Презентация на тему "Дисципліна: ЕЛЕКТРОННІ ГЕОДЕЗИЧНІ ПРИЛАДИ ТА gps – ТЕХНОЛОГІЇ Змістовний модуль 1. ЕЛЕКТРОННІ ГЕОДЕЗИЧНІ ПРИЛАДИ. Тема 2. Фізичні принципи за якими функціонують електронні геодезичні прилади.(Лекція 4 год)"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  Дисципліна: ЕЛЕКТРОННІ ГЕОДЕЗИЧНІ ПРИЛАДИ ТА GPS – ТЕХНОЛОГІЇ Змістовний модуль 1. ЕЛЕКТРОННІ ГЕОДЕЗИЧНІ ПРИЛАДИ. Тема 2 . Фізичні принципи за якими функціонують електронні геодезичні прилади.(Лекція 4 год)

  Викладення основного матеріалу:   1. Електромагнітні коливання і хвилі. 2. Перетворення гармонійних коливань. 3. Лазери. Ефект Допплера. Завдання для самостійної роботи № 2. Тема « Двохвильові віддалеміри » Питання: 1. Світловіддалеміри першого покоління. 2. Функціональні схеми світовіддалемірів. Рекомендована література згідно робочої навчальної програми – [1, 3, 4, 6, 9, 10, 12]

• 
  Слайд 2
  

  1. Електромагнітні коливання і хвилі. Основні поняття і визначення Серед безлічі коливальних процесів особливе місце займають періодичні коливання, для яких виконується рівність S(t)= S( t + NT), (2.1) де S(t) – величина, що коливається, t– час, N – будь-яке ціле число, Т – деякий якнайменший кінцевий проміжок часу, через який повторюються значення всіх фізичних величин, що характеризують коливальний рух. Цей проміжок часу називається періодом коливання.Зворотна періоду величина f = 1/T (2.2) виражає число коливань в одиницю часу і називається частотою.Частота вимірюється в герцах. 1 герц (Гц) – це одне коливання в секунду. Вживаються також наступні одиниці частоти:кілогерц (кГц) – 103 Гцмегагерц (Мгц) – 106 Гцгігагерц (ГГц) – 109 Гцтерагерц (ТГц) – 1012 Гц.

• 
  Слайд 3
  

  2. Найпростішим, але практично найважливішим випадком періодичних коливань є гармонійні (синусоїдальні) коливання, описувані рівнянням вигляду S(t)= А sin (ωt + ϕo) (2.3)абоS(t)= А cos (ωt + ϕo) (2.4) (косинусоїда – це та ж синусоїда, тільки зсунута на чверть періоду). Величина А називається амплітудою коливання ω = 2πf – кутовою або круговою частотою, ϕо– початковою фазою. Ці три параметри повністю характеризують гармонійне коливання. Аргумент синуса або косинуса в (2.3) або (2.4), тобто величину ϕ = (ωt + ϕo), називають поточною фазою, миттєвою фазою або просто фазою коливання. Таким чином, фаза і початкова фаза – це різні речі. Початкова фаза – це фаза коливання у момент t = 0 Рис.2.1. Представлення гармонійного коливання вектором, що обертається Записавши рівняння (2.3) у вигляді S(t) = А sin ϕ, можна дати йому наочну геометричну інтерпретацію, представивши коливальний процес у вигляді вектора, що обертається (рис.2.1). Довжина (модуль) вектора є амплітуда А, кут між вектором і віссю х – фаза ϕ,а кутова швидкість обертання (проти годинникової стрілки) – кругова частота ω.Фаза – це кутова величина, вона вимірюється в градусах або радіанах. При обертанні вектора величиною S(t), що викликає коливання, є проекція вектора на вісь Y. Її значення змінюється в інтервалі від +А до –А. Можна наочно переконатися, що це коливання синусоїдальне. Проекція кінця вектора на вісь Yдає точку, що безперервно рухається «туди і назад» по осі Y. Уявимо собі, що до цієї точки прикріплений який-небудь пишучий пристрій (скажімо, олівець або перо з чорнилом), а перед ним протягується паперова стрічка з постійною швидкістю. Тоді на стрічці викреслюватиметься синусоїда – розгортка коливання в часі.

