книги из ГПНТБ / Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник

зами колебания в одной точке в различные моменты времени (вре­ менная когерентность). Когерентность можно определить с помощью функции корреляции и практически обнаружить по наблюдению интерференционных картин.

Сравним когерентность ОКГ и обычных источников света. Све­ товое излучение обычных источников является результатом спонтан­ ных переходов между энергетическими уровнями атомов и не может оставаться синусоидальным или монохроматичным, так как оно затухает из-за потери энергии атома на излучение или возмущается в результате изменения энергии атомов при столкновениях. Можно предположить, что излучение атома имеет вид цугов колебаний

снекоторой длительностью цуга

т(рис. 12.10), соответствующей

ном случае т определяется только спонтанным временем жизни атома. Так как оно обычно мало (х= КН —ІО'9 с), то практически за время наблюдения атом излучает большое число цугов колеба­ ний, не связанных по фазе. Каждый атом излучает цуги колеба­ ний, которые не когерентны, поэтому и излучение источника, со­ держащего много атомов, также не когерентно.

Представим теперь, что время наблюдения значительно меньше т. В этом случае амплитуды двух колебаний, пришедших в данную точку, за время наблюдения мало изменятся, поэтому можно наблю­ дать фазовые соотношения колебаний. Если же можно было наблю­ дать сложение колебаний с помощью отклоняющих пластин осцил­ лографической трубки, то мы заметили бы на экране появление на короткое время фигур Лиссажу. Таким образом, при спонтан­ ном излучении когерентность колебаний наблюдается лишь в те­ чение времени, меньшего т.

Время, в течение которого поле в заданной области сохраняет ко­ герентность, называют временем когерентности, а путь, пройден­ ный светом за время когерентности, — длиной когерентности. Вре­ мя когерентности при спонтанном излучении определяется време­

В отличие от обычных источников света излучение ОКГ имеет высокую степень пространственной и временной когерентности. Объясняется это тем, что излучение ОКГ является результатом вы­ нужденных переходов, а появляющееся излучение всегда совпадает по фазе с первичным излучением. Время когерентности в ОКГ

197

связано с временем жизни верхнего метастабильного уровня рабо­ чего перехода. Это время доходит до ІО-3 с, т. е. примерно в ІО5 раз больше, чем в обычных тепловых источниках света. Поэтому длина когерентности оказывается очень большой, порядка 1000 км.

Временная когерентность определяет применение ОКГ в системах передачи информации, измерения расстояний и угловых скоростей,

в стандартах частоты.

Пространственная когерентность ОКГ характеризует синфазность колебаний по сечению светового потока.

Если излучение различных точек плоского и большого по размерам выходного окна ОКГ практически синфазно, то выходное излучение можно рассматривать как плоскую волну. Однако при реальных размерах зеркал надо учитывать дифракцию, которая при­ водит к появлению угла расходимости. В § 12.1 отмечали, что диф­ ракционный угол может быть очень малым, несколько десятков секунд. Пространственная когерентность ОКГ определяет высокую направленность излучения и возможность его фокусировки в пятно очень малого размера. Вследствие пространственной когерентности излучения ОКГ можно получить плотность энергии излучения боль­ ше, чем Солнце, которая составляет около 7 • ІО3 Вт/см2. Уже по­ лучены плотности излучения около 1011 Вт/см2. При такой плот­

ют применять ОКГ для специальных научных исследований и раз­ личных технологических операций.

§ 12.4. Применения ОКГ

Высокая частота несущей в оптическом диапазоне позволит получить чрезвычайно большое число каналов связи, а очень малый угол расходимости излучения ОКГ — высокую эффективность пе­ редачи энергии. В настоящее время действуют оптические линии связи, на которых изучают все возможности этого способа связи.

Одна из серьезных трудностей при реализации систем оптической связи с помощью ОКГ связана со значительным поглощением из­ лучения в атмосфере. Поглощение зависит от метеорологических условий (дождь, туман, снегопад). Затухание на километр может до­ стигать 10 дБ. Перспективы для атмосферных, или открытых линий связи открывает переход в инфракрасный диапазон волн, где около Я = 10,6 мкм поглощение мало («окно прозрачности» атмосферы). Сейчас имеются мощные ОКГ на С02 с такой длиной волны, но пока отсутствуют модуляторы и фотоприемные устройства, работающие в широком диапазоне частот модуляции.

