- •5. Автоколебательные системы
- •5.1. Понятие об автоколебаниях
- •5.2. Энергетика автоколебаний и роль нелинейности
- •5.3. Дифференциальное уравнение автогенератора гармонических колебаний
- •5.4. Возбуждение автоколебаний и работа автогенератора в режиме малой амплитуды выходного сигнала
- •5.5. Трехточечные автогенераторы
- •5.6.Автогенераторы гармонических колебаний
- •5.7. Автогенераторы с внутренней обратной связью
- •5.8. Особенности применения приборов с отрицательным сопротивлением
- •5.9. Автогенераторы с распределенной колебательной системой
5.9. Автогенераторы с распределенной колебательной системой
Практически важной разновидностью автогенераторов с внутренней обратной связью служат автоколебательные устройства с применением отрезка линии передачи с распределенными параметрами. Типичный пример – лазер– автогенератор гармонических колебаний в оптическом и инфракрасном диапазонах. Лазер образован распределенной колебательной системой - резонатором (интерферометром) Фабри-Перо, между двумя полупрозрачными зеркалами. Пространство между зеркалами заполнено активной средой. Так в гелий-неоновом лазере используется смесь газови. Накачкой энергии, например, - облучением, в среде может быть создана инверсная населенность энергетических уровней атомов или молекул. Устройство лазера показано на рис. 5.22
После создания инверсной населенности энергетических уровней атомы совершают вынужденные переходы с возбужденных уровней в более низкое энергетическое состояние под действием электромагнитного поля в резонаторе. Это поле – результат наложения полей, излучаемых большим числом атомов активной среды, друг на друга. Вынужденный, а не спонтанный характер излучения обеспечивает высокую степень пространственно-временной когерентности излучения лазера. Условие самовозбуждения лазера – мощность, излучаемая активной средой в резонатор, должна быть больше полной мощности потерь в системе.
Рис. 5.22
1 – полупрозрачное зеркало, 2 – активная среда, 3 – генерируемый пучок света
Рассмотрим гармонические волны в активной линии передачи. Амплитуда волны изменяется по закону в направлении оси, где- комплексная постоянная распространения,. Колебания в каждой точке происходят по гармоническому закону. На эквивалентной схеме активную линию передачи можно представить отрезком длинной линии с погонными активными (и) и реактивными (и) параметрами. По линии распространяются волны тока и напряжения. Из теории длинных линий известно, чтозависит от погонных параметров линии как:
(5.41)
Активность среды, выражающуюся в инверсной населенности энергетических уровней атомов, в данной модели можно учесть, полагая погонную шунтирующую проводимость . Выражение (5.41) можно переписать как
(5.42)
Пусть линия передачи слабо отличается от идеальной, то есть и. Тогда в (5.42) можно пренебречь третьим слагаемым под знаком радикала по сравнению с первыми двумя и получить приближенно:
(5.43)
При сделанных предположениях: и, параметрыипренебрежимо мало изменяют фазовую скорость волны в линии:, и коэффициент фазы:. Так как, то изучаемая волна распространяется против оси. Однако значение, как видно из (5.43), существенно зависит от значения:
(5.44)
Самовозбуждение означает, что за счет взаимодействия с активной средой амплитуда волны должна возрастать по направлению распространения волны. Значит, для волны, распространяющейся против оси , самовозбуждение наступает при, то есть при
(5.45)
где - волновое сопротивление линии,.
Из последней формулы следует, что чем меньше , тем большее значения модуляотрицательной активной проводимостинеобходимо для самовозбуждения распределенного автогенератора.