• 
  Слайд 4
  

  3. При суперпозиції (складанні) двох гармонійних коливань однакової частоти результуюче коливання також є гармонійним і виконується з тією ж частотою. Його амплітуда і початкова фаза залежать від співвідношення амплітуд і початкових фаз коливань, що складаються. При суперпозиції двох гармонійних коливань з різними частотами результуюче коливання вже не буде гармонійним. Якщо частоти близькі, то результуючий коливальний процес називається биттям. При цьому амплітуда і фаза результуючого коливання періодично міняються в часі з частотою, що дорівнює різниці частот початкових коливань, які називаються частотою биття. Так, якщо одночасно схвилювати дві струни, одна з яких видає звук з частотою 440 Гц, а інша, трохи меншої довжини, - з частотою 444 Гц, причому амплітуда цих звукових коливань, тобто їх гучність, буде однаковою, то ми почуємо звук з середньою частотою 442 Гц, але його гучність періодично змінюватиметься, стаючи то більше, то менше гучності початкових звуків, і ця зміна проходитиме з частотою 4 Гц.4. Будь-яке негармонійне (складне), але періодичне коливання з періодом Т можна представити у вигляді суми простих гармонійних коливань з частотами, кратними частотіf= 1/Т складного коливання (ряд Фур’є). Сукупність складових гармонійних коливань називають спектром складного коливання, а самі складові – гармоніками. Гармоніки з частотами відповідно f, 2f, 3f і т.д. називаються відповідно першою (основною), другою, третьою і т.д. гармоніками. Різні гармоніки мають різну амплітуду і фазу. Чим вище номер гармоніки, тим звичайно менше її амплітуда.Таким чином, будь-яке періодичне коливання має дискретний спектр, що складається з гармонік. Якщо ж коливання неперіодичне, то воно представляється не рядом, а інтегралом Фур’є і має суцільний (безперервний) спектр, що складається з нескінченного числа синусоїд з безперервною послідовністю частот.

• 
  Слайд 5
  

  5. Коливання, що розповсюджуються в просторі або в якому - небудь середовищі, називаються хвилями. Вони характеризуються довжиною хвилі λ, пов'язаної з частотою коливань f співвідношеннямλ = v/f , (2.5)де v – швидкість розповсюдження коливань. 6. Окремим випадком коливальних процесів є гармонійні коливання напруженості електричного і магнітного полів, які створюють змінне електромагнітне поле. Розповсюджуване в просторі електромагнітне поле називають електромагнітними хвилями. Електромагнітні хвилі є поперечними: вектори Е і Н напруженості електричного і магнітного полів взаємно перпендикулярні і лежать в площині, перпендикулярній вектору швидкості розповсюдження хвилі. Електромагнітні хвилі розділяють по довжинах хвиль на ряд діапазонів, сукупність яких утворює спектр електромагнітних хвиль. Більшу частину цього спектру займають радіохвилі, довжина яких може складати від 0,1мм до більше 100км. Невеликою, але дуже важливою ділянкою спектру є оптичний діапазон хвиль. Він ділиться на три області. Центральна з них – видима область спектру (видиме світло), що займає інтервал приблизно від 0,4 мкм (фіолетове світло) до 0,75 мкм (червоне світло). Зліва від неї (у бік зменшення довжин хвиль) знаходиться ультрафіолетова (УФ) область, а справа (у бік збільшення довжин хвиль) – інфрачервона (ІЧ) область. Ультрафіолетова і інфрачервона області оптичного діапазону спектру невидимі оком. 7. Електромагнітні хвилі володіють властивістю, що носить назву поляризації. Якщо коливання вектора Е (тобто напруженості електричного поля) в площині, перпендикулярній до напряму розповсюдження хвилі, відбуваються в різних, змінюваних випадковим чином напрямах в цій площині, хвиля називається неполяризованою. Якщо ж коливання вектора Е відбуваються тільки в одному напрямі у вказаній площині, то хвиля називається лінійно поляризованою. Перетворити неполяризовану хвилю в лінійно поляризовану можна за допомогою спеціальних пристроїв – поляризаторів, які пропускають коливання тільки одного напряму.

