Применение визуальной лазерной системы посадки для повышения категорийности аэропорта

метки: Лазер, Аэродром, Светотехнический, Светосигнальный, Оборудование, Излучение, Мощность, Лазерный

Полеты современных летательных аппаратов обеспечиваются радиотехническими и космическими средствами. Однако их безопасности связана именно со светосигнальным оборудованием, что и предопределяет его интенсивное развитие и совершенствование за счёт использования современных электронных приборов. В последние годы используются лазерные и телевизионные системы, позволяющие видеть пилоту взлетно-посадочную полосу (ВПП) в условиях ограниченной видимости, а также устройства, выводящие информацию с приборов на лобовое стекло кабины, на котором отображается, несмотря на плохую видимость, светосигнальная картина аэродрома, и т. д. Голографический индикатор посадки создает перед летчиком в кабине трехмерное изображение аэродрома с ВПП в соответствии с фактическим положением летательного аппарата относительно ВПП в данный момент времени.

Для нормальной работы пилотов необходимо, чтобы светосигнальные устройства создавали достаточно информативные и благоприятные внешние условия (без дискомфорта, с достаточным уровнем освещенности), нужную цветность и прерывность светового сигнала.

Светосигнальные системы аэродромов должны обеспечивать регулярность и безопасность полетов в условиях плохой видимости. Технические сложности решения такой задачи, а также постоянное обновление моделей воздушных судов (ВС) требуют непрерывного совершенствования светосигнальных средств.

Современные радиоэлектронные средства посадки могут обеспечить автоматическую посадку ВС. Однако процесс посадки значительно удешевляется и облегчается, если на последних этапах посадки пилот вступает в зрительный контакт со светотехническими средствами. Светотехнические средства используются при окончании снижения, выравнивании, приземлении, пробеге и рулении.

Совершенствование наземных и бортовых авиационных комплексов обеспечения полетов воздушных судов сопровождается повышением требований к их точности и эксплуатационным характеристикам.

Обеспечить соответствие авиационных систем посадки высоким требованиям возможно лишь при применении их в составе современных электронных приборов и устройств, использующих новую элементную базу и новые научные методы построения.

Целью дипломной работы является обоснование возможности комплексного применения лазерной визуальной системы посадки и светосигнального оборудования (ССО) для снижения метеорологического минимума аэродромома.

В дипломной работе применяются математические методы и методы статистического обнаружения электромагнитного сигнала.

Санитарно-технические системы современных зданий

... электрические и газовые системы отопления. Системы отопления, Системы водяного и воздушного отопления Для теплоснабжения зданий применяют котельные установки, состоящие из котла, вспомогательного оборудования и устройств. ... время такие решения также реализуют. Однако в современных системах горячего водоснабжения применяют иные технические подходы по обеспечению энергосбережения при повышении ...

Рассмотрены и предложены к применению новейшие электронные приборы для обеспечения посадки ВС по ССО аэропорта не категорированного по метеоминимуму.

Безопасность и регулярность полетов в гражданской авиации (ГА) во многом определяются ССО. Вопросы повышения эффективности и снижения метеорологического минимума являются весьма актуальными.

1. Аналитический обзор лазерных систем навигации посадки и выбор оптимальной лазерной системы аэропорта

1 Лазерные системы

В последнее время находят широкое применение лазерные системы для ориентации и наведения транспортных средств. Они предназначены для определения местоположения и направления движения в секторе или зоне ориентирования, для ограждения зон, запретных или опасных для перемещения, а также для указания рекомендуемых траекторий, курсов и обозначения областей пространства со специальным режимом перемещения.

Контраст между яркостью прямого лазерного излучения, направленного на наблюдателя, и фоном рассеянного излучения для лазерных пучков сохраняется на очень удаленных расстояниях, значительно превосходящих дальности в случае использования известных точечных источников света либо огней с направленным излучением. Лазерный свет характеризуется относительно малой зависимостью траектории его распространения от особенностей рельефа местности. В то же время лазерные источники нецелесообразно использовать из-за малого КПД для сигнализации в полусфере. Кроме того, при плохих погодных условиях в аэрозольной атмосфере фиксированная длина волны лазера из-за возможности сильного поглощения средой менее предпочтительна по сравнению со спектрально широкополосным источником света. У широкополосного источника света всегда имеются спектральные полосы излучения, не поглощаемые при данных условиях загрязненной атмосферой.

Обычно лазерная система оптической посадки ЛА на аэродром может содержать один, два или несколько лазеров. Направленное излучение лазера может либо точно указывать оптимальную траекторию снижения ЛА (при этом пилот своими глазами видит направленное в него излучение лазера) или располагаться рядом с ней с параллельным глиссаде направлением луча рис.1.

Лучи нескольких лазеров могут обозначать плоскость, в которой необходимо находиться ЛА при правильном снижении, причем лучи могут быть параллельными друг другу или пересекаться. Предлагаются также ОСП, у которых лазерные лучи создают ломаную траекторию снижения: более крутую для ЛА, находящегося вдалеке и более пологую для ЛА, находящегося рядом с авианосцем. Лазеры при этом могут располагаться у кормы, в середине или на носу палубы корабля, что соответствует ВПП .

При использовании устройства, которое вращает лазерный луч, ОСП приобретает новые качества. ЛА находится в конусе, созданном вращающимся лучом. В таких ОСП лазеров может быть один, два или более. Возможны комбинации такие же, как и для систем без вращения лазерного луча рис. 2.

Лазеры в медицине

... лазерной техники в медицине 1.1 Принцип действия лазера Основой лазеров служит явление индуцированного излучения, существование которого было постулировано А. Эйнштейном в 1916 г. В квантовых системах, обладающих дискретными ... а для инфракрасного спектра - клеточная вода. При поглощении излучения происходит преобразование энергии лазерного луча в тепло на том участке кожи, который содержит хромофор. ...

Расходимость луча может меняться от 5′ до 5 ⁰ . Лазер располагают на гиростабилизированной платформе. Луч может прерываться с определенной частотой или модулироваться по амплитуде. С уменьшением расходимости луча от 5°до 5′ возрастает плотность мощности излучения, но уменьшается телесный угол. Следовательно, снижается возможность его обнаружения пилотом и увеличивается вероятность выхода ЛА из конуса.

В глиссадных системах в основном используется гелий-неоновый лазер с длиной волны излучения 632,8 нм. В принципе могут использоваться и другие типы лазеров: рентгеновские, ультрафиолетовые или инфракрасные, излучение которых не поглощается атмосферой. Для восприятия их сигналов на борту ЛА должны находиться соответствующие приемники.

Лазерная аэродромная система посадки самолетов «Глиссада» основана на следующих физических явлениях. Лазерный луч, распространяясь в атмосфере, теряет часть энергии при рассеянии на молекулах газов, аэрозольных частицах, а также на неоднородностях, вызванных турбулентным движением воздуха. Поэтому он виден в атмосфере. На рис.3 два лазера, размещенных в конце ВПП, указывают своими лучами боковые стороны ВПП. Пять лазеров в линию своими пересекающимися лучами указывают пилоту плоскость, ниже которой воздушное судно не должно снижаться. Два других лазера за порогом ВПП сбоку от нее создают два светящихся луча, лежащих в плоскости, ограничивающей сверху нужный коридор, в котором находится глиссада.

На рис. 4 показан вариант системы «Глиссада» с тремя лазерами в линию у порога ВПП. Рассмотрим возможные комбинации лучей, которые видит пилот при подлете к ВПП. Лучи, обозначающие боковые стороны ВПП, меняются мало. Основную информацию несут лучи двух лазеров, расположенных за порогом ВПП (сбоку от нее), и средний лазер, находящийся на линии, являющейся продолжением оси ВПП. Если воздушное судно летит выше глиссады, пилотом воспринимается, что лучи боковых лазеров составляют угол с горизонтальной плоскостью и направлены к приближающемуся самолету. Если ЛА оказывается ниже глиссады, то они направлены в противоположную сторону. На глиссаде пилот видит их параллельными горизонт. В случае ухода ЛА влево или вправо по азимуту из плоскости точного снижения как бы меняется направление луча среднего лазера. Положение горизонта определяется именно направлением лучa среднего чазера. Точка пересечения лазерных лучей отстоит от ВПП на определенном расстоянии. Это является информацией для пилота. После того как из виду исчезают лучи боковых лазеров, положение ЛА относительно ВПП определяется с помощью лучей лазеров, обозначающих боковые границы ВПП. Таким образом, при использовании принципов проективной геометрии за счет эффекта рассеяния лазерного излучения в атмосфере система «Глиссада» может задавать пилоту курс посадки (курсовую плоскость), глиссаду снижения (глиссадную плоскость), положение горизонта, боковые границы ВПП, положение фиксированных точек на посадочной траектории.

Лазеры в косметологии

... эффективно удалить рубец или разгладить его, сначала необходимо определить вид рубца кожи. В косметологии рубцы делятся на несколько видов: Нормотрофический рубец - это оптимальный вариант рубца, ... окружающие ткани и эпидермис. Одновременно лазер коагулирует и стерилизует поверхность раны, поэтому заживление происходит быстрее. Целебным является и само лазерное излучение - оно улучшает большинство ...

