Сборка узлов лазеров

Основные требования к оптической системе твердотельных лазеров. Лазеры являются источниками мощного узконаправленного монохроматического когерентного излучения и используются в различных областях техники как самостоятельные приборы или как узлы осветительной системы. Структурно лазер состоит из активной среды (излучателя), объемного резонатора, источников возбуждения и питания. Первым активным веществом (излучателем), примененным в лазерах, был монокристалл рубина. Искусственный рубин представляет собой оксид алюминия, в котором часть атомов алюминия замещена атомами хрома.

Количеством хрома определяется цвет рубина. Так, бледно-розовый рубин содержит 0,05 % Сr, красный — 0,5 %. Кристалл растят в печах, заготовку отжигают и обрабатывают, придавая рубину форму стержня. Торцевые поверхности стержня обрабатывают с высокой степенью точности и полируют. Непараллельность торцов должна быть в пределах 3...9". Торцы покрывают серебряным или диэлектрическим слоем с высоким коэффициентом отражения. Чистота поверхности соответствует 12-му классу. Торцы кристалла образуют открытый резонатор. Рубиновый стержень конструктивно размещают вблизи источника возбуждения. Импульсные лампы относительно рубина располагают различно, что определяется максимально возможной отдачей энергии стержню. Так, импульсная лампа может быть выполнена в виде спирали, охватывающей рубиновый стержень; рубиновый стержень может быть расположен между четырьмя лампами карандашного типа, а для повышения светоотдачи лампы снабжаются отражателями; рубиновый стержень и лампа карандашного типа располагаются в фокусах эллиптического цилиндра-отражателя. Применяют и полиэллиптические отражатели при облучении несколькими лампами. Питается импульсная лампа от конденсатора большой емкости, который заряжается выпрямителем.

К кристаллическим излучателям предъявляют высокие требования. Например, для рубина с плоскими параллельными торцами необходимо выполнить следующие требования:

1) оптическая ось кристалла должна быть параллельной оси стержня или перпендикулярной ей с точностью до 10";

2) неплоскостность торцевых поверхностей до 0,1λ линии натрия;

3) отклонение от параллельности торцевых поверхностей ≤3";

4) отклонение торцевых плоскостей от перпендикулярности к оси цилиндра кристалла ±1";

5) допуск на длину стержня и диаметр δ_l ≤0,13; δ_D ≤0,025 мм.

Наряду с кристаллическими излучателями используют

стеклянные и полупроводниковые.

Так как коэффициент усиления квантовой системы зависит от пути, проходимого возбуждающим потоком в системе, то чем больше этот путь, тем большее число возбужденных частиц участвует в излучении и тем больший поток можно получить на выходе системы. Стеклянные стержни (из неодимового стекла) могут иметь большие размеры, чем кристаллические, и быть изготовлены любой формы, требуемой для достижения наибольшей эффективности прибора.

Открытые резонаторы. Для концентрации электромагнитной энергии требуемой частоты, для обеспечения многократного отражения электромагнитной волны с целью поддержания генерации и обеспечения резонанса при генерировании колебаний применяют открытые резонаторы, которые в большинстве случаев образованы двумя зеркалами, установленными друг против друга. Эти зеркала имеют серебряное либо диэлектрическое отражающее покрытие, состоящее из нескольких слоев диэлектриков, каждый из которых обладает различными оптическими характеристиками. Серебряное покрытие по сравнению с диэлектрическим обладает меньшим коэффициентом отражения и большими потерями. В процессе эксплуатации серебряные покрытия портятся и требуют замены во избежание падения выходной мощности и увеличения энергии, требуемой для генерации. Диэлектрические покрытия сохраняют стабильность своих свойств при эксплуатации, поэтому им отдают предпочтение.

Трудности юстировки одного плоского зеркала относительно другого привели к тому, что стали применять не плоские, а сферические зеркала, установленные друг от друга на расстоянии, равном удвоенному радиусу их кривизны. Такой резонатор обладает (по сравнению с резонатором, образованным плоскопараллельными пластинами) меньшими дифракционными потерями и требует более низкой мощности возбуждения. Юстировка зеркал сравнительно более легкая.

При установке между зеркалами резонатора кристаллического стержня (у которого имеется свой резонатор — параллельные торцы стержня), резонатор всей системы получается сложным. Расчетным путем его приводят к эквивалентному.