Протяженность действующих открытых (атмосферных) опти­ ческих линий связи мала, не превышает 20—25 км. На этих линиях обычно используют газовые ОКГ, имеющие хорошую монохрома-

198

тичность, но небольшую выходную мощность. Максимальная ча­ стота используемых оптических модуляторов около 100 МГц. В ка­ честве фотодетекторов применяют ФЭУ с примерно такой же полосой частот. Высокая направленность излучения газовых ОКГ заставля­ ет применять специальные системы для направления светового луча на приемное устройство.

Закрытые линии связи устраняют влияние метеоусловий. В таких линиях должны применяться световоды, обеспечивающие передачу света без значительных потерь на трассе. Возможно применение газовых световодов с фокусирующими линзами или световодов из

фронтами исходного импульса и импульса, отраженного от объекта. Для измерения расстояния используют также фазовые методы.

Весьма перспективно применение ОКГ для голографии. Схема такого применения показана на рис. 12.11. Объект освещается широ­ ким лучом ОКГ. Отраженный от объекта свет падает на фотографи­ ческую пластинку, на нее с помощью зеркала направляется также свет непосредственно от ОКГ. В каждую точку пластинки приходит свет от всех точек объекта и от ОКГ, поэтому на пластинке образует­ ся сложная интерференционная картина, которая после проявле­ ния пластинки называется голограммой. При рассматривании та­ кой голограммы в проходящем свете ОКГ можно увидеть изобра­ жение объекта, причем оно оказывается объемным. Меняя положе­ ние головы, можно увидеть изображение предметов, находившихся на переднем и заднем планах.

Получение голограммы возможно только при использовании источников света, обладающих временной и пространственной коге­ рентностью. При отсутствии временной когерентности (монохрома­ тичности) интерференционная картина не образуется и пластинка засвечивается равномерно. Отсутствие пространственной когерент­ ности также приводит к исчезновению интерференционной картины.

199

Интересно, что восстановить (увидеть) изображение объекта можно по любой части голограммы, так как любая ее точка несет информацию обо всем объекте. Однако использование небольшой части голограммы приводит к ухудшению качества восстанавливае­

мого изображения.

Восстановить изображение можно также при просмотре голо­ граммы в свете ОКГ с другой длиной волны, но при этом проис­ ходит изменение масштаба изображения пропорционально отно­

шению длин волн.

Возможно получение цветного объемного изображения. Для этого необходимо снимать голограмму одновременно тремя ОКГ с длинами волн, соответствующими трем основным цветам. Вос­ становление изображения производится в проходящем свете этих же трех источников света.

Создание мощных ОКГ привело к возникновению новой области физики — нелинейной оптики, которая изучает эффекты, зависящие от интенсивности светового излучения.

Очевидно, что влияние внешнего поля на оптические свойства вещества проявляется, если напряженность электрического поля

орбиты (г0« ІО-8 см), дает Еа ж ІО9 В/см.

Обычные источники света с интенсивностью (1—10) Вт/см2 со­ здают поля (0,1—10) В/см. Поэтому можно считать, что в этом случае отсутствует какое-либо влияние внешнего поля на движение электронов и на оптические свойства вещества. С помощью мощных ОКГ можно получить интенсивность (ІО8— 1010) Вт/см2, при кото­ рой напряженность поля Е ä; ІО5—ІО7 В/см. Такое поле уже не­ обходимо учитывать, особенно в веществах, где напряженность внут­ риатомного поля Еа X- (ІО7—108) В/см (например, в полупровод­ никах).

