Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Відомо, що атом складається із ядра і електронів, де електрони рухаються по орбі­тах навколо ядра, існує деяка кількість орбіт, на яких може знаходитись електрон, перехо­дячи почергово з однієї на другу. При переході електрон або поглинає або виділяє певну порцію енергії — квант енергії. Чим далі від ядра знаходиться орбіта, тим більшою енергією володіє електрон, що на ній знаходиться.

Для переведення електрона на більш високий енергетичний рівень, до нього необ­хідно підвести зовні порцію енергії. Це може бути досягнуто шляхом нагрівання речовини або діянням на нього електричного поля. Перехід електрона з верхнього енергетичного рівня на більш низький супроводжується виділенням кванта енергії у вигляді електромаг­нітного випромінювання — такий квант називається фотоном. Кожний фотон має строго фіксовану частоту. В певному діапазоні частот електромагнітне випромінювання сприйма­ється нами як видиме світло. Для практики корисно, коли всі атоми випромінюють фотони однієї і тієї ж частоти. Таке випромінювання називається монохроматичним. Монохрома­тичне випромінювання описується рівнянням

х = Acos(2xi4 + <р), (2.27)

де частота v, амплітуда А і фаза (р постійні в часі t.

Часто говорять, що монохроматичне випромінювання є випромінювання на одній фіксованій частоті або в дуже вузькій смузі частот. Чим вужча смуга частот випромінюван­ня, тим вищий ступінь монохроматичності. За міру монохроматичності, у випадку спект­ральної лінії випромінювання, приймають відношення АХ/ Х0 , де АХ — півширини лінії ви­промінювання, а Х0 — довжина хвилі випромінювання в максимумі. Якщо

(2.29)

випромінювання називається квазімонохроматичним, тобто майже монохроматичним. Як­що до того ж електромагнітні хвилі, що випромінюються окремими атомами, складаються синфазно, то таке монохроматичне випромінювання стає когерентним і його можна сфоку­сувати в тонкі пучки з високою щільністю енергії (до 1012 вт/см2). Від ступеня монохро­матичности випромінювання залежить, в першу чергу, часова і просторова когерентність, точніше — когерентність є прямим наслідком високої монохроматичності випромінювання.

Просторова когерентність випромінювання визначає високу спрямованість променя. Спрямованість (або розбіжність) випромінювання характеризується величиною тілесного кута, в якому розповсюджується випромінювання; чим меньший тілесний кут, тим більша спрямованість випромінювання. Прилади, що генерують когерентне світлове випроміню­вання називаються лазерними джерелами випромінювання.

Отже — лазер це оптичний квантовий генератор, вимушене випромінювання якого відрізняється монохроматичністю (на відміну від випромінювання спонтанного — самодо­вольного), високим ступенем когерентності в просторі і в часі, спрямованістю і значною по­тужністю. Ці харарактеристики лазерного випромінювання є зовнішніми параметрами ла­зера. Основними компонентами лазера і його внутрішніми параметрами (рис. 2.16) є ак­тивна речовина 1, резонатор 2, джерело збудження (накачування) 3 і джерело живлен­ня 4 , яким може бути електрична мережа 220в або акумуляторна батарея 12 — 24в.

Рис. 2.16. Основні компоненти лазера

В залежності від природи активної речовини лазери діляться на твердотільні (рубін, пластмаси, скло), напівпровідникові (галій, індій), рідинні (суміши гадолінія, самарія, нео­дима) і газові (гелій — неонова суміш). Резонатор представляє собою коливальну систему, яка служить для накопичення вимушених коливань, що забезпечують когерентність випро­мінювання, і має два взаємовідбиваючих дзеркала, одне із яких напівпрозоре. Дзеркала встановлюють так, щоб досягти ефекту стоячої хвилі такої довжини, на якій і проходить випромінювання, тобто за допомогою відбивачів досягається резонанс в випромінюванні різними частками. Завдяки системі дзеркал потік випромінювання неодноразово прохо­дить через об’єм речовини, підсилюється і направляється через отвір трубки у вигляді вузького пучка. У всіх лазерних резонаторів є одна загальна риса: вони представляють со-

бою відкриті резонатори, тобто об’ємні резонатори у яких відсутні бокові стінки. В залеж­ності від конфігурації дзеркал резонатори можуть мати різний ступінь стійкості. Резонатор з малими втратами задовільняє умові стійкості, яка записується у вигляді нерівності

0 < q, q2 < 1, (2.30)

де q1 і q2 — безрозмірні величини, які називаються параметрами резонатора, що визначаються співвідношеннями

(2.31)

де: L — відстань між дзеркалами;

R1 і R2 — радіуси кривини дзеркал.

В залежності від режиму роботи системи накачування лазерні джерела випроміню­вання можуть випромінювати світловий пучок в безперервному або імпульсному режимах. При аналізі положення центру світлового пучка, наприклад, за допомогою фотодатчиків, важливо, щоб максимум освітленності в центрі плями збігався з його геометричним цент­ром і повільно падав від центру до краю (рис. 2.17а). В цьому випадку говорять, що лазер або оптичний квантовий генератор працює в одномодовому режимі. Генерація коливань в одномодовому режимі є необхідною умовою отримання високого ступеня когеретності. Одномодовий режим можна отримати змінюючи форму і розмір дзеркал, відстань між ни­ми або потужність накачування. Такий режим є найбільш придатним розподілом інтенсив­ності при використанні лазерів в геодезичних вимірюваннях.

В реальних умовах максимум інтенсивності не збігається з геометричним центром плями лазерного світлового випромінювання, а є по плямі декілька максимумів. В цьому випадку говорять про багатомодовість структури (рис. 2.176).

