Московский государственный университет печати

Сидоров А.С.


         

Электронные устройства полиграфического оборудования: Ч. 2. Лазеры в полиграфии

Учебное пособие


Сидоров А.С.
Электронные устройства полиграфического оборудования: Ч. 2. Лазеры в полиграфии
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Введение

1.

Лазерное излучение

1.1.

Физические принципы

1.2.

Возбуждение, автоматическая фокусировка, частотный спектр лазерных колебаний

1.3.

Энергетические характеристики, режимы действия лазеров

2.

Лазеры

2.1.

Сведения общего характера

2.2.

Твердотельные лазеры

2.3.

Газовые лазеры

2.4.

Полупроводниковые лазеры

3.

Преобразователи лазерного излучения

3.1.

Базовые физические эффекты

3.2.

Поляризационные призмы и пластины

3.3.

Электрооптические модуляторы и дефлекторы

3.4.

Акустооптические преобразователи

4.

Оптико-электронное оснащение лазеров

4.1.

Принципы и схемы оптического сканирования

4.2.

Способы и средства лазерного сканирования

4.3.

Оптические преобразователи лазерного излучения

4.4.

Оптическое соединение полупроводниковых лазеров и волоконных световодов

4.5.

Схемотехника управления полупроводниковыми лазерами

5.

Лазеры в устройствах получения, преобразования и передачи информации

5.1.

Сканеры, читающие автоматы

5.2.

Голография

5.3.

Измерительная техника

5.4.

Волоконно-оптические линии связи

6.

Лазерная техника отображения и записи информации

6.1.

Фотонаборные машины и автоматы

6.2.

Принтеры, электрофотографические аппараты

6.3.

Системы компьютер - печатная форма

6.4.

Оптические запоминающие устройства и среды

Библиографический список

Указатели
37  именной указатель
349  предметный указатель
534  указатель иллюстраций

4.
Оптико-электронное оснащение лазеров

Оптическое сканирование, параллельный ввод информации об оптических свойствах объектов. Винтовой, зигзагообразный, спиральный, конический просмотр зоны (объекта). Лазерные сканирующие устройства: принципы, способы и схемы построения. Оптическое и оптико-механическое обеспечение лазерного сканирования. Позиционирование и синхронизация лазерного луча. Волоконные световоды в системах с полупроводниковыми лазерами. Техника соединения лазеров и световодов; цилиндрические, сферические, стержневые линзы. Схемотехника управления полупроводниковыми лазерами. Возбуждение, модуляция, ретрансляция лазерного излучения. Стабилизация мощности излучения по электрическим и оптическим каналам.

4.1.
Принципы и схемы оптического сканирования

4.1. Пояснить термин «сканирование» с акцентом на оптическое обеспечение процесса.

СканированиеСканирование (от англ. scan - поле зрения) рассматривается ссылка на источники литературы как управляемое пространственное перемещение по заданному закону достаточно узкого целенаправленного физического (материального) излучения (потока радиоволн, пучка электронов, луча света). Вместе с тем сканирование естественно воспринимать как процесс систематического (последовательного) обзора ограниченной зоны (области, сферы) при строго ориентированном перемещении радиолуча, электронного пучка, оптического луча по определенному маршруту и закону. Сканирование позволяет обнаружить объекты, находящиеся в зоне обзора, наблюдать за ними, считывать и вводить информацию о характеристиках и свойствах объектов.

Оптическое сканированиеОптическое сканирование осуществляется тщательно сфокусированным, целенаправленным лучом света. Этим достаточно жестким условиям в наибольшей степени отвечает оптическое излучение газовых и твердотельных лазеров.

4.2. Рассмотреть принципы, схему, процессы одномерного (линейного) оптического сканирования плоского объекта узким (игольчатым) лучом, исследуя (моделируя) оптические характеристики объекта в проходящем свете.

Игольчатым называется луч света, интенсивность которого по всей длине сосредоточена в области (сечении) весьма небольшой площади. Как правило, предполагается ссылка на источники литературы также, что игольчатый луч симметричен относительно основного направления максимальной интенсивности излучения.

В конкретный момент времени узкий луч света неизменного уровня Φ0 освещает отдельный участок (фрагмент) одномерного (линейного) объекта (например, строки текста) и создает на этом участке сканирующее (световое) пятно (рис. 4.1, аРис. 4.01. Одномерное оптическое сканирование плоского объекта игольчатым лучом (в проходящем свете)). Далее сканирующее пятно ритмично сдвигается (на рисунке вправо) вдоль объекта, освещая новые его фрагменты. Предполагаемые границы освещаемых фрагментов показаны на рис. 4.1, аРис. 4.01. Одномерное оптическое сканирование плоского объекта игольчатым лучом (в проходящем свете) пунктирными линиями.

Потоки света Φпр, проходящие через фрагменты полупрозрачного объекта, далее регистрируются многоэлементным фотоприемником (рис. 4.1, бРис. 4.01. Одномерное оптическое сканирование плоского объекта игольчатым лучом (в проходящем свете)), причем каждому фрагменту объекта соответствует определенный фоточувствительный элемент фотоприемника. Если фотоприемник является полупроводниковым, то в освещаемом фоточувствительном элементе за счет внутреннего фотоэффекта генерируется заряд электронов, уровень которого пропорционален экспозиции (интенсивности падающего света и длительности освещения). Этот заряд по окончании заданного интервала сканирования передается в выходное устройство фотоприемника, которое формирует видеосигнал электрического напряжения или тока (рис. 4.1, вРис. 4.01. Одномерное оптическое сканирование плоского объекта игольчатым лучом (в проходящем свете)). Амплитуда такого видеосигнала строго соответствует световому потоку Φпрi, проходящему через i-й фрагмент объекта, и, таким образом, дает четкую информацию об оптической плотности объекта в контролируемой части.

Тем самым оптическое сканирование дает возможность преобразовать оптические характеристики линейного объекта (рис. 4.1, аРис. 4.01. Одномерное оптическое сканирование плоского объекта игольчатым лучом (в проходящем свете)) в пакет фотогенерированных зарядов разного уровня и далее в последовательность электрических видеосигналов различной амплитуды.

4.3. Отметить особенности линейного сканирования плоского объекта (рис. 4.1, аРис. 4.01. Одномерное оптическое сканирование плоского объекта игольчатым лучом (в проходящем свете)) при исследовании его оптических характеристик в отраженном свете.

В этом случае Оптическое сканированиесканирование происходит по уже рассмотренному циклу (рис. 4.1, аРис. 4.01. Одномерное оптическое сканирование плоского объекта игольчатым лучом (в проходящем свете)), но фоточувствительные элементы многоэлементного фотоприемника поочередно воспринимают потоки света Φотрi, отраженные от соответствующих фрагментов исследуемого объекта (рис. 4.2Рис. 4.02. Одномерное оптическое сканирование плоского объекта игольчатым лучом (в отраженном свете)). Существенно не изменяются временные диаграммы (рис. 4.1, вРис. 4.01. Одномерное оптическое сканирование плоского объекта игольчатым лучом (в проходящем свете)) формирования выходных видеосигналов. Очевидно, однако, что в варианте (рис. 4.2Рис. 4.02. Одномерное оптическое сканирование плоского объекта игольчатым лучом (в отраженном свете)) амплитуда видеосигналов определяется в первую очередь коэффициентом отражения r сканируемого света Φ0 от объекта (а не коэффициентом пропускания τ, как в предыдущем варианте).

4.4. Рассмотреть принципы, схему, процессы параллельного ввода информации плоским оптическим лучом. Выделить элементы сканирования в рассматриваемом цикле получения и преобразования данных об оптических характеристиках объекта.

Согласно ссылка на источники литературы плоским называется Плоский лучлуч, у которого угол раствора в одной плоскости много меньше, чем в другой. Плоский луч имеет по всей длине сечение, подобное светоизлучающей щели: достаточно широкое - в одном (например, горизонтальном) направлении, весьма узкое - в другом (вертикальном).

Использование плоского оптического луча позволяет одновременно освещать все фрагменты одномерного (линейного) объекта потоками света одинаковой величины Φ0 (рис. 4.3, аРис. 4.03. Параллельный ввод информации плоским лучом). Каждый фрагмент объекта имеет непосредственную оптическую связь с соответствующим элементом многоэлементного фотоприемника. Поэтому элементы фотоприемника одновременно воспринимают и регистрируют потоки света Φпрi, проходящие через i-е фрагменты исследуемого объекта.

В каждом элементе полупроводникового фотоприемника за счет внутреннего фотоэффекта генерируются и накапливаются заряды, уровень которых пропорционален конкретным величинам падающих потоков света Φпрi. Далее по известной схемотехнике (с использованием многофазного импульсного возбуждения элементов фотоприемника) ссылка на источники литературы накопленный пакет фотогенерированных зарядов переводится в выходное устройство, где формируется в виде последовательности электрических видеосигналов (рис. 4.3, бРис. 4.03. Параллельный ввод информации плоским лучом). Эти сигналы поочередно поступают в выходную цепь устройства по окончании импульса оптического излучения, освещающего объект, с прекращением процесса накопления фотогенерированного заряда.

В устройстве (рис. 4.3, аРис. 4.03. Параллельный ввод информации плоским лучом) осуществляется одновременный параллельный ввод информации, без элементов входного сканирования, характерных для последовательного ввода информации (см. рис. 4.1, аРис. 4.03. Параллельный ввод информации плоским лучом). Вместе с тем последовательное смещение заряда, накопленного в элементах фотоприемника, к его выходу путем импульсного, многофазного возбуждения элементов можно (в значительной степени условно) считать процессом сканирования (по существу считывания) накопленной информации. Такое развитие процесса может быть названо самосканированием ссылка на источники литературы.

4.5. Рассмотреть варианты Оптическое сканированиедвумерного (двухкоординатного) оптического сканирования объекта (зоны, пространства) узким (игольчатым) лучом света.

Выделим три характерных варианта двумерного сканирования ссылка на источники литературы, представленных на рис. 4.4Рис. 4.04. Двумерное оптическое сканирование объекта узким лучом света. На рисунках показаны объекты (плоскости) сканирования, сканирующие (световые) пятна (заштрихованные квадраты) и маршруты их движения в процессе сканирования.

В базовом варианте (рис. 4.4, аРис. 4.04. Двумерное оптическое сканирование объекта узким лучом света) двухкоординатный просмотр объекта сканирующим пятном осуществляется последовательно и построчно. Сканирующее пятно ритмично проходит первую строку (линейку) слева направо и скачком (достаточно быстро) переходит к началу второй строки, которую далее в заданном ритме проходит слева направо. Эта схема движения светового пятна выдерживается при сканировании последующих строк двумерного объекта.

В варианте (рис. 4.4, бРис. 4.04. Двумерное оптическое сканирование объекта узким лучом света) осуществляется последовательно-последовательный просмотр объекта сканирующим пятном. По уже рассмотренной методике «чисто» последовательного сканирования (рис. 4.4, аРис. 4.04. Двумерное оптическое сканирование объекта узким лучом света) просматривается лишь определенная зона (в данном случае третья часть) объекта.

По окончании этого просмотра сканирующее пятно быстро переходит к началу второй зоны (в центре объекта) и последовательно просматривает эту зону по первоначальному маршруту. На заключительном этапе сканируется последняя (правая, третья) зона объекта.

