Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В теперішній час промисловістю серійно виготовляється велика кількість газових, твердотільних, напівпровідникових лінійних і кільцевих лазерів. Ці лазери генерують на різних довжинах хвиль від видимого до далекого інфрачервоного діапазону, мають потуж­ність від сотень мікроват до одиниць міліват. Конструктивні розміри лазерів лежать в діа­пазоні від 1x1x1 см3 (напівпровідникові) до 1 000 х 20 х 20 см3 (газові). Час напрацю — вання на відмову складає тисячі годин, що цілком задовільняє навіть найбільш вимогли­вих споживачів лазерів при проектуванні автоматичних інженерно-геодезичних систем. В сучасних лазерах широко застосовуються автоматичні системи стабілізації параметрів ла­зерів, таких як частота випромінювання, просторова стабільність осі випромінювання та інше, що робить їх практично незамінними при проектуванні перспективних вимірюваль­них систем. В таблиці 2.3 приведені деякі основні дані по лазерах, що серійно виготовля­ються.

Тип лазера	Потужність випромінювання (мвт) в режимах	Дов­ жина хвилі, мкм	Кут роз­ ход­ ження	Діа­ метр про­ меня, мм	Довго­ віч­ ність, год.	Дов­ жина трубки, мм
одно- модовий	багато- модовий	імпульс­ ний
ОКГ-13	0,5	0,4		0,6328	10”	1,3	1 000	250
ОКГ-16		0,2		0,6328	10′	2	500	180
ЛГ-36	40	20		0,6328	5’	4	750	1 530
ЛГ-10Д		1 000		0,488	ЗО’	3,5		670
ЛПІ-6			1 000	0,395	10°
ЛГ-36А	80	40			5’		500	1 880

Основні характеристики лазерів

Таблиця 2.3.

Нижче розглянемо особливості лазерів, що знайшли найбільше розповсюдження в інженерній геодезії. Гелій-неоновий лазер ЛГ -55 є малогабаритним приладом, має до­статню потужність випромінювання і відносно невелику енергію живлення, довговічність активного елемента і дзеркал резонатора, працює в широкому діапазоні температур нав­колишнього середовища. Гелій-неоновий лазер ЛГ — 56 є модифікацією лазера ЛГ -55 і відрізняється від нього покращеними експлуатаційними характеристиками, зокрема є більш стійким до зміни параметрів зовнішнього середовища (температури, вологості та ін­ше). Гелій-неонові лазери ОКГ-(11,12,13,…), що застосовувались в перших розробках

лазерних приладів, по своїх параметрах близькі до лазера ЛГ — 55. Лазер ОКГ -12 має значну потужність випромінювання, підвищену міцність корпусу, стійкий до вібрацій і зміни температури навколишнього середовища. Лазер ОКГ -12 має дві модифікації з круглим і еліптичним перетином пучка. Ці модифікації володіють підвищеною надійністю, розрахо­вані на роботу в польових умовах при зміні температури зовнішнього середовища від -40° до + 70°С. Модифікації мають підвищену стійкість до перенавантаження (до 10д ) і вібростійкість, мають надійний захист від запилення. Високими експлуатаційними харак­теристиками володіє лазер ЛГ — 52 — 3 , що працює в одномодовому режимі.

Найбільш вдалою конструкцією лазера, що довгі роки застосовується на практиці ін­женерно-геодезичних робіт, слід вважати лазер ОКГ -13 . Він має малу масу (без враху­вання маси джерела живлення), стійко працює в широкому діапазоні зміни температур навколишнього середовища, має велику довговічність.