Лазерная курсоглиссадная система световых сканирующих маяков (ССМ) отличается тем, что зоны ориентирования создаются сканирующими лазерными лучами. Причем эти зоны вытянуты по горизонтали и имеют небольшие углы расхождения в вертикальной плоскости. Основными элементами ССМ являются три лазера. Глиссадные лазеры расположены по бокам ВПП на расстоянии 300 м от ее порога и в 10 м от ее края. Курсовой лазер устанавливается у торца ВПП на продолжении ее осевой линии. Глиссадные лазеры излучают обычно на длине волны 0,63 или 0.48…0,51 мкм, курсовой — в красной области спектра. Для сканирования лучей используют дефлекторы, а для ослабления применяют нейтральные светофильтры.

Верхняя зона I задается зелеными, а нижняя II — красными лучами (рис. 5).

Область перекрытия двух зон имеет 15′ размеры. Она и является глиссадной зоной III. Одновременно с высокочастотной вертикальной разверткой происходит низкочастотное сканирование лучей маяков в горизонтальной плоскости, т.е. при этом вертикальный светящийся отрезок относительно медленно движется в горизонтальной плоскости. Ориентирование осуществляется путем наблюдения за импульсными (за счет сканирования в пространстве) огнями маяков определенного цвета в нужной последовательности. Курсовой маяк указывает азимут перемещения ЛА.

Для увеличения зон информации число глиссадных лазерных маяков сбоку от ВПП может быть увеличено.

В настоящее время лазерные маяки используются достаточно широко. Особенно перспективным направлением их применения является автоматическое наведение на цель быстродвижущихся объектов. Для посадки вертолетов совмещаются лазерные лучи, различающиеся по цвету или частоте модуляции для разметки секторов наведения. При движении в зону посадки вертолет удерживается системой управления в центре створа, границы которого задаются параллельными лазерными лучами. Оптические сигналы лазеров, принимаемые приемником вертолета, демодулируются, передаются в бортовой компьютер и оттуда с помощью периферийных устройств — на исполнительные механизмы. Для обеспечения посадки всех типов транспортных космических кораблей многоразового действия используется лазерная навигационная следящая система. Корабль имеет устройство ориентации и наведения в трехмерном пространстве. Луч лазера на земле непрерывно сканирует таким образом, что обозначает сектор, в котором осуществляется наведение космического корабля. Сканирование производится с помощью механического прибора с вращающимся полигоническим зеркалом. Поперечное перемещение световых полос происходит за счет качающегося плоского зеркала. В начале каждого цикла сканирования излучаются опорные импульсы лазером более высокой мощности, засвечивающие весь сектор ориентации и заведения корабля. Местонахождение космического корабля определяется по изменению интервала между моментом излучения опорного импульса и попаданием его в приемник.

2 Лазерная трехцветная навигационная система

Требования к современному навигационному оборудованию для ориентации летательных аппаратов, очень высоки: оно должно быть надежным, эффективно обеспечивать ориентацию в любое время суток даже в экстремальных метеоусловиях и, что немаловажно, не причинять вреда здоровью людей. В новой лазерной трехцветной навигационной системы удалось совместить все эти достоинства благодаря импульсным полупроводниковым лазерам с электронной накачкой. Низкое энергопотребление, малый вес и габариты позволяют быстро разворачивать такие системы как дополнительное средство обеспечения безопасности посадки самолетов, проводки судов в сложных метеоусловиях или использовать их там, где нет стационарных систем навигации.

Преимущества лазерных средств навигационного оборудования (ЛСНО) по сравнению с основанными на традиционных источниках света хорошо известны: узкая спектральная полоса лазерного излучателя значительно увеличивает заметность излучения на фоне других огней и обеспечивает большую дальность видимости, особенно днем, в сумерках и при других неблагоприятных условиях. Благодаря узкой диаграмме направленности возрастает точность формирования глиссад, створов и секторов. Существенно выше у них и КПД, поскольку ЛСНО не нуждаются в цветовых узкополосных фильтрах.

Однако подобные системы имеют и серьезные недостатки, которые, в основном, объясняются использованием в большинстве из них газовых лазеров. Так, КПД газовых лазеров очень низок (не более 0,1%), что требует применения источника питания мощностью в несколько киловатт. Весьма ограничен их цветовой диапазон, особенно в желто-красной области спектра. А чтобы избежать потери ориентации в темных зонах, образующихся при переходе от одной цветовой зоны к другой, приходится использовать прецизионные оптические и сканирующие системы, обеспечивающие непрерывность перехода. ЛСНО на основе газовых лазеров достаточно громоздки: их массогабаритные характеристики возрастают пропорционально числу цветовых зон (практически на каждую длину волны требуется свой лазерный источник или, при многоцветном источнике, своя система сканирования).

К тому же они весьма чувствительны к внешним воздействиям и нуждаются в постоянном обслуживании. Еще один существенный недостаток газовых лазеров — вредное воздействие их излучения, обладающего высокой когерентностью, на глаза и организм человека в целом.

Все эти недостатки можно устранить, используя импульсные полупроводниковые лазеры с электронной накачкой. По КПД (до 10%) они близки к высокоэффективным полупроводниковым инжекционным лазерам, а импульсная мощность их излучения достигает десятков мегаватт на любой длине волны в диапазоне от ближнего ультрафиолета (0,37 мкм) до ближней инфракрасной области спектра (1,1 мкм).

Ширина спектра излучения ИПЛЭН (десятки ангстрем) много меньше, чем у обычного светового источника, но на четыре порядка выше, чем у газового лазера — излучение не когерентно, хотя и высокохроматично. Благодаря этому навигационные системы, основанные на ИПЛЭН, обладают всеми преимуществами ЛСНО и безвредны, как обычные световые источники. К тому же, они имеют малые габариты и потребляемую мощность и не требуют систем охлаждения.

Для формирования трех цветовых зон на мишени лазера размещают три пластины, обеспечивающие генерирование в трех диапазонах длин волн: 0,51-0,53 мкм (зеленый), 0,56-0,58 мкм (желтый) и 0,63-0,66 мкм (красный).

Если на выходе лазера не устанавливать никаких оптических элементов, то в дальней зоне будет наблюдаться излучение белого цвета из-за классического смешения трех основных цветов. При размещении излучающей поверхности в фокусе объектива ее изображение переносится на бесконечность и смешения не происходит.

Все функциональные узлы ЛСНО, кроме вынесенного аккумулятора (12 В) и индикатора дальномера, размещены в герметичном корпусе. Его габаритные размеры — 350х450х800 мм, вес — 35 кг.

Сфера применения ЛСНО на основе ИПЛЭН отнюдь не ограничивается авиацией.

Многоцветный полупроводниковый лазер позволяет устранить главную проблему светосигнальных маяков — увеличение центральной световой зоны при увеличении дистанции между маяком и судном, в результате чего возникает опасность отклонения последнего от оси. Созданный на его основе маяк формирует центральный створ в виде коридора заданной ширины. Маяк состоит из двух двухцветных ЛМ, разнесенных на ширину коридора. Один ЛМ формирует секторы желтого и красного цветов, а другой — желтого и зеленого. Между красной (зеленой) и желтой цветовыми зонами образуются промежуточные зоны (секторы), где видны оба цвета — это дает дополнительную ориентировку. Чтобы избежать появления «мертвых» зон, маяки относят на небольшое расстояние от края ВПП.

3 Обзор приёмников лазерного излучения

Фотодетекторы — полупроводниковые приборы, регистрирующие оптическое (лазерное) излучение и преобразующие оптический сигнал на входе в электрический сигнал на выходе фотодетектора.

Термину фотодетектор используют как эквивалентный термин фотоприемник или приемник оптического излучения.

Поскольку основная задача фотоприемников — регистрация, то существует набор статических характеристик, которыми описываются основные характеристики фотоприемника. Если регистрируемый сигнал на выходе фотоприемника — напряжение, то вводят понятие вольтовая чувствительность — как величина, показывающая, на сколько изменится напряжение на выходе фотоприемника, при единичном изменении мощности падающего лучистого потока:

(1)

Если на выходе фотоприемника изменяется ток, то фотоприемник характеризуется токовой чувствительностью S _i . Токовая чувствительность — величина, характеризующая изменение тока, снимаемого с фотоприемника при единичном изменении мощности падающего оптического излучения:

(2)

На фотоприемнике всегда есть хаотический сигнал, связанный с флуктуациями микропараметров приемника. Этот сигнал характеризуется средним квадратичным значением шумового напряжения:

(3)

Наличие шумового напряжения на фотоприемнике является физической границей регистрации внешнего сигнала. Параметр, описывающий этот эффект, получил название пороговой чувствительности. Пороговая чувствительность — это минимальная энергия оптического излучения P _n , которая вызовет на выходе фотоприемника сигнал, находящийся в заданном отношении (m) к шуму.