В варианте (рис. 4.4, вРис. 4.04. Двумерное оптическое сканирование объекта узким лучом света), который естественно считать последовательно-параллельным, все (три) выделенные зоны объекта сканируются одновременно (параллельно) по маршруту последовательного сканирования (рис. 4.4, аРис. 4.04. Двумерное оптическое сканирование объекта узким лучом света).

4.6. Рассмотреть принципы и варианты параллельного ввода информации об оптических характеристиках двумерного (двухкоординатного) объекта.

В основном техническом варианте (рис. 4.5, аРис. 4.05. Параллельный ввод информации об оптических характеристиках двумерного объекта) исследуемый объект освещается неизменным потоком света Φ0 одновременно и полностью (по всей площади). Проходящий свет Φпр в зависимости от оптической плотности различных фрагментов объекта имеет неодинаковую интенсивность. Далее оптический поток Φпр воспринимается многоэлементным фотоприемником (матричным фоточувствительным прибором с зарядовой связью или с инжекцией заряда). Дальнейшие операции, обеспечивающие восприятие, накопление, сдвиг (перенос) и вывод оптической информации в форме пакетов фотогенерированных электронов и электрических видеосигналов, детально отработаны ссылка на источники литературы.

Успешно используется также частичный оптический просмотр объекта (рис. 4.5, б)Рис. 4.05. Параллельный ввод информации об оптических характеристиках двумерного объекта по методике «чисто» параллельного ввода оптической информации (рис. 4.5, аРис. 4.05. Параллельный ввод информации об оптических характеристиках двумерного объекта). При этом Сканирующее пятносканирующее пятно, занимающее лишь часть площади объекта, сдвигается последовательно вдоль поверхности объекта, попеременно освещая необходимые (заданные) участки и зоны. Такой оптический просмотр объекта является по существу параллельно-последовательным.

Параллельный просмотр и ввод оптической информации по схемам (рис. 4.5Рис. 4.05. Параллельный ввод информации об оптических характеристиках двумерного объекта) имеет ряд существенных преимуществ: высокое быстродействие, четкую организацию информационных операций, добротную микроэлектронную базу.

4.7. Рассмотреть и наглядно (объемно) представить перемещение узкого (игольчатого) сканирующего луча при винтовом, зигзагообразном, спиральном и коническом просмотре зоны (объекта).

Варианты такого сканирования разнообразны ссылка на источники литературы и широко применяются в радиолокации. В полиграфии эти технические приемы используются не столь активно, но по существу могут быть полезны, например, в системах технического зрения.

При сканировании игольчатым лучом сложное движение луча целесообразно рассматривать в виде двух простых движений: переносного и относительного. Переносное (поступательное) движение совершается вокруг неподвижной оси. Относительное движение небольшого радиуса происходит вокруг движущейся оси и обеспечивает дополнительный (локальный) осмотр зоны (объекта) в процессе сканирования.

На рис. 4.6, аРис. 4.06. Перемещение игольчатого сканирующего луча при винтовом, зигзагообразном, спиральном и коническом просмотре зоны показано перемещение луча при винтовом сканировании: переносное движение луча - вращательное с постоянной угловой скоростью; относительное движение луча - колебательное (в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения) со значительно меньшей скоростью.

На рис. 4.6, б, вРис. 4.06. Перемещение игольчатого сканирующего луча при винтовом, зигзагообразном, спиральном и коническом просмотре зоны представлено перемещение луча при зигзагообразном сканировании. При этом учтено, что переносное и относительное движения луча - колебательные, но с различным соотношением скоростей.

Рис. 4.6, гРис. 4.06. Перемещение игольчатого сканирующего луча при винтовом, зигзагообразном, спиральном и коническом просмотре зоны иллюстрирует перемещение луча при спиральном сканировании. Переносное движение такого луча является вращательным, а относительное - колебательным (но в данном примере - с меньшей скоростью).

На рис. 4.6, дРис. 4.06. Перемещение игольчатого сканирующего луча при винтовом, зигзагообразном, спиральном и коническом просмотре зоны показано перемещение луча при поступательно-коническом сканировании. Учитывается, что переносное движение луча - колебательное, а относительное - вращательное (но со значительно большей скоростью). Частный, но распространенный случай поступательно-конического сканирования - «чисто» коническое сканирование - иллюстрируется рис. 4.6, еРис. 4.06. Перемещение игольчатого сканирующего луча при винтовом, зигзагообразном, спиральном и коническом просмотре зоны. В этом случае движение луча является вращательным (круговым), а направление максимальной интенсивности излучения ОА смещено относительно оси вращения ОО? на постоянный угол α.

4.2.
Способы и средства лазерного сканирования

4.8. Пояснить особенности использования лазерного сканирования в полиграфической технике ввода (считывания, преобразования) и вывода (формирования, записи) изображений.

Разделяют процессы входного и выходного Лазерное сканированиелазерного сканирования ссылка на источники литературы; именно в этих режимах лазеры используются в полиграфии наиболее часто, эффективно и ярко. В первом режиме сканирование лазерным лучом позволяет преобразовать информацию, содержащуюся в двумерном оптическом изображении, в серию одномерных электрических сигналов. Во втором режиме изобразительная информация, физическими носителями которой являются электрические сигналы с переменной (модулированной) амплитудой, частотой, длительностью, путем лазерного сканирования развертывается в двумерное оптическое изображение.

В процессе входного сканирования тщательно сфокусированный лазерный луч перемещается и последовательно освещает небольшие участки (фрагменты) изображения. Реакция объекта на такое локальное (точечное) лазерное воздействие в приходящем или отраженном свете воспринимается фотоприемником, который на каждом этапе (шаге) сканирования формирует электрический видеосигнал. Амплитуда конкретного видеосигнала четко соответствует оптической плотности освещенного фрагмента изображения. Таким образом, последовательность (серия, пакет) видеосигналов заряда, тока, напряжения дискретно представляет (отражает) в импульсной электрической форме оптическую картину регистрируемого изображения. Входное сканирование применяется для считывания, регистрации, ввода, анализа, коррекции изображений в сканерах, читающих и гравировальных автоматах, устройствах цифрового кодирования иллюстраций и шрифтов, цветокорректорах.

В процессе выходного сканирования лазерный луч перемещается по поверхности материала, чувствительного к оптическим воздействиям.

Такой светочувствительной средой могут служить фотопроводящие и электрофотографические слои, фото- и термочувствительные пленки. Реакция конкретного светочувствительного материала на внешнее оптическое (лазерное) воздействие зависит от характеристик (мощности, интенсивности, длительности) лазерного импульса. Модулируя эти характеристики лазерного луча электрическими сигналами, однозначно связанными с оптической плотностью фрагментов изображения (оригинала), можно воспроизвести изображение (получить репродукцию, оттиск, копию исходной оптической картины) на светочувствительном материале. Лазерное выходное сканирование используется для вывода, отображения, формирования, записи изображений в принтерах и электрографических аппаратах, формных и печатных автоматах.

Лазерное сканированиеЛазерное сканирование в рассматриваемых (входном и выходном) режимах и процессах существенно различается по функциональным и техническим признакам, нацелено на различные области применения. Однако технические средства входного и выходного лазерного сканирования различаются не столь существенно (во многом однотипны).

4.9. Указать особенности Дискретное сканированиедискретного (растрового) сканирования изображений.

В процессе входного лазерного сканирования изображения световое пятно (луч лазера) продвигается по поверхности сканируемого объекта последовательно и ритмично, но дискретно (с небольшим шагом), считывая лишь отдельные фрагменты (растровые элементы) изображения. Таким образом, при подобном сканировании изображение разделяется (растрируется) на отдельные микроэлементы (точки, отрезки, линии) и в дальнейшем обрабатывается, хранится, воспроизводится в дискретной (растрированной) форме.

При выходном лазерном сканировании изображение формируется постепенно из отдельных растровых элементов: линий, отрезков, точек. Эти элементы записывает лазерный луч, причем световое пятно, созданное лазером на поверхности материала, чувствительного к оптическим воздействиям, последовательно (с определенным шагом) перемещаясь в горизонтальном и (или) вертикальном направлениях, обходит в итоге всю фоточувствительную площадь материала, на которой записывается изображение.

Процессы растрирования, используемые при считывании и записи изобразительной информации, непосредственно влияют на оптико-механические способы и средства лазерного сканирования изображений.

4.10. Рассмотреть схемы и маршруты оптико-механической развертки изображений (рис. 4.7Рис. 4.07. Оптико-механическая развертка изображений в лазерных сканирующих устройствах), применяемой в лазерных сканирующих устройствах ссылка на источники литературы.

Согласно ссылка на источники литературы в полиграфии, как правило, используется метод прямоугольного линейного растрового сканирования изображений. При таком сканировании лазерный луч перемещается (разворачивается) вдоль прямых линий (строк), расположенных весьма близко, сканирование одной линии заканчивается быстрым переходом луча к началу следующей (смежной) линии.

На рис. 4.7Рис. 4.07. Оптико-механическая развертка изображений в лазерных сканирующих устройствах представлены варианты лазерного сканирования изображений, формируемых на светочувствительном материале, который размещается на плоской основе (рис. 4.7, аРис. 4.7. Оптико-механическая развертка изображений в лазерных сканирующих устройствах) или на цилиндрической поверхности (рис. 4.7 б, гРис. 4.07. Оптико-механическая развертка изображений в лазерных сканирующих устройствах). В вариантах (рис. 4.7 а , бРис. 4.07. Оптико-механическая развертка изображений в лазерных сканирующих устройствах) на светочувствительном материале записываются линейные растровые линии, а в двух других вариантах используется цилиндрическая запись на внутреннюю (рис. 4.7, вРис. 4.07. Оптико-механическая развертка изображений в лазерных сканирующих устройствах) или на внешнюю (рис. 4.7, гРис. 4.07. Оптико-механическая развертка изображений в лазерных сканирующих устройствах) поверхности цилиндра.

Растровая развертка обеспечивается по двум ортогональным составляющим - строчной разверткой (по оси х) и кадровой разверткой (по оси у), которая создает необходимый интервал между соседними строками. Обычно изображение непрерывно формируется вдоль оси х (отклонением лазерного луча) и дискретно вдоль оси у (сдвигом светочувствительного материала).

4.11. Рассмотреть состав и взаимодействие компонентов, пояснить принцип действия Лазерный сканерлазерного сканирующего устройства ссылка на источники литературы, представленного на рис. 4.8Рис. 4.08. Лазерное сканирующее устройство.

Лазер 1 служит источником когерентного оптического излучения, интенсивность которого существенно изменяется модулятором 2. Модулятор управляется электрическими сигналами, отражающими оптическую картину считываемого изображения (оригинала). Телескопическая система 3 расширяет лазерный пучок и уменьшает его расходимость. Система 3 состоит из двух компонентов: объекта, воспринимающего лазерное излучение, и окуляра, формирующего выходные лучи света. Введены зеркала (плоские 4, 9, 10 и сферические 8), объектив 5, многогранный призменный дефлектор 6. Изображение записывается на фотоматериал 7.