Широке розповсюдження лазерів у всіх сферах народного господарства вимагало створення нових типів лазерів з трубчатою конструкцією резонатора, що володіють покра­щеними технічними характеристиками. З 1985 року в серійному виробництві знаходиться лазер ЛГН -217 (А, Б) з довжиною корпусу 250 мм і діаметром ЗО мм, без врахуван­ня розмірів корпусу джерела живлення. Його потужність випромінювання складає 1 — г 1,5 мвт, а розходження пучка променів — 10′. З 1987 року серійно виготовляється ла­зер ЛГН -218, у якого, при тих же механічних параметрах і габаритах, потужність випро­мінювання не менше 2 мвт. Цей лазер витримує механічне навантаження до 100д і мо­же працювати в діапазоні температур від -40° до +60°С. В останній час розроблений високостабільний лазер ЛГН -11 з потужністю випромінювання 25 мвт. Нестабільність потужності складає АР = 2%. Нестабільність діаграми спрямованості за 8 годин роботи складає 10 4. Основні недоліки газових лазерів з трубчатим резонатором обумовлені їх конструктивними особливостями. Так як в процесі роботи лазера температура навколиш­нього середовища може змінюватись в широких межах, то такі лазери постачаються з пі­дігрівним спіральним катодом, що розміщений всередині газорозрядної трубки. Тепло, що виділяється катодом, діє на резонатор лазера і взаємодіючи з конвекційними тепловими потоками зовнішнього середовища змінює геометрію резонатора, перекошуючи, збіль­шуючи або зменшуючи резонатор. Такий процес деформації резонатора займає для різ­них лазерів різний час. Якщо ці деформації приводять до зміни довжини резонатора і дзеркала переміщуються паралельно одне одному, то змінюється частота генерації. Якщо деформації приводять до перекосу одного дзеркала відносно другого, тобто порушується їх паралельність, то змінюється просторове положення променя і виникає просторова не­стабільність променя в часі. Так, для одного із перших лазерів (ОКГ -11), що вста­новлений в лазерному візирі ЛВ — 2, час встановлення теплового балансу досягає 10 -г 20 хвилин, на протязі яких промінь лазера (після виходу із колімаційної системи) змі­нює свій напрям в вертикальній площині до ЗО-нбО". На рис. 2.19 приведені результати експериментальних досліджень нестабільності положення вихідного променя лазерів ОКГ-12 і ОКГ-13 в часі.

Із графиків видно, що для лазера ОКГ -13 час встановлення кінцевої теплової рів­новаги може досягати однієї години і більше, а промінь лазера за цей проміжок часу змі­нює свій напрям в просторі в куті до 40"; для лазера ОКГ -12 час теплової рівноваги до­сягає 40 хвилин при зміні напряму в куті до 130". Так як при виконанні інженерно-геоде­зичних вимірювань лазер застосовують в комплекті з колімаційною телескопічною систе­мою, яка в число крат збільшення зменшує кутовий дрейф променя, то при вимірюваннях невисокої точності можна працювати з лазером, розпочинаючи з моменту його включення.

При точних вимірюваннях за допомогою лазерних приладів необхідно, як правило, кожний раз після включення приладу попередньо прогрівати його на протязі певного часу. При цьому час прогрівання для лазерів з підігрівним катодом і холодним катодом різний (рис. 2.20).

Аналізуючи графічні дані можна прийти до висновку, що напрям світлового лазерно­го променя нестабільний в часі, при цьому більша нестабільність спостерігається для ла­зерів з підігрівним катодом. Для різних конструкцій лазерів, в тому числі і для лазерів од­ного типу, максимальне кутове відхилення з моменту включення приладу до деякого часу, коли встановлюється робочий режим лазера, в середньому може складати від 15 до 40 і більше хвилин. Для всіх лазерів також характерно те, що після встановлення робочого ре­жиму має місце залишкове значення кута, на який відхиляється промінь — залишкова вели­чина флуктуації пучка після встановлення робочого режиму знаходиться в межах від
2-3" до 10" -15". Для зменшення залишкових кутових флуктуацій променя необхідно застосовувати відповідні оптичні системи, наприклад коліматори.

Спостерігається у лазерів всіх типів і зміна в часі потужності випромінювання, в се­редньому в межах 5 -10% . Ця обставина приводить до зменшення дії лазерних приладів при візуальних вимірюваннях, а при застосуванні фотоелектричних датчиків — до зміни їх чутливості. Для зменшення впливу даної нестабільності необхідно або застосовувати ла­зери з спеціальною автопідстройкою світлового променя, або в фотоелектричному реєст­раторі встановлювати системи автоматичного регулювання. При роботі з лазером, що має підігрівний катод, необхідно застосовувати пристрої автоматичної корекції кутового поло­ження променя лазера.

Одна із багатьох можливих схем пристрою стабілізації просторового положення про­меня приведена на рис. 2.21. Пристрій включає, крім лазера 1, дефлектор 2, світлорозді — лювач 3 , телескопічну систему 4 , об’єктив 5 і фотоприймач 6.

