книги из ГПНТБ / Капышев, В. И. Радиопередающие устройства сверхвысоких частот [учеб. пособие]
.pdf13?
Г Л А В А у
КВАНТОВЫЕ ПЕРЕДАТЧИКИ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА
I . Общие сведения о квантовых генераторах
В квантовых генераторах используется энергия, излучаемая микрочастицами вещества (атомами, молекулами, иона ми) при квантовых переходах с одного энергетического уровня на другой.
Квантовый переход и связанное с нам излучение может быть самопроизвольным (спонтанным) или индуцированным. Инду цированное излучение (его называют также вынужденным или стимулированным) возникает при взаимодействии фотонов или возбужденных частиц. Оно отличается от спонтанного тем, что его начальная фаэа, направление распространения и плос кость поляризации не являются случайными, а совпадают с соответствующими параметрами фотонов, вызвавших излучение. Поэтому, используя явление индуцированного излучения, мож но получить когерентные колебания. Спонтанное излучение является некогерентным. Использование индуцированного излу чения лежит в основе работы всех квантовых генераторов, а высокая когерентность колебаний является их особенностью.
В настоящее время известно несколько типов квантовых генераторов.
I . Лаверы с твердыми и жидкими рабочими веществами, В качестве активного вещества в них используются различ ные кристаллические вещества, например рубин, а также стекло с примесью редкоземельных элементов.
Ооновныы преимуществом стеклянного лазера является то, чтб стеклу может быть придана любая форма и активная среда может иметь размеры, требуемые для достижения наи большей эффективности прибора.
В качестве рабочего вещества используются также веко-
140
торые пластмассы и нидкости, Твердотельные и жидкостные лазеры могут работать в импульсном к непрерывном режимах. Твердотельные генераторы способны обеспечить генерирова ние сверхмощных импульсов когерентных световых колебаний.
2, В газовых лазерах в качестве активного вещества используются спесь инертных газов, аммиак, кислород, окись углерода и др. Эти генераторы такие могут работать в
импульсной и непрерывном ренинах, обеспечивают высокую мо нохроматичность колебаний. Мощность большинства газовых лазеров в непрерывном режиме не превышает нескольких милли ватт, но есть возможность увеличить ее на порядок. Газовые лазеры, работающие в импульсном режиме, имеют мощность вы ходного луча порядка нескольких десятков ватт.
3» Полупроводниковый квантовый генератор обладает вы сокой аффективностыо и малыми габаритами. В них электри ческая энергия постоянного тока непосредственно преобра зуется в когерентное световое излучение. Они йозволяВД осуществить модуляцию непосредственно в самом приборе путем изменения протекающего через лазер тока,
Перейдем к рассмотрению принципов работы квантовых генераторов. Как известно, любая, микрочастица имеет внутреннюю и внешнюю энергию. Внешняя, или кинетическая, анергия частицы W- зависит от скорости U , ее движения по отношению к выбранной нами системе координат. Эта энергия не квантована - она может принимать любое зна чение, При работе Генераторов, которые рассматривались в предыдущих главах (клистронные, магнетронные, ламповые и д р .), заряженные частицы (электроны) отдают высокочастот ному полю именно эту энергию.
Внутренняя энергия материальных частиц (молёкулы, атома, иона) зависит от ми структуры (расположения ато мов, образующих молекулу, взаимной ориентации магнитных моментов электронов и т .д ,) . Эта энергия квантована.