В сканирующем устройстве (рис. 4.8Рис. 4.08. Лазерное сканирующее устройство) луч лазера 1 проходит через модулятор 2 и телескопическую систему 3, отражается от зеркал 4 и 10, существенно изменяя направление, и через фокусирующий объектив 5 попадает на грань дефлектора 6. Призма 6 непрерывно вращается с большой частотой. Лазерный луч, отраженный от грани дефлектора 6 и далее от зеркал 8 и 9, достигает фотоматериала 7 и смещается в его плоскости, формируя линию (строку) изображения. Таким образом, особенностью рассматриваемого устройства является послеобъективная развертка изображения. В свою очередь сферическое зеркало 8 и зеркало 10 (с пьезоэлементом) позволяют компенсировать (устранить) искажения при записи изображения, возникающие из-за криволинейности поверхности фотоматериала и неодинакового наклона граней (зеркал) призмы 6.

По данным ссылка на источники литературы, в Лазерный сканерсканирующем устройстве (рис. 4.8Рис. 4.08. Лазерное сканирующее устройство) для горизонтальной развертки изображения используются аргоновый лазер и призменный дефлектор, вращающийся с частотой 4 тыс.об/мин. Частота вращения призмы контролируется тахометром. Изображение записывается лазерным пятном диаметром 25 мкм на формат А2 с линиатурой 400 лин/см. Время вывода полос формата А2 составляет примерно 1 мин.

4.12. Рассмотреть схему построения и принцип действия лазерного сканирующего устройства (рис. 4.9Рис. 4.09. Лазерное сканирующее устройство с субрастровой записью изображений) с субрастровой записью изображений ссылка на источники литературы.

Особенностью такой записи изображений является формирование в процессе горизонтальной развертки строки вертикальной линии (субрастра) высотой h, составляющей несколько миллиметров. Таким образом, Фотоматериалфотоматериал экспонируется полосами площадью h × l, где l - длина горизонтальной строки развертки. После завершения экспонирования полосы фотоматериал сдвигается ортогонально строке на величину h.

Устройство (рис. 4.9Рис. 4.09. Лазерное сканирующее устройство с субрастровой записью изображений), реализующее принцип субрастровой записи изображений, содержит лазер 1, отражающие зеркала 2 и 3, модулятор 4, управляющий интенсивностью лазерного пучка, и телескопическую систему 5, уменьшающую его расходимость, дефлектор 6, отклоняющий луч на высоту h перпендикулярно строке изображения, объектив, состоящий из двух компонентов 7 и 8, фокусирующий лазерный луч на фотоматериал 10, колеблющееся зеркало 9, осуществляющее развертку лазерного луча по строке длиной l.

В процессе сканирования луч лазера 1, отражаясь от системы зеркал 2 и 3, достигает модулятора 4. Это устройство управляется импульсами электрического напряжения и в зависимости от оптической плотности фрагментов записываемого черно-белого изображения пропускает лазерный луч или перекрывает канал его дальнейшего продвижения. Модулированный пучок лазерного излучения далее, проходя через телескопическую систему 5, акустооптический дефлектор 6, фокусирующий объектив 7-8 и отражаясь от колеблющегося зеркала 9, достигает фотоматериала 10 и формирует на его поверхности горизонтальную полосу площадью h × l.

Следует отметить, что в данном сканирующем устройстве, как и в ранее рассмотренном устройстве (рис. 4.8Рис. 4.08. Лазерное сканирующее устройство), обеспечивается послеобъективная развертка изображений.

4.13. Рассмотреть схему построения и принцип действия лазерного сканирующего устройства (рис. 4.10Рис. 4.10. Лазерное сканирующее устройство с дообъективной разверткой изображения) с дообъективной разверткой изображения ссылка на источники литературы.

Лазерный сканерСканирующее устройство содержит аргоновый лазер 1, модулятор 6, дефлекторы 9 и 11 (с вращающимся зеркалом), отражающие (поворотные) зеркала 2, 4, 7, 8, 10 и 13, полупрозрачное зеркало 3, телескопы 5 и 15, объектив 12. Дополнительно введены растровая линейка 16 и кварцевый параллелепипед 17, боковые грани которого покрыты алюминием, а на торцах размещены фотоэлектрические умножители 18 и 19. Лазерный луч записывает изображение на плоскость фоточувствительного материала 14.

Луч лазера 1 отражается от плоского зеркала 2 и расщепляется зеркалом 3 на два луча: основной (показанный далее непрерывными линиями) луч, осуществляющий запись изображения, и вспомогательный (показанный пунктирными линиями) луч, обеспечивающий синхронизацию развертки. Основной луч отражается от зеркала 4, расширяется телескопом 5 и направляется в модулятор 6, который изменяет интенсивность луча по закону, заданному исходным изображением (оригиналом). Модулированный лазерный луч поворотными зеркалами 7 и 8 направляется в акустооптический дефлектор 9, который отклоняет луч в вертикальном направлении (перпендикулярно основному горизонтальному направлению луча). После дефлектора, отражаясь от зеркала 10, лазерный пучок попадает на вращающееся зеркало дефлектора 11, ориентированного на горизонтальную развертку. Объектив 12 с отражением от зеркала 13 фокусирует лазерный луч на плоскость фотоматериала 14. Таким образом, в рассматриваемом сканирующем устройстве запись изображения осуществляется на основе оптической системы дообъективной развертки.

Вспомогательный лазерный луч, отраженный зеркалом 3, расширяется телескопом 15, разворачивается подвижным зеркалом дефлектора 11 и фокусируется объективом 12 на растровую линейку 16. Лучи, прошедшие через линейку, собираются параллелепипедом 17. Фотоэлектрические умножители 18 и 19 преобразуют световые сигналы в электрические, которые, в свою очередь, обеспечивают синхронизацию развертки.

4.14. Указать оптические, оптико-механические, электро- и акустооптические средства, которые применяются в технике лазерного сканирования изображений.

Ритмичное широкодиапазонное отклонение лазерного луча, обеспечивающее в конечном счете построчное Лазерное сканированиесканирование Фотоматериалфотоматериала, осуществляется колебательными или вращающимися зеркальными дефлекторами: плоскими, призменными, многогранными. Разнообразен набор зеркал: плоских, сферических, непрозрачных и полупрозрачных, обеспечивающих отражение, отклонение, поворот, пропускание лазерных лучей. Эти же функции в той или иной мере могут выполнять отражающие и преломляющие призмы. Важная роль в технике формирования лазерных лучей и пучков отводится собирающим, рассеивающим, преобразующим линзам, объективам, телескопам. Управляемую модуляцию лазерного излучения осуществляют электро- и акустооптические модуляторы. Дозированное отклонение лазерных лучей обеспечивают акустооптические дефлекторы.

4.15. Пояснить состав и действие оптико-механических устройств ссылка на источники литературы, обеспечивающих сканирование лазерным лучом внутренней (рис. 4.11, аРис. 4.11. Сканирование лазерным лучом внутренней (а) и внешней (б) поверхностей цилиндра) и внешней (рис. 4.11, бРис. 4.11. Сканирование лазерным лучом внутренней (а) и внешней (б) поверхностей цилиндра) поверхностей цилиндра.

Рассматриваемые технические решения имеют прямое отношение к Лазерный сканерлазерным сканирующим устройствам с цилиндрической записью изображений на фоточувствительные материалы, закрепленные на внутренней (см. рис. 4.7, вРис. 4.07. Оптико-механическая развертка изображений в лазерных сканирующих устройствах) или на внешней (см. рис. 4.07, гРис. 4.07. Оптико-механическая развертка изображений в лазерных сканирующих устройствах) поверхности цилиндра. Устройства содержат лазер 1, объектив 2, поворотные зеркала 3, сканируемый цилиндр 4, противовес 5 для балансировки.

По схеме, приведенной на рис. 4.11, аРис. 4.11. Сканирование лазерным лучом внутренней (а) и внешней (б) поверхностей цилиндра, сканируется внутренняя поверхность цилиндра, причем используется только одно поворотное зеркало, располагаемое на оптической оси, совмещенной с осью вращающейся системы. Это зеркало также перемещается вместе с объективом параллельно поверхности цилиндра, обеспечивая кадровую развертку. Компактное устройство (рис. 4.11 аРис. 4.11. Сканирование лазерным лучом внутренней (а) и внешней (б) поверхностей цилиндра), обладает очевидными техническими достоинствами; однако в таком варианте сканирования затруднителен визуальный контроль воспроизводимого изображения.

На рис. 4.11, бРис. 4.11. Сканирование лазерным лучом внутренней (а) и внешней (б) поверхностей цилиндра представлен второй вариант вращающейся фокусирующей системы, в котором осуществляется сканирование внешней поверхности цилиндра. В таком устройстве обеспечивается надежное крепление освещаемого фотоматериала и четко контролируется процесс записи изображения. Однако оптическая система устройства, содержащая несколько жестко фиксированных поворотных зеркал, становится достаточно сложной.

Возможны различные комбинации представленных устройств сканирования; в зависимости от конкретных технических решений функции вращения и перемещения по образующей могут распределяться между объективом и цилиндром.

4.16. Рассмотреть варианты оптико-механических дефлекторов лазерных лучей ссылка на источники литературы, представленные на рис. 4.12Рис. 4.12. Оптико-механические дефлекторы лазерных лучей.

Представлены дефлекторы с плоским колеблющимся зеркалом (рис. 4.12, аРис. 4.12. Оптико-механические дефлекторы лазерных лучей), вращающиеся призменные дефлекторы с одной отражающей зеркальной поверхностью (рис. 4.12, бРис. 4.12. Оптико-механические дефлекторы лазерных лучей) и с многими зеркальными гранями (рис. 4.12 в, гРис. 4.12. Оптико-механические дефлекторы лазерных лучей).

В дефлекторе (рис. 4.12, аРис. 4.12. Оптико-механические дефлекторы лазерных лучей) плоское зеркало укреплено на роторе двигателя, жестко соединенном с пружиной, создающей вращательный момент. Управление дефлектором для сканирования луча с постоянной скоростью осуществляется генератором линейно изменяющегося напряжения. Согласно данным ссылка на источники литературы угол отклонения колеблющихся дефлекторов достигает 40°. Однако частота колебаний зеркала дефлектора невысока (сотни герц), а скорость сканирования невелика.

Высокое качество записи изображений обеспечивает дефлектор с вращающейся трехгранной призмой, имеющей одну зеркальную грань (рис. 4.12, бРис. 4.12. Оптико-механические дефлекторы лазерных лучей). Однако и в этом техническом варианте скорость сканирования оказывается относительно небольшой.

Использование многогранных пирамидальных (рис. 4.12, вРис. 4.12. Оптико-механические дефлекторы лазерных лучей) и призменных (рис. 4.12, гРис. 4.12. Оптико-механические дефлекторы лазерных лучей) дефлекторов позволяет существенно (пропорционально числу граней) увеличить скорость сканирования. В лазерных сканирующих устройствах применяются зеркальные пирамиды и призмы с числом граней от 3 до 8 ссылка на источники литературы; известны призменные дефлекторы с 12 и даже 24 зеркальными гранями ссылка на источники литературы. Следует, однако, учитывать, что изготовление многогранных зеркальных дефлекторов с необходимой весьма высокой точностью является сложной технологической задачей.

4.17. Пояснить механизм, выделить технические погрешности сканирования лазерного луча с помощью многогранного зеркального дефлектора ссылка на источники литературы.

Согласно рис. 4.13Рис. 4.13. Сканирование лазерного луча многогранным зеркальным дефлектором лазерный луч 1, отраженный от одной из зеркальных граней дефлектора 2, попадает на поверхность фотопроводящего материала 3. В процессе вращения дефлектора угол наклона отражающей грани призмы относительно оси, перпендикулярной поверхности фотоматериала, непрерывно изменяется; при этом отраженный луч на рассматриваемой стадии проходит строку сканируемого изображения. Число таких проходов за один оборот (период) вращения дефлектора равно числу отражающих зеркальных граней призмы.