Автоматичне утримання центру світлової плями в центрі позиційно-чутливого фото­приймача, розміщеного в фокальній площині об’єктива, приводить до того, що напрям променя, який падає на об’єктив, виявляється незалежним від флуктуації кутового поло­ження пучка на виході лазера і визначається стабільністю в просторі головної точки об’єк­тива, фотоелектричного центру фотоприймача і фокусною відстанню об’єктива. Цей при­стрій збудовано по принципу замкнутої системи регулювання. Кутова нестабільність про­меня на виході пристрою значно менша кутової нестабільності променя, що падає на об’єктив.

При відсутності відхилення променя лазера він проходить дефлектор і поступає на світлорозділювач. Частина випромінювання проходить світлорозділювач в напрямі /, а частина поступає в слідкуючу систему, проходячи послідовно телескопічну систему і об’єк­тив. При відсутності просторової флуктуації променя він попадає в точку з координатами х і у чутливої площадки фотоприймача, і при цьому нульовий сигнал розузгодження, ви­роблений позиційно-чутливим фотоприймачем, поступає по ланцюгу зворотнього зв’язку на дефлектор. Просторове положення променя II не змінюється. При нахилі променя ла­зера на кут а, блок 6 зареєструє зміщення світлової плями на величину Ах, Ау. Ці змі­щення перетворюються в управляючі сигнали на дефлектор. Останній відхиляє промінь лазера так, щоб звести значення Ах і Ау до нуля, тобто цим самим підтримується постій­ним просторове положення променя / .

2 З Рис. 2.21. Схема пристрою стабілізації променя лазера

Підвищені вимоги до якості випромінювання лазерів: одномодовий режим; діаметр плями на виході із дзеркала резонатора повинен бути менший 1 мм ; розходження проме­ня — одиниці кутових мінут; можливості роботи в діапазоні температур ±50°; ударостій­кість порядку 10 + 50д стабільність просторового положення променя порядку 10~9 — привели до створення лазерів моноблочно!’ конструкції як лінійних (рис. 2.22), так і кільце­вих (рис. 2.23).

а) б) Рис. 2.22. Лінійний лазер моноблочної конструкції: Рис. 2.23. Кільцевий лазер одноосний (а) трьохосний (б). моноблочної конструкції

Резонатор лазера створюється в моноблоці ситалу з коефіцієнтом термічного роз­ширення 10~7 + 108 Уград< Щ° виключає вплив зміни температури зовнішнього середо­вища. В таких лазерах застосовується холодний катод, що значно знижує час прогрівання активної речовини в резонаторі і його деформацію. Застосування системи активної стабі­лізації струму розряду, потужності, периметра резонатора дозволяє створити високоста — більні генератори, що генерують в одномодовому режимі. Активна система стабілізації частоти випромінювання лазера моноблочної конструкції приведена на рис. 2.24, а схема, що пояснює її роботу приведена на рис. 2:25.

Рис. 2.24. Система стабілізації частоти випромінювання лазера

/ / Рис. 2.25. Схема роботи системи стабілізації частоти

На рис. 2.24 позначені: 1 — лазер; 2 — дзеркала резонатора; 3 — п’єзокоректори (ви­конавчі п’єзокерамічні приводи, що призводять до лінійних переміщень дзеркал при подачі на приводи управляючих напруг); 4 — фотоприймач; 5, 6 — передпідсилювач і резонансний підсилювач; 7 — синхронний детектор; 8 — генератор модуляційного сигналу; 9 — корект­уючий підсилювач; 10 — підсилювач постійного струму; 11 — фазозсувний пристрій. В цій системі застосовано принцип екстремального регулювання з активним пошуком збурення. Однією з особливостей таких систем є те, що залежності, які зв’язують значення показни­ка якості регулювання і регулюючих діянь, в загальному випадку невідомі. Відомо лише, що у об’єкта регулювання (в нашому випадку вихідним сигналом об’єкту регулювання є крива підсилення) має місце екстремум. Система працює на основі методу синхронного детектування з модуляцією. Регулюючим діянням є зміна довжини периметра резонатора AL при подачі напруги на п’єзокераміку, до якої закріплене одне із дзеркал резонатора. Величина регулюючого діяння змінюється по гармонічному закону за допомогою генерато­ра, що модулює сигнал

AL = AL0 sin coAt. (2.33)