Обычно пользуются понятием поляризации. Связь между поля­

где к — электрическая восприимчивость, связанная с диэлектри­ ческой проницаемостью среды е или коэффициентом преломления п соотношениями:

В нелинейной оптике связь между SP и Е выражается степенным рядом:

200

Нелинейная связь Э0 и Е должна приводить к явлениям, извест­ ным из радиотехники, например к детектированию, появлению гар­ моник и комбинационных частот. Нелинейная зависимость (12.13) также означает, что диэлектрическая проницаемость и коэффициент преломления уже непостоянные и становятся зависимыми от на­ пряженности Е или интенсивности внешнего поля. С ростом Е по­ казатель преломления и диэлектрическая проницаемость увеличи­ ваются. Это означает, что одновременно изменяется фазовая ско­ рость волны и коэффициент поглощения среды. Установлено, что

фотонное поглощение связано с квадратичным членом в (12.13).

ОКГ с параметрическим возбуждением и с плавно перестраиваемой частотой. Уже разработаны параметрические генераторы света,

в которых частота плавно изменяется от видимого до далекого ин­ фракрасного диапазона (0,65—2,5 мкм). Параметрический принцип возбуждения позволяет также осуществить генерацию гармоник.

Необходимо отметить использование ОКГ в научных исследо­ ваниях, например при измерениях плотности плазмы и распределе­ ния концентрации электронов в плазме. Излучение мощных ОКГ используется в физико-химических исследованиях. Под воздейст­ вием излучения происходит разрушение химических связей. Воз­ можно создание разрядов в воздухе и других газах. ОКГ приме­ няют в медицине при некоторых операциях; широко используют в технологических процессах. Применение ОКГ в логических эле­ ментах может привести к созданию сверхбыстродействующих ЭВМ.

В настоящее время проводят исследования по использованию ОКГ большой мощности для получения термоядерных реакций. Предполагают, что с помощью лучей большого числа мощных ОКГ,. направленных на мишень, состоящую из смеси изотопов дейтерия

201

и трития размерами порядка 1 мм, удастся нагреть ее до температуры 100 млн. градусов, при которой начнется термоядерный синтез. Процесс нагрева должен проходить настолько быстро, чтобы мишень не успела заметно рашириться. В качестве мощных ОКГ предпола­ гают использовать импульсные ОКГ на неодимовом стекле и на уг­ лекислом газе.

в этом ОКГ служит смесь двух газов — гелия и неона, а рабочими уровнями —■энергетические уровни возбужденных атомов неона. ОКГ, в которых используются уровни возбужденных атомов, на­

зывают атомарными.

Упрощенная диаграмма нижних энергетических уровней гелия

быстрый и медленный электроны. В результате соударения кинети­ ческая энергия электрона уменьшается.

Если электроны в разряде имеют более высокую энергию, то может происходить ионизация атомов гелия. Энергетический уро­ вень иона гелия располагается выше уровня 5 (энергия 24,6 эВ).

Появившиеся в результате разряда возбужденные атомы гелия сталкиваются с невозбужденными атомами неона — другого газа смеси. В результате неупругих соударений возбужденный атом ге­ лия Не (5) передает свою кинетическую энергию невозбужденному атому неона Ne(l) и переходит в основное состояние Не(1). При этом

202

катому неона, а небольшой излишек энергии атома гелия переходит

вкинетическую энергию сталкивающихся атомов.

Для получения инверсной населенности важно также соотноше­ ние времен жизни уровней 4 и 3 рабочего перехода. Время жизни верхнего уровня 4 перехода, связанное со спонтанным излучением, должно быть больше, чем у нижнего уровня 3. При этом условии скорость убывания населенности верхнего уровня меньше скорости убывания населенности нижнего уровня и таким образом возможно поддержание инверсной населенности. Для гелий-неонового ОКХ это условие выполняется, так как время жизни верхнего уровня около ІО-7 с, а нижнего уровня — около ІО“8 с.

Атомы гелия являются посредниками при передачи энергии от быстрых электронов к атомам неона. Поэтому гелий можно назвать вспомогательным, а неон —основным, или рабочим, газом. Вообще существует и обратный, нежелательный, процесс — пере­ дача энергии от атомов неона к атомам гелия. Чтобы преобладала передача энергии от атомов гелия к атомам неона, необходимо зна­ чительное преобладание концентрации вспомогательного газа (ге­ лия) над концентрацией неона. Обычно отношение концентраций гелия и неона составляет 5—15.