При таком Лазерное сканированиелазерном сканировании изображение записывается на Фотоматериалфотоматериале с характерными искажениями. Следует учитывать, что фокус 4 лазерного луча 1 (рис. 4.13Рис. 4.13. Сканирование лазерного луча многогранным зеркальным дефлектором) перемещается по дуге окружности, фотоматериал 3, размещенный на плоской или цилиндрической основе, имеет в плоскости сканирования ровную (прямолинейную) поверхность, многогранный призменный дефлектор 2 вращается с постоянной скоростью.

В процессе сканирования фокус 4 лазерного луча оказывается, в основном, вне (выше или ниже) поверхностной линии (строки) сканирования Фотоматериалфотоматериала. Поэтому размеры (диаметр) лазерного пятна на фотоматериале изменяются вдоль линии развертки, а форма лазерного пятна не остается постоянной. Вместе с тем расстояние между отражающей гранью призмы и поверхностью фотоматериала (по линии развертки) не остается постоянным (увеличивается от центра к краям фотоматериала), из-за чего скорость движения лазерного пятна по поверхности фотоматериала непрерывно изменяется. Таким образом, лазерная развертка строки изображения оказывается нелинейной.

4.18. Представить и пояснить способы и технические средства, позволяющие устранить Погрешности при сканированиипогрешности лазерного сканирования Фотоматериалфотоматериала с использованием вращающихся зеркальных дефлекторов ссылка на источники литературы.

Эффективным оказывается введение параболического полностью отражающего зеркала между многогранным призменным дефлектором и плоскостью развертки лазерного луча (на поверхности фотоматериала). В такой оптической системе фокус лазерного луча перемещается строго по линии развертки и все искажения, связанные с нарушением фокусировки лазерного излучения на поверхности фотоматериала, устраняются. По данным ссылка на источники литературы, в сканирующих лазерных устройствах с параболическими зеркалами искажения записываемого изображения не превышают 0,02% при углах развертки до 40°.

Устранение дефектов сканирования и записи изображения, связанных с нелинейностью строчной развертки, достигается применением фокусирующих fθ-объективов, в которых искусственно вводится необходимая дисторсия (искривление). При этом существенно повышается линейность строчной развертки.

4.19. Пояснить действие формирователя символов (рис. 4.14Рис. 4.14. Стробирование лазерного луча с помощью временной шторки), в котором стробирование лазерного луча осуществляется с помощью временной шторки ссылка на источники литературы.

Скорость сканирования лазерным лучом поверхности Фотоматериалфотоматериала (с использованием многогранного зеркала) непостоянна. Расстояние между отражающей гранью зеркала и поверхностью фотоматериала увеличивается от центра к краям; поэтому расстояние, которое лазерный луч проходит к краю фотоматериала, заметно больше, чем к середине экспонируемого объекта. Необходимо, чтобы лазерный луч достигал фотоматериала с определенными временными задержками. Эта операция в устройстве (рис. 4.14Рис. 4.14. Стробирование лазерного луча с помощью временной шторки) осуществляется временно 2й шторкой.

Поверхность фоточувствительного барабана 1 перекрывается временной шторкой 2 с узкими прозрачными щелями 3. Расстояние между щелями равно ширине поля печатных символов. Если основной лазерный луч 4 попадает на щель во время сканирования, то фотоприемник, размещенный за щелью, вырабатывает электрический сигнал. Таким образом регистрируется положение основного лазерного луча 4, а вместе с ним и пишущих лазерных лучей 5. Электронное устройство, реагирующее на сигналы фотоприемников, вырабатывает сигналы включения пишущих лазерных лучей. Если записывается несколько горизонтальных точек, то луч остается включенным. Во время одного прохода пишется одна широкая линия лазерным лучом, состоящим из шести пишущих лучей; все поле символа состоит из четырех таких широких линий.

Фоточувствительный барабан вращается непрерывно, поэтому во время одного прохода лазерного луча необходимо устанавливать определенный угол между осью барабана и плоскостью сканирования, что гарантирует параллельность экспонированных строк.

В высокопроизводительных печатающих устройствах отклонение пишущих лазерных лучей обеспечивается акустооптическими дефлекторами, а вместо временной шторки используется оптическое корректирующее устройство (сканирующие линзы плоских фронтов).

4.20. Указать причины нестабильного положения, неритмичного движения лазерного луча при Погрешности при сканированиисканировании изображения. Выделить способы и средства синхронизации передвижения лазерного луча в процессе развертки растровой строки.

При сканировании осуществляют синхронизацию положения лазерного луча в плоскости изображения. Для этого следят за координатой сканирующего луча и дискретно вырабатывают синхросигналы по мере прохождения лучом отрезков пути, равных или кратных величине, обратной линиатуре. Системы синхронизации необходимы, так как скорость движения луча вдоль растровой строки непостоянна из-за колебаний электрического напряжения, управляющего оптико-механическим дефлектором, износа механических деталей, неточности в изготовлении зеркальных поверхностей многогранных призм и других причин.

В лазерных сканирующих устройствах синхронизация осуществляется за счет определения положения лазерного луча в ходе развертки растровой строки с помощью измерительных устройств, связанных с дефлектором или расположенных в плоскости изображения. Этот способ реализуется применением систем отсчета синхроимпульсов на основе шкал на растровых дисках и линейках, а также на основе лазерного интерферометра.

4.21. Пояснить назначение и действие системы отсчета синхроимпульсов ссылка на источники литературы на основе круговой шкалы (рис. 4.15Рис. 4.15. Отсчет синхроимпульсов на основе круговой шкалы).

Сигналы синхронизации в системах отсчета с круговыми шкалами поступают от датчика, состоящего из двух соосно расположенных прозрачных дисков с несколькими группами непрозрачных рисок (рис. 4.15Рис. 4.15. Отсчет синхроимпульсов на основе круговой шкалы). Одни из дисков 2 закреплен на валу оптико-механического зеркального дефлектора 1 и вращается вместе с дефлектором. Второй растровый диск 3 неподвижен. Число групп непрозрачных рисок 4 равно числу зеркальных граней дефлектора. Синхроимпульсы создаются двумя парами светодиодов 5 и фототранзисторов 6, расположенных на двух диаметрально противоположных сторонах дисков.

Фокусирующий объектив обеспечивает равномерное движение лазерного луча вдоль строки сканирования, и поэтому, зная угловое перемещение дефлектора, можно точно определить положение лазерного луча в плоскости изображения. Для запуска схемы синхронизации применяется детектор начала строки сканирования.

4.22. Пояснить применение растровых линеек для Позиционирование и сонхронизация лазерного лучапозиционирования и синхронизации лазерного луча в плоскости изображения.

Высокую точность позиционирования и синхронизации может обеспечить датчик ссылка на источники литературы, отслеживающий положение лазерного луча непосредственно в плоскости изображения. Таким датчиком служит растровая линейка - полоса прозрачного материала, на который нанесен растр из непрозрачных рисок.

Растровая линейкаРастровая линейка сканируется вспомогательным лазерным лучом синхронно с разверткой основного записывающего луча. Свет, прошедший сквозь линейку, собирается фотоприемником, и на выходе электронного формирователя генерируются синхронизирующие импульсы. Частота растровых рисок на линейке определяется требуемой линиатурой в горизонтальном направлении.

В качестве фотоприемника используют фотодиод, длина активной зоны которого равна длине растровой линейки. При использовании точечных фотоприемников световой луч, перемещающийся по растровой линейке, сводится в неподвижную точку с помощью эллиптического зеркала, установленного за растровой линейкой. В одном из фокусов зеркала расположен фотоприемник, а в другом - отражающая грань дефлектора.

Для сбора света, прошедшего линейку, может использоваться кварцевый параллелепипед, покрытый алюминием всюду, кроме торцов. Два фотоэлектрических умножителя, расположенные с торцов параллелепипеда, преобразуют световые сигналы в электрические.

Применение растровых линеек требует дополнительного луча, который создается либо делением основного луча на два, либо вторым лазером, что в обоих случаях значительно усложняет оптическую систему сканирующего устройства.

4.23. Рассмотреть применение в сканирующем устройстве лазерного интерферометра.

Известны сканирующие устройства ссылка на источники литературы, в которых используется лазерный интерферометр с несимметричным ходом лучей относительно оси поворота колеблющегося зеркального дефлектора (рис. 4.16Рис. 4.16. Сканирующее устройство с лазерным интерферометром). Это достигается установкой отражателей 3 на качающемся зеркале 4 на одинаковом расстоянии от оси его качания. Регистрация углового положения зеркала 4 осуществляется счетом интерференционных полос во входном зрачке фотодатчика 1. Полосы возникают в результате наложения двух когерентных излучений с интенсивностью I1 иI2, которые образованы путем разделения светоделительной призмой 2 вспомогательного лазерного луча сканирующего устройства.

При интерференции наблюдается перераспределение интенсивности света в полосах интерференционной картины. Полная интенсивность определяется соотношением

где σ - оптическая разность хода интерферирующих волн.

Максимум и минимум интенсивности соответственно

при |σ| = 0, 2π, 4π;

при |σ| = π, 3π.

Если I1 = I2, то с учетом

Следовательно, интенсивность будет изменяться от минимального значения Imin = 0 до максимального Imax = 4I1.

Согласно данным ссылка на источники литературы измеряют угловые перемещения зеркала в диапазоне углов до ±15° с дискретностью отсчета 0,1".

4.3.
Оптические преобразователи лазерного излучения

4.24. Пояснить принцип действия телескопической системы, представленной на рис. 4.17Рис. 4.17. Действие телескопической системы.

Телескопическая системаТелескопическая система состоит из двух элементов - объектива и окуляра. Задний фокус Fоб объектива совпадает с передним фокусом Fок окуляра. В лазерных сканирующих устройствах телескопические системы рассматриваемого типа уменьшают расходимость лазерного луча и увеличивают его диаметр.

4.25. Рассмотреть принципы построения и действия объективов, применяемых в лазерных сканирующих устройствах.

Объективы, фокусирующие лазерное излучение, эффективно используются в сканирующих устройствах ссылка на источники литературы. Типы таких объективов разнообразны (рис. 4.18Рис. 4.18. Объективы, применяемые в оптико-электронных приборах).

Простейший объективПростейший объектив - одиночная положительная линза (рис. 4.18, аРис. 4.18. Объективы, применяемые в оптико-электронных приборах); однако в простой линзовой системе существуют различные аберрации - погрешности восприятия, преобразования, фокусировки оптического излучения. Аберрации исправляются и корректируются в сложных оптических системах. Изображение более высокого качества дают двух- и многолинзовые объективы, например трехлинзовый объектив (рис. 4.18, бРис. 4.18. Объективы, применяемые в оптико-электронных приборах).

Роль объектива может выполнять одиночное сферическое зеркало, а также зеркало с параболической или гиперболической поверхностью (рис. 4.18, вРис. 4.18. Объективы, применяемые в оптико-электронных приборах).

Широко используются более сложные объективы, например двухзеркальные, содержащие основное вогнутое зеркало с отверстием в центре и контррефлектор, который может быть плоским, вогнутым, выпуклым (в том числе и с асферической поверхностью). По этому принципу (с контррефлектором) построен телескоп Кассегрена (рис. 4.18, г).