Амплітуда AL0 модуляційного (або пошукового) сигналу звично відповідає перебу­дові резонатора по частоті на декілька сотих або десятих часток довжини хвилі випромі­нювання. Величина coAt вибирається з урахуванням вимог до динамічних характеристик системи. Так як залежність / = І(и) є парною нелінійною характеристикою, то в залежності від того праворуч чи ліворуч від піку знаходиться робоча точка, фаза змінної складової сигналу І = l(t) буде позитивного або від’ємного знаку. В точці екстремума частота одно-

полярної зміни о0 буде дорівнювати подвійній частоті 2coAL. Відповідний певній робочій точці сигнал l(t) на виході фотоприймального пристрою підсилюється і поступає на один

із входів синхронного детектора, на другий же вхід поступає сигнал з виходу генератора, що модулює сигнал. Синхронний детектор виконує роль розмножувальної ланки. Сигнал з виходу синхронного детектора має постійну складову, пропорційну похідній dl(v)/ do. Знак цього сигналу залежить від положення робочої точки на кривій підсилення відносно екстремума. В точці екстремума v0/dv = 0, таким чином, і постійна складова дорівнює

нулю. Коректуючий підсилювач фільтрує високочастотні складові сигналу на виході син­хронного детектора. Така система стабілізації дозволяє отримати нестабільність частоти

генерації 10 8 +10~9. [47]

Для лазерів, що працюють в приладах для інженерно-геодезичних вимірювань, важ­ливим параметром є форма кривої підсилення і модовий склад випромінювання лазера. Лазер повинен працювати на одній подовжній моді TEMooq, а всі поперечні моди TEMnmq і

подовжні моди порядку TEMo0(q_v, TEM00(q+1) повинні бути придушені. Поперечні моди

придушуються конструктивно, тобто вибором діаметра каналу генерації в моноблочному резонаторі. Цей діаметр обмежується спеціально розрахованою діафрагмою, яка вводить­ся в визначене місце резонатора. Селекція подовжніх типів коливань може бути основана на управлінні порогом генерації, тобто на різному підсилені газовою системою компонент з різними частотами, які лежать в межах лінії люмінісценції активного середовища. Змен­шуючи коефіцієнт підсилення системи, можна ліквідувати перевищення коефіцієнта підси­лення над коефіцієнтом втрат для всіх типів коливань, крім моди TEMooq (крива 2 рис. 2.26).

підсилення Рис. 2.26. Форма кривої підсилення і моди випромінювання лазера

На кривій 2 моди TEM00(q+1) і TEM00(q_1} придушені, але одночасно з цим зменшу­ється і потужність випромінювання на моді TEM00q. Стабілізація потужності підсилення

може здійснюватись по розімкнутій схемі і тоді вся задача зводиться до стабілізації струму накачування з визначеною точністю, що вибрана при настройці. Проте ефективне вико­ристання такого способу стабілізації можливе тільки в тих випадках, коли є можливість на початку кожного включення контролювати одночастотний режим і якщо лазер не схильний до дії сильних дестабілізуючих факторів таких як вібрації елементів резонатора, флуктуа­ції плазми, зміна геометрії резонатора через зміну температури, тощо.

Для ефективного регулювання потужності випромінювання застосовується замкнута система регулювання з ланцюгом зворотнього зв’язку.

Рис. 2.27. Замкнута система регулювання потужності випромінювання

Система (рис. 2.27) має лазер, що утворений дзеркалами 1 і розрядною трубкою 2 , фотоприймач 3 , підсилювач 4 , управляючий елемент 5, управляємий елемент 6 і блок живлення 7. Система працює таким чином. Вибирають такий режим розряду активних елементів, щоб робоча точка знаходилась, наприклад, на правій падаючій ділянці кривої підсилення (хоча можна використовувати і ліву ділянку). При зменшенні потужності випро­мінювання внаслідок дії того чи іншого дестабілізуючого фактору напруга на виході підси­
лювача зменшується, в результаті чого зменшується спад напруги на управляемому еле­менті, а напруга, яка прикладена до газорозрядної трубки, збільшується, що приводить до відповідного зростання потужності випромінювання в лазері.

Розроблені моноблочні конструкції лінійних і кільцевих лазерів зробили їх не критич­ними до роботи в широкому температурному діапазоні, при наявності сильних електромаг­нітних полів, що дозволяє застосовувати вказані лазери також в специфічних умовах екс­плуатації. [48]

Комментарии запрещены.