Увеличение населенности уровня Ne (4) может при определен­ ных условиях привести к получению инверсной населенности пере­ хода 4—3. При этом необходимо иметь в виду, что в разряде идет не только возбуждение атомов гелия, но и атомов неона. В резуль­ тате неупругих соударений быстрых электронов с атомами неона может происходить образование возбужденных атомов неона, харак­ теризуемых уровнями 2, 3 и 4. При этом имеются как прямые пере­ ходы с уровня 1 на каждый из верхних, так и ступенчатые, когда атом переходит в состояние 2, а после нового столкновения с электроном в состояние 3 и т. д.

Установлено, что прямое возбуждение уровней 3 и 4 можно не учитывать. Значение ступенчатого вобуждения весьма существен­ но при больших токах разряда, так как уровень 2 в разряде интен­ сивно заселяется, а время жизни для него велико (метастабильный уровень). При достаточно большой населенности уровня 2 увеличи­ вается число возбужденных атомов в состоянии 3, получившихся в ре­ зультате ступенчатого возбуждения, т. е. дополнительного возбуж­ дения атомов Ne (2) электронами. Это увеличивает населенность уровня 3 и снижает разность населенностей уровней 4 и 3.

Следует иметь в виду, что населенность уровня Не (5) опреде­ ляется числом быстрых электронов и поэтому примерно пропор­ циональна току разряда. В то же время ступенчатый процесс за-

203

селения уровня Ne (3) через промежуточный уровень Ne (2) пример­ но квадратичен числу электронов или току разряда. При больших токах разряда преобладает второй процесс, поэтому происходит увеличение населенности уровня Ne (3), уменьшается инверсия населенностей уровней перехода 4—3 и возможен срыв колебаний.

Для борьбы с этим нежелательным явлением необходимо избе­ гать роста населенности уровня 2. Причиной, которая может пере­ водить атомы неона из метастабильного состояния 2 в основное, является соударение атомов со стенками сосуда в результате диф­ фузии. Поэтому следует облегчить диффузию возбужденных частиц

Окна Брюстера

к стенкам. Очевидно, для этой цели необходимо уменьшить диаметр газоразрядной трубки. Поэтому в гелий-неоновых ОКТ диаметр

натор, находятся вне газоразрядной трубки (кюветы). Возможно расположение зеркал и внутри кюветы, но первый вариант имеет следующие преимущества: упрощает юстировку зеркал для полу­ чения оптимального режима генерации, предотвращает разрушение отражающего слоя зеркал при бомбардировке ионами разряда, уп­ рощает замену зеркал.

Однако при внешнем расположении зеркал появляются допол­ нительные потери в торцовых стенках кюветы.

Потери в торцовых стенках можно практически устранить, если угол падения равен углу Брюстера, который определяется соотно­ шением: tg г'о = п, где п — коэффициент преломления. Известно, что при этом угле падения волна, плоскость поляризации которой совпадает с плоскостью падения, проходит без отражения, т. е. без потерь. Излучение с любой другой поляризацией имеет потери: отразившись, оно уходит в сторону. Надо расположить торцовые стенки так, чтобы угол между перпендикуляром к стенке и осью трубки был равен углу Брюстера. В этом случае излучение с одной (параллельной) поляризацией будет без потерь на отражение прохо­ дить через торцовые стенки и попадать на зеркала резонатора. От-

204

разившись от зеркал, это излучение снова без потерь пройдет через торцовые стенки, так как условия прохождения остаются прежними.

Генерация в ОКГ начинается со спонтанного излучения, которое не поляризовано, но в результате применения окон Брюстера со­ здадутся благоприятные условия для прохождения излучения одной поляризации. Это излучение вызовет в активной среде вынужденные переходы с той же поляризацией. Таким образом, применение окон Брюстера позволяет не только уменьшить потери и облегчить генера­ цию, но также дополнительно получить поляризованное излучение.

