Ефект Керра.

Фазовий зсув є прямопропорційний до квадрата прикладеної напруги, тому ефект Керра називають квадратичним або параболічним. Найближчою важливою характеристикою конденсатора Керра є критична напруга . Коли до конденсатора прикласти напругу , то промені вийдуть з нього з зсувом . Тоді (10.1) і (10.2). Ця формула показує, що змінюючи напругу на конденсаторі, можна змінювати фазовий зсув променів. Тому неповною коміркою Керра можна модулювати промені за фазовим зсувом.

Рис. 10.1 Фазовий зсув променя

10.1 Статична і модуляційна характеристики неповної комірки Керра.

На рис.10.1 показана статична і модуляційна характеристики неповної комірки Керра.

Залежність між фазовим зсувом і напругою на конденсаторі неповної комірки Керра показано на рис. 10.1. вона має форму параболи. Графічні залежності між величиною, яку модулює модулятор, і напругою називається статичною характеристикою модулятора. Побудуємо модуляційну характеристику неповної комірки, тобто графік залежності фазового зсуву від часу при заданій напрузі, прикладеній до його конденсатора. Щоб зміна фазового зсуву відбувалася по гармонічному закону, крім змінної напруги , потрібно прикладати постійну напругу зміщення Е₀. Це дає можливість працювати на прямолінійній ділянці, або на ділянці статистичної характеристики. Графік напруги побудований під статичною характеристикою. (10.3). Величина Т=1/f є періодом змінної напруги, а праворуч від неї отримана модуляційна характеристика для проміжку часу t. Таким чином,на прямолінійній ділянці статичної характеристики при напрузі (10.3) відповідає гармонічний закон зміни фазового зсуву. При цьому частота і фаза зміни фазового зсуву дорівнює частоті і фазі змінної напруги. Плоскополяризований промінь йде в конденсатор Керра перпендикулярно до силової лінії, тобто перпендикулярно до оптичної осі, яка з’являється в нітробензолі. В такому випадку звичайний і незвичайний промені не розділяються в просторі. При суперпозиції (накладанні) двох когерентних променів з взаємно перпендикулярними площинами коливань одержимо сумарний, еліптично поляризований промінь. Електричний вектор коливань такого променя рівномірно обертається навколо нього, а його кінець описує еліпс. Форма його залежить від амплітуди коливань променя, які накладаються, і фази зсуву променя. В неповних комірках Керра амплітуди коливань є однакові завдяки відповідному розміщенню поляризатора і конденсатора Керра. Тому форма еліпса поляризації залежить тільки від фазового зсуву.

10.2 Фотоелектронні помножувачі та фотодіоди.

ФЕП – це електровакуумний прилад, робота якого базується на фотоелектронній та вторинній електронній емісії.

Рис. 10.2 Фотоелектронний помножувач

На рис. 10.2 зображено ФЕП. Основними елементами ФЕП є фотокатод К, від 7 до 14 емітерів Е і анод А. Все це впаяно в скляний балон. На ці електроди подають напругу так, щоб різниця потенціалів між анодом і першим емітером, першим і другим емітером постійно зростала. Емітер виготовляють з такого матеріалу, щоб при падінні електрону з достатньою кінетичною енергією вибивалося з них декілька електронів, тобто з матеріалу, в якому спостерігається явище вторинної електронної емісії. Світловий потік, що падає на фотокатод ФЕП, вибиває з нього електрони, тобто відбувається явище зовнішнього фотоефекту. Вибиті електрони, під впливом прискорюючого електричного поля, прямують на перший емітер і вибивають з нього електрони, які потрапляють на другий емітер і так далі. З кожного емітера вибивають більше електронів, ніж на нього їх падає, тому в процесі переходу від одного емітера до іншого відбувається помноження електронного потоку. Найбільший електронний потік потрапляє на анод. При 10 емітерах коефіцієнт помноження ФЕП досягає 10⁵-10⁶. Анодний струм І_а, який протікає через навантаження ФЕП, є пропорційний до інтенсивності світлового потоку Ф, який падає на фотокатод:

І_а=К_ФФ (10.4), де К_ф – коефіцієнт чутливості, який характеризує ФЕП.