Она может принимать только вполне определенные значения, называемые энергетическими уровнями При изменении энергетического уровня излучается иди поглощается квант энергии. Частота этого колебания определяется выражением
,Ш.-)М
J-- |
— г ~ % |
(5.1) |
|
|
|
где |
- разность энергетических уровней; |
|
k |
- постоянная Планка, |
|
Дискретным значениям разности энергетических уров ней соответствуют дискретные и весьма стабильные значения частоты излучаемых колебаний. В обычных условиях вещество находится в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой. При атом распределение частиц по раз
личным энергетическим уровням соответствует |
рис. 5 .1 и |
||
выражению |
ЛЛ? |
л7 |
(5.2) |
|
_Ш - р |
||
NH
т%ъШ,Ин - количество частиц, энергия которых соответствует верхнему, т .е . возбужденному, и нижнему уровням соответственно;
К - постоянная Больцмана;
/V
Рис. 5.1 Распределение частиц по энергети ческим уровням
и г
Выражение (5.2) показывает, что в обычных условиях количество возбужденных частиц меньше, чем невозбунден-
ны х.йэ |
него следует, |
что если |
Т<0 |
, то Ш>Мн . На |
этом основании состояние вещества, при котором число' |
||||
возбужденных частиц |
больше, чем число вевозбуяденных, |
|||
условно |
называют состоянием с отрицательной температу |
|||
рой Т . |
По другой терминологии состояние вещества, при |
|||
котором "населенность'1 верхнего |
уровня |
превышает "на |
||
селенность" нижнего уровня, называют инверсией уровней. Фотоны, частота колебаний которых соответствует выражению (5 .1 ), могут взаимодействовать как с возбуж денными, так и невозбужденными частицами. При взаимо
действии фотонайневозбужденной частицей фотон погло щается ею, и количество фотонов в пространстве взаимо действия уменьшается. Это явление называется резонанс ным поглощением.
При взаимодействии,фотона с возбужденной частицей последняя излучает фотон, и количество фотонов в пространстве взаимодействия возрастает. Это явление на зывается индуцированным (вынужденным) излучением. Для каждого квантового перехода имеется определенная постоян ная времени релаксации, т .е . время, в течение которого половина возбужденных частиц самопроизвольно (спонтан но) переходит на нижний уровень,
Иак указывалось тише, при спонтанном излучении возни кают некогерентные колебания, поскольку при каждом спонтанном переходе возникают фотоны, для которых все возможные значения начальной фазы, плоскости поляри зации и направления излучения равновероятны.
При индуцированном излучении на возбужденную части цу воздействует фотон, Б связи с этим резко возрастает' вероятность излучения с такой же начальной фазой, направлением распространения и плоскостью поляризации, какую имеет фотон, вызывавший излучение»
Фотон, вызывающий индицированное излучение, не поглощается и не изменяет своих параметров. Поэтому
\
143 |
|
индуцированное излучение приводна' к увеличению коли- |
|
чества фотонов с одинаковыми параметрами, т„е. обеспз- |
|
чивает получение когеректных колебаний, которые характери |
|
зуются весьма узким спектром, Это облегчает их использо |
|
вание для передачи информации при помощи различных мето |
|
дов модуляции. Когерентные колебания, распространяю |
|
щиеся в пространстве, представляют собой волку, для ко |
|
торой поверхности равной фазы являются плоскими или сфе |
|
рическими, что делает возможный формирование весьма уз- |
* |
ких диаграмм направленности или фокусировку волны до |
|
очень малых размеров светового пят-на, близких к длине |
|
волны. Некогерентнче колебания являются результатом интер |
|
ференции колебания множества независимых излучателей. Они |
|
имеют шумовой характер и более широкий спектр, что затруд |
|
няет их использование для передачи информации и делает |
|
невозможным такую фокусировку, какую допускают когерент |
|
ные колебания. |
|
Вещество, в котором преобладают возбужденные частицы, |
|
называют возбужденной квантовой системой, веществом с |
|
инверсией уровней, или активным веществом. Если на актив |
|
ное вещество падает электромагнитная волна (свет) под |
|
ходящей частоты, то она вызывает когерентное издучеиие |
|
на этой частоте. Однако вероятность того, что за один |
|
проход все возбужденные атомы будут взаимодействовать |
|
с волной, мала. Для усиления взаимодействия антивное |
|
вещество помещают между двумя плоскопараллельньми зер |
|
калами. Такая система (интерферометр Фабри-Перо) |
|
является резонатором оптического диапазона. Лучи, падаю |
|
щие на зеркало под углом, отличным от 90°, относительно |
|
быстро выходят из резонатора через боковую стенку слабо |
|
усиленными, и ими можно пренебречь. Электромагнитная |
|
волна, падающая на зеркало под углом,близким к 90°, |
|
отражается от него, многократно (1000 раз) проходит черев |
|
активную среду без заметного отклонения от оси и усили |
|
вается. |
|
144
На одно кз зеркал наносят полупрозрачное покрытие, через которое часть энергии выходит в виде узкого луча»
Для возбуждения колебаний в квантовой автогенерато ре, кроне инверсии уровней, нужна обратная связь. Для обеспечения обратной связи вещество с инверсией уровней помещают в резонатор, настроенный на требуемую частоту. Отражение волн 'от стенок резонатора создает замкнутую петлю обратной связи.