• 
  Слайд 6
  

  8. Рівняння лінійно поляризованої монохроматичної (тобто породженої коливанням строго однієї частоти) хвилі, що розповсюджується уподовж осі Хіз швидкістю v, має вигляд S(t,x)= А cos [ω(t – x/v) + ϕо] = А cos (ωt – kx + ϕo), (2.6) де k = ω/v = 2π/λ – параметр, що називається хвильовим числом. 8. Хвилі однакової частоти, що зберігають різницю фаз постійної, називаються когерентними. При складанні двох когерентних монохроматичних хвиль, лінійно поляризованих в одній площині, амплітуда сумарної хвилі залежатиме від різниці фаз хвиль, що складаються. Така взаємодія хвиль називається інтерференцією. При цьому результуюча хвиля лінійно поляризована в тій же площині, що і хвилі, які складаються. 9. При складанні двох когерентних монохроматичних хвиль, лінійно поляризованих у взаємно перпендикулярних площинах, інтерференції не відбувається. В загальному випадку (тобто при різних амплітудах хвиль і довільному зсуві фаз між ними) проекція кінця електричного вектора на площину, перпендикулярну напряму розповсюдження, описує еліпс.Така хвиля називається еліптично поляризованою. Якщо амплітуди хвиль, що складаються, рівні, то вид еліпса залежить тільки від різниці фаз ϕ цих хвиль. Це ілюструється в таблиці.2.1.Таблиця 2.1.

• 
  Слайд 7
  

  З таблиці 2.1. видно, що при різниці фаз 90° і 270° еліпс перетворюється на круг і хвиля називається поляризованою по кругу або циркулярно поляризованої. При різниці фаз 0° або 180° еліпс вироджується в пряму лінію і хвиля буде лінійно поляризованою.Таким чином, лінійна і кругова поляризація є окремими випадками еліптичної поляризації. ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ: 1. Чи є періодичні коливання гармонійними?2. Яким відношенням поєднана частота f з періодом Т?3. Які три параметра повністю характеризують гармонічні коливання?4. Що має дискретний спектр?5. Який найбільш загальний випадок поляризації електромагнітних хвиль?6. Що таке когерентні хвилі?7. Як пов’язана довжина хвилі λ з частотою і швидкістю розповсюдження коливань?8. Як називається величина 2π/λ?9. Як називається коливання, у якого який-небудь параметр змінюється в часі?10. Як називається результат складання двох когерентних хвиль, лінійно поляризованих в одній площині? 

• 
  Слайд 8
  

  2. Перетворення гармонійних коливань. Модуляція.Модуляцією називається зміна параметрів коливання в часі за певним законом. Відповідно до того, який параметр модулюється (А, ω або ϕо), розрізняють амплітудну модуляцію (АМ), частотну (ЧМ) і фазову (ФМ). В світловіддалемірах іноді використовують ще один вид модуляції – поляризаційну (ПМ), при якій змінюється стан поляризації світлових коливань. Коливання, параметр якого модулюється, називається несучим коливанням, а його частота f = ω/2π – несучою частотою. Модуляція полягає в тому, що вибраний параметр піддається дії моделюючого коливання, який задає закон зміни параметра. В найпростішому випадку модуляція здійснюється за гармонійним законом. При цьому модульований параметр P представляється у вигляді P(t)= Ро + ΔP cos Ωt = Ро (1 + m cos Ωt), (2.7) де Ро – відповідний параметр не модульованого коливання, ΔP – амплітуда зміни параметра, Ω = 2πF – кругова частота модуляції (F – частота модуляції, тобто частота моделюючого коливання). Величину m = ΔP/ Poназивають коефіцієнтом модуляції. Частота модуляції завжди набагато менше несучої частоти, тобто F

