК-области, с помощью видимого лазера
видимого лазера отражается от полупрозрачной пластинки 2, попадает на выходное зеркало резонатора лазера и после отражения от него – в юстируемую систему.
Естественно, что этот способ юстировки пригоден лишь в том слу-чае, если оптическая система пропускает видимое излучение. Поэтому, если юстировка в видимом диапазоне необходима, следует выбирать соответствующий материал оптической системы. При невозможности подобрать материал таким образом, чтобы он пропускал как рабочее, так и видимое излучение, возможно некоторые детали при юстиров-ке заменять таким образом, чтобы они работали в видимом диапазоне. Следует заметить, что полностью исследовать свойства оптической си-стемы, работающей по невидимому излучению, с помощью видимого излучения невозможно, так как показатели преломления материалов различны для разных длин волн. Вследствие этого фокусные расстоя-ния компонентов будут различными, что влечет за собой изменение па-раметров пучков для разных лазеров. Зеркальную оптическую систему можно юстировать и исследовать с помощью видимого излучения.
При конструировании лазерных приборов особое внимание долж-но уделяться соблюдению мер предосторожности. В лазере имеют-ся следующие основные источники опасности для человека: высокое электрическое напряжение; высокочастотное радиоизлучение; излуче-ние ламп накачки; излучение генерации.
Поражение электрическим током должно быть исключено кон-структивными мерами: заземлением, блокировкой и т.д. Излучение ламп накачки не должно проникать за пределы защитного кожуха (кор-пуса). При высоком уровне радиоизлучения прибор должен быть раз-мещен в специальной кабине или изолированном помещении.
Выходное лазерное излучение (излучение генерации) также может представлять опасность для здоровья и даже жизни человека. В первую очередь при работе с лазерным прибором следует остерегаться попа-дания лазерного излучения в незащищенный глаз человека. Это каса-ется даже излучения маломощных лазеров, так как в глазе происходит фокусировка лазерного излучения в пятно очень небольшого размера, вследствие чего увеличивается (по сравнению с излучением на вход-ном зрачке глаза) плотность мощности на сетчатке глаза. Поэтому при юстировке лазерных приборов и других работах с ними надо следить за уровнем облучения и в необходимых случаях пользоваться защитными
очками, светофильтрами, экранами и т.д. При работе с мощными лазе-рами опасно попадание излучения на кожу. Особенной осторожности требует работа с лазерами в случае, когда излучение невидимо, так как оно тоже опасно, а обнаружить его визуально нельзя.
Существуют нормы облучения для разных длин волн и режимы ра-боты лазеров. Прежде, чем производить какие-либо работы, надо убе-диться в том, что существующий уровень меньше допустимого.