Условие самовозбуждения квантового генератора мож но выразить следующим образом.
Представим себе вещество с инверсией уровней, нахо дящееся в объемном резонаторе (рйс^Б.З). Замкнутой петлей обратной связи является путь потока фотонов от выбранного сечения Л к отражающей стенке В, далее я отражающей стенке С и обратно к сечению А.
Условие самовозбуждения выполняется, если для ко лебаний малой амплитуды коэффициент усиления при обходе по замкнутой це пи обратной связи боль ше единицы. Это можно представить в виде нера венства
.. |
NoltkzMrJ/l ПГо |
>1 |
(t>.3) |
|
Же |
ц,& |
в резонаторе; |
|
|
где No - |
количество |
фотонов |
|
|
Ni ~ количество фотонов индуцированного излу чения, возникших за время двойного пробега света по ре зонатору ;
ДIs |
- |
количество фотонов, |
поглощешшх за время |
д-£; вследствие резонакного поглощения |
и других потерь в |
||
активном веществе; |
|
||
Лб |
- |
количество фотонов, |
вышедших за время |
из резонатора |
|
через его боковые стенки; |
|
П,Гз - коэффициенты отражения ст стенок В и С,
14о
Соотношение Hi и Нг определяется степенью возбувдения квантовой еистеш или величиной ее отрицательной температуры Т (формула 5 .2 » ), Очевидно, что
Nt _ Ш
№Пн ■ tr. ч
Первый множитель выражения (5,3; показывает, во сколько раз увеличивается интенсивность излучения при двойном пробеге фотонов вдоль резонатора,.
Ив выражения (5.3) видно, что необходимое для само возбуждения превышение числа возбужденных частиц над числом невозбужденных зависит таких факторов, как по тери в резонаторе и коэффициент отражения от стенок ре
зонатора. |
|
Для поддержания |
незатухающих колебаний необходимо |
непрерывно поддерживать это превышение за счет анергии внешнего источника, который называют источником накачки.
Для осуществления стационарного режима необходимо, чтобы выполнялось условие
Г 9~ 28г* 1 >
где S |
- |
коэффициент поглощения на единицу длины |
|
активной среды |
(при |
усилении колебания В<0 )• |
|
£ |
- |
длина |
пути луча в активной с±.зде; |
Г = TjTg |
- |
коэффициент отражения зеркала. . |
|
Таким образон, основными элементам^ квантового гене ратора являются:
а) активное вещество с энергетическими уровнями, переходы между которыми соответствуют заданной частоте;
б) источник энергии для перевода системы в состоя ние с инверсной населенностью, т .е . генератор накачки; .
в) резонаторнан система оптического диапазона.
1
146
2, Принципы модуляции квантовых генераторов
Одной из сложных проблем, связанной с созданием пе редающего устройства на квантовом генераторе оптического диапазона, является проблема модуляции колебаний. Принци пиально здесь можно использовать те же виды модуляции, что и в генераторах радиочастотного диапазона, а именно: амплитудную, угловую, импульсную, однополосную и поляри зационную. Однако в настоящее время кет еще технически завершенных решений, хотя были проведены многочисленные успешные опыты передачи многоканального сообщения, теле видения, радиолокации и др.