Розрізняють інтегрований і спектральний коефіцієнти чутливості. Інтенсивний коефіцієнт чутливості ФЕП дорівнює фотоструму в анодному колі ФЕП (в А) при освітленні його катода білим світлом в 1 Люмен. Спектральний коефіцієнт чутливості характеризує чутливість ФЕП до заданої ділянки спектра світлового потоку, який падає на фотокатод. Інтенсивний коефіцієнт чутливості ФЕП може приймати значення від 30-200 мкА/Лм.

У віддалемірах використовують фотоелектронні помножувачі типів ФЕП –17, ФЕП-28, ФЕП-38. в перших двох помножувачах катод масивний і працює на відбиття, а в третьому він напівпрозорий. Всі ці ФЕП локальної конструкції. У ФЕП-17 і ФЕП-38 є додаткові виводи на бокові станції балона.

ФЕП мають ряд позитивних властивостей, завдяки чому їх широко використовують. Сюди слід віднести високу чутливість, на малий темновий струм, що дозволяє проводити вимірювання при слабких відбиттях світлових сигналів, малу інерційність, яка дає можливість використовувати високу частоту модуляції світлового потоку. На параметри ФЕП практично не впливають зміни зовнішніх умов, що є дуже важливим.

Основним недоліком їх є те, що ФЕП живляться високою напругою.

Це особливо незручно в малих топографічних віддалемірах. Тому в них тепер ФЕП замінюють фотодіодами.

Рис. 10.3 Фотодіод

На рис.11.1 показано будову фотодіода. В фотодіодах використане явище внутрішнього фотоефекту, що заключається в перерозподілі електронів по енергетичних рівнях під дією світлового потоку.

Фотодіод – це напівпровідник з p-n-переходом. До нього прикладають напругу в запірному напрямку, при тому так, щоб не проходив струм через p-n- перехід. Коли світлодіод не освітлюється, то через опір R протікає дуже малий струм, який називається темновим. При падінні світлового потоку на p-n- перехід в ньому виникають пари “електрон - дірка”, для яких в p-n- переході є дуже малий опір. В наслідок цього в зовнішньому полі фотодіода з’являється струм, сила якого є прямо пропорційною до падаючого на p-n-перехід світлового потоку.

Світловіддалеміри використовують кремнієві фотодіоди, які найбільш чутливі до випромінювання з довжинами хвилі 0,8-0,9 мкм, тобто до інфрачервоного випромінювання.

Чутливість їх досягає 0,4-0,5 А/Вт. Енерційність фотодіодів не перевищує 10^-7-10^-8 секунди, тому їх можна застосовувати при частоті модуляції інтенсивності світла до 100 МГц. Недоліком фотодіодів є дуже низька вихідна напруга, особливо при слабких відбитих сигналах. Тому при використанні фотодіодів необхідні підсилювачі з дуже високим коефіцієнтом підсилювання, що є причиною появи шумів. Цей недолік відсутній у лавинних фотодіодах, принцип дії яких нагадує роботу ФЕП. До лавинних фотодіодів прикладають запірну напругу, дуже близьку до напруги пробиття. Тому електрони, які вибивають кванти світла, рухаються з дуже великою швидкістю. При зіткненні електронів з атомами гратки кристалу з’являються додаткові пари “електрон - дірка”. Нові електрони, які при цьому з’являються, і вибиті світловим потоком збільшують електричне поле, і вони продовжують при зіткненні з атомами гратки вибивати нові електрони. Отже, спостерігається лавинний ефект. Завдяки цьому, через опір навантаження в лавинних фотодіодах протікає набагато більший струм ніж в звичайних фотодіодах. Коефіцієнт помноження фотоструму в лавинних фотодіодах досягає 100, що значно менше, ніж у ФЕП, але вони є чутливішими від ФЕП до дуже слабких світлових потоків. Це робить їх застосування перспективним. Лавинні фотодіоди можна застосовувати при частоті модуляції світла до 40ГГц. Їх розміри дуже малі, а напруга живлення складає 15-30 В.