Высоким качеством передачи и фокусировки оптического (лазерного) излучения обладают зеркально-линзовые объективы: система Шмидта (рис. 4.18, дРис. 4.18. Объективы, применяемые в оптико-электронных приборах), система Максутова (рис. 4.18, еРис. 4.18. Объективы, применяемые в оптико-электронных приборах), система апо-хроматического анастигмата (рис. 4.18, жРис. 4.18. Объективы, применяемые в оптико-электронных приборах).

4.26. Пояснить назначение и действие конденсора в преобразователях оптического (лазерного) излучения ссылка на источники литературы.

КонденсорКонденсор (специальная линза) собирает оптические лучи, попадающие в объектив сканирующего устройства, на фоточувствительную поверхность приемника излучения. Оптическая система (рис. 4.19, аРис. 4.19. Действие конденсора в преобразователях оптического излучения), состоящая только из объектива (без конденсора), фокусирует излучение, смещенное от оптической оси (показанное на рисунке двойными стрелками), за пределами приемника излучения. При введении конденсора (вторая линза на рис. 4.19, бРис. 4.19. Действие конденсора в преобразователях оптического излучения) это излучение фокусируется на приемнике.

Четкими фокусирующими свойствами обладает иммерсионный конденсор - полусферическая линза, установленная вплотную к фоточувствительному приемнику (рис. 4.19, вРис. 4.19. Действие конденсора в преобразователях оптического излучения).

4.27. Представить вариант оптической системы для концентрации лазерного луча на фоточувствительную площадь малого размера.

Такой вариант системы ссылка на источники литературы представлен на рис. 4.20Рис. 4.20. Оптическая система для концентрации излучения лазера. Без фокусирующих элементов лазерное излучение (при угле расхождения, равном 2φ) создает оптическое пятно диаметром D на поверхности, которая отстоит от лазера на расстоянии L. При введении положительной линзы этот размер уменьшается до размера d << D. Очевидно, однако, что достаточное уменьшение оптического пятна можно получить лишь с использованием короткофокусной линзы; тогда размер пятна d = f'×2φ.

4.28. Пояснить принципы построения и действия зеркальной (рис. 4.21, аРис. 4.21. Зеркальная (а) и линзовая (б) телескопические системы) и линзовой (рис. 4.21, бРис. 4.21. Зеркальная (а) и линзовая (б) телескопические системы) телескопических систем, преобразующих пучки лазерного излучения.

В телескопической системе (рис. 4.21, аРис. 4.21. Зеркальная (а) и линзовая (б) телескопические системы) формирование направленных пучков с угловой расходимостью, меньшей, чем у пучка, выходящего из лазера, достигается введением выпуклого и вогнутого зеркал. В системе Галилея (рис. 4.21, бРис. 4.21. Зеркальная (а) и линзовая (б) телескопические системы) в качестве объектива применяется отрицательная линза.

4.29. Рассмотреть (выделить, классифицировать, исследовать) аберрации оптических систем.

Согласно ссылка на источники литературы Аберрации оптических системаберрации оптических систем (от лат. aberratio - уклонение) рассматриваются как погрешности изображений, создаваемых такими системами. Аберрации проявляются в том, что оптические изображения в ряде случаев не вполне отчетливы, не точно соответствуют объекту или оказываются окрашенными. Наиболее значительны следующие виды аберраций.

Сферическая аберрацияСферическая аберрация - недостаток оптического изображения, заключающийся в том, что световые лучи, прошедшие вблизи оптической оси, и лучи, прошедшие через отдаленные от оси части оптической системы (например, линзы), не собираются в одну точку. Сферическая аберрация может быть почти полностью устранена применением специально рассчитанных комбинаций линз.

Другим видом аберрации является Комакома - недостаток оптического изображения (изображение точки имеет вид продолговатого несимметричного пятна), возникающий при косом прохождении световых лучей через оптическую систему. В случае простой линзы размеры пятна пропорциональны квадрату радиуса линзы и углу наклона светового пучка по отношению к оси.

При больших углах наклона пучка к оси существенна аберрация, называемая Астигматизмастигматизмом. Если при прохождении оптической системы сферическая световая волна деформируется и перестает быть сферической, то пучок лучей становится сложным: лучи пересекаются не в одной точке, а в двух взаимно перпендикулярных отрезках прямой линии, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Такой пучок называется астигматическим, а само явление - астигматизмом.

Аберрация оптической системы, называемая Дисторсиядисторсией, характеризуется неодинаковостью линейного увеличения в пределах всего поля изображения и приводит к нарушению геометрического подобия между объектом и его изображением.

Оптические системы могут обладать сразу несколькими видами аберраций. Исправление аберраций в сложных оптических системах производится надлежащим сочетанием линз и представляет трудную задачу. Те или иные виды аберраций обычно устраняются в соответствии с назначением оптической системы. Перечисленные аберрации оптических систем называются геометрическими.

Несовершенства изображения в оптических системах связаны также с волновой природой света. Они возникают из-за дифракции света на диафрагмах, оправах линз и т.п. Влияние дифракции обычно невелико по сравнению с другими аберрациями оптических систем. Существует еще хроматическая аберрация, связанная с зависимостью показателя преломления от длины волны света, в результате чего при немонохроматическом свете изображения оказываются окрашенными.

4.30. Рассмотреть оптические схемы и технические особенности применения мощных лазеров в технологических операциях обработки твердых материалов (металлов, сплавов, керамики, полупроводниковых кристаллов, алмазов).

Характерной областью такого применения лазеров может служить сверление отверстий мощным лазерным лучом. Эффективной оказывается ссылка на источники литературы многоимпульсная лазерная прошивка и обработка отверстий. В таких технологических операциях практикуются специальные оптические схемы фокусировки лазерного излучения, представленные на рис. 4.22Рис. 4.22. Фокусировка лазерного излучения в технологии сверления отверстий. На этих рисунках используются одинаковые цифровые обозначения: 1 - лазер; 2 - лазерное излучение; 3 - сферические зеркала; 4 - коническая линза; 5 - сферическая линза; 6 - обрабатываемая деталь.

В оптическом варианте (рис. 4.22, аРис. 4.22. Фокусировка лазерного излучения в технологии сверления отверстий) фокусируемый лазерный пучок имеет кольцевое поперечное сечение на поверхности детали 6, которое находится на определенном расстоянии от фокальной плоскости. При этом лазерное излучение фокусируется в виде полого конуса.

Использование конической линзы (аксикона) по оптической схеме (рис. 4.22, бРис. 4.22. Фокусировка лазерного излучения в технологии сверления отверстий) позволяет сформировать лазерный пучок в фокальной плоскости в виде кольца. Таким техническим путем можно получить отверстия относительно большого радиуса.

4.4.
Оптическое соединение полупроводниковых лазеров и волоконных световодов

4.31. Пояснить назначение и особенности конструкции волоконных световодов.

Волоконные световодыВолоконные световоды широко и эффективно используются для высокоскоростной помехоустойчивой передачи оптических информационных сигналов на большие расстояния. Самостоятельную «нишу» занимают волоконно-оптические датчики, обладающие уникальными функциональными и техническими возможностями. Для ввода оптического излучения в волоконные световоды успешно применяются полупроводниковые лазеры.

Волоконным световодом служит тонкая гибкая цилиндрическая нить с двухслойной оптической структурой, содержащей внутреннюю жилу (сердцевину) и оболочку (рис. 4.23Рис. 4.23. Волоконный световод). Коэффициент преломления n1 сердцевины превышает коэффициент преломления n2 оболочки, что при определенных условиях обеспечивает полное внутреннее отражение света, введенного в сердцевину с торца волокна. Таким образом, введенный свет не выходит за границы внутренней жилы и без существенных потерь распространяется только внутри волоконного световода.

В двухслойном кварцевом волокне внутреннюю световедущую жилу изготавливают из чистого кварца, а оболочкой служит слой кварца, легированного бромом или германием. Кроме кварцевых волоконных световодов изготавливаются многокомпонентные стеклянные или полимерные оптические волокна.

4.32. Для волоконного световода представить количественные оценки числовой апертуры и условий, при которых происходит полное внутреннее отражение введенного оптического излучения.

Апертурой является действующее отверстие оптической системы, определяемое размерами линз или диафрагм. Числовая апертура NA (Numerical Aperture) равна n0sinθmax, где n0 - показатель преломления среды, в которой находится объект, а угол θmax ограничивается размерами линзы (диафрагмы).

Используя такой подход для волоконного световода (рис. 4.24Рис. 4.24. Числовая апертура, полное внутреннее отражение оптического излучения в волоконном световоде), учитываем в первую очередь, что на поверхности ввода излучения (в узле а) обеспечивается равенство числовых апертур:

Полное внутреннее отражение (в узле b) достигается, если

Поскольку φ0 + Ψ0 = π/2, получаем с учетом и искомое соотношение для числовой апертуры волоконного световода:

В реальных световодах коэффициенты преломления n1 и n2 различаются лишь на единицы и даже доли процентов: n1×n2. Поэтому для числовой апертуры волоконного световода корректно использовать соотношение

где относительная разность коэффициентов преломления Δ = (n1 - n2)/n1. Учитывая, что для достаточно чистого кварца коэффициент n1 = 1,46, получаем согласно

NA = 0,206 при Δ = 1%;

NА = 0,065 при Δ = 0,1%.

Важным самостоятельным параметром световода является максимально допустимый угол

Лишь при углах θ×θmax гарантируется полное внутренне отражение оптического излучения в Волоконные световодыволоконном световоде.

Если оптическое излучение поступает в световод из воздушной среды, то коэффициент преломления n0 = 1; в этом случае

Согласно  θmax = 11,9° при D = 1%; θmax = 3,7° при Δ = 0,1%.

Возможные варианты распространения оптического излучения в волоконном световоде представлены ссылка на источники литературы на рис. 4.25Рис. 4.25. Варианты распространения оптического излучения в волоконном световоде. Луч 1 поступает в световод под максимально допустимым углом θmax (на грани полного внутреннего отражения). Луч 2 вводится под углом θ<θmax, не выходит за пределы сердцевины и продвигается вглубь световода без заметных потерь. Угол ввода луча 3 недопустимо велик: θ>θmax; поэтому излучение 3 преломляется, частично выходит за границы сердцевины (в оболочку) и быстро ослабевает в канале светопередачи.

4.33. Пояснить и сравнить механизмы распространения оптического излучения в одномодовых и многомодовых волоконных световодах.

МодаМоды (электромагнитные колебания определенного вида) возбуждаются, генерируются и распространяются в различных сложных колебательных системах, включая объемные диэлектрические (цилиндрические и прямоугольные) резонаторы, радиоволноводы, открытые оптические (лазерные) резонаторы.

Оптическое излучениеОптическое излучение, которое вводится в торец Волоконные световодыволоконного световода под углом θ<θmax, испытывает в дальнейшем многократное полное отражение, формируется и распространяется в сердцевине световода в виде электромагнитных (оптических) колебаний строго определенного вида - световодной (направляемой, каналируемой) моды. В волоконных световодах свойства, характеристики, маршруты распространения оптических колебаний (мод) четко прогнозируются: электромагнитное поле в вертикальном сечении световода формируется и фиксируется как стоячая волна, световые колебания горизонтально поляризованы и распространяются с определенной и стабильной частотой.