(4) (5)

При m = 1 P = P _min называется минимальной пороговой чувствительностью. Поскольку шумовая ЭДС пропорциональна полосе частот, то пороговую чувствительность рассматривают для единичной полосы частот Df=1, при этом

(5) (6)

Величина, обратная пороговой чувствительности, называется обнаружительной способностью

(7)

Удельная обнаружительная способность D* — величина, нормированная на единицу площади фотоприемника и на полосу частот.

(8)

Таким образом, удельная обнаружительная способность — это величина обратная мощности оптического излучения, которая при полосе частот Df=1 и площади фотоприемник A=1, вызывает на выходе фотоприемника сигнал, равный шуму.

Сществуют определенные требования к его качеству и надежности, поскольку отказ любого элемента данного ФПУ приводит к нарушению правильной работы всей системы.

Качество работы ФПУ характеризуется следующими основными параметрами:

Чувствительность

Динамический диапазон

Коэффициент ошибок

Фотодетектор должен вносить минимальные шумы в приемную систему, отличаться стабильностью рабочих характеристик, иметь небольшие размеры.

Технические характеристики оптических модулей приёма сигнала приведены в таблице 1.

Таблица 1 Технические характеристики

Параметр	Значение
Спектральный диапазон, нм	1100..1650
Скорость приема, Мбит/с	2..155
Мощность насыщения, дБм	+3
Чувствительность, 155мБит/c	-36
Напряжение питания, В	4,5..5,5

Как известно чувствительность любого усиливающего устройства потенциально ограничивается собственными шумами.

Усилитель ФПУ не является исключением. Для того, чтобы была возможна устойчивая работа устройства, уровень сигнала должен превышать уровень шума в некоторое количество раз.

ФПУ должно обеспечивать заданное качество приема сигнала при минимально возможном уровне входной мощности, удовлетворение этого требования позволит увеличить длину участка связи при фиксированной мощности передатчика или при той же длине снизить необходимую мощность передатчика. Уменьшение мощности передатчика в свою очередь создает предпосылку для увеличения срока службы лазера — самого надежного и дорогостоящего элемента.

Техника фотоприемных устройств развивается в направлениях повышения быстродействия, освоения новых спектральных диапазонов, совершенствования технологии изготовления, конструкции и улучшения основных параметров в соответствии с приведенными требованиями.

2. Аналитический обзор систем светосигнального обеспечения и описание ССО некатегорированного аэропорта

Современные радиоэлектронные средства могут обеспечить автоматическую посадку воздушных судов (ВС).

Однако процесс посадки значительно удешевляется и облегчается, если на последних этапах посадки пилот вступает в зрительный контакт со светотехническими средствами. Радиотехнические средства обеспечивают безопасность подлета ВС к аэродрому на дальних к нему расстояниях, а светосигнальные средства используются при окончании снижения, выравнивании, приземлении, пробеге и рулении. По нормам ИКАО посадка самолетов в условиях плохой видимости подразделяется последовательно на три эксплуатационные категории, которые характеризуются определенными пределами дальностей видимости огней ВПП и высотами принятия решения о посадке.

Важным этапом при посадке ВС является выход в зону приближения к ВПП в которой пилот переходит к условиям визуальной ориентировки по световым сигналам. Огни приближения импульсного или постоянного горения предназначены для указания пилоту направления на ось ВПП. Они излучают белый свет. Огни световых горизонтов зоны приближения и ВПП (устанавливаемые на ее начальном участке) служат для создания искусственного горизонта и информирования пилота о крене ВС по отношению к естественному горизонту.

В международной практике используются системы зоны приближения типа Кальверта и Альпа — Ата. Первая из них может применяться на аэродромах с простейшей светосигнальной системой (некатегорированной), а вторая послужила основой для создания зоны приближения аэродромов по первой категории ИКАО. Например, в системе Кальверта имеется шесть световых горизонтов различной длины, перпендикулярных продольной оси ВПП и ее продолжению к воздушным подходам. Длина световых горизонтов уменьшается по мере приближения к торцу ВПП.

Систему огней приближения применяют в качестве вспомогательного оборудования к радиотехническим средствам навигации на конечном этапе захода на посадку. Иногда она имеет самостоятельное значение. Огни приближения обеспечивают пилота визуальной информацией при посадке самолета: о крене и тангаже, высоте полета и удалении относительно торца ВПП. Система огней приближения должна разрабатываться с учетом угла наклона глиссады, типичной дальностей видимости в регионе расположения аэродрома, телесного угла зрения и посадочных скоростей ВС. Для безошибочной ориентировки пилотов эти системы стандартизованы в международном масштабе и подразделяются на две категории: системы огней высокой интенсивности и системы огней средней интенсивности.

.1 Категории метеоминимумов

Видимость — одна из характеристик состояния атмосферы, внешней среды, в которой осуществляются полеты ВС. Строго говоря, это максимальное расстояние, на котором виден объект. Нужно было бы говорить о дальности видимости, но по сложившейся терминологии говорят о видимости, понимая дальность видимости, на которой виден объект. Поэтому очень важно знать, в каких внешних условиях среды будет происходить полет. Особенно важно знать, каковы условия, в которых будут проходить взлет и посадка. Поэтому значение видимости ВПП входит в минимумы погоды, вводимые для обеспечения безопасности полетов.

Видимостью на ВПП (дальность видимости на ВПП) называется максимальное расстояние, в пределах которого пилот ВС, находящегося на осевой линии ВПП, может видеть маркировку ее покрытия или огни, ограничивающие ВПП или обозначающие её осевую линию.

Определение видимости на ВПП представляет серьезные трудности. Дело в том, что видимость на ВПП представляет не только физическую характеристику атмосферы, но включает в себя психофизиологическую сторону восприятия пилотом обстановки. Эта психофизиологическая сторона восприятия практически трудно учитываема количественно. По существу видимость на ВПП, как и видимость, вообще, представляет психофизическую характеристику, оценить которую количественно пока не найдено способов. Пилот должен не только увидеть, но еще опознать неосвещенные объекты (ориентиры) днем и световые ориентиры (освещенные объекты) ночью. Опознание же у разных пилотов не одинаково. Оно зависит от психического состояния зрения пилота. Особенно сложен этот процесс при посадке (взлете) в сложных метеоусловиях, когда видимость ограничена и находится в пределах 2000 м и менее. Кроме того, в таких ситуациях видимость нередко бывает изменчива. При изменчивости видимости нужно иметь в виду, что видимость зависит от характера метеоявления (туман, густая дымка, интенсивные осадки и т. п.) и от того, в каком направлении по отношению к ВПП перемещается помутняющая среда. Если направление ветра совпадает с направлением ВПП, изменения видимости будут зафиксированы приборами, измеряющими видимость у ВПП. Совсем иная ситуация создается в тех случаях, когда ветер направлен перпендикулярно к ВПП. При таких ситуациях изменение видимости может произойти неожиданно (особенно при ливневом снегопаде), резко по сравнению с первым случаем. В этом случае возникают серьезные трудности в оценке характера изменчивости видимости и принятия пилотом соответствующего решения на посадку (взлет).

Нужно иметь в виду также и то обстоятельство, что при посадке у пилота очень мало времени на исправление предшествующих ошибок. Не случайно согласно опыту международной и отечественной авиации больше всего авиационных происшествий бывает при посадке из-за ограниченной видимости.

Посадочный метеоминимум — это предельные метеоусловия, при которых обеспечивается безопасная посадка самолета.

Минимум погоды для посадки определяется высотой принятия решения на посадку и дальностью видимости на ВПП. Высота принятия решения — это установленная высота, на которой должен быть начат маневр ухода на второй круг, если до этой высоты не установлен надежный визуальный контакт с огнями светосигнального оборудования аэропорта или другими ориентирами, позволяющими выполнить безопасную посадку, или если положение самолета в пространстве относительно заданной траектории полета не обеспечивает безопасность посадки. Дальность видимости на ВПП — это наибольшее расстояние в направлении посадки, с которого ВПП, специальные огни или маркеры, ограничивающие ВПП, можно видеть с определенной высоты над ВПП, соответствующей среднему уровню глаз пилота при посадке. Эта высота принята равной 5 м. Международной организацией гражданской авиации приняты категории, соответствующие различным посадочным минимумам табл. 2

Таблица 2 Категории посадочных минимумов

Категория	Высота принятия решения, м	Дальность видимости на ВПП, м
I	60…70	800
II	30	400
III-a	0	200
III-b	0	50
III-c	0	0

Возможность посадки самолета по соответствующей категории посадочного минимума определяется, в основном, следующими факторами:

— точностными характеристиками радионавигационного оборудования аэродрома и самолета;

— маневренными характеристиками самолета;

— светотехническим оборудованием самолета;

— уровнем профессиональной подготовки летного и диспетчерского состава.

Заход на посадку при любом посадочном минимуме состоит из двух участков:

— автоматический заход или заход по приборам вне видимости земли;

— участок визуального полета при видимости земли (кроме категории III-с).

.2 Схемы построения Alpa-Ata и Calvert

С развитием авиации в системах светотехнического обеспечения полетов аэродромов применялись различные схемы групп или подсистем огней полосы подхода: подсистема огней по косому ряду, смешанная подсистема цветных огней и др. Однако к настоящему времени почти во всех странах и, обязательно, в странах-членах ИКАО применяются только две схемы: Калверт (Великобритания) (рис.6) и Альпа-Ата (США) (рис.7) при этом различают подсистемы светосигнальных огней полосы подхода высокой и средней интенсивности.

