Конструкция квантового оптического дальномера на наноструктурах | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Несмотря на коронавирус, электронный вариант журнала выйдет 13 июня.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №29 (215) июль 2018 г.

Дата публикации: 24.07.2018

Статья просмотрена: 36 раз

Библиографическое описание:

Саидумаров, И. М. Конструкция квантового оптического дальномера на наноструктурах / И. М. Саидумаров, А. А. Умаров. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 29 (215). — С. 3-6. — URL: https://moluch.ru/archive/215/52142/ (дата обращения: 30.05.2020).



I. С появлением ОКГ (оптического квантового генератора), способного излучать световые импульсы очень высокой мощности и малой длительности, удалось построить прецизионные оптические дальномеры, действующие по принципу радиодальномеров, но отличающие от них высокой направленностью и точностью действия. Ещё очень большое преимущество ОКГ, по сравнению с радиодальнометрии — это большая помехоустойчивость, получаемая вследствие высокой направленности и монохромотичности излучения.

Дальномерное устройство, используемое ОКГ, может работать при значительно меньших мощностях, чем радиодальномер, и определять дальность и угловые размеры объекта с большей точностью.

С помощью оптического дальномера можно получить большую детализацию изображения.

Уравнение, определяющее максимальную дальность действия оптического дальномера. С ОКГ, работающего в импульсном режиме определяется уравнением

где Рпр мощность принимаемого =3,14 сигнала; Ри — мощность излучения tи-длительность импульса; – Коэффициент диффузного отражения объекта; — угол между направлением на объект и нормалью к его поверхности; – коэффициент пропускания атмосферы при одностороннем распространении излучения ОКГ оптического квантового генератора; D — расстояние до объекта (дальность), – площадь объектива оптической системы приёмника; — коэффициент пропускания оптической системы из формулы можно вывести непосредственно формулу дальности, т.е расстоянии до определяемого объекта.

где где h -КПД; - напряженность сигнала на входе приемника; -квантовый выход; γ- центральная рабочая частота.

В статье приведены две принципиальные схемы «Квантованных оптических дальномеров» (ОКД)-один на обычных микросхемах и радиоэлементах, а другой на наносхеме.

Из функциональной схемы рис.1 видно, что ОКД имеет следующие блоки: 1 — Генератор хронирующих импульсов; 2 — Стробирующее устройство; 3 — Счетчик импульсов; 4 — триггер для запуска лампы накаливания; 5 — Вращающая призма; 6 — кристалл ОКГ (рабочее вещество); 7 — коллимирующая оптическая система; 8 — фотодиод; 9 — диафрагма; 10 — линза; 11 — фильтр; 12 — фото умножитель; 13 — усилитель.

Оптический квантовый генератор (ОКГ) излучает мощный импульс, который проходит через его коллимирующую оптическую систему в направлении к объекту до которого измеряется расстояние.

Начало отсчёта времени, для измерения дальности, обеспечивается запуском счетчика хронирующих импульсов (3), вырабатываемых генератором (1). Для этой цели служит фотодиод (8), на который отбирается небольшая часть зондирующего сигнала с ОКГ. Ток фотодиода после усиления поступает на стробирующее устройство (2) включающее счетчик импульсов. Отраженный объектом импульс оптического излучения воспринимается приёмным устройством, состоящим из оптической системы, фильтра (11), фотоумножителя (12) и усилии тела (13).

Импульс с выхода усилителя поступает на стробирующее устройства, которое запирает счётчик импульсов. Количество хронирующих импульсов, прошедших через счетчик от момента излучения импульса ОКГ до момента приёма отраженного импульса, пропорционально измеряемой дальности.

Предлагается блоки оптического квантового дальномера (ОКД); 1,2,3,4,4,11,12,13 которые содержат от одной до пяти микросхем, заменить на одну наносхему, тогда ОКД будет содержать блоки:

7- Коллимирующая оптическая система; 6-кристалл или газ; 5 — вращающую призму; 9 — Диафрагма; 10 — линза; БП –блок питания (рис.2).