Распространение получили многомодовые волоконные световоды с резким (ступенчатым) и плавным (градиентным) распределением коэффициента преломления n. Оптические волокна в таких световодах имеют достаточно большой диаметр сердцевины (50-100 мкм) и значительную (~1%) относительную разность коэффициентов преломления, что дает возможность вводить оптическое излучение в широком диапазоне и упрощает согласование световода с источником излучения.

В многомодовом ступенчатом оптическом волокне (рис. 4.26, аРис. 4.26. Многомодовые ступенчатое (а) и градиентное (б) волокна; одномодовый световод (в)) коэффициент преломления n на границе сердцевины и оболочки резко изменяется от n1 до n2. В такой структуре световая волна полностью отражается на четко выраженной границе слоев и распространение волны происходит по ломаным траекториям. При этом, однако, в световод под разными углами поступает и распространяется множество (десятки и даже сотни) различных световых волн - мод. На рис. 4.26Рис. 4.26. Многомодовые ступенчатое (а) и градиентное (б) волокна; одномодовый световод (в), а показано ссылка на источники литературы распространение в ступенчатом многомодовом световоде трех световых волн различного порядка.

В градиентном оптическом волокне (рис. 4.26, бРис. 4.26. Многомодовые ступенчатое (а) и градиентное (б) волокна; одномодовый световод (в)) коэффициент преломления n уменьшается от максимального значения n1 в центре сердцевины к границе с оболочкой плавно (по квадратичному закону). В такой структуре оптические лучи, поступающие в световод под различными углами θ, отражаются на различных расстояниях от горизонтальной оси световода. При этом лучи, распространяющиеся вблизи оси, проходят за один цикл (период колебаний) меньший путь по сравнению с лучами, достигающими границы с оболочкой. Важно, однако, учитывать, что скорость света в среде обратно пропорциональна коэффициенту преломления этой среды; поэтому лучи, проходящие в градиентном волокне различные пути, распространяются вдоль оси волокна с примерно одинаковой скоростью. Таким образом, оптические лучи самофокусируются в единый световой поток, причем распространение света идет по плавным траекториям. Световоды с градиентными волокнами называют также селфоками (от сочетания английских слов self - сам и focus - фокус).

Диаметр сердцевины одного оптического волокна не превышает 5-100 мкм, а относительная разность D коэффициентов преломления составляет 0,2-0,3%. В таких оптических волокнах распространяется только одна мода (рис. 4.26, вРис. 4.26. Многомодовые ступенчатое (а) и градиентное (б) волокна; одномодовый световод (в)).

4.34. Оценить дисперсию оптического излучения в многомодовых волоконных световодах.

В многомодовом световоде оптические волны различного порядка проходят неодинаковые пути за разное время. Поэтому в таком световоде четко проявляется дисперсия (рассеяние) излучения, которая, в частности, приводит к существенному увеличению длительности (расширению) оптического сигнала на выходе световода.

Этот эффект наглядно иллюстрируется ссылка на источники литературы в левой части рис. 4.26Рис. 4.26. Многомодовые ступенчатое (а) и градиентное (б) волокна; одномодовый световод (в), где представлены импульсы света мощностью Р на входе (в момент t1) и выходе (в момент t2) световода. Наиболее значительной оказывается дисперсия в многомодовых ступенчатых световодах (рис. 4.26, аРис. 4.26. Многомодовые ступенчатое (а) и градиентное (б) волокна; одномодовый световод (в)). В многомодовых градиентных световодах дисперсия (рис. 4.26, бРис. 4.26. Многомодовые ступенчатое (а) и градиентное (б) волокна; одномодовый световод (в)) относительно невелика. В одномодовых световодах дисперсия отсутствует (не возникает).

Механизм Дисперсия оптического излучениедисперсии оптического излучения четко проявляется в ступенчатом многомодовом световоде. Расчет дисперсии в этом случае проведем с использованием несложного графика (рис. 4.27Рис. 4.27. Дисперсия оптического излучения в многомодовом ступенчатом волокне), показывающего разницу маршрутов, которые проходят световые лучи в двух крайних вариантах:

    1) если излучение вводится перпендикулярно торцу световода (θ = φ = 0), то луч света (соответствующий моде самого низкого порядка) проходит минимальный путь ас, равный l1;

    2) если излучение вводится под критическим углом θ = θmax, то угол распространения тоже максимален: φ = φ0, а луч света (соответствующий моде самого высокого порядка) проходит наибольший путь ab, равный l2. Очевидно, что l2 = l1/cosφ.

Оба указанных маршрута лучи света проходят со скоростью c/n1, где с - скорость света в вакууме, а n1 - коэффициент преломления сердцевины световода. Таким образом, уже в начальной стадии возникает дисперсия излучения:

Используя соотношения , (4.7а) и учитывая, что Δ<< 1, несложно преобразовать соотношение к виду

Полученную формулу можно распространить на весь Волоконные световодыволоконный световод длиной L. Тогда искомая дисперсия оптического излучения в ступенчатом многомодовом световоде определяется формулой

Например, для световода длиной L = 1 км при n1 = 1,46 и Δ = 0,01 с учетом с = 3 ×105 км/с дисперсия излучения ΔT = 50 нс. Очевидно, что такой световод не может успешно действовать в оптоэлектронной технике наносекундного диапазона, но вполне пригоден для передачи микросекундных оптических сигналов.

Дисперсия оптического излучения в градиентном многомодовом световоде существенно меньше, чем в ступенчатом многомодовом волокне. Анализ показывает, что такая дисперсия оценивается соотношением

Сравнивая и , получаем, что градиентное многомодовое волокно превосходит по быстродействию ступенчатое многомодовое волокно в 2/Δ раз. При Δ = 0,01 такой выигрыш по быстродействию (в 200 раз) весьма ощутим.

4.35. Рассмотреть причины ослабления оптического излучения, оценить потери мощности оптических сигналов в кварцевых волоконных световодах.

Оптическое излучение, распространяясь в Волоконные световодыволоконном световоде, постепенно ослабевает из-за целого ряда причин и факторов.

Существенным является поглощение и рассеяние в середине световода, обусловленное параметрами и свойствами материала внутренней кварцевой жилы. В их числе потери, присущие материалу и принципиально неустранимые: собственное поглощение в материале световода, рэлеевское рассеяние, вызванное флуктуациями плотности или состава материала. Заметным оказывается примесное поглощение, связанное с действием примесей (гидроксильной группы ОН, ионов металлов группы медь - хром), поглощающих оптическое излучение в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

Потери увеличивают рассеяние излучения в световодной структуре, вызванное геометрическими неоднородностями поверхности раздела сердцевина - оболочка и технологическим разбросом параметров световода: сечения (формы, размеров) сердцевины, пространственного распределения коэффициентов преломления.

Возникают потери на внешнее излучение, вызванные, в частности, микроизгибами световода в местах контакта с защитными оболочками и уплотняющими элементами кабеля.

Для количественной оценки оптических потерь в волоконном световоде вводится параметр

определяющий удельное затухание оптического сигнала (в дБ/км). В соотношении сравниваются мощности оптического излучения на входе Pвх и выходе (Pвых) световода длиной L (км).

Энергетические потери в волоконном световоде существенно зависят от спектральных характеристик (длины волны) излучения. Согласно ссылка на источники литературы зависимость В = φ(λ) для кварцевых световодов имеет четко выраженные минимумы (рис. 4.28Рис. 4.28. Спектральная зависимость энергетических потерь волоконного световода).

По данным ссылка на источники литературы, при λ = 0,8 мкм потери составляют 1,5 дБ/км (40% на 1 км световода); при λ = 1,55 мкм удельное затухание В = 0,15 дБ/км (3,5% на 1 км световода).

4.36. Обосновать условия согласования полупроводниковых лазеров и волоконных световодов.

При разработке методов и средств оптического соединения полупроводниковых лазеров и волоконных световодов следует учитывать ряд существенных факторов. Размеры активной (излучающей) зоны полупроводникового лазера в ортогональных направлениях неодинаковы. Весьма узкий (0,1-0,2 мкм) вертикальный слой существенно меньше длины волны излучения, что приводит к резкому увеличению расходимости пучка лазерного излучения в вертикальном направлении. Вместе с тем в горизонтальном направлении активный слой полупроводникового лазера занимает несколько микрометров; поэтому расходимость пучка света в указанном направлении относительно невелика. В результате пучок света, генерируемый полупроводниковым лазером, имеет форму сильно вытянутого эллипса (см. рис. 2.25Рис. 2.25. Рассеяние оптического излучения полупроводникового лазера). К тому же свет излучается полупроводниковым лазером в виде расходящегося пучка.

Диаметр сердцевины (10-100 мкм) волоконного световода существенно превышает размеры излучающей зоны полупроводникового лазера. Кроме того, жестко ограничен сверху угол ввода излучения в световод, при котором гарантируются полное внутреннее отражение и минимальные потери света в оптическом волокне.

Вместе с тем условия оптического согласования:

  • совмещение оптических осей (по положению и углу наклона);

  • согласование по распределению интенсивности (размеру пучка) и по числовой апертуре NA - следует выполнять и для полупроводникового лазера, и для волоконного световода.

4.37. Рассмотреть технические возможности непосредственного соединения Полупроводниковый лазерполупроводникового лазера и Волоконные световодыволоконного световода.

Предполагается, что в этих случаях вспомогательные средства (главным образом линзы) не используются. Технические варианты соединения представлены на рис. 4.29Рис. 4.29. Варианты непосредственного соединения полупроводникового лазера и волоконного световода.

В простейшем варианте (рис. 4.29, аРис. 4.29. Варианты непосредственного соединения полупроводникового лазера и волоконного световода) совмещаются оптические оси полупроводникового лазера и волоконного световода. Однако угол расходимости пучка лазерного излучения в вертикальном направлении (30-40° и более) заметно превышает максимально допустимый угол ввода излучения в световод (10-20° и менее). Поэтому в оптическое волокно поступает лишь часть излучения лазера, а потери света достигают 7 дБ (80%).

В варианте (рис. 4.29, бРис. 4.29. Варианты непосредственного соединения полупроводникового лазера и волоконного световода) конец оптического волокна искусственно сужается, а поверхность торца формируется в виде микролинзы. При этом потери света сокращаются до 5,8 дБ (65%). В аналогичном техническом решении (рис. 4.29, вРис. 4.29. Варианты непосредственного соединения полупроводникового лазера и волоконного световода) микролинза на конце световода создается локальным травлением (пунктиром на рисунке показана часть световода, удаленная травлением). В этом случае потери вводимого излучения уменьшаются до 3 дБ (50%).

4.38. Представить и иллюстрировать варианты применения фокусирующих линз для оптического согласования полупроводникового лазера и волоконного световода.

Для оптимального оптического согласования Полупроводниковый лазерполупроводниковых лазеров и Волоконные световодыволоконных световодов используются линзы цилиндрические, сферические, стержневые (градиентные).

Цилиндрическая линзаЦилиндрическая линза (рис. 4.30, аРис. 4.30. Применение цилиндрической (а) и сферической (б) линз для оптического согласования полупроводникового лазера и волоконного световода) позволяет преобразовать сильно вытянутый эллипс пучка лазерного излучения и придать ему на входе в волоконный световод почти круглое сечение. При этом эффективность ввода лазерного излучения в многомодовый световод достигает 30%.