Электрический разряд в смеси газов создается в результате при­ ложения постоянного напряжения между катодом и анодом, распо­ ложенными на концах кюветы (см. рис. 12.14). Для облегчения

ная схема энергетических уровней. В дей­ ствительности число уровней очень велико и возможно возбужде­

ние колебаний на нескольких частотах. В гелий-неоновых ОКГ получено инфракрасное излучение (Я = 3,39 и и 1,15 мкм) и види­ мое излучение (Я = 0,63 мкм) с мощностью несколько десятков и сот милливатт.

Выходная мощность зависит от тока разряда, общего давления

вгазовой смеси, соотношения парциальных давлений гелия и нео­ на, диаметра разрядной трубки.

Зависимость выходной мощности от тока разряда показана на рис. 12.15. Сростом тока разряда увеличиваются число электронов

вразряде и населенность возбужденного уровня гелия и верхнего уровня рабочего перехода неона. Увеличение инверсной населенно­ сти приводит к росту выходного излучения. При большом токе разряда (свыше 100—200 мА) выходная мощность уменьшается из-за влияния процесса ступенчатого возбуждения нижнего рабочего уровня неона с метастабильного уровня (уровень 2 на рис. 12.13).

При достаточно больших токах (/ > 400 мА) генерация срыва­ ется.

Зависимость выходной мощности от соотношения парциальных давлений (или концентраций) гелия и неона уже пояснялась ранее. С ростом общего давления в смеси увеличивается концентрация атомов гелия и неона и растет населенность возбужденных уровней и выходная мощность. Однако при высоком давлении, когда кон­ центрация частиц в разряде становится большой, уменьшается длина свободного пробега электронов и соответственно уменьшается энер­ гия, приобретаемая электроном на этом пути в электрическом поле.

205

Последнее приводит к ослаблению процесса передачи энергии от электронов к атомам гелия и в конце концов к падению выходной

мощности.

В гелий-неоновом ОКГ, как и в других газовых ОКГ, концент­ рация частиц невысока, поэтому влияние взаимодействия между частицами на ширину спектральной линии мало. Ширина спектраль­

Дополнительно преимущество газовых ОКГ, в том числе и гелийнеонового, состоит в малой угловой расходимости выходного излу­ чения (порядка угловых минут).

Ионные газовые ОКГ. В гелий-неоновом ОКГ используются энергетические переходы возбужденных атомов, а в ионных ОКГ — переходы между возбужденными состояниями ионов инертных

газов.

В ионных ОКГ применяют чистые инертные газы, без примеси. Поэтому инверсная населенность создается не за счет соударений атомов, а только вследствие электронного возбуждения. Энергети­ ческие уровни основного и возбуждаемого состояния иона располо­ жены гораздо выше уровней возбужденных состояний нейтральных атомов, поэтому вероятность прямого возбуждения этих уровней очень мала. Считается, что заселение уровней ионов происходит в результате ступенчатого возбуждения при соударениях электро­ нов с ионами, находящимися в основном состоянии.

Однако для получения большой мощности необходима высокая концентрация ионов в разряде, т. е. плазма разряда должна быть высокоионизованной. Поэтому применяется дуговой разряд, ха­ рактеризуемый большим током (несколько десятков ампер). Плот­ ность тока достигает 1000 А/см2.

Наибольшее распространение получил аргоновый ОКГ, рабо­ тающий на энергетических переходах между возбужденным состоя­ нием иона Аг+ в видимой области спектра (X = 0,45 — 0,51 мкм). Практически в ионных ОКГ не наблюдалось падения мощности при больших токах разряда. Пока максимально достижимый ток разряда определяется техническими причинами.

Для повышения плотности разряда в ионных ОКГ применяют продольное магнитное поле, которое удерживает заряженные час­ тицы вблизи оси трубки. Использование поля (0,2—0,4 Т) позво­ ляет увеличить выходную мощность в несколько раз. Мощность ионных ОКГ достигает нескольких ватт. При увеличении длины га­ зоразрядной трубки до 2 м удалось получить мощность 30—50 Вт. Однако к. п. д. ионных ОКГ остается очень низким — 0,01—0,1%.

Рабочее давление в капилляре составляет десятые доли миллиметра

206