Подсистемы огней полосы подхода средней интенсивности предназначены для использования при видимости на ВПП не менее 2000 м и вертикальной видимости не менее 200 м. В них применяются светосигнальные огни кругового обзора, в оптической части которых имеются линзы Френеля.

В подсистемах светосигнальных огней полосы подхода для посадки при метеоминимумах I, II, III категорий ИКАО используются светосигнальные огни высокой интенсивности. Кривые их светораспределения имеют направленные пучки, размер которых оценивается пространством допусков на отклонения от номинальной глиссады, определяемых установленной в аэропорту радиотехнической системой посадки. Обе системы имеют отчетливо обозначенную центральную линию огней, располагаемых на продолжении оси ВПП, и симметрично размещенные поперек этой оси ряды огней, называемые световыми горизонтами. В подсистеме Калверт они устанавливаются с интервалом 150 м и их размеры уменьшаются с приближением к порогу ВПП. Количество световых горизонтов строго не определено. Существуют системы с 3, 4 и 6 световыми горизонтами. В системах Alpa-Ata световые горизонты представляют собой короткие ряды огней одинаковой длины (4,2 м) на вcем продолжении оси ВПП. Кроме того, в этой подсистеме имеется широкий световой горизонт (длиной 30 м), располагаемый в 300 м от порога ВПП. Для посадки по II и III категориям метеоминимумов ИКАО применяется единая подсистема огней полосы подхода протяженностью 300 м от порога ВПП, представляющая собой усиленную красными боковыми огнями подсистему Alpa-Ata.

.3 Классификация отечественных светотехнических систем

В зависимости от метеоусловий, при которых обеспечивается посадка ВС с помощью систем светотехнического оборудования аэродромов, все системы могут быть разделены на пять групп рис. 8.

Первая — системы ОМИ-I — огни малой интенсивности в основном для визуальной посадки. К ним относятся системы светотехнического оборудования аэродромов, предназначенные для обеспечения визуальной посадки самолетов в ночных условиях (используют только при хороших метеоусловиях), например, системы типа АСО-МВЛ (аэродромное светосигнальное оборудование для MBЛ), система «Световой старт» и др.

Вторая — системы ОМИ-II, III — огни малой интенсивности, применяемые в комплексной радиосветотехнической системе посадки. Эти системы светотехнического оборудования аэродромов предназначены для обеспечения визуального завершения посадки с момента установления пилотом визуального контакта со светосигнальными огнями системы, до этого момента пилот производит посадку, используя радиосредства для инструментального захода на посадку. Системы ОМИ-II, III используют, в отличие от систем ОМИ-I, для посадки в ухудшенных метеоусловиях. Однако эти комплексные радиосветотехнические системы посадки не обеспечивают посадку в условиях, соответствующих метеоминимуму I категории ИКАО. Поэтому системы ОМИ-II, III ранее получили название некате-горированных. В эту группу входят системы типа «Луч», «Свеча-1», ОСП-Н, М-1, М-2.

Третья — системы ОВИ-I — огни высокой интенсивности для посадки по метеоминимуму I категории ИКАО. Применяются в комплексе с соответствующими радиотехническими средствами для посадки в условиях метеоминимумов I категории. К этой группе относятся системы типа Д-1, Д-2 и «Свеча-2» (при соответствующей их доработке).

Четвертая — системы ОВИ-II — огни высокой интенсивности для посадки по метеоминимуму II категории ИКАО. Применяются в комплексе с соответствующими радиотехническими средствами для посадки в условиях метеоминимумов II категории ИКАО. К ним относятся системы типа «Свеча-3», эксплуатирующиеся в ряде аэродромов гражданской авиации.

Пятая — системы ОВИ-III — огни высокой интенсивности для посадки по метеоминимуму III категории ИКАО. Предназначены для использования в комплексе с радиотехническими средствами для посадки в условиях метеоминимумов III категории.

В аэропортах и на аэродромах различных классов устанавливаются различные типы систем светотехнического оборудования аэродромов. При проектировании и эксплуатации этих систем вопросы об их составе и расположении решаются в комплексе с радиотехническими средствами посадки в соответствии с нормами технологического проектирования объектов УВД, радионавигации и посадки, международных стандартов и рекомендаций ИКАО. В том случае, когда класс аэродрома не соответствует классу аэропорта, определяющим для выбора системы является класс аэродрома.

3.1 Светодиоды

Полупроводниковые светоизлучающие диоды — класс твердотельных приборов, в которых электрическая энергия непосредственно преобразуется в световую. В основе их действия лежит инжекционная электролюминесценция. светоизлучающие диоды решают задачу преобразования электрических сигналов оптические, а так же служат эффективными по КПД источниками света.

На сегодняшний день светоизлучающие диоды активно применяются в различных областях: оптоэлектроника, системы отображения информации и т.д. Круг задач, при решении которых используются светоизлучающие диоды, обусловлен высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую (15-20 лм/Вт, лампы накаливания — 10-15 лм/Вт), высокой яркостью и квантовым выходом (при небольшой площади светоизлучающих диодов сила света по оси — 30-50 кд), высоким быстродействием (малая инерционность — порядка единиц наносекунд), характерным спектральным составом, возможностью модуляции излучения питанием, малым потреблением энергии (доли или единицы ватт), электробезопасностью (единицы вольт), надежностью, большим сроком службы (десятки тысяч часов), высокой устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям.

Кроме вышеперечисленных сфер СИД задействованы в освещении. Применение СИД для освещения обусловлено, как указывалось выше, высоким КПД преобразования энергии, надёжностью конструкции, хорошо развитой на сегодняшней день технологией изготовления СИД с различными параметрами свечения.

Как и практически любой источник излучения, СИД функционирует совместно с оптической системой, формирующей требуемую кривую силы света.

В основе действия СИД лежит явление инжекционной электролюминесценции в полупроводниковом кристалле с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник.

Инжекционная электролюминесценция характерна для р-n — перехода, подключенного в прямом направлении к источнику питания. При этом в n-область вводятся (инжектируются) избыточные дырки, а в р-область — электроны или те и другие вводятся в высокоомный тонкий слой между n- и р- областями. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок (обратный световой генерации тока в полупроводниковых фотоприёмниках эффект).

СИД испускают некогерентное излучение, но, в отличие от тепловых источников света, с более узким спектром, вследствие чего излучение в видимой области воспринимается как одноцветное. Цвет излучения зависит от полупроводникового материала и его легирования. C целью снижения потерь на полное внутреннее отражение и поглощение в теле кристалла для последнего выбирают полусферическую форму, а для улучшения характеристик направленности излучения СИД помещают в параболический или конический отражатель. Следует отметить, что угловое распределение вышедших из полупроводника фотонов имеет в значительной степени случайный характер.

Промышленность выпускает СИД в дискретном и интегральном исполнении. Дискретные СИД видимого излучения используют в качестве сигнальных индикаторов. Интегральные применяют в различных системах отображения. СИД инфракрасного излучения находят применение в устройствах оптической локации, оптической связи, в дальномерах, матрицы СИД — в устройствах ввода и вывода информации ЭВМ. В ряде областей применения СИД конкурирует с родственным ему прибором — инжекционным полупроводниковым лазером, который генерирует когерентное излучение и отличается от СИД наличием резонатора и режимом работы.

Выпускаемые промышленностью светоизлучающие диоды по конструкции могут быть разделены на следующие группы:

) в металло-стеклянном корпусе;

) в конструкции с полимерной герметизацией;

) бескорпусные диоды.

Диоды в металло-стеклянном корпусе отличаются высокой надежностью и стабильностью параметров, механической и климатической устойчивостью.

Диоды с полимерной герметизацией по некоторым характеристикам имеют преимущества перед диодами в металло-стеклянной

. полимерная герметизация в большей степени позволяет осуществить перераспределение света в пространстве как в направлении сужения диаграммы направленности излучения (с увеличением силы света — полимерное покрытие играет роль коллиматора), так и в направлении ее расширения (введение в полимер рассеивающих частиц позволит увеличить угловую дисперсию фотонов на выходе СИД);

. полимерная герметизация увеличивает внешний квантовый выход излучения за счет увеличения угла полного внутреннего отражения на границе кристалл — полимер;

. герметизированные полимерами приборы обладают большей стойкостью к ударным и вибрационным нагрузкам, чем приборы в металло-стеклянных корпусах;

. полимерная герметизация позволяет получить при необходимости малое отношение объема (габарита) прибора к объему (габариту) кристалла;

. полимерная герметизация благодаря своей технологичности позволяет существенно снизить трудоемкость изготовления приборов и их стоимость.