Сферическая линзаСферическая линза (рис. 4.30, бРис. 4.30. Применение цилиндрической (а) и сферической (б) линз для оптического согласования полупроводникового лазера и волоконного световода) обеспечивает преобразование расходящихся лучей лазерного излучения в параллельный пучок света значительного диаметра, что заметно облегчает дальнейшее преобразование и оптимальный ввод оптического излучения. Эффективным элементом такого преобразования и ввода является стержневая (градиентная) линза, которая фокусирует излучение в пучок, сходящийся под необходимым (относительно небольшим) углом с числовой апертурой волоконного световода.

Стержевая линзаСтержневые линзы ссылка на источники литературы имеют цилиндрическую форму с плоскими торцами для ввода оптического излучения. Главное, однако, в том, что в стержневой (градиентной) линзе, как и в градиентном оптическом волокне (рис. 4.26, бРис. 4.26. Многомодовые ступенчатое (а) и градиентное (б) волокна; одномодовый световод (в)), коэффициент преломления не остается постоянным, а уменьшается пропорционально квадрату расстояния от центральной оси (т.е. квадрату радиуса). Тем не менее в отличие от градиентного световода градиентная линза имеет большой диаметр (1-2 мм) и не имеет оболочки.

На рис. 4.31Рис. 4.31. Применение стержневых линз для ввода и вывода оптического излучения, а показаны траектории светового пучка в градиентной линзе. Вводится параллельный пучок, который далее в объеме линзы, как и в градиентном волокне, изменяется (и продвигается) по синусоидальной траектории. Такая траектория распространения света имеет период (шаг)

где g - параметр, определяющий распределение показателя преломления(и, как следствие, степень фокусировки) линзы.

Создавая (вырезая) градиентный стержень определенной длины L, несложно четко сформировать определенные фокусирующие свойства линзы. Если L = Lπ/2, то согласно рис. 4.21Рис. 4.21. Зеркальная (а) и линзовая (б) телескопические системы, а можно падающий параллельный пучок света сфокусировать в объеме линзы, а затем вывести его вновь в виде параллельного пучка.

Градиантная линзаГрадиентная линза длиной L = Lπ/4 фокусирует параллельный пучок света в пятно небольшого диаметра (рис. 4.31, бРис. 4.31. Применение стержневых линз для ввода и вывода оптического излучения), что эффективно при вводе пучка оптического излучения значительного диаметра в волоконный световод с небольшой числовой апертурой. Этот вариант использования стержневой линзы реализуется в техническом решении (рис. 4.30, бРис. 4.30. Применение цилиндрической (а) и сферической (б) линз для оптического согласования полупроводникового лазера и волоконного световода).

Формируя градиентную линзу длиной L ×Lπ/2 в техническом варианте (рис. 4.31, вРис. 4.31. Применение стержневых линз для ввода и вывода оптического излучения), можно успешно согласовать по оптическому каналу полупроводниковый лазер и волоконный световод.

4.5.
Схемотехника управления полупроводниковыми лазерами

4.39. Пояснить варианты управления Управление полупроводниковым лазеромполупроводниковыми лазерами в импульсном (цифровом) и аналоговом режимах модуляции мощности оптического излучения.

Целенаправленное управление полупроводниковыми лазерами (лазерными диодами) обеспечивается схемотехническими приемами и средствами и поэтому оказывается относительно несложным. Мощность излучения Pизл полупроводникового лазера четко зависит от инжекционного тока Iлд (рис. 4.32, аРис. 4.32. Диаграммы управления мощностью излучения полупроводникового лазера в режимах цифровой (а) и аналоговой (б) модуляции) в активной зоне лазерного диода (ЛД). При небольших уровнях тока Iлд полупроводниковый лазер действует как светодиод и генерирует некогерентное оптическое излучение небольшой мощности. При достижении порогового уровня тока Iлд оптические колебания в лазерном резонаторе генерируются, становятся когерентными; резко возрастает мощность излучения Pизл. Однако генерируемая мощность Pизл и в этом режиме пропорциональна уровню тока Iлд. Таким образом, возможности изменения (переключения, модуляции) мощности излучения полупроводникового лазера однозначно связаны с целенаправленным изменением инжекционного тока Iлд.

В импульсном режиме действия лазерного диода его рабочая точка М (рис. 4.32, аРис. 4.32. Диаграммы управления мощностью излучения полупроводникового лазера в режимах цифровой (а) и аналоговой (б) модуляции) фиксируется на пологом участке ватт-амперной характеристики Pизл = φ(Iлд) в предпороговой области лазера. Резкое увеличение тока Iлд переводит рабочую точку на крутой участок характеристики (например, в положение N), что гарантирует возбуждение и интенсивный рост мощности лазерных колебаний. Спад тока Iлд и перевод рабочей точки лазера в исходное положение М обеспечивают срыв лазерных колебаний и резкое снижение выходной мощности лазерного излучения.

В аналоговом режиме модуляции лазерных колебаний рабочая точка Q фиксируется на крутом участке ватт-амперной характеристики (рис. 4.32, бРис. 4.32. Диаграммы управления мощностью излучения полупроводникового лазера в режимах цифровой (а) и аналоговой (б) модуляции). Изменение тока Iлд под действием внешнего информационного сигнала приводит к пропорциональному изменению выходной мощности полупроводникового лазера.

4.40. Пояснить схему построения и принцип действия транзисторного каскада (рис. 4.33Рис. 4.33. Каскад управления на биполярных транзисторах) для управления инжекционным током полупроводникового лазера.

Намеченные (в предыдущем п. 4.39) приемы управления инжекционным током полупроводникового лазера удается четко реализовать, используя каскад (переключатель тока, дифференциальный усилитель), построенный на двух биполярных транзисторах (рис. 4.33, аРис. 4.33. Каскад управления на биполярных транзисторах). Введены источники постоянных токов Iп1 и Iп2. Ток Iп1 неизменно протекает по цепи с лазерным диодом ЛД, ток Iп2 питает эмиттерные цепи транзисторов T1, T2 и перераспределяется в зависимости от уровня управляющего напряжения eупр

Если eупр> 0,3 В (и существенно выше нулевого потенциала базы транзистора T2), то транзистор T1 открыт и проводит ток Iп2, а транзистор T2 выключен. В этом состоянии лазерный диод ЛД питается только током Iп1: Iлдmin = Iп1 (рис. 4.33, бРис. 4.33. Каскад управления на биполярных транзисторах).

При eупр< -0,3 В выключен транзистор T1, ток Iп2 переключается в эмиттерную цепь транзистора T2 и лазерный диод возбуждается максимальным током Iлдmax = Iп1 + Iп2. При этом учитывается, что для биполярных транзисторов высокого качества коллекторный (Iк) и эмиттерный ( 1. Отметим также, что передаточная характеристика Iлд = eупр построена (рис. 4.33, бРис. 4.33. Каскад управления на биполярных транзисторах) для транзисторов T1 и T2 с идентичными вольт-амперными характеристиками (ВАХ) эмиттерных р-n-переходов; поэтому при eупр = 0 ток Iлд = Iп1 + 0,5Iп2. Естественный технологический разброс ВАХ приводит к небольшому сдвигу передаточной характеристики (рис. 4.33, бРис. 4.33. Каскад управления на биполярных транзисторах) по шкале напряжений.

Очевидно, что транзисторный каскад (рис. 4.33, аРис. 4.33. Каскад управления на биполярных транзисторах) можно использовать как переключатель тока Iп2 для цифрового управления лазерным диодом, а также как дифференциальный усилитель сигналов напряжения eупр(t) для аналоговой модуляции лазерного излучения.

4.41. Рассмотреть технические возможности применения полевых транзисторов для Управление полупроводниковым лазеромуправления полупроводниковыми лазерами.

Полевые транзисторы (рис. 4.34, аРис. 4.34. Каскад управления на полевом транзисторе) по выходной (стоковой) цепи являются в пентодной области ВАХ Ic = φ(Uси) параметрическими стабилизаторами тока (рис. 4.34, в) и успешно применяются для четкого, строго регламентированного управления полупроводниковыми лазерами. Ток стока Ic эффективно изменяется по затвору сигналами напряжения согласно передаточной характеристике Ic = Ψ(Uзи), представленной на рис. 4.34, бРис. 4.34. Каскад управления на полевом транзисторе.

Рабочая точка М каскада (рис. 4.34, аРис. 4.34. Каскад управления на полевом транзисторе) при определенном входном напряжении eупр получена (рис. 4.34, вРис. 4.34. Каскад управления на полевом транзисторе) стандартным графоаналитическим решением системы

При таком построении лазерный диод является нелинейной статической нагрузкой полевого транзистора (по цепи стока).

Каскады на полевых транзисторах можно с равным успехом использовать для цифрового и аналогового управления полупроводниковыми лазерами. Удобно оказывается параллельное соединение двух полевых транзисторов по схеме (рис. 4.35Рис. 4.35. Управление полупроводниковым лазером по двум транзисторным каналам). Один из транзисторов (в данном случае T2) определяет исходный режим лазерного диода в предпороговой или регенеративной области функционирования. Переключение или модуляцию лазерного излучения осуществляет транзистор T1, управляемый аналоговыми или цифровыми информационными сигналами eупр(t).

4.42. Рассмотреть принципы и схемотехнику построения ретрансляторов оптических сигналов (рис. 4.36Рис. 4.36. Ретрансляторы оптических сигналов).

В волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) значительной длины оптические сигналы, первоначально формируемые лазерными диодами, существенно ослабевают. Поэтому обычно ВОЛС составляется из однотипных фрагментов, соединенных последовательно. На стыках смежных фрагментов ВОЛС действуют усилители-ретрансляторы, восстанавливающие мощность оптических сигналов.

В технически несложном варианте, представленном на рис. 4.36, аРис. 4.36. Ретрансляторы оптических сигналов, приемником оптических сигналов, формируемых на выходе фрагментов ВОЛС и поступающих на вход ретранслятора, служит малоинерционный фотодиод с р-i-n-структурой. Фототок IΦ освещаемого фотодиода ФД реагирует на изменения падающего (входного) потока света Ф: IΦ(t) ~ Φ(t) - и изменяет напряжение U3 на затворе полевого транзистора: U3(t) = IΦ(t)R1. Сигнал напряжения U3(t) модулирует ток стока Ic(t) полевого транзистора, а следовательно, ток возбуждения Iлд(t) лазерного диода. Выходное излучение Φвых(t) лазера «следит» за изменениями входного потока света Φвх(t) без значительных искажений, но существенно превосходит входной оптический сигнал по мощности.

Дополнительными функциональными и техническими возможностями обладает ретранслятор оптических сигналов, построенный по схеме (рис. 4.36, бРис. 4.36. Ретрансляторы оптических сигналов). Лазерный диод ЛД постоянно возбужден током Iп и действует как генератор оптических сигналов значительной мощности. Выходной поток света Φвых(t) модулируется током стока Ic1(t) полевого транзистора T1. Входное оптическое излучение Φвх(t) воздействует на полевой транзистор T2 и изменяет фотоэдс между стоком и истоком (затвором) этого транзистора, которая управляет по затвору током стока Ic1 транзистора T1 и током возбуждения Iлд лазерного диода.

Такое управление возможно, если полевой транзистор T3 выключен (при низком уровне управляющего напряжения eупр). Включение транзистора T3 напряжением eупр более высокого уровня замыкает управляющую цепь транзистора T1 и исключает воздействие входного оптического потока Φвх(t) на выходное излучение Φвых(t) лазерного диода.