• 
  Слайд 9
  

  часі згідно із законом і рівняння АМ – коливання будеSAM = А0 (1 + m cos Ωt) cos ωt. (2.10). Рис.2.2 а) АМ – коливання, в якому амплітуда змінюється за гармонійним законом, б) частотний спектр АМ – коливання. Графік такого коливання показаний вище (рис.2.2,а). Застосувавши до (2.10) відому з тригонометрії формулу для добутку косинусів: cosα·cosβ = (1/2) [cos (α - β) + cos (α + β)] можна представити у вигляді: SAM = Аоcos ωt + (mAo /2)cos (ω - Ω)t + (mAo /2)cos (ω + Ω)t. (2.11) Обговоримо вирази (2.10) і (2.11). Формула (2.10) показує, що АМ – коливання – це коливання однієї частоти ω (несучої), але із змінною амплітудою Ao (1 + mcos Ωt), величина якої міняється в часі з частотою модуляції Ω. Формула ж (2.11) говорить про те, що АМ – коливання складається з трьох гармонійних складових з частотами ω, ω-Ω і ω+Ωі постійними амплітудами (Ао, mAo/2 і mAо/2 ) відповідно. Питання «що ж є АМ – коливання насправді?» некоректне: обидва уявлення еквівалентні.

• 
  Слайд 10
  

  В одних випадках доцільно використовувати запис (2.10), в інших – (2.11). Вираз (2.11) показує частотний спектр АМ – коливання (рис.2.2., б). Частоти ω-Ω і ω+Ω називаються боковими частотами. Таким чином, амплітудно-модульоване коливання полягає в загальному випадку з несучої частоти і двох бокових частот. Цікавим окремим випадком є биття, про яке згадувалося вище – результат складання двох близьких частот ω1 і ω2. Биття – це теж АМ – коливання, але його спектр складається з двох цих частот. Окрім гармонійної модуляції, часто використовується модуляція по прямокутному закону, коли значення модульованого параметра стрибкоподібно міняється від Р1 до Р2і через деякий час – назад, і цей процес повторюється через однакові або різні інтервали часу. Модуляцію по прямокутному закону називають маніпуляцією.Маніпуляція фази використовується, наприклад, в глобальних супутникових навігаційних системах.

• 
  Слайд 11
  

  Демодуляція. Демодуляцією або детектуванням називається процес, в результаті якого з складного модульованого коливання виділяється моделююче коливання. Це процедура, зворотна модуляції.Існують детектори АМ -, ЧМ- і ФМ – коливань. Звичайно ЧМ- і ФМ – коливання перетворять в АМ – коливання, яке детектується найбільш просто. Детектування АМ-коливання є нелінійною операцією, в процесі якої відбувається перемножування цього коливання або на несуче коливання, або саме на себе.Перший варіант називають синхронним детектуванням, другий – квадратичним детектуванням. В обох випадках в результаті перемножування виходить сума доданків (спектр), один з яких буде коливанням моделюючої частоти, яке виділяють за допомогою відповідного фільтру, який пропускає тільки цю частоту. Гетеродинування.Так називають операцію перетворення частоти коливання з метою отримати коливання іншої частоти. Звичайно ця операція використовується для пониження частоти. Для здійснення гетеродинування початкове коливання частоти f змішується в радіотехнічному змішувачі з коливанням, частота якого відрізняється від f на невелику величину Δf. Це коливання одержують від гетеродина – допоміжного генератора. Під змішенням звичайно розуміється перемножування коливань.В результаті перемножування утворюється спектр частот, що містить, зокрема, коливання різницевої частоти Δf, яке можна виділити за допомогою відповідного фільтру.