II. Наносхема в основном формируется из нанотрубок; А) углеродных; Б) –кремниевых, существенное различие между кристаллами и наноматериалами состоит в том, что в кристалле движение электронов неограниченно во всех направлениях, а в наноматериале оно лимитировано его размерами и геометрией. В цилиндрическом полимере типа углеродной нанотрубке имеется внутренняя полость, и движение электронов ограниченно приблизительно цилиндрическим слоем толщиной удвоенного атомного Ван-дер-ваальсова радиуса. Поэтому, мы будем считать, что движение электронов в пространстве между межатомными сферами (МТ) потенциал изменяется медленно. Т.е. движение электронов в пространстве между МТ — сферами ограниченно двумя непроницаемым для электронов цилиндрическими барьерами: внешним барьером радиусом а, и внутренним барьером и радиусом в, которые выбираются так, чтобы внутри области, ограниченной этими барьерами, помещалось существенная часть электронной плотности рассматриваемой системы. Причём при механическом вытягивании нанотрубок меняются их свойства, т.е можно получить нанотрубку, обладающую полупроводниковыми или металлическими свойствами. Например, в Иллинойском университете (США) создали гибкие кремниевые нанотрубки. Это удалось сделать благодаря синтезу из наночастиц кремния — наноплёнку, которую затем свернули в трубку. Полученные нанотрубки (Гибкие, как резина) могут проводить электричество. Диаметр полученных образцов нанотрубок колеблется от 2 -5 мкм, а длина составляет приблизительно 100 мкм.

Рис. 1. Функциональная схема оптического квантового дальномера (ОКД) на блоках, выполненных на радиоэлементах.

Рис. 2. Функциональная схема оптического квантового дальномера (ОКД) на блоках, выполненная на «наносхеме»

Показатель упругости (Модуль ЮНГА) у нанотрубок оказался в 5000 раз меньше, чем у кристаллического кремния. С помощью кремниевых нанотрубок в наносхемах изготовлены кремневые одноэлектронные приборы — конструкция основана на принципе работы МОП (металл-окисел-проводник) транзистора на одной квантовой точке.

С помощью углеродной нанотрубки созданы в наносхеме полевые транзисторы, диоды, триггерные устройства, квантовые генераторы.

Все вышеперечисленные работы осуществляются с помощью сканирующего тунельного микроскопа — СТМ (сканирующий туннельный микроскоп).

К ОКД можно изготовить аккумуляторную батарею на основе нанотехнологии. В основе работы существующих батарей лежит химическая реакция. Нанотехнология обеспечивает уникальные возможности соединения химических компонентов и управление параметрами реакции. Была разработана трубчатая структура «нанотрава». Из неё формируется сверхгидрофобная наноструктурная поверхность, над которой размещается капля электролита. В нужное время капля падает в пространство между трубками и электролит начинает взаимодействовать с материалами батарей, что вызывает электрический ток, новая технология значительно увеличивает срок хранения батарей до 20 лет. К достоинствам таких батарей относится высокая скорость активации элементов питания и выхода на полную мощность, совместимость с технологическими процессами производства полупроводников, высокая плотность энергии. Батарея легко поддаётся миниатюризации и может быть изготовлена из универсальных материалов.

Заключение

  1. ОКД, разработанный на наносхеме, дает возможность значительно уменьшить:

а) вес устройства с 8 до 2кг;

б) объём примерен в 5 раз;

в) габариты в 4 раза.

  1. Возрастёт надёжность и безотказность работы.
  2. Уменьшится потребляемая мощность электроэнергии.
  3. Есть возможность применить миниатюрную аккумуляторную батарею выполненную на основе нанотехнологии.
  4. Разработанный оптический дальномер на наносхеме можно применить в различных отраслях народного хозяйства:

‒ в строительстве;

‒ в авиации;

‒ при проектировании и строительстве автомобильных и железных дорог.

Литература:

  1. А. Н. Ковшов, Ю. Ф. Назаров, М. Ибрагимов. Основы нанотехнологии в технике. — М.: Машиностроение Издательский центр «Академия» 2009.
  2. А. А. Елисеев, А. В. Мукашин, под редакцией академика Ю. Д. Треньякова. Функциональные наноматериалы. — М.: Физматлин 2010.
  3. В. П. Драгунов И. П. Неизвестный В. А. Гридчик. Основы наноэлектрики. Учебное пособие — Москва: Логос, 2006.
  4. П. П. Дьяков. Углеродные нанотрубки (строение, свойств, применение) — Москва, Бином Лаборатория знаний, 2006.
  5. В. В. Старостик. Материалы и методы нанотехнологии — Москва: Бином Лаборатория знаний, 2008.
Основные термины (генерируются автоматически): движение электронов, стробирующее устройство, функциональная схема, оптический квантовый дальномер, оптический квантовый генератор, Коллимирующая оптическая система, высокая направленность, оптическая система, оптический дальномер, углеродная нанотрубка.


Похожие статьи

Определение физических параметров радиационных процессов...

«Оптическая и квантовая электроника», Москва, Высшая школа, 2001. с. 107–151.