Бескорпусные диоды — самые миниатюрные светоизлучающие диоды, используемые в герметизируемой аппаратуре. Кристаллодержатель светоизлучающего диода содержит, как правило, посадочное место для кристалла с отражающими свет стенками. Отражающие стенки охватывают боковое излучение в угле примерно 50⁰ . Они в значительной степени сужают диаграмму направленности излучения и увеличивают силу света в осевом направлении. Помещение в посадочное место кристалла с непрозрачной подложкой приводит к несколько меньшему эффекту сужения диаграммы направленности и увеличения осевой силы света.

Одновременно с увеличением силы света и сужением диаграммы направленности излучения применение описанного кристаллодержателя в металло-стеклянных конструкциях приводит к улучшению восприятия излучения за счет увеличения светящейся площади и повышения контрастности. Кристалл и светящееся кольцо отражателя разделены более темным кольцом. Наличие на светящейся поверхности ярких и темных участков увеличивает ее контрастность и способствует лучшему визуальному восприятию.

Значительное перераспределение светового излучения осуществляется полимерной линзой, которая формирует необходимую диаграмму направленности излучения. Форму полимерной линзы выбирают, как правило, такой, что излучающий кристалл располагается между фокусом преломляющей поверхности, образованной полусферической линзой, и центром этой линзы. Расстояние от центра кристалла до центра сферической поверхности определяется в зависимости от заданной диаграммы направленности излучения.

Для диодов с углом излучения 5-15° по половинному уровню от максимального значения силы света наиболее целесообразно использовать величину S/R = 1,9 — 2,0 (рис. 9).

Конкретные значения S/R обычно подбирают с учетом действия отражателя света и рассеивающего эффекта, возникающего при введении в компаунд диспергирующего наполнителя.

В качестве материала для полимерной герметизации светоизлучающих диодов в большинстве случаев используется эпоксидный компаунд на основе прозрачной смолы. Компаунд отличается весьма высоким светопропусканием. Хранение образцов компаунда при температуре +70 — 80°C практически не приводит к ухудшению светопропускания. Снижение светопропускания начинает наблюдаться при длительном хранении при температуре +100°C и выше, причем наибольшее поглощение света наблюдается в коротковолновой части видимого спектра. Введение красителя (например, красного) вызывает резкое увеличение поглощения коротковолнового света, но практически не влияет на поглощение света длинноволновой части видимого диапазона. Введение красителей способствует повышению контрастности свечения за счет поглощения рассеянного света окружающего

Для изготовления сигнальных СИД, как правило, применяется компаунд, диспергированный светорассеивающим наполнителем. Наполнитель позволяет увеличить размер светящегося пятна и расширить диаграмму направленности излучения (увеличить угол излучения).

Одновременно он резко понижает интенсивность отраженного диодом внешнего света и, тем самым, снижает эффект отсвечивания для не включенных диодов.

.2 Вывод света из полупроводника

Из светоизлучающего кристалла может быть выведена только часть генерируемого р — n — переходом излучения в связи со следующими основными видами потерь:

. потери на внутреннее отражение излучения, падающего на границу раздела полупроводник — воздух под углом, большим критического;

. поверхностные потери на френелевское отражение излучения, падающего на границу раздела под углом, меньшим критического;

. потери, связанные с поглощением излучения в приконтактных областях;

. потери на поглощение излучения в толще полупроводника.

Наиболее значительны потери на полное внутреннее отражение излучения. В связи с большим различием показателей преломления полупроводника n_п и воздуха n_в доля выходящего излучения определяется значением критического угла Θ_пр между направлением светового луча и нормалью к поверхности:

Θ_пр = arcsin n^-1 , (9)

где (10)

Для полупроводников GaAs и GaP значения показателя преломления составляют соответственно 3,54 и 3,3, а значения критического угла Θ_пр равны примерно 16 и 17,7°.

Излучение, падающее на поверхность раздела полупроводник — воздух под углом, меньшим критического, выводится из кристалла, а под углом, большим критического, испытывает полное внутреннее отражение. Если коэффициент поглощения света веществом кристалла велик, то все отраженное световыводящей поверхностью излучение поглотится внутри кристалла. Если же полупроводник прозрачен для генерируемого излучения, то свет, отраженный верхней, нижней, а также боковыми гранями кристалла, может повторно (и не один раз) падать на светоизлучающую поверхность частично выводиться из кристалла в соответствии с долей света, подходящей к световыводящей поверхности под углом, меньшим критического.

Долю светового излучения, которая может быть выведена через верхнюю поверхность кристалла плоской конфигурации при первом падении световой волны, определяют по формуле

(11)

где Т_ср — средний коэффициент пропускания света поверхностью кристалла для лучей, падающих на границу раздела под углом, меньшим критического.

Коэффициент пропускания света, падающего нормально к поверхности, определяется по формуле Френеля

(12)

Так как вблизи критического угла пропускание уменьшается, то можно ожидать средний коэффициент пропускания соответственно Т_cр ≈ 0,67 и 0,695.

Значение величины F для таких полупроводников, как GaAs и GaP, находится в пределах 1,3-1,65%. Малое значение величины F для кристаллов плоской конфигурации послужило причиной поиска различных путей повышения внешней оптической эффективности светоизлучающих диодов. Существует несколько таких путей:

. Применение такой геометрии кристалла, чтобы большая часть излучаемого p-n — переходом света падала на границу раздела под углом, меньшим критического. В качестве примеров такой геометрии могут служить полусферический кристалл, усеченная сфера (сфера Вейерштрасса) и другие. В этих конструкциях кристалла размер р-n-перехода существенно меньше диаметра полусферы, что и позволяет получать малое отклонение падающего на поверхность луча от нормали к поверхности. Если провести расчет, при некоторых допущенниях (не учитывать поглощение света в толще материала, отраженное поверхностью полупроводника излучение считать полностью поглощенным), то он покажет, что использование кристаллов полусферической геометрии позволяет увеличить вывод излучения из кристалла в воздух до 34 % всего генерируемого излучения. Полусферическую конфигурацию кристалла эффективно применять в тех случаях, когда поглощение света в толще полупроводника мало. Такие условия возникают при использовании структур GaAs : Si, GaP, О : Zn, GaP : N и др.

. Помещение кристалла в среду с показателем преломления nв<n<nn для увеличения критического угла. Если в качестве среды использовать прозрачный эпоксидный компаунд с показателем преломления n_к =1,5-1,6, то критический угол Θ_пр возрастает до 25-30°. В этом случае выход излучения из кристалла в окружающую среду (в данном случае в компаунд) возрастет в 2,5-3 раза. Если прибор предназначен для вывода излучения в воздух, то для сохранения коэффициента вывода излучения конфигурация полимерного покрытия должна быть такой, чтобы свет падал на поверхность раздела компаунд — воздух под углом, меньшим критического для этой границы. Еще более положительный эффект может дать применение прозрачного купола из стекла с показателем преломления n = 2-3.

. Нанесение антиотражающих покрытий на поверхность кристалла для снижения потерь на отражение света, падающего на световыводящую поверхность под углом, меньшим критического (аналогично просветлению оптики).

Таким путём удается увеличить выход излучения на 20-30 %.

. Применение специальной конфигурации плоского кристалла для обеспечения «внутренней фокусировки» излучения и увеличения доли генерируемого света, падающего на световыводящую поверхность под углом, меньшим критического.

. Создание омических контактов, занимающих незначительную часть площади грани кристалла, с целью уменьшения поглощения света в кристалле.

. Создание диффузно-рассеивающей излучающей поверхности с целью повышения внешнего квантового выхода излучения.

Если угловое распределение фотонов, выходящихизактивной области, имеет сферическую симметрию, то создание днффузно-рассеивающей поверхности улучшает условия вывода излучения для косых лучей. Сферическая симметрия генерируемого излучения внутри кристалла возникает в диодах с низким самопоглощением излучения в активной области. В результате создания диффузно-рассеивающей поверхности диодов с низким самопоглощением излучения экспериментально получено увеличение внешнего квантового выхода излучения на 25-40 %.

. Создание многослойных структур переменного состава, позволяющих получить направленные световые потоки и суженную диаграмму направленности излучения.

Большие возможности получения направленных световых потоков создает эффект «оптического ограничения», возникающий в двойных гетероструктурах из-за различий в показателях преломления полупроводников различного состава. Эффекту оптического ограничения, или волноводному эффекту, благоприятствует такое распределение показателя преломления, когда он больше в волноводном слое по сравнению с окружающими слоями. Фотоны, генерируемые в активной области, распространяются вдоль волновода с многократным отражением от границ с ограничивающими слоями. Достаточное оптическое ограничение излучения достигается различием показателей преломления волновода и ограничивающих слоев около 0,15-0,2. Вследствие эффекта оптического ограничения резко уменьшаются дифракционные потери излучения, а также сужается диаграмма направленности излучения в направлении, перпендикулярном плоскости р-n-перехода. Сужение диаграммы направленности излучения позволяет повысить эффективность ввода излучения в волокно в системах оптической связи.

.3 Примеры конструкции светодиодов

Вышеперечисленные пункты относились в основном к конструктивным особенностям непосредственно тела свечения. Рассмотрим теперь пути изменения КСС при помощи внешней (надкристальной) оптики.