• 
  Слайд 12
  

  Таким чином, коливання високої частоти f перетвориться в коливання низької частоти Δf. При цьому фаза низькочастотного коливання дорівнює різниці фаз змішуваних коливань. Гетеродинування широко використовується в геодезичних фазових віддалемірах, в яких виникає задача вимірювання різниці фаз двох високочастотних сигналів. Хай є два коливання однакової високої частоти f: S1 = A1 cos (2πf t + ϕ1) (2.12)S2 = А2 cos (2πf t + ϕ2) (2.13) різниця фаз яких ϕ = ϕ2 – ϕ1 (2.14) необхідно виміряти. Змішавши кожне з цих коливань з коливаннями гетеродина частоти fг Sг = B cos (2πfг t + ϕг) (2.15) в змішувачах См1 і См 2 (рис.2.3) і направивши вихідні сигнали змішувачів в підсилювачі низької частоти 1 і 2, отримаємо на виходах підсилювачів коливання різницевої частоти|f - fг | = Δf вигляду: s1 = C1 cos [(2π Δf t + (ϕ1 - ϕг)] (2.16)s2 = C2 cos [(2π Δf t + (ϕ2 - ϕг)]. (2.17) Різниця фаз цих коливань (ϕ2 – ϕг) – (ϕ1 – ϕг) = ϕ2 – ϕ1 = ϕ (2.18) тобто різниця фаз коливань низької (різницевої) частоти Δf дорівнює різниці фаз початкових коливань високої частоти f, або, іншими словами, при гетеродинуванні фазові співвідношення не змінюються.

• 
  Слайд 13
  

  Рис.2.3. Гетеродинна схема вимірювання різниці фаз. Кореляційна обробка негармонійних сигналів. Поняття «кореляційна обробка» застосовується до широкосмугових сигналів, тобто до сигналів, володіючих широким спектром. Метою кореляційної обробки є вимірювання часу затримки між двома однаковими, але зсунутими за часом широкосмуговими сигналами.Якщо є два такі сигнали: S1 (t) і S2 (t + τ), де τ - часова затримка другого сигналу щодо першого, то вводиться поняття кореляційної функції цих сигналів К1.2, рівної К1.2 = , (2.19) де кутові дужки означають усереднювання за великий проміжок часу – такий, який більше періоду самої низькочастотної складової спектру сигналів S1 і S2. Значення кореляційної функції набувають на виході корелятора – пристрою, що реалізовує операцію (2.19) перемножування і усереднювання при подачі сигналів S1 і S2на його вході. Кореляційна функція К1.2має один різко виражений максимум при τ = 0. Отже, якщо примусово змінювати затримку τ до отримання максимуму вихідного сигналу корелятора і виміряти потрібно величину зміни, ми тим самим визначимо цю затримку. По суті справи, це компенсаційний спосіб, в якому індикатором моменту компенсації затримки служить максимум кореляційній функції. Позитивною якістю кореляційного методу є малий вплив шумів, супроводжуючих сигнали S1 і S2, на результат вимірювань. Кореляційна обробка сигналів використовується в радіоінтерферометрії з наддовгою базою (РНДБ) і при так званих кодових вимірюваннях в глобальних супутникових системах.

• 
  Слайд 14
  

  ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ: 1. Що таке частота модуляції?2. Складаються дві когерентні хвилі однакової амплітуди, лінійно поляризовані в ортогональних площинах. Яке відношення різниці фаз цих хвиль, при якій результуюча хвиля буде мати відповідну поляризацію?3. Гармонійні коливання піддаються амплітудній модуляції за гармонійним законом. Чи будемодульоване коливання гармонійним?4. Що являють собою гармонійні коливання, що зазнають амплітудної модуляції по гармонійному закону?5. Електричні коливання частотою в 1 МГц з амплітудою 20В (вольт) піддаються гармонійній АМ з частотою 5кГц. Коефіцієнт модуляції m = 0,1. Чому дорівнюють найбільше і найменше значення амплітуди модульованого напруження?