Излучательная компонента тока, связанная с инжекцией электронов в оптически активную...

Применение и перспективы использования легированных...

Имеется ряд оптических устройств и систем: аналоговые и цифровые оптические процессоры, волоконные преобразователи сигналов, спектроанализаторы, корреляторы, навигационные лазерные оптические системы.

Методы модификации зондов для атомно-силовой микроскопии...

Во-первых, кремниевый зонд и углеродные нанотрубки подводятся на близкое расстояние друг к другу с помощью двух микротрансляторов под прямым наблюдением в оптический микроскоп.

Системы видеосопровождения для беспилотного летательного...

Оптические световоды волоконно-оптических систем передачи...

Оптическая система для обнаружения пожаров. Главными характеристиками оптической системы являются: масштаб изображения, светосила поле зрения и разрешающая способность.

Современные системы 3D сканирования | Статья в журнале...

Оптическая система оцифровки и измерений ATOS II (рисунок 3) позволяет за короткое время с высокой точностью оцифровать объект с поверхностью любой сложности и получить его компьютерную модель.

«Оптическая и квантовая электроника», Москва, Высшая школа...

CIS, CCD, длина волны, зарядовая связь, принцип, сложная система зеркал, оптическая мышь, квантовый выход, выходной сигнал, электродная структура.

Применение волоконно-оптического гироскопа в инерциальных...

Применение волоконно-оптического гироскопа в инерциальных системах воздушных судов малой авиации.

Рис. 2. Устройство механического гироскопа.

. Рис. 4. Схема волоконно-оптического гироскопа.

Обзор приёмника и передатчика для подводной оптической связи

Оптические световоды волоконно-оптических систем передачи информации. Разработка и описание временно-импульcной диаграммы... Функциональная схема устройства и блок-схема оптического приемопередатчика приведены в ранее опубликованной статье.

Модель диодного лазера с вытекающим излучением в оптический...

« Оптическая и квантовая электроника», Москва, Высшая школа, 2001. с. 107–151.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — Слой порошка; 2 — Подсветка; 3 — Лазер и сканирующая система; 4 — Высокоскоростная видеокамера; 5 — Макрообъектив; 6...

Похожие статьи

Определение физических параметров радиационных процессов...

«Оптическая и квантовая электроника», Москва, Высшая школа, 2001. с. 107–151.

Излучательная компонента тока, связанная с инжекцией электронов в оптически активную...

Применение и перспективы использования легированных...

Имеется ряд оптических устройств и систем: аналоговые и цифровые оптические процессоры, волоконные преобразователи сигналов, спектроанализаторы, корреляторы, навигационные лазерные оптические системы.

Методы модификации зондов для атомно-силовой микроскопии...

Во-первых, кремниевый зонд и углеродные нанотрубки подводятся на близкое расстояние друг к другу с помощью двух микротрансляторов под прямым наблюдением в оптический микроскоп.

Системы видеосопровождения для беспилотного летательного...

Оптические световоды волоконно-оптических систем передачи...

Оптическая система для обнаружения пожаров. Главными характеристиками оптической системы являются: масштаб изображения, светосила поле зрения и разрешающая способность.

Современные системы 3D сканирования | Статья в журнале...

Оптическая система оцифровки и измерений ATOS II (рисунок 3) позволяет за короткое время с высокой точностью оцифровать объект с поверхностью любой сложности и получить его компьютерную модель.

«Оптическая и квантовая электроника», Москва, Высшая школа...

CIS, CCD, длина волны, зарядовая связь, принцип, сложная система зеркал, оптическая мышь, квантовый выход, выходной сигнал, электродная структура.

Применение волоконно-оптического гироскопа в инерциальных...

Применение волоконно-оптического гироскопа в инерциальных системах воздушных судов малой авиации.

Рис. 2. Устройство механического гироскопа.

. Рис. 4. Схема волоконно-оптического гироскопа.

Обзор приёмника и передатчика для подводной оптической связи

Оптические световоды волоконно-оптических систем передачи информации. Разработка и описание временно-импульcной диаграммы... Функциональная схема устройства и блок-схема оптического приемопередатчика приведены в ранее опубликованной статье.

Модель диодного лазера с вытекающим излучением в оптический...

« Оптическая и квантовая электроника», Москва, Высшая школа, 2001. с. 107–151.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — Слой порошка; 2 — Подсветка; 3 — Лазер и сканирующая система; 4 — Высокоскоростная видеокамера; 5 — Макрообъектив; 6...

Задать вопрос