Пример конструкции СИД с характерными размерами дан на рис. С. Активная область свечения имеет площадь порядка 1мм² . Полимерный купол СИД представляет собой линзу, назначение которой — обеспечение требуемой диаграммы направленности свечения и механическая защита кристалла-излучателя. Кроме того, в полимере могут быть диспергированы зёрна люминофора, изменяющего цвет свечения. Так, например, если к собственному голубому излучению полупроводникового кристалла добавить жёлто-зелёную линии спектра люминофора, то возможно получить СИД белого свечения. Концентрация люминофора или его состав может изменяться, удовлетворяя, таким образом, требованию на цвет излучения СИД.

Конструкция мощных светодиодных осветителей (рис.9) создавалась на основе ножки с увеличенным теплоотводом за счет наваренной медной пластины. Полимерный корпус (показатель преломления n = 1,55) содержит полусферическую линзу диаметром 18 мм. Для сбора и преобразования бокового излучения кристаллов используется отражатель, согласованный по размерам с полимерной линзой. Отношение высоты полимерной линзы над кристаллами S к радиусу полимерной линзы R в сочетании с действием отражателя определяют полуширину пространственного распределения силы света.

Светодиодные осветители (СО) могут содержать либо 1 кристалл, либо 3 кристалла, соединенные последовательно, либо 4 кристалла, соединенные последовательно или параллельно. Типичные пространственные распределения таких осветителей представлены на рис.10

светодиод квантовый генератор лазерный

Из рисунка видно, что увеличение количества кристаллов приводит к уширению КСС и, естественно, к увеличению светового потока.

Широкие КСС применимы в элементах общего освещения, когда необходимо, чтобы возможно больший поток попадал на как можно большую площадь. Наоборот, узкие КСС применяются в источниках мононаправленного излучения: оптические дальномеры и указатели, источники информации ВОЛС (волоконно-оптических линий связи).

Как правило, осветительные приборы на СИД представляют собой «кассету» из нескольких диодов (рис.10), в то время как СИД для ВОЛС, генераторы опорного напряжения оптикоэлектронных систем, оптопары представляют собой единичные элементы.

Кроме формирования определенной КСС, необходимо минимизировать потери светового потока. Для этого в конструкции предусматривается линзовый или зеркально-линзовый оптический элемент (ОЭ), как указывалось выше, из полимерного материала, одновременно увеличивающий квантовый выход излучения и служащий механической защитой излучающего кристалла.

В системах, передающих энергию на большие расстояния (до нескольких км), уменьшение угла рассеяния имеет решающее значение (уменьшение размытия информационного импульса).

Проектирование ОЭ, обеспечивающих малые углы, представляет некоторое затруднение. Это, в первую очередь, связано с тем, что источником излучения является поверхность кристалла диаметром около 1 мм. Поток излучения сосредоточен в полусфере и его распределение может иметь случайный характер. Иногда максимум энергии сосредоточен в боковых зонах.

Можно проанализировать различные варианты оптических схем, потенциально пригодных для использования совместно с СИД, и сформулировать следующие требования к ОЭ:

. ОЭ должен перераспределять излучение СИД, направленное в полусферу, в заданном угле.

. Угол расходимости излучения должен быть минимальным.

. Потери излучения в ОЭ (за счет поглощения и рассеяния) должны быть минимальными.

. ОЭ должен позволять осуществлять теплообмен.

. Конструкция ОЭ должна быть достаточно простой и технологичной.

Основные типы и параметры светодиодов приведены в таблице 3:

Таблица 3 Основные параметры светоизлучающих диодов

Из-за существенной ограниченности пространства, непосредственно прилегающего к телу свечения (p-n — переходу), возникают проблемы с установкой ОЭ вблизи посадочного места кристалла (один из вариантов — направляющий отражатель в виде усечённого конуса (элемент 2 на рис.9).

Поэтому основная работа по приданию КСС СИД параметров, близких к требуемым, ведётся в направлении создания миниатюрных линз и отражателей (компаунд-линза с зеркалированными участками), совмещённых с корпусом СИД и приданию определённых свойств полимерному компаунду (введение люминофора, являющегося одновременно рассеивателем для уширения и усреднения по пространству КСС).

Решение проблемы конструирования направляющих отражателей в лучевом приближении укладывается в рамки геометрической оптики. Основная проблема в этой области — отработка технологии изготовления: придание небольшим по размерам линзе-компаунду и прилегающему отражателю заданной чистоты поверхности, нанесение отражающих металлизированных участков поверхности. При этом СИД не должен потерять одного из своих существенных достоинств — невысокой стоимости.

Решение вопроса о влиянии на КСС компаунда с введёнными в него частицами должен решаться с позиций рассмотрения процесса переноса излучения в мутной (рассеивающей и поглощающей) среде.

.4 Аналитический обзор типов лазеров

.4.1 Особенности лазерного излучения

Одним из самых замечательных достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора оптического квантового генератора, или лазера.

Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово «лазер» составлено из первых букв английского словосочетания, означающего «усиление света в результате вынужденного излучения».

Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, — это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы)

В результате этого взаимодействия атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть «цепная реакция» размножения одинаковых фотонов, «летящих» абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии.

Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденными атомами в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном в 1916.

Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная выделенность уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет всенарастающую лавину появления идентичных фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения.

На возможность усиления света в среде с инверсной населенностью за счет вынужденного испускания впервые указал в 1939 г. советский физик В.А. Фабрикант, предложивший создавать инверсную населенность в электрическом разряде в газе.

При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. В результате мы получим потоки квантов света, но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населенностью можно было использовать для генерации лазерного луча, т. е. направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо «снимать» инверсную населенность с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света.

Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча, связанный с использованием системы обратной связи. Спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучением «вбок» можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используют в большинстве существующих лазеров.

В 1955 г. одновременно и независимо Н.Г. Басовым и A.M. Прохоровым в СССР и Ч. Таунсом в США был предложен принцип создания первого в мире генератора квантов электромагнитного излучения на среде с инверсной населенностью, в котором вынужденное испускание в результате использования обратной связи приводило к генерации чрезвычайно монохроматического излучения.

Спустя несколько лет, в I960 г., американским физиком Т. Мейманом был создан первый действующий квантовый генератор оптического диапазона — лазер, в котором обратная связь осуществлялась с помощью описанного выше оптического резонатора, а инверсная населенность возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновои лампы-вспышки. Рубиновый кристалл представляет собой кристалл оксида алюминия AL203 с небольшой добавкой = 0,05% хрома. При добавлении атомов хрома прозрачные кристаллы рубина приобретают розовый цвет и поглощают излучение в двух полосах ближней ультрафиолетовой области спектра. Всего кристаллами рубина поглощается около 15% света лампы-вспышки. При поглощении света ионами хрома происходит переход ионов в возбужденное состояние. В результате внутренних процессов возбужденные ионы хрома переходят в основное состояние не сразу, а через два возбужденных уровня. На этих уровнях происходит накопление ионов, и при достаточно мощной вспышке ксеноновои лампы возникает инверсная населенность между промежуточными уровнями и основным уровнем ионов хрома.

Торцы рубинового стержня полируют, покрывают отражающими интерференционными пленками, выдерживая при этом строгую параллельность торцов друг другу.

При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущенных фотонов, и обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света. Длительность лазерного импульса = 0,0001с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1Дж.

С помощью механической системы (вращающееся зеркало) или быстродействующего электрического затвора можно «включить » обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населенностей и, следовательно, максимального усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и инверсия населенности «снимется» вынужденным излучением за очень короткое время.

В этом режиме модулированной добротности резонатора излучается гигантский импульс лазерного излучения. Полная энергия этого импульса останется приблизительно на том же уровне, что и в режиме «свободной генерации», но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения =100000000Вт.

При спонтанном излучении атом излучает спектральную линию конечной ширины. При лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенных фотонов в среде с инверсной населенностью интенсивность излучения этой лавины будет возрастать, прежде всего, в центре спектральной линии данного атомного перехода, и в результате этого процесса ширина спектральной линии первоначального спонтанного излучения будет уменьшаться. На практике в специальных условиях удается сделать относительную ширину спектральной линии лазерного излучения в 1*10⁶ -1*10⁷ раз меньше, чем ширина самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе.

Кроме сужения линии излучения в лазере удается получить расходимость луча менее 0,00001 радиана, т.е. на уровне угловых секунд.

Известно, что направленный узкий луч света можно получить в принципе от любого источника, поставив на пути светового потока ряд экранов с маленькими отверстиями, расположенными на одной прямой.

Зная мощность лазерного излучения, ширину его спектра и угловую расходимость луча, можно с помощью формулы Планка вычислить температуру черного тела, использованного в качестве источника светового луча, эквивалентного лазерному лучу. Этот расчет приведет к тому, что температура черного тела должна быть порядка десятков миллионов градусов. Удивительное свойство лазерного луча — его высокая эффективная температура (даже при относительно малой средней мощности лазерного излучения или малой энергии лазерного импульса) открывает перед исследователями большие возможности, абсолютно неосуществимые без использования лазера.

.4.2 Лазерная технология

Лазеры различаются: способом создания в среде инверсной населенности, или, иначе говоря, способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и т.д.); конструкцией резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный).

