Квантовые генераторы

  Ширина  всего спектра излучения составляет сотни мегагерц для газовых гелий-неоновых лазеров (Δλ≈0,001 Å) и до десятков тысяч мегагерц для твердотельных лазеров ( Δλ, для рубинового лазера изменяется от 0,02 до 0,6 Å).

  Спектр  излучаемых лазерами колебаний заметно  зависит от температуры активной среды. Смещение спектра излучаемых частот для лазеров на рубине при  изменении температуры кристалла  на 1° С составляет около 4000 Мгц. Относительная температурная стабильность средней частоты спектра приблизительно равна 10-⁵ 1/град.

 

  5. Модуляция квантовых генераторов 

  Применение  квантовых генераторов для связи, передачи телевидения, в системах локации  и в других областях радиоэлектроники требует разработки различных методов модуляции, обеспечивающих высокую линейность амплитудной и частотной характеристик, большой частотный диапазон и т. д. Для использования огромной информационной емкости линий связи в оптическом и инфракрасном диапазонах, обусловленной весьма широким спектром частот, возникает необходимость получения большого количества поднесущих частот, соответствующих сантиметровому и даже миллиметровому диапазонам.

  Для изменения амплитуды, частоты или  какого-либо другого параметра колебаний  квантового генератора, необходимого для передачи информации, могут быть использованы два метода: внутренней и внешней модуляции. В первом случае воздействие на колебания производится с помощью модулятора непосредственно в самом генераторе, во втором случае — вне генератора путем воздействия на когерентные колебания, уже сформированные в генераторе.

  В квантовых генераторах, как и  в других рассмотренных ранее  генераторах, используется амплитудная, частотная, фазовая и импульсная модуляция. В настоящее время  по соображениям относительной простоты технической реализации передающих устройств, в частности модуляторов, а также и приемных устройств преимущественно используется амплитудная и импульсная модуляция.

  К простейшим методам получения амплитудно-модулированных колебаний следует отнести методы модуляции, основанные на непосредственном изменении мощности накачки в соответствии с передаваемым сигналом.

  В газовых лазерах этот метод реализуется путем амплитудной 
модуляции источника высокочастотного возбуждения, которая приводит к соответствующему изменению интенсивности излучения лазера.

  Очевидно, что модуляция источника накачки должна осуществляться в ограниченных пределах: от порогового значения до максимального, соответствующего наиболее интенсивному излучению. К недостаткам этого вида модуляции следует отнести также значительную нелинейность модуляционной характеристики. Поэтому для получения необходимых качественных показателей передатчика приходится ограничивать глубину модуляции. В частности, для гелий-неонового лазера коэффициент амплитудной модуляции нецелесообразно выбирать более 20—30%.

  Данный  метод получения амплитудно-модулированных колебаний особенно удобен, применительно  к полупроводниковым или, как  их иногда называют, инжекционным лазерам, в которых уровень излучения можно изменять путем соответствующего изменения тока, протекающего через активный элемент — диод. В частности, для импульсной модуляции полупроводникового лазера на него просто подается напряжение с импульсного модулятора. Однако и в подобного типа лазерах использование непосредственного воздействия на мощность накачки не лишено серьезного недостатка — изменения ширины излучаемого спектра, связанного с возбуждением, дополнительных нежелательных видов колебаний в процессе модуляции.

  Учитывая, что и в немодулированном режиме ширина спектральной линии полупроводникового лазера значительно больше ширины линии газового лазера, это обстоятельство накладывает определенные ограничения на области применения подобного типа передатчиков. 

     В квантовых передатчиках, работающих в непрерывном режиме, все большее применение находят различные методы внешней модуляции. В зависимости от мощности передатчика, характера передаваемого сигнала, в частности, от максимального значения частоты модуляции, требований к линейности частотной и амплитудной характеристики и т. п. могут быть использованы различные виды модуляторов:

1. поляризационные модуляторы, принцип действия которых основан на вращении плоскости поляризации луча, наблюдаемого в электрооптических явлениях Керра и Поккельса, а также в магнитооптическом явлении Фарадея,
2. интерференционные модуляторы, использующие интерференцию двух лучей, разность хода которых изменяется в соответствии с модулирующим сигналом,
3. дифракционные модуляторы, действие которых основано на дифракции луча на дифракционной решетке, параметры которой изменяются в процессе модуляции,
4. механические модуляторы, в которых осуществляется прерывание луча с помощью электромеханических систем (отклонение луча, расфокусировка и т. п.).

Рисунок 14 Схема модулятора поляризационного типа 
 

  В модуляторах поляризационного типа используются электрооптические и  магнитооптические эффекты в  твердых и жидких прозрачных веществах, в которых под влиянием электрического или магнитного поля наблюдается вращение плоскости поляризации проходящего через них луча. 
 

 

Рисунок 15 .  Зависимость  интенсивности  Светового  потока на выходе модулятора от приложенного  к ячейке Керра напряжения. 

 

  Вращение плоскости  поляризации луча при прохождении  последнего через жидкие диэлектрики, помещенные в электрическом поле, называют электрооптическим эффектом Керра, а сам активный элемент (диэлектрик) — ячейкой Керра. Аналогичное явление в кристаллах называют эффектом Поккельса.

  Принцип действия модулятора поляризационного типа рассмотрим на примере модулятора с использованием ячейки Керра.