Если торцевые поверхности кристалла не покрыты диэлектриком, то зеркала выполняют роль резонатора с вынесенными зеркалами. Излучатель и зеркала объединяют в единую конструкцию, которая предусматривает юстировочное приспособление, обеспечивающее возможность установки одного зеркала параллельно другому с высокой точностью.

Юстировка резонатора с вынесенными зеркалами. На рис. 3 представлена схема установки на базе лазера с резонатором, состоящим из сферического и плоского зеркал. Сферическое зеркало имеет коэффициент отражения близкий к 100 % (для X = 0,6943 мкм). Второе зеркало — сапфировая плоскопараллельная пластина с коэффициентом отражения для указанной длины волны 35 %. Питание лампы накачки осуществляют от высоковольтного блоки прибора. За базу геометрической юстировки принимают торец кристалла и ось его стержня. Для юстировки зеркал резонатора используют автоколлимационную трубу, согласование визирной оси которой с осью кристаллического стержня осуществляют винтами горизонтальной и вертикальной наводки автоколлимационной трубы.

Рис. 3. Схема лазерной установки:

/ — кожух; 2 — отражатель; 3 — лампа накачки; 4 — автоколлимационная труба; 5 — открытый резонатор; 6 — излучатель

Целью юстировки резонатора является установка плоского зеркала параллельно правому торцу кристалла и совмещение оптической оси сферического зеркала с оптической осью кристалла. Юстировку зеркал резонатора выполняют в следующем порядке.

При включенной подсветке сетки автоколлимационной трубы винтами наводки последней добиваются появления в поле зрения автоколлимационных бликов от зеркал и торца кристалла: наиболее яркого — от сапфировой пластины и наиболее слабого — от сферического зеркала. Винтами наводки автоколлимационной трубы совмещают перекрестие ее окуляра с отражением от переднего торца кристалла. Винтами юстировочных приспособлений зеркал (на схеме не указаны) совмещают автоколлимационные изображения перекрестий, отраженные от сферического, а затем от плоского зеркала. О правильности юстировки зеркал резонатора судят по получении импульсов когерентного излучения: при недостаточной точности юстировки зеркал излучение будет носить спонтанный характер.

Юстировка зеркал газового лазера. Основными элементами излучающей головки газового лазера являются газоразрядная трубка, зеркала резонатора и юстировочное приспособление. Излучающая головка предназначена для преобразования электрической энергии или энергии СВЧ в монохроматическое когерентное индуцированное излучение.

Наиболее распространенной является конструкция резонатора с зеркалами, не соприкасающимися с газовой смесью: смесь находится в газоразрядной трубке с окнами, в которой длительное время сохраняется вакуум. Котировочные приспособления конструктивно различны, но решают одну и ту же задачу — поворачивают зеркала друг относительно друга с целью обеспечения их параллельности (при плоских зеркалах) или совмещения их общей оптической оси с осью газоразрядной трубки. Зеркала поворачивают, как правило, вручную с помощью микрометрических винтов. Реже (по экономическим соображениям) применяют автоматическую поднастройку зеркал с использованием явления магнитострикции.

Для увеличения производительности взаимной ориентации юстировочных баз зеркал осуществляют предварительную юстировку зеркала относительно опорной базы юстировочного приспособления. Для этого на опорную базу приспособления крепят эталонный угольник с зеркалом, нормаль которого параллельна опорной поверхности, по зеркалу устанавливают автоколлиматор, а затем юстируют зеркало резонатора. Точность предварительной юстировки зеркал обычно 5'. Юстировку зеркал резонатора осуществляют по схеме, описанной в предыдущем пункте настоящего параграфа.

Автоколлимационную трубку устанавливают таким образом, чтобы пучок света проходил через газоразрядную трубку (визирную ось автоколлиматора, установленную на оси газоразрядной трубки, принимают за юстировочную базу).

Автоколлимационные изображения перекрестий, отраженные от ближнего и дальнего зеркал, совмещают с перекрестием автоколлимационной трубы с помощью микрометренных винтов юстировочного приспособления. Таким образом, зеркала устанавливают параллельно одно другому.

После юстировки зеркал включают источник возбуждения, в трубке возникает газовый разряд, приводящий к непрерывному и индуцированному излучению. Установив на его пути фотоэлемент, сигнал с которого подается на осциллограф, можно осуществить дополнительную юстировку по максимуму излучения на работающем генераторе.