Эти различия определяются многообразием требований к характеристикам лазера в связи с его практическими применениями.

Лазерные технологические процессы можно условно разделить на два вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии, как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В таких технологических процессах применяют лазеры сравнительно невысокой средней мощности: это газовые лазеры импульсно-периодического действия, лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната с примесью неодима.

Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой средней мощностью от 1кВт и выше. электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве.

.5 Основные типы лазеров

.5.1 Газовые лазеры

Газовыми называются лазеры, в которых активной средой являются газ, смесь нескольких газов или смесь газов с парами металла.

Газовые лазеры представляют собой, пожалуй, наиболее широко используемый в настоящее время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят даже рубиновые лазеры.

В настоящее время большие мощности в газовых лазерах не получены по той простой причине, что плотность атомов в них недостаточно велика. Однако почти для всех других целей можно найти конкретный тип газового лазера, который будет превосходить как твердотельные лазеры с оптической накачкой, так и полупроводниковые лазеры. Много усилий было направлено на то, чтобы эти лазеры могли конкурировать с газовыми лазерами, в ряде случаев был достигнут определенный успех, однако он всегда оказывался на грани возможностей, в то время как газовые лазеры не обнаруживают никаких признаков уменьшения популярности.

Особенности газовых лазеров большей часто обусловлены тем, что они, как правило, являются источниками атомных или молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно известны, они определяются атомной структурой и обычно не зависят от условий окружающей среды. Стабильность длины волны генерации при определенных усилиях может быть значительно улучшена по сравнению со стабильностью спонтанного излучения. В настоящее время имеются лазеры с монохроматичностью, лучшей, чем в любом другом приборе. При соответствующем выборе активной среды может быть осуществлена генерация в любой части спектра, от ультрафиолетовой (~2000А) до далекой инфракрасной области (~ 0,4 мм), частично захватывая микроволновую область. Нет также оснований сомневаться, что в будущем удастся создать лазеры для вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Разреженность рабочего газа обеспечивает оптическую однородность среды с низким коэффициентом преломления, что позволяет применять простую математическую теорию для описания структуры мод резонатора и дает уверенность в том, что свойства выходного сигнала близки к теоретическим. Хотя КПД превращения электрической энергии в энергию вынужденного излучения в газовом лазере не может быть таким большим, как в полупроводниковом лазере, однако благодаря простоте управления разрядом газовый лазер оказывается для большинства целей наиболее удобным в работе как один из лабораторных приборов. Что касается большой мощности в непрерывном ре жиме (в противоположность импульсной мощности), то природа газовых лазеров позволяет им в этом отношении превзойти все другие типы лазеров.

Особенностью активной среды, находящейся в газовой фазе, является ее высокая оптическая однородность, что позволяет применять большие оптические длины резонатора и вследствие этого получать высокую направленность и монохроматичность излучения.

Типичный лазер на нейтральных атомах (атомарный) — это газоразрядный гелий-неоновый лазер, в котором используется смесь гелия и неона в соотношении примерно 10:1,5:1 при общем давлении в газоразрядной трубке около 80 Па. Вынужденное излучение создается атомами неона, а атомы гелия участвуют лишь в передачи энергии атомам неона.

При возбуждении газовой смеси электрическим током (постоянным или переменным с частотой около 30 МГц) возникает тлеющий разряд, подобный разряду в рекламной неоновой лампе. В электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня Е1 на долгоживущие возбужденные уровни Е4 и Е5. Инверсия населенностей создается благодаря большей населенности этих уровней по сравнению с короткоживущим уровнем ЕЗ. В чистом неоне созданию инверсии населенности мешает метастабильный уровень Е2, поэтому полезным оказалось введения в рабочую смесь гелия.

Под действием электрического разряда часть атомов гелия ионизируется и образуется плазма, содержащая электроны с большой кинетической энергией. Эти электроны, сталкиваясь с атомами гелия, переводят их из основного состояния Е1 на долгоживущие возбужденные уровни Е2 и ЕЗ, которые близки к уровням Е4 и Е5 неона. Поэтому при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона возникает высокая вероятность резонансной передачи возбуждения, в результате чего атомы неона оказываются на уровнях Е4 и Е5, а атомы гелия возвращаются в основное состояние. Вероятность возбуждения атомов неона до уровней Е2 и ЕЗ за счет столкновений с атомами гелия мала, так как энергия этих состояний существенно отличается от энергии уровней Е2 и ЕЗ гелия. Таким образом, использование вспомогательного газа — гелия дает возможность осуществить дополнительно заселение энергетических уровней неона и получить инверсию населенностей между уровнями ЕЗ и Е4, Е5 .

Поскольку уровень ЕЗ неона является короткоживущим, на переходах Е4-ЕЗ и Е5-ЕЗ, можно получить непрерывную генерацию. Переходу Е4-ЕЗ соответствует генерация в ближней инфракрасной области с длиной волны 1,153 мкм, а переходу Е5-ЕЗ — в красной области видимого спектра с длиной волны 0,6328 мкм. Каждый из уровней ЕЗ, в диапазоне видимого и инфракрасного спектров гелий-неоновый лазер может содержать большое число (~130) спектральных линий. Выделение нужной спектральной линии осуществляется подбором зеркал оптического резонатора, введением в резонатор диспергирующего или селективно поглощающего элемента, постоянного магнита. Между уровнями Е4 и Е5 неона есть еще один короткоживущий уровень, переход атомов на который с уровня Е5 позволяет получить генерацию на длине волны 3,392 мкм.

В гелий-неоновом лазере рабочая газовая смесь находится в газоразрядной трубке, длина которой может достигать 0,2…1 м. Трубка изготавливается из высококачественного стекла или кварца. Мощность генерации существенно зависит от диаметра трубки. Увеличение диаметра ведет к увеличению рабочей смеси, что способствует возрастанию мощности генерации. Однако с увеличением диаметра трубки уменьшается электронная температура плазмы, что приводит к уменьшению числа электронов, способных возбуждать атомы газов, что в конечном итоге снижает мощность генерации. Для уменьшения потерь торцы газоразрядной трубки закрыты плоскопараллельными пластинками, которые расположены не перпендикулярно к оси трубки, а так, чтобы нормаль к этой пластинке составляла с осью трубки угол iB=arctg n (n — показатель преломления материала пластинки), называемый углом Брюстера. Особенность отражения электромагнитной волны от границы раздела различных сред под углом iB широко применяется в лазерной технике. Установка выходных окон кювета с активной средой под углом Брюстера однозначно определяет поляризацию лазерного излучения. Для излучения, поляризованного в плоскости падения, потери в резонаторе минимальны. Естественно, именно это линейно-поляризованное излучение устанавливается в лазере и является преобладающим.

Газоразрядная трубка помещена в оптический резонатор, который образован зеркалами с интерференционным покрытием. Зеркала закреплены во фланцах, конструкция которых позволяет поворачивать зеркала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях при юстировке путем вращения юстировочных винтов. Возбуждение газовой смеси осуществляется путем подачи высокочастотного напряжения с блока питания на электроды. Блок питания представляет собой высокочастотный генератор, обеспечивающий генерирование электромагнитных колебаний с частотой 30 МГц при помощи в несколько десятков ватт.

Широко распространено питание газовых лазеров постоянным током при напряжении 1000…2000 В, получаемым с помощью стабилизированных выпрямителей. В этом случае газоразрядная трубка подогревным и холодным катодом и анодом. Для зажигания разряда в трубке используется электрод, на который подается импульсное напряжение около 12 кВ. это напряжение получают путем разряда конденсатора емкостью 1…2 мкФ через первичную обмотку импульсного трансформатора.

Достоинством гелий-неоновых лазеров являются когерентность их излучения, малая потребляемая мощность (8…10 Вт) и небольшие размеры. Основные недостатки — невысокий КПД (0,01…0,1 %) и низкая выходная мощность, не превышающая 60 мВт. Эти лазеры могут работать в импульсном режиме, если для возбуждения использовать импульсное напряжение большой амплитуды при длительности в единицы микросекунд. Главные области практического применения гелий-неоновых лазеров — научные исследования и измерительная техника.

Из ионных лазеров наибольшее распространение получил аргоновый лазер непрерывного излучения на длине волны 0,48 мкм. Ионы аргона образуются в кювете в результате ионизации нейтральных атомов Ag II током большой плотности (~103 А/см^З ).

Инверсия населенностей в таком лазере между верхним (4р) и нижним (4s) рабочими уровнями создается таким образом. Уровень 4р, имеющий по сравнению с уровнем 4s большее время жизни, заселяются ионами аргона за счет из столкновения с быстрыми электронами в газовом разряде за счет переходов возбужденных ионов из группы расположенных выше уровней 5р. В то же время уровень 5р, обладающий очень коротким временем жизни, быстро опустошается за счет возвращения ионов в основное состояние. Так как уровни 5р, 5s, 4p состоят из групп подуровней, генерация может происходить одновременно на нескольких длинах волн: от 0,45 до 0,515.