Известные в настоящее время методы модуляции кванто вых генераторов можно разделить на две группы: метода , внутренней модуляции и методы внешней модуляции.
Внутренняя модуляция осуществляется в самом гене раторе путем воздействия на иоточ^ники накачки или актив ное вещество (используя, например, эффект Зеемайа, эффект Штарка и д р .).
Внешняя модуляция осуществляется на пути распростра нения луча после его выхода из активного вещества. Подав ляющее большинство внешних методов модуляции основано на использовании явления двойного лучепреломления, возникаю щего в некоторых веществах вследствие эдектрооптическнх эффектов Керра, Поккельса и явления поворота плоскости поляризации (магнитооптический эффект Фарадея).
Двойное лучепреломление возникает в результате не одинаковых свойств оптически активной среды в различных направлениях. Имеется такое направление, по которому вхо дящий плоскопшшризованный луч света превращается.в даа плоскополяризованные луча, распространяющиеся в том жэ направлении. Плоскости поляризации у этих лучей взаимно перпендикулярны. Скорости распространения этих лучей в
*
147
среде неодинаковы. Один ив луча/*, называемый обыкновен ным, имеет постоянную,не зависящую от внешнего воздей ствия скорость распространения. Другой, называемый необык новенным, имеет скорость, зависящую от степени внешнего воздействия.
После прохождения вещества колебания этих лучей складываются. Характер поляризации результирующего луча зависит от сдвига фаз между обыкновенным и необыкновен ным лучами при выходе из вещества. Если модулирующим сигнален изменять степень воздействия на вещество, то будет изменяться скорость распространения необыкновенного луча при выходе из вещества. Это явлен"е может быть использовано для модуляции оптического нвантового генера тора.
Эффект поворота плоскости поляризации (.эффект Фара дея) проявляется в наибольшей мере на определенных частотах колебаний внешнего магнитного поля. Эти часто ты могут лежать в области высоких или сверхвысоких частот.
Модуляция излучения оптического квантового генерато ра осуществляется либо непосредственно передаваемым сиг налом, либо колебаниями высокой или сверхвысокой частоты, предварительно промодулированными передаваемым сигналом.
Амплитудная модуляция. Для осуществления амплитудной модуляции оптического квантового генератора можно исполь зовать вффек . рра, Поккельса и Фарадея.
Эффект Re^t.u состоит в том, что под действием электри ческого поля в некоторых жидкостях происходит такая ориен тация молекул, при которой в направлении, перпендикуляр ном к силовым линиям электрического поля, среда стано вится дво.:копрелоыляющей. Сдвиг фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами.распространяющимися в этом направ лении, прямо пропорционален длине пути в веществе, квадрату напряженности электрического поля и постояв-
148
ной Керра 8 :
у - т г Е * |
( 5 . 4 ) |
где f = jj- - напряженность электрического поля;
8 - длина пути света в активной среде;
d - расстояние иекду электродами.
Постоянная Керра В для жидкостей, в которых прояв ляется эффект Керра, мала, наибольшее значение В имеет нитробензол.
На рис. 5.4 представлена схема модулятора, построен ного на основе использования эффекта Керра. Модулятор со стоит из поляризатора I , элемента Керра (кювета с нитро бензолом) 3 и анализатора 5.
Рио. 5 .4 . Схема модулятора с элементом Керра
К элементу Керра с помощью пластин 4 подводится но-/
дулирующее напряжение, создающее в жидкости электрическое поле, направленное перпендикулярно к пластинам. В качест ве поляризатора и анализатора используются, призмы Николя. Световой луч, проходя через первую призму Николя, стано вится линейнополяризованным. Далее световой луч проходит через элемент Керра, а затем попадает'на'вторую призму