В ряде случаев в конструкции лазера предусматривают оптические устройства вспомогательного назначения: отклоняющие зеркала и призмы, афокальные системы дли уменьшения угла расходимости пучка первоначального формирования, визиры для наведения системы излучателя на объект, модуляторы, поляризационные призмы и др.

На рис. 4 представлены оптическая система импульсного лазера и общий вид прибора, установленного на штативе. Кроме излучателя, состоящего из кристалла рубина и импульсной ксеноновой лампы с цилиндрическим отражателем, оптическая система включает защитное стекло, отклоняющую призму и афокальную насадку, уменьшающую угол расходимости лучей. Для наведения генератора на объект служит визирная труба, установленная параллельно афокальной насадке. Методы сборки и юстировки телескопических систем (афокальной насадки для сужения угла расходимости пучка лучей и визирной трубки) сводятся к центрированию компонентов, установке нулевого положения (совмещению фокусов F_o6 и F_OK) и установке полевой диафрагмы в фокусе объектива.

Рис. 4. Оптическая схема импульсного лазера: / — объектив 1; 2 — объектив 2; 3 — афокальная насадка; 4 — защитное стекло; 5 — излучатель; 6 — лампа накачки; 7 — визирная трубка; 8 — призма

Выверка параллельности визирной оси трубки и оптической оси генератора может быть выполнена с контролем двояким способом (способ «б» удобен для лазеров непрерывного излучения):

а) по автоколлимационной трубе, объектив которой полностью или частично перекрывает световые отверстия объективов телескопических систем: разворотом автоколлимационной трубы находят и совмещают с центром перекрестия его автоколлимационное изображение, отраженное от торца кристалла, а затем при подсветке в окуляр визирной трубки изображение перекрестия ее сетки совмещают с центром перекрестия автоколлимационной трубы (разворотом визирной трубки);

б) при включенном генераторе выходящий световой пучок совмещают с центром перекрестия юстировочной зрительной трубы, установленной так же, как автоколлимационная труба в предыдущем случае. Совмещение осуществляют разворотом юстировочной зрительной трубы. Генератор выключают и, не сбивая установки разворотом визирной трубки, изображение его перекрестия совмещают с центром перекрестия зрительной трубы. Объектив юстировочной зрительной трубы, как и в предыдущем варианте, должен перекрывать (полностью или частично) световые диаметры объективов обеих регулируемых систем. При большом расстоянии между осями генератора и визира для контроля используют автоколлиматор с разделением пучков посредством ромбической призмы.

При наличии в оптической системе резонатора электрооптического модулятора и поляризационных призм также проводят котировочные операции по взаимному ориентированию указанных деталей и узлов.

Лекция 10С

Сборка и юстировка приборов ночного видения.

Принцип действия приборов ночного видения основан на регистрации теплового излучения наблюдаемых предметов и преобразования невидимого ИК излучения в видимое удобное для глаз. Нагретые предметы или объекты излучают ИК лучи. Интенсивность излучения зависит от температуры предметов или объектов. Приборы ночного видения регистрируют спектральный диапазон ИК излучения от 0,8 до 1,2 мкм.. Приборы работают как по схеме активного действия ( с использованием подсветки предметов ИК излучателями ), так и по схеме пассивного действия без искусственного освещения наблюдаемых предметов.

Основным элементом приборов ночного видения является электронно-оптический преобразователь. На внутреннее окно баллона 1, откачанного до высокого вакуума, нанесен фоточувствительный слой. обеспечивающий прием ИК излучения (фотокатод). На внутреннюю стенку противоположного окна нанесен слой флуоресцирующего вещества (экран). Между фотокатодом и экраном размещены управляющие электроды. Под воздействием ИК излучения фотокатод испускает электроны (эмиссия). Интенсивность эмиссии электронов пропорциональна освещенности отдельных участков фотокатода. К управляющим электродам прикладывают напряжение порядка 4-20 кВ. С помощью электродов обеспечивают электрическое поле, направляющее электроны по определенной траектории к экрану. Падение электронов вызывает свечение (флуоресценцию) экрана. Интенсивность освещения различных участков экрана не одинакова и соответствует интенсивности испускания электронов участками фотокатода. Свечение экрана происходит в видимой области спектра. Т. об., невидимое ИК излучение преобразуется в видимое, воспринимаемое глазом человека.