В одномодовому режимі величина розходження світлового пучка мінімальна, а в ба- гатомодовому — максимальна. У випадку багатомодового режиму розходження пучка не залежить від числа мод, а визначається тільки розходженням моди найвищого порядку.

Висока спрямованість лазерного випромінювання є значною перевагою перед інши­ми джерелами випромінювання і є наслідком того, що із резонатора виходять тільки хвилі, які при багаторазовому відбитті від дзеркал не відхилились скільки-небудь значно від осі резонатора. Ідеально паралельний пучок світла отримати неможливо через явище ди­фракції світла на вихідному отворі. Мінімальний кут відхилення променя від осі, що об­умовлений дифракцією, визначається по формулі Релея

(2.32)

де: Я — довжина хвилі випромінювання;

D — діаметр випромінюючої поверхні.

В промислових зразках лазерів, що виготовляються в теперішній час, розходження випромінювання, яке виходить безпосередньо із резонатора без використання будь-якої оптичної системи, складає 5 -15′ (кут. мін.) [15].

Однак розходження пучка можна значно зменшити (або збільшити) за рахунок засто­сування додаткової оптичної системи.

В прикладній геодезії найбільше розповсюдження отримали газові лазери безпе­рервного випромінювання, активною речовиною у яких служить гелій-неонова суміш, в співвідношенні 10:1 (при загальному тиску 140Па), яка розміщена в кварцевій трубці (рис. 2.18.).

Газовий лазер має газорозрядну трубку 1, на кінцях якої встановлені вихідні вікна 2 , оптичний резонатор, що складається із сферичного непрозорого дзеркала 3 і плоского напівпрозорого (вихідного) дзеркала 4, а також джерела накачування 5. На електроди трубки подається висока (до 3 Кв) напруга; виникає розряд, що супроводжується світін­ням. Атоми гелія, концентрація яких в декілька разів вища від неону, приводяться в збуд­жений стан і б’ючись один об інший передають атомам неону енергію. В результаті відбу­вається перехід останніх із вищого енергетичного рівня на більш низький, який супровод­жується стимульованим випромінюванням на хвилі 0,6328 мкм (оранжево-червоне світ­ло).

На кінцях трубки вихідні вікна встановлюють так, щоб нормаль до вікна складала з віссю трубки кут Брюстера, що зменшує втрати випромінювання. В залежності від конфігу­рації дзеркал резонатори підрозділяються на: плоскопаралельні; конфокальні; сферичні; випукловогнуті і плосковогнуті (напівсферичні). Якість виготовлення дзеркал і їх конфігура­ція визначають геометричні і енергетичні параметри випромінювання. В гелій-неонових лазерах звично використовують дзеркала, радіуси кривини яких підібрані так, щоб при за­даних відстанях між ними конфігурація дзеркал утворювала стійкий оптичний резонатор. Дзеркала виготовляються із скла з нанесенням на них шляхом напилення багатошарового діелектричного покриття (ZnS і MqF2). Так, наприклад, вихідне дзеркало може мати де­в’ять шарів напилення. Дзеркала оптичного резонатора в геодезичних приладах, де часті­ше всього використовують напівсферичні резонатори, мають юстировочні пристрої. Пара­лельність установки дзеркал забезпечується з точністю до декількох секунд.

Працюють гелій-неонові лазери в безперервному режимі генерації. Коефіцієнт ко­рисної дії цих лазерів невисокий (0,01-0,1%), вихідна потужність лежить в межах від со­тень мікроват до сотень міліват. Недоліком гелій-неонових лазерів є їх недовговічність — 500 — н 1000 годин.

В теперішній час все більшого розповсюдження отримують гелій-неонові лазери з так званим “холодним” катодом, дія якого основана на явищі холодної (автоелектронної) еміссії електронів із металу зовнішнім електричним полем. Використання холодного като­ду знижує споживання електричної енергії і збільшує довговічність активного елемента.

Потужність лазера зростає як із збільшенням концентрації активних часток, так і з збільшенням розмірів активної речовини. Величина потужності випромінювання, крім того, суттєво залежить від добротності резонатора, в тому числі від точності юстировки дзеркал і вихідних вікон газорозрядної трубки. Запилення цих поверхонь може призвести до змен­шення потужності випромінювання або навіть до зриву генерації.

Особливістю лазерного випромінювання є неможливість отримання високого ступе­ня монохроматичності і спрямованості випромінювання при великому значенні потужності: збільшення потужності викликає розширення смуги частот, а це, в свою чергу, зменшує ступінь монохроматичності. Спектральна щільність потужності лазерів може на декілька порядків перевершувати спектральну щільність потужності Сонця, яка складає 7-Ю3 вт / смг. Хоча це і велика величина, але при цьому вся енергія розподіляється в широкому спектральному діапазоні. Таку ж щільність потужності можна отримати для ла­зера з довжиною хвилі 0,63 мкм з потужністю випромінювання біля 1,5 ч — 2 мвт. Врахо­вуючи потужності сучасних лазерів уже отримана щільність випромінювання біля 1012 вт/см2.

Завдяки своїм якостям і характеристикам гелій-неонові лазери широко використову­ються для створення лазерних геодезичних приладів: візирів, нівелірів, теодолітів, верти­кального проектування, віддалемірів, інтерферометрів та інше. Вони дозволяють автома­тизувати вимірювання і проводити безперервний контроль за виконанням будівельно-мон­тажних робіт, управляти будівельними машинами і механізмами, підвищувати точність ви­мірювань.

Комментарии запрещены.