4.43. Пояснить задачи и технику электронной стабилизации тока Управление полупроводниковым лазеромвозбуждения полупроводникового лазера.

Технические задачи стабилизации электрического режима и оптических характеристик полупроводниковых лазеров возникают и существенны в нескольких случаях. Целесообразно четко определить и жестко фиксировать ток постоянного электрического питания лазерного диода, что необходимо и в предпороговой области действия лазера, и в процессе непрерывной генерации лазерных колебаний.

Важно также стабилизировать мощность оптического излучения полупроводникового лазера. По мере возбуждения такого лазера мощность лазерного излучения непрерывно нарастает, но в итоге должна фиксироваться на определенном, четко предсказуемом уровне. При длительном функционировании полупроводникового лазера с инжекционной накачкой большим током выходная мощность лазера постепенно снижается (прибор «деградирует»). Необходимо стабилизировать интенсивность излучения полупроводникового лазера, нейтрализуя процесс деградации.

Эффективной оказывается электронная стабилизация тока возбуждения лазера. При неизменном (стабилизированном) токе Iлд четко определяется и надежно поддерживается (сохраняется) электрический режим лазерного диода в предпороговой области (при небольших уровнях тока Iлд) или в режиме генерации когерентных колебаний (при значительном токе Iлд).

Электронную стабилизацию тока возбуждения полупроводникового лазера несложно осуществить по стандартной схеме, представленной на рис. 4.37Рис. 4.37. Электронная стабилизация тока возбуждения полупроводникового лазера. Постоянный уровень тока Iлд обеспечивают операционный усилитель ОУ, источник неизменного (эталонного) напряжения E0, усилитель тока на биполярном транзисторе Т, резистор R2. Вспомогательную роль играет токоограничивающий резистор R1. Учитывается, что дифференциальная разность входных потенциалов ОУ при значительном коэффициенте усиления kKO весьма невелика: E0 - Ua ® 0. Поэтому потенциал Ua жестко фиксирован на уровне E0, а ток возбуждения лазерного диода Iлд = E0/R2 строго определен и поддерживается неизменным (стабилизированным).

В рассматриваемой схеме обеспечивается глубокая отрицательная обратная связь. Если ток Iлд лазерного диода нестабилен и, например, возрастает, то увеличиваются падение напряжения на резисторе R2 и потенциал Ua инверсного входа ОУ. Поэтому выходное напряжение ОУ снижается и через транзистор Т воздействует на лазерный диод, уменьшая (по существу стабилизируя) ток его возбуждения.

В естественном варианте с конкретным (ограниченным) значением коэффициента усиления kKO уровень тока возбуждения лазерного диода в схеме (рис. 4.37Рис. 4.37. Электронная стабилизация тока возбуждения полупроводникового лазера)

зависит от падения напряжения на лазере (ΔUлд.пр) и эмиттерном р-n-переходе транзистора (ΔUбэ.пр), смещенных в прямом направлении, а также от сопротивления резистора R1 и коэффициента передачи А транзистора. Влияние этих факторов оказывается незначительным при kKO>> 1 и А 1, что, безусловно, выполняется для ОУ и биполярных транзисторов высокого качества.

4.44. Рассмотреть принцип и схему стабилизации по оптическому каналу тока Управление полупроводниковым лазеромвозбуждения полупроводникового лазера.

Возможные изменения оптического излучения полупроводниковых лазеров четко отслеживают малоинерционные фотоприемники, например фотодиоды с p-i-n-структурой. Введение такого фотоприемника в цепь отрицательной обратной связи, охватывающей лазер, позволяет стабилизировать характеристики лазерного излучателя по оптическим каналам.

Базовая схема оптической стабилизации, представленная на рис. 4.38Рис. 4.38. Стабилизация тока возбуждения полупроводникового лазера по оптическому каналу, содержит усилитель тока УТ, который управляется сигналами входного тока Iупр и питает выходным током Iлд(t) лазерный диод ЛД. Фотодиод ФД реагирует на оптическое излучение полупроводникового лазера и создает фототок IΦ(t), действующий как сигнал отрицательной оптической обратной связи.

Справедливы соотношения:

где k1 - коэффициент усиления по току устройства УТ, k2 - коэффициент преобразования инжекционного тока Iлд лазера в поток Φлд лазерного излучения, k3 - коэффициент преобразования части оптического потока Φлд, попадающего на фотодиод ФД, в фототок IΦ; причем k2 и k3 - размерные величины.

Несложные преобразования соотношений позволяют определить ток возбуждения лазерного диода

и поток лазерного излучения

При достаточно глубокой отрицательной обратной связи k1k2k3>> 1 ток

а оптический поток

Согласно ток возбуждения Iлд лазера стабилизирован, так как не зависит от коэффициента усиления по току k1, а в основном определяется коэффициентами преобразования k2 и k3. В свою очередь, поток Φлд согласно непосредственно не связан с коэффициентом преобразования k2, что существенно и полезно при длительном возбуждении полупроводникового лазера и постепенной деградации его оптического излучения (которая приводит к заметному уменьшению коэффициента k2 при неизменном токе Iлд).

4.45. Рассмотреть схему и принцип действия устройства (рис. 4.39Рис. 4.39. Устройство управления полупроводниковым лазером по оптическому каналу) с оптической обратной связью. Выделить компоненты схемы, существенно ограничивающие быстродействие устройства.

Детальные разработки базовой идеи (рис. 4.38Рис. 4.38. Стабилизация тока возбуждения полупроводникового лазера по оптическому каналу), представленные в статье ссылка на источники литературы, предполагают активное использование операционных усилителей (ОУ) и транзисторных каскадов.

В несложной схеме (рис. 4.39Рис. 4.39. Устройство управления полупроводниковым лазером по оптическому каналу) ОУ управляется цифровыми сигналами eупр(t) отрицательной полярности по инверсному входу; при этом небольшой отрицательный уровень сигнала - eупр(0) соответствует логическому 0, а относительно большой (более отрицательный) уровень - eупр(1) - логической 1. ОУ воздействует по базовой цепи на транзисторный каскад с токоограничивающим резистором R2. Однако определяющим является канал обратной связи, в котором малоинерционный фотодиод реагирует на оптическое излучение полупроводникового лазера и создает фототок IΦ = k1Iлд; здесь k1 - коэффициент передачи по току оптической пары лазер - фотоприемник. Фотодиод шунтирован резистором R1; поэтому ОУ реагирует по прямому (неинвертирующему) входу на потенциал Ua = -IΦR1.

В установившемся режиме дифференциальная разность входных потенциалов ОУ Ua - eупр 0; таким образом, действующий (возможный) уровень фототока жестко фиксирован: IΦ = eупр/R1. Строго определен в такой схеме уровень тока, возбуждающего лазер: Iлд = IΦ/k1 = eупр/(k1R1.). С учетом дискретных значений цифрового сигнала eупр(t) ток возбуждения полупроводникового лазера в схеме (рис. 4.39Рис. 4.39. Устройство управления полупроводниковым лазером по оптическому каналу) имеет лишь два четких значения: Iлд(0) = eупр(0)/(k1R1.) и Iлд(1) = eупр(1)/(k1R1.).

Если исходным является управляющий сигнал - eупр(0), то ток возбуждения Iлд(0) невелик и лазер фиксируется в предпороговой области (на грани возбуждения). При резком снижении сигнала eупр(t) до уровня - eупр(1) существенно (до уровня Iлд(1)) возрастает ток Iлд и полупроводниковый лазер, активно возбуждаясь, генерирует когерентное оптическое излучение.

Таким образом, в Управление полупроводниковым лазеромрассматриваемой схеме (рис. 4.39Рис. 4.39. Устройство управления полупроводниковым лазером по оптическому каналу) обратная связь по оптическому каналу задает электрический режим полупроводникового лазера, ограничивает и стабилизирует мощность лазерного излучения.

Представленное устройство можно успешно использовать для цифровой и (или) аналоговой модуляции оптического излучения сигналами eупр(t). Важно, однако, учитывать, что ОУ в таком модуляторе действует одновременно в канале прямой электрической связи, реагируя на модулирующие сигналы eупр(t), и в цепи обратной оптической связи, стабилизируя ток возбуждения и выходную мощность полупроводникового лазера. Частотные возможности ОУ относительно невелики (не выходят за пределы 10-50 МГц), что существенно ограничивает быстродействие лазерного модулятора (рис. 4.39Рис. 4.39. Устройство управления полупроводниковым лазером по оптическому каналу).

4.46. Рассмотреть схемотехнику и принцип действия устройства (рис. 4.40Быстродействующее устройство возбуждения полупроводникового лазера с транзисторным переключателем тока). Пояснить техническую роль в схеме переключателя тока, построенного на транзисторах T2, T3, и операционного усилителя ОУ.

Управление полупроводниковым лазеромУстройство управления лазером, приведенное на рис. 4.40Быстродействующее устройство возбуждения полупроводникового лазера с транзисторным переключателем тока, дополнено высокоскоростным транзисторным переключателем тока Iп. Этот переключатель реагирует на входные сигналы eупр(t) и непосредственно (по коллекторной цепи транзистора T3) управляет током возбуждения Iлд лазерного диода. При этом ОУ по-прежнему обеспечивает стабилизацию инжекционного тока и выходной мощности лазера в установившемся режиме, но на воздействие импульсных сигналов eупр(t) реагирует замедленно (в финале переходных процессов переключения). Таким образом, транзисторный переключатель тока в схеме (рис. 4.40Быстродействующее устройство возбуждения полупроводникового лазера с транзисторным переключателем тока) осуществляет высокоскоростное управление полупроводниковым лазером, а более длительные (низкочастотные) процессы стабилизации выполняет ОУ.

Если лазерный модулятор непрерывно действует в режиме весьма высокой импульсной загрузки, то ОУ не успевает «следить» за изменениями тока возбуждения Iлд(t) и стабилизирует усредненную мощность лазерного излучения, которая при цифровом управлении существенно превышает минимальную мощность, соответствующую сигналу eупр(0), но явно не достигает максимальной мощности, которую должны обеспечивать уровни eупр(1).

4.47. Пояснить схемотехнические особенности устройства (рис. 4.41Рис. 4.41. Устройство управления полупроводниковым лазером с комбинированной (электрической и оптической) обратной связью). Выделить цепи отрицательной обратной связи по электрическим и оптическим каналам.

В устройстве, представленном на рис. 4.41Рис. 4.41. Устройство управления полупроводниковым лазером с комбинированной (электрической и оптической) обратной связью, ОУ полностью освобожден от высокоскоростных операций, связанных с воздействием модулирующих сигналов eупр(t). Потенциал инверсного входа ОУ фиксирован на неизменном уровне - E0.

Входные импульсные сигналы eупр(t) управляют лазером по коллекторной цепи транзистора T3. Особенностью схемы (рис. 4.41Рис. 4.41. Устройство управления полупроводниковым лазером с комбинированной (электрической и оптической) обратной связью) является введение электрической обратной связи по коллектору транзистора T2; при этом коллекторный ток Ik2 непосредственно влияет на потенциал обратной связи Ua = (Ik2 - IΦ)T2 и корректирует стабилизирующее действие оптического канала такой связи. Очевидно, однако, что и в этом устройстве при интенсивной импульсной загрузке обратная связь стабилизирует усредненное значение выходной мощности лазерного излучения.

© Центр дистанционного образования МГУП