Лекція 11.

Оптичні системи світловіддалемірів.

Світловіддалеміри мають 3 основні оптичні системи:

1.Передавальну;

2.Відбиваючу;

3.Приймальну.

Крім цього в них є ряд допоміжних систем, таких, як візуюча система, коротке оптичне замикання, оптичні лінії затримки, фільтри та інші. Наявність тих чи інших допоміжних оптичних систем обумовлена принципом дії світловіддалеміра. Розмір та маса передавальної, а також приймальної оптичної системи визначають габарити прийомопередавача в цілому та мають вплив на його масу. Тому, при конструюванні світловіддалемірів прагнуть вибрати такі оптичні системи, які б задовільняли усім вимогам і мали мінімальні розміри і масу. Основні оптичні системи посилають модульований світловий потік вздовж вимірюваної лінії, відбивають, а потім приймають його. Все це повинно відбуватися з мінімальними втратами світлової енергії і з мінімальним спотворюванням світлової модуляції. Кожна з цих систем повинна забезпечувати високу направленість випромінювання. Передавальний оптичний тракт включає в себе всі оптичні елементи, які знаходяться на шляху випромінювання джерела світла в передавачі. Він повинен сформувати з цього випромінювання вузький пучок, спрямований вздовж напрямку на відбивач. Якщо поверхня випромінювання джерела світла не є точною, що практично є завжди, то оптична система формує з цього випромінювання непаралельний розбіжний пучок променів. Чим більший розмір поверхні випромінювання, тим більша розбіжність пучка. Для зменшення розбіжності збільшують фокусну віддаль передавальної оптичної системи, бо розмір перерізу пучка в площині відбивача, що встановлюється на віддалі S, має діаметр d.

(11.1)

де l – діаметр перерізу світлового пучка в фокальній площині передавальної оптичної системи;

f- фокусна віддаль системи.

Перед овальними оптичними системами в багатьох світловіддалемірах є звичайні телескопічні труби, тобто лінзові системи. Вони складаються з складного об’єктива і фокусної лінзи. Ці системи є простими, дешевими і водостійкими. Єдиним їх недоліком є значний поздовжній розмір, який дорівнює фокусній віддалі системи (лінзової). Для зменшення маси та габаритів передавальної оптичної системи з великими фокусними віддалями лінзові системи змінюють дзеркально-лінзовими.

Рис. 11.1 Передавальна оптична система

На рис. 11.1 зображена дзеркально-лінзова передавальна система, що складається з об’єктива 1, великого сферичного дзеркала 2, дзеркально-лінзового компонента 3, який приклеюють до захисної скляної пластинки 4. У світловіддалемірах, які виготовлені в бувшому СРСР використовували лазери з розбіжністю в декілька мінут. При розбіжності в 2’ на S= 10 км переріз при відсутності оптичної системи = 6 м. Лінзова телескопічна колімуюча оптична система зменшує його до 0,4-0,6м, тобто в 10 разів.

Широке застосування у віддалемірах отримали зеркально-лінзові і призменні відбивачі, в орієнтуванні. Зеркально-лінзовий відбивач складається із об*єктива і зеркала, розташованого у фокусі об*єктива перпендикулярно його оптичній осі. Тоді прийнятий і відбитий промені паралельні. Практично ця паралельність зберігається, якщо падаючий промінь складає кут з віссю об*єктива не більший . При точному виготовленні відбивача і кута падіння меншого , його розсіювання не перевищує 30”.

Збільшення світло збору зеркально-лінзовим відбивачем можна досягнути тільки збільшуючи діаметр отвору об*єктива або встановлюючи декілька відбиваючих елементів. Тому застосовують мозаїчні і призмені відбивачі.