Кроме переноса изображения и преобразования излучения ЭОП усиливает свет. Яркость изображения на экране зависит от конструкции ЭОПа. Коэффициент усиления современных ЭОПов имеет широкий диапазон от нескольких десятков до сотен тысяч, что способствует развитию приборов ночного видения пассивного действия.

На экране ЭОПа получается перевернутое уменьшенное изображение наблюдаемого предмета или объекта. Использование в приборах ночного видения ЭОПа вызывает необходимость применения аккумуляторной батареи с высоковольтным преобразователем напряжения. Бинокль ночного видения состоит из объектива, ЭОПа, окуляра, аккумуляторной батареи и высоковольтного преобразователя напряжения.

Характерным для сборки приборов ночного видения является применение в контрольно юстировочной коллимационной аппаратуре ИК интерференционных фильтров. Все выходные оптические и светотехнические параметры аналогичны аналогичным биноклям.

Фокусировка объектива и окуляра.

КЮ аппаратура состоит из ИК коллиматора, использующего осветитель с ИК фильтром и штриховой миры, находящейся в фокусе объектива коллиматора. На фотокатод ЭОПа бинокля наклеивают контрольную марку. Фокусировку контролируют с помощью микроскопа. Объектив бинокля перемещают до одновременного резкого видения штриховой миры по всем направлениям и марки наклеенной на фотокатоде ЭОПа. Положение объектива фиксируют, марку с фотокатода снимают, а под корпус объектива дополнительно устанавливают технологическое кольцо необходимой толщины. Микроскоп снимается, вместо него устанавливается окуляр и продольным перемещением добиваются резкого видения штриховой миры через зрительную трубу небольшого увеличения.

Юстировка ЭОПа.

При юстировке поперечными подвижками и наклонами ЭОПа относительно оптической оси прибора добиваются максимальной разрешающей силы в центре поля зрения и параллельности оптических осей. Крепление ЭОПа биноклей позволяет осуществить необходимые подвижки.

Контроль непараллельности выходящих из бинокля пучков лучей осуществляют на КЮ приборе содержащем спаренный коллиматор и бинокулярную зрительную трубу. Сетки правой и левой труб бинокуляра различны. Одна выполнена в виде перекрестия, а другая- в виде перекрестия и допускового прямоугольника непараллельности осей. Оси коллиматоров строго параллельны. Тонкую юстировку параллельности оптических осей трубок осуществляют поперечными подвижками окуляра в пределах зазоров под винты крепления оправы. С помощью специального герметика уплотняют наружные места соединения объективов и основания окуляров с корпусом. После окончательной чистки внешних оптических поверхностей объективов и окуляров бинокль поступает на приемо сдаточный контроль.

Сборка и юстировка угломерных приборов.

Классификация угломерных приборов.

Угломерные приборы предназначаются для измерения углов между точками в пространстве как разностей направлений на эти точки. Направление на каждую точку обычно задается в системе сферических координат и может быть определено двумя углами; например, направление на точку Т в системе сферических координат местности может быть задана горизонтальным углом  и вертикальным углом  его следа В на сфере. Горизонтально углы отсчитываются от начального меридиана по часовой стрелке, если смотреть сверху - со стороны оси z. Вертикальные углы отсчитываются от горизонта в данной точке Земли - от плоскости экватора - вверх.

Угломерные приборы используются для различных целей, например, астрономические приборы - для измерения координат небесных тел, геодезические приборы - для измерения углов на местности, прицелы - для установки углов, необходимых при стрельбе, метрологические приборы - для измерения угловых величин призматической и плоскостной оптики.

Угломерные приборы перед использованием должны быть определенным образом выверены и ориентированы на местности.

Все угломерные приборы по конструктивной схеме можно подразделить на 2 большие группы:

1. приборы, в которых для измерения углов используется шкала в поле зрения неподвижного визира или микрометрический винт, передвигающий сетку в поперечном направлении.

2. 2.приборы, в которых для измерения углов используются повороты визирной трубы или качание головного зеркала (или головной призмы), а углы чаще всего отсчитываются по лимбам. В этой группе различают два типа угломерных приборов:

тип 1 – приборы с поворотным визиром,;

тип 2 – приборы с качающимся головным зеркалом (или призмой)

Приборы первого типа отличаются тем, что при измерении углов поворачивают визирную трубу вокруг одной из осей: горизонтальной (кипригель) или вертикальной (гониометр) или вокруг двух осей теодолит.