В настоящие время аргоновые ионные лазеры являются самыми мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра. Широкому распространению мощных аргоновых лазеров мешают их высокая стоимость, сложность, малый КПД (~0,1 %) и большая потребляемая мощность (3…5 кВт).

.5.2 Твердотельные лазеры

Существует большое количество твердотельных лазеров, как импульсных, так и непрерывных. Наибольшее распространение среди импульсных получили лазеры на рубине и неодимовом стекле (стекле с примесью Nd).

Неодимовый лазер работает на длине волны λ = 1,06 мкм. Оказалось возможным изготовлять сравнительно большие и достаточно оптически однородные стержни длиной до 100 см и диаметром 4-5 см. Один такой стержень способен дать импульс генерации с энергией 1000 джза время ~ 10^-3 сек.

Лазер на рубине, наряду с лазером на неодимовом стекле, являются наиболее мощными импульсными лазером. Полная энергия импульса генерации достигает сотен Дж при длительности импульса 10^-3 сек. Оказалось также возможным реализовать режим генерации импульсов с большой частотой повторения (до нескольких КГц).

Примером твердотельных лазеров непрерывного действия являются лазеры на флюорите кальция CaF₂ с примесью диспрозия Dy и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате Y₃ AI₅ 0₁₂ с примесями различных редкоземельных атомов. Большинство таких лазеров работает в области длин волн I от 1 до 3 мкм. Возможность реализации непрерывного режима в этих лазерах обычно связана с тем, что нижним уровнем рабочего перехода является не основной уровень Еь а возбуждённый уровень Е2 (рис. 11).

Если уровень Е₂ достаточно далеко отстоит по энергии от основного уровня E₁ (по сравнению с кТ, где к — постоянная Больцмана, T — температура) и характеризуется достаточно малым временем жизни, то инверсия населённостей для уровней Е₂ , Е₃ может быть создана с помощью сравнительно маломощных источников оптической накачки. У некоторых из таких лазеров генерация осуществлена при накачке солнечным светом. Типичное значение мощности генерации твердотельных лазеров в непрерывном режиме ~ 1 Вт или долей Вт, для лазеров на иттриево-алюминиевом гранате ~ десятков Вт. Если не принимать специальных мер, то спектр генерации твердотельных лазеров сравнительно широк, т.к. обычно реализуется многомодовой режим генерации. Однако введением в оптический резонатор селектирующих элементов удаётся получать и одномодовую генерацию. Как правило, это связано со значительным уменьшением генерируемой мощности.

Трудности выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов однородного и прозрачного стекла привели к созданию жидкостных лазеров, в которых примеси атомов редкоземельных элементов вводятся не в кристаллы, а в жидкость. Однако жидкостные лазеры имеют недостатки и поэтому применяются не столь широко, как твердотельные.

Функциональная схема твердотельного лазера приведена на рис. 12.

Он состоит из пяти блоков: излучающей головки, блока конденсаторов, выпрямительного блока, блока по джига, пульта управления. Излучающая головка преобразует электрическую энергию сначала в световую, а затем и в монохроматическое лазерное излучение. Блок конденсаторов обеспечивает накопление энергии, а выпрямительный блок служит для преобразования переменного тока в постоянный, которым и заряжаются конденсаторы. Блок поджига вырабатывает очень высокое напряжение, которым осуществляется первоначальный пробой газа в лампах-вспышках. Поскольку первый лазер был сделан при использовании в качестве активного вещества рубинового стержня, то рассмотрим его устройство. Излучающая головка рубинового лазера состояла из держателя рубина, осевой втулки, двух ламп накачки и цилиндрического рефлектора. Держатели рубина сменные и предназначены под рубиновые стержни различных размеров и диаметров.

Используемый в приборе рубин представлял собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина, так, бледно-розовый рубин содержит 0,05% хрома, красный — 0,5%. Производят такой искусственный рубин следующим образом. В печах при высокой температуре выращивают заготовки, называемые булями. Булям придают форму стержня. Торцевые поверхности стержня обрабатывают с высокой точностью и затем полируют. При обработке торцевых поверхностей их делают параллельными с точностью около 9… 19 угловых секунд и покрывают серебряным или диэлектрическим слоем с высоким коэффициентом отражения. Чистота поверхности соответствует 12-му классу. Этот стержень помещают между двумя лампами-вспышками, которые, в свою очередь, находятся в цилиндрическом рефлекторе. Таким образом осуществляется распределение светового потока от ламп-вспышек на рубиновом стержне. Внутренняя поверхность рефлектора покрыта окисью магния, имеющей коэффициент отражения 0,9 -это обеспечивает увеличение кпд излучающей головки.

.5.3 Рубиновый лазер

Впервые лазерная генерация была получена на кристалле рубина (λ = 694,3 мм), химически представляющего собой корунд (Аl₂ 0₃ ), в котором часть трехвалентных ионов алюминия замещены ионами хрома (~0,05%).

Именно их концентрация и определяет цвет рубина — от бледно-розового до темно-красного.

Накачка рубина осуществляется светом от мощных ламп-вспышек, подобно тому, как это делается в фотографии.

Типичный режим работы рубинового лазера — импульсный с длительностью импульса генерации ~1 мс. При энергии в импульсе несколько джоулей мощность излучения достигает десятков КВт. Генерация происходит на длинах волн красной части спектра.

Конструкция рубинового лазера показана на рис. 13, на котором 1 — кристалл рубина, 2 — спиральная лампа-вспышка, 3 — зеркала резонатора.

.5.4 Неодимовый лазер

Активным элементом неодимовых лазеров (λ = 1,06 мкм) непрерывного действия служит кристалл алюмо-иттриевого граната (Y₃ Al₂ 0₁₅ ).

Типичная конструкция непрерывного твердотельного лазера показана на рис. 13. Активный элемент 1 и лампа накачки 2 расположены вдоль фокальных осей эллиптического отражателя 4 с внутренним зеркальным покрытием. При такой конфигурации большая часть света, испускаемого лампой, проходит через лазерный стержень. Резонатор лазера образован зеркалами 3.

Лазерные системы на основе неодима относятся к наиболее мощным лазерам. При энергии в импульсе несколько килоджоулей и сокращении длительности импульса до ~1 нс, мощность излучения превышает 10¹² Вт, а в особо мощных установках, предназначенных для управляемого термоядерного синтеза, может достигать 10¹⁸ Вт.

.5.5 Гелий-неоновый лазер

Газовый лазер на смеси неона и гелия является в настоящее время одним из самых популярных и распространенных. Газовая смесь помещается в электрический разрядник, а накачка осуществляется путем неупругих столкновений атомов Не и Ne с электронами, разгоняемыми высоким напряжением.

Давление рабочей смеси гелий-неонового лазера составляет несколько миллиметров ртутного столба, столкновителное уширение незначительно, и излучение отличается высокой степенью когерентности. Поэтому такие лазеры широко применяются для интерферометрических измерений, в лазерных гироскопах и других устройствах, в которых требуется монохроматическое когерентное излучение.

.5.6 Лазер на углекислом газе

Лазер на смеси CО₂ -N₂ -He (λ = 10,6 мкм, дальний ИК-диапазон) является самым мощным из газовых. Он относится к классу молекулярных лазеров . Накачка осуществляется электронным ударом и передачей возбудения от молекул N₂ на долгоживущий уровень антисимметричной моды колебаний. Излучение генерируется при переходах молекулы СО₂ на симметричные или на деформационные колебания удвоенной частоты.

Гелий выполняет роль буферного газа: через неупругие столкновения с его атомами молекулы СО₂ переводятся в основное состояние; кроме того, более эффективно отводится тепло на стенки трубки. Для СО₂ лазера характерен высокий КПД (до 30 %), объясняемый тем, что все рабочие уровни находятся очень близко к основному состоянию.

Лазеры на углекислом газе могут давать излучение мощностью в десятки киловатт в непрерывном режиме. Это обусловлено тем, что молекула, испустив фотон, быстро возвращается в основное состояние, где ее можно использовать снова. Высокие мощность и КПД определили широкое применение СО₂ лазеров и технологических процессах. Схема импульсного СО₂ лазера показана на рис. 14, на которой 1 — канал, по которому прокачивается рабочая смесь, 2 — разрядник, 3 — зеркала резонатора

.5.7 Ионные лазеры

Ионные лазеры — это тип газовых лазеров, в которых верхний уровень заселяется путем двух последовательных столкновении с электронами в электрическом разряде (ионизация + возбуждение).

Энергии ионов превосходят атомарные, поэтому ионные лазеры генерируют в видимой и УФ-области спектра.

Из-за большой плотности тока в разрядной трубке может происходить перекачка ионов к катоду, поэтому требуется дополнительный обводной капал. Для предотвращения разрушения трубки при бомбардировке быстрыми ионами ее изготавливают из керамики и помещают в продольное магнитное поле, создаваемое соленоидом. Радиально движущиеся заряженные частицы испытывают отклоняющее действие силы Лоренца, в результате их траектории искривляются, уменьшая скорость диффузии зарядов к стенкам. Примером может служить аргоновый лазер, генерирующий в видимой области на линиях λ₁ = 488 им (голубая) и λ₂ = 514,5 им (зеленая).