  Модулятор (рис. 14) содержит две поляризационные призмы, пропускающие излучение, поляризованное только в определенной плоскости, и ячейку Керра, располагающуюся в электрическом поле, величина которого изменяется в соответствии с модулирующим напряжением. Ячейка Керра представляет собой небольшой стеклянный сосуд, обычно заполненный нитробензолом — слегка желтоватой жидкостью, в которой заметно проявляется электрооптический эффект.

  Первая  и вторая поляризационные призмы (поляризатор и анализатор) скрещены, т. е. установлены таким образом, чтобы плоскости поляризации их были взаимно перпендикулярны. В этом случае, если ячейка Керра не будет поворачивать плоскость поляризации луча, для него эта система окажется  непрозрачной.

Первая  призма пропускает луч лазера, имеющего определенную поляризацию. Проходя  через ячейку Керра (при наличии  электрического поля), плоско поляризованный луч становится эллиптически поляризованным, при этом соотношение между осями эллипса будет определяться величиной электрического поля. При наличии эллиптической поляризации часть излучения пройдет через вторую поляризационную призму — анализатор. 
 

  Для скрещенных поляризаторов интенсивность светового  потока на выходе анализатора определяется следующим соотношением: 

  I_a=I_psin²πB_kLE² (5)

  где I_p- интенсивность светового потока на выходе поляризатора;

        B_k – электрооптическая постоянная Керра, для нитробензола равная 4*10^-5 см∙в^-2 ;

     L- длина пути луча в ячейке;

     E= U₀/d- напряженность электрического поля

     U₀ – приложенное к ячейке напряжение и

     d- ее толщина (см. рисунок 14).

  На  рисунке 15 приведена зависимость, определяемая (5) которая называется статической модуляционной характеристикой. Из рисунка 15 видно, что исходную рабочую точку модулятора целесообразно выбирать вблизи точки 1, где кривая имеет относительно небольшую нелинейность. Начальное положение рабочей точки устанавливается выбором соответствующего напряжения U_н.

  Модулятор с ячейкой Керра позволяет  осуществлять модуляцию до частот 10⁸ —10⁹ Гц.

  Модуляторы  с ячейками Керра наряду с весьма высокими показателями имеют недостатки, которые ограничивают их широкое, применение:

1. значительная мощность, необходимая для управления ячейкой,
2. заметные потери света в ячейке, 
3. недостаточно  высокая   предельная  частота модуляции и

  4) трудности   работы   с   жидкими   наполнителями   ячейки (испарение, перегрев, загрязнение  и т. д.).

Применение  вместо ячейки Керра кристаллов, обладающих электрооптическим эффектом, позволяет существенно расширить возможности модуляторов поляризационного типа. Электрооптический эффект в весьма сильной степени проявляется для кристаллов первичного кислого фосфата калия (кристаллы КДР), первичного кислого фосфата аммония (кристаллы АДР), хлористой меди и некоторых других. Наибольшее распространение получили кристаллы КДР и АДР. 

На рисунке 16 изображена ячейка модулятора, которая представляет собой кристалл КДР, помещенный в зазор объемного резонатора коаксиального типа. Модулирующее напряжение со средней частотой, соответствующей резонансной частоте резонатора, подается через коаксиальный фидер. Полоса модулирующих частот определяется полосой пропускания  резонатора.

     

Рисунок 16 Конструкция ячейки модулятора

1. резонатор
2. кристалл
3. петля связи резонатора с источником модулирующего напряжения

 

  Статическая модуляционная характеристика рассматриваемого модулятора аналогична характеристике модулятора с ячейкой Керра.

  Модуляторы  подобного типа позволяют в настоящее  время обеспечить модуляцию до 10 ГГц с полосой модулирующего сигнала порядка 20 МГц при мощности модулятора около 50 Вт.

  К достоинствам модуляторов, использующих эффект Поккельса, можно отнести  возможности получения высокой  модулирующей частоты и меньшую  мощность модулирующего сигнала. 
 
 

  Увеличение  верхнего предела частоты модулирующего  сигнала ограничивается относительно большой сосредоточенной емкостью резонатора в месте включения  кристалла, которая необходима для  получения достаточно большого напряжения на кристалле. 

  Еще один эффективном метод внутренней модуляции в импульсных передатчиках радиолокационных систем оптического диапазона, в которых предъявляются жесткие требования к постоянству частоты следования импульсов и к их форме – это модуляция добротностью (или Q- модуляция) 

  Как ранее отмечалось, импульсы, излучаемые рубиновым или каким-либо другим твердотельным лазером, состоит из серии хаотически следующих импульсов малой длительности (рисунок 7, в). Подобная структура импульса для ряда радиолокационных систем является непригодной: для обеспечения высокой точности измерений желательно, чтобы энергия лазера была сконцентрирована в одном импульсе необходимой длительности, а момент начала генерации импульсов мог бы с большой точностью управляться с помощью синхронизирующего устройства радиолокационной станции.

  Сущность модуляции добротностью заключается в следующем. В резонатор рубинового лазера вводится специальный элемент, изменяющий добротность резонатора при подаче на него импульсного напряжения с модулятора.

  В качестве такого элемента может быть использован рассмотренный выше модулятор поляризационного типа, работающий в импульсном режиме.

     Режим модулятора подобран таким образом, что в отсутствие модулирующего  напряжения модулятор препятствует прохождению светового потока луча, что эквивалентно внесению в резонатор значительных потерь и, следовательно, уменьшению добротности, В момент же подачи импульсного напряжения на управляющий элемент (ячейку Керра или Поккельса) обеспечивается максимальное прохождение светового потока, уменьшение потерь и соответствующее увеличение добротности резонатора.