В приборах второго типа при измерении углов поворачивают только головное зеркало (призму) вокруг одной из осей: горизонтальной (танковый орудийный прицел) или вертикальной (пулеметный прицел) или вокруг двух осей (панорамические приборы). Визирная труба при этом всегда остается неподвижной.

Перископы занимают промежуточное положение: в них для измерения вертикальных углов поворачивают головное зеркало или призму на горизонтальной оси, а при измерении горизонтальных углов вращают весь прибор вокруг вертикальной оси.

Приборы первой группы отличаются простотой конструкции. Пределы измерения углов определяются величиной угла поля зрения объектива.

Оптические приборы для измерения углов с отсчетом измеряемой величины по круговой шкале–лимбу называют гониометрами. С помощью гониометров проводят измерения: углов между плоскими полированными гранями призм и клиньев, углы отклонения лучей через призмы и клинья. Основными элементами гониометров являются коллиматор, зрительная или автоколлимационная труба, предметный столик и круговая шкала-лимб, по которой с помощью оптической системы ведут отсчет измеряемых углов. В гониометрах используют коллимационный или автоколлимационный способы измерения углов.

При коллимационном способе измерений столик с призмой разворачивают до положения, при котором параллельный пучок лучей из коллиматора после отражения от граней призмы попадает в зрительную трубу. Совмещают изображение щели коллиматора с перекрестием зрительной трубы и фиксируют по лимбу это положение. Затем разворачивают столик до положения, при котором пучки лучей из коллиматора после отражения от другой грани призмы попадут в зрительную трубу. Опять совмещают изображение щели коллиматора с перекрестием зрительной трубы и снимают отсчет по лимбу этого положения. А разность отсчетов равна углу поворота лимба, а измеряемый угол =180-.

При автоколлимационном способе измерений столик с призмой поворачивают до положения, при котором грань призмы перпендикулярна оси зрительной трубы с автоколлимационным окуляром. При этом автоколлимационное изображение марки совпадает с перекрестием окуляра. Снимают отсчет с лимба. Поворачивают столик с призмой до получения автоколлимации от другой грани призмы. Снимают отсчет с лимба. Разность отсчета равна углу , а измеряемый угол =180-.

Таким образом, измерения на гониометре основаны на том, что зрительная труба или автоколлиматор может поворачиваться вокруг стола, поворачивая отсчетную систему гониометра вокруг лимба.

Точность измерения на гониометрах зависит от точности наводки, точности юстировки визирных линий коллиматора и зрительной трубы относительно оси вращения, точности нанесения делений на круговую шкалу лимб, эксцентриситета лимба.

Промышленностью выпускаются гониометры типа ГС-1, 3,5,10,30 (числа в обозначениях характеризуют погрешность измерения углов в секундах).

Высокая точность измерения углов конструктивно и технологически обеспечивается следующими факторами:

1. использованием стеклянного кругового лимба; совмещением в плоскости анализа двух диаметрально противоположных участков лимба; использованием оптического микрометра и снятием отсчета величин измеряемых углов с помощью единого микроскопа

2. жесткими допусками на смещение осей посадочного и диаметра штрихов при изготовлении лимба

3. использованием телескопических объективов с высокой разрешающей способностью

4. применением в конструкции прибора единой осевой системы с зазором между осью и втулкой, т. е. в подшипнике скольжения, от 0,5 до 2,0 мкм.

После сборки и юстировки гониометры проверяют на соответствие ТУ и ГОСТу. Из оптических характеристик контролируют:

1. качество изображения делений шкалы лимба и шкалы оптического микрометра визуальным осмотром

2. установку окуляра на 0 диоптрий для нормально глаза с помощью диоптрийной трубки

3. увеличение зрительной трубы и коллиматора (40,90,25)

4. угловое поле зрения с помощью коллиматора

5. минимальный угол разрешения зрительной трубы и коллиматора с помощью коллиматора со штриховыми мирами № 2и №3

Кроме того один раз в год проверяют точность работы прибора после нахождения его в пределах нерабочих температур 40 и после транспортной тряски.

Лекция 11