• 
  Слайд 15
  

  3.Лазери. Ефект Допплера.3.1. Лазери. Лазер – це джерело оптичного випромінювання з високим ступенем когерентності. В самому загальному значенні термін «когерентність» означає «узгодженість». Світло називається когерентним, якщо всі атоми речовини випускають світлові хвилі, що мають строго однакову амплітуду, частоту, фазу, поляризацію і напрям розповсюдження. Такого ідеально когерентного джерела не існує, але лазер є якнайкращим до нього наближенням. Будь-який лазер складається з трьох основних елементів (рис.2.4): активного середовища (твердого, рідкого або газоподібного), джерела накачування і відкритого резонатора, утворюваного двома паралельними дзеркалами, між якими поміщається активне середовище. Одне з дзеркал робиться частково прозорим для виходу випромінювання з лазера.Принцип роботи лазера зводиться до наступного. Активне середовище, одержуючи енергію від джерела накачування, переходить в так званий стан з інверсною населеністю енергетичних рівнів – збуджений стан, при якому число атомів речовини, «перекинутих» на більш високий енергетичний рівень, стає більше число атомів, що залишилися на нижньому (основному) енергетичному рівні. Цей стан є нестійким: будь - який з атомів, що виявилися на верхньому рівні може мимовільно перейти назад на основний рівень, випускаючи при цьому квант світла (фотон) певної Рис.2.4. Принципова схема лазера частоти, залежної від різниці енергій рівнів. Так і відбувається, причому моменти народження різних фотонів, ініційованих переходами тих або інших атомів, випадкові, не злагоджені один з одним, фотони при цьому розлітаються в різних напрямах, спрямовуючись «хто куди». Таке випромінювання називається спонтанним (мимовільним), і воно некогерентне.

• 
  Слайд 16
  

  І ось тут вступає в гру оптичний резонатор. Спонтанні фотони, що народились у напрямі осі резонатора, пройдуть уздовж нього порівняно великий шлях, багато разів циркулюючи між відбиваючими дзеркалами.При цьому виникає дуже важлива обставина. Вона полягає в тому, що циркулюючі фотони, взаємодіючи на своєму шляху з атомами, що нагромадилися на верхньому енергетичному рівні, ініціюють їх перехід на нижній рівень з випуском фотонів. Оскільки ці переходи виникають не випадково, а вимушено, під дією циркулюючих уздовж осі резонатора фотонів, то фотони, що народжуються при цих переходах будуть точною копією того фотона, що «вимушує», – вони матимуть ту ж енергію, той же напрям руху і інші абсолютно ідентичні характеристики. Виникає могутня лавина злагоджених фотонів. Таке випромінювання називається (на відміну від спонтанного) вимушеним (а також стимулюючим або індукованим) і є, як легко зрозуміти, когерентним.Та обставина, що в лазері має місце стимулююче випромінювання, відображено в самому слові «лазер» це слово (LAZER) є абревіатурою, складено з перших букв англійської фрази Light Amplification Stimulated Emission Radiation – «посилення світла за допомогою стимулюючого випромінювання».В цій фразі, правда, мовиться про посилення світла, тоді як лазер – це Генератор світла, проте це не має принципового значення, оскільки буд - який підсилювач можна, як відомо, перетворити на генератор введенням ланцюга зворотного зв'язку з виходу на вхід підсилювача. Таким ланцюгом і є дзеркала резонатора (підсилювачем служить збуджене активне середовище). Після кожного подвійного проходу довжини резонатора частина випромінювання виходить з лазера через напівпрозоре дзеркало.Лазер може генерувати не будь-які довжини хвиль λ, а тільки такі, які укладаються ціле число раз q на подвійній довжині резонатора 2L, тобто задовольняють умові резонансу: 2L = q λ . (2.20)

• 
  Слайд 17
  

  Ці резонансні довжини хвиль називаються поздовжніми модами, і якщо в смугу посилення активного середовища потрапляє багато таких довжин хвиль, то вони генеруються одночасно, тобто в спектрі випромінювання лазера може міститися багато поздовжніх мод, віддалених один від одного по частоті на однаковий інтервал Δν = ср/2L, де ср– швидкість світла в резонаторі. Такі лазери називаються багатомодовими.Спеціальними методами селекції можна виділити тільки одну моду, і тоді лазер називають одномодовим або одночастотним.Лазерне випромінювання володіє наступними властивостями, що відрізняють його від випромінювання всіх інших джерел:- високим ступенем просторової і часової когерентності;- (як наслідок) високим ступенем монохроматичності, тобто зосереджено в дуже вузькому спектральному інтервалі (ідеально монохроматичного джерела не існує, але лазер є якнайкращим до нього наближенням);- надзвичайною вузько направленістю (малої шириною пучка);- високою спектральною густиною потужності ( густина потужності – це потужність, що доводиться на одиницю площі, наприклад, на 1 см2; спектральна густина потужності – густина потужності, віднесена до одиничного спектрального інтервалу, наприклад, до 1 мкм). Залежно від виду активного середовища розрізняють твердотільні лазери, рідинні (лазери на розчинах органічних фарбників), газові і напівпровідникові. Твердотільні лазери. До них відносяться лазери на рубіні, на неодимовім склі і на натрій – алюмінієвому гранаті. Вони працюють в імпульсному режимі, випромінюючи короткі оптичні імпульси великої потужності (лазер на гранатіможе працювати і в безперервному режимі). З них в геодезії в даний час використовуються могутні пікосекундні імпульсні лазери на гранаті з довжиною хвилі випромінювання 1,06 мкм - в лазерних віддалемірах для вимірювання відстаней до ШСЗ часовим методом, про що вже згадувалося вище. Останнім часом освоюється застосування лазерів на титан-сапфірі, від яких можна одержувати імпульси фемтосекундного діапазону (1 фс = 10-15с) тривалістю в сотні і десятки фемтосекунд.

• 
  Слайд 18
  

  Газові лазери генерують безперервне випромінювання. Окрім вже згадуваного гелій-неонового (Не-Ne) лазера, що використовується в наземних світловіддалемірах і випромінюючого червоне світло з довжиною хвилі 0,63 мкм, в двохвильових світловіддалемірах можуть використовуватися гелій-кадмієвий (Не-Сd) лазер з довжиною хвилі 0,44 мкм (синє світло) і аргоновий (Аr) лазер, що може одночасно генерувати випромінювання на двох довжинах хвиль: 0,46 мкм (синє світло) і 0,51 мкм (зелене світло). Газові лазери мають найбільший ступінь монохроматичності випромінювання. Лазери на фарбниках володіють чудовою властивістю – можливістю перебудови довжини хвилі в широкому діапазоні, але геодезичного застосування вони поки не отримали. Напівпровідникові лазери складають особливий клас лазерів, зважаючи на їх вельми специфічні властивості, вони широко використовуються в сучасних наземних світловіддалемірах і електронних тахеометрах. Однією з найпривабливіших їх якостей є дуже малі розміри (менше 1см) і маса. Напівпровідниковий лазер на арсеніді галію, частішевсього вживається у віддалемірній техніці, є лазерним діодом, виконаним у вигляді кристала, складеного з двох «половинок» з різними типами провідності – електронної (n-провідність) і дірчастої (p-провідність). Між ними утворюється зона, що називається p-n-переходом. Якщо на ці «половинки» подати постійну напругу живлення (підключивши позитивний полюс до p-області), то в зоні p-n-переходу утворюються фотони і звідти виходить випромінювання. Так виходить світлодіод, але його випромінювання некогерентне. Щоб перетворити світлодіод на лазерний діод, треба відполірувати торцеві грані кристала, які служитимуть дзеркалами резонатора, і збільшать густину струму через діод. Тоді випромінювання стає когерентним – і ми одержуємо напівпровідниковий лазер. Окрім малих габаритів, такий лазер володіє ще однією цінною властивістю – можливістю внутрішньої модуляції випромінювання. Тобто якщо в віддалемірі джерелом випромінювання служить напівпровідниковий лазер, то модулятора, як окремого пристрою не треба – достатньо подати напругу живлення на лазерний діод, як змінну моделюючу напругу від генератора і випромінювання, що виходить з діода буде модульованим. При цьому можлива модуляція з дуже високою частотою - до 1 ГГц.

• 
  Слайд 19
  

  2.2.Ефект Допплера. Цей ефект полягає в тому, що при зближенні або віддаленні випромінювача (передавача) і приймача частота коливань, що приймається, відрізнятиметься від частоти випромінюваних коливань. При цьому байдуже, що саме рухається – випромінювач або приймач; важливо їх відносний рух, тобто зміна відстані між ними. (Це справедливо у разі нехтування релятивістськими, тобто пов'язаними з теорією відносності, ефектами, якими у всіх що цікавлять нас випадках можна нехтувати через малу частку швидкості руху в порівнянні з швидкістю світла). Якщо, скажімо, випромінювач віддаляється від нерухомого приймача, то останній прийматиме в одиницю часу менше хвиль в порівнянні з випадком незмінної відстані між випромінювачем і приймачем. Тобто довжини хвиль збільшуються, а частота відповідно зменшується. У разі наближення випромінювача до приймача картина міняється на зворотну – в одиницю часу сприймаєтьсябільше хвиль, тобто хвилі стають коротшими і частота збільшується.Якщо передавач, встановлений, наприклад, на супутнику що рухається, випромінює радіохвилі з незмінною частотою f, то сприймана приймачем частота рівна :fпр = f [1 ± (V/v)], (2.21) де V – радіальна швидкість супутника (проекція вектора швидкості на напрям «супутник – приймач »), v – швидкість електромагнітних хвиль (в середовищі). Знак в дужках залежить від напряму руху.Таким чином, частота, що приймається, відрізняється від випромінюваної на величину Δfд = |fпр – f | = f (V/v) (2.22) звану допплерівським зсувом (або зсувом) частоти, або просто допплерівською частотою. Окрім «супутникового випадку» з випромінюванням радіохвиль, допплерівський зсув має місце і в оптичному діапазоні, зокрема, при віддзеркаленні світла від дзеркала, що рухається, при роботі лазерних інтерферометрів переміщень. В цьому випадку світло від лазера з частотою ν (цією буквою прийнято позначати частоту в оптичному діапазоні), перш ніж потрапити в приймач, проходить подвійну відстань – до дзеркала (відбивача), що рухається, і назад, і формула (2.22) набуває вигляд: Δνд = ν (2V/v) (2.23) де V – швидкість руху відбивача, v – швидкість світла в повітрі. Оскільки V/v = 1/λ, то (2.23) можна переписати у вигляді:Δνд = 2V/λ. (2.24)

• 
  Слайд 20
  

  ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ: 1. Що таке лазер?2. З чого складається лазер?3. Джерело накачки перевело активне середовище в стан з інверсною населеністю енергетичних рівнів. При переході атомів назад на нижній рівень випускаються фотони, які створюють спонтанне випромінювання. Які з фотонів ініціюють перетворення спонтанного випромінювання в стимульоване?4. В чому полягає роль резонатора в лазері?5. Ширина смуги підсилення активного середовища гелій-неонового лазера складає 1500МГц. Скільки поздовжніх мод міститься в спектрі випромінювання, якщо довжина резонатора дорівнює 30см? Швидкість світла в резонаторі прийняти рівній 300000000 м/с?6. Що являє собою монохроматичне випромінювання?7. Що використовується для вимірювання відстаней до ШСЗ?8. В результаті чого утворюється допплерівський зсув?9. Рухомий передатчик, встановлений на супутнику, випромінює радіохвилі з частотою 1500МГц. Чому дорівнює допплерівський зсув частоти (в кілогерцах), яка приймається нерухомим наземним приймачем, якщо радіальна швидкість супутника в (десять в степені шість) раз менше швидкості радіохвиль?10. He-Ne лазер інтерферометра випромінює світло з довжиною хвилі 0,6 мкм. З якою швидкістю (в м/с) рухається відбивач інтерферометра, якщо допплерівський зсув оптичної частоти складає 1МГц?