Справочник по радиолокации (ред. Сколник М. И.) т. 4 - 1978 г. (1151803), страница 76
Текст из файла (страница 76)
Другой метод измерения скорости целей с помощью оптического локатора состоит в использовании модуляции поднесущей частоты лазерного передатчика. В этом случае производится некогерентное детектирование отраженного оптического сигнала, после чего поднесущая частота смешивается с котерентным опорным сигналом, для получения доплеровских биений.
При этом удается избежать многих недостатков, связанных с требованиями, предъявляемыми к цепям когерентных оптических приемников, однако прн этом приходятся жертвовать разрешением и скоростью проведения измерений. Если наблюдение цели может производиться более длительное время, то разрешение по доплеровской частоте может быть восстановлено.
Следует отметить, что точность доплеровского метода, обусловленная малой шириной лазерного луча, сохраняется даже при использовании схемы с поднесущей частотой. 9.2. Лазерные передатчики и модуляторы Р (тц) = йтц (и> Ац+ (п> — л>) Вц и (ец)], (2!) где йе» Е> — Е> — энергия испускаемого кванта излучения; й — постоянная Планка; тц — частота испускаемого излучения; и, — населенность- верхнего энергетического состояния для единичного объема; Ац — коэффициент Эйнштейна для спонтанного испускания; п, — и> — разность населенностей верхнего и нижнегр состояний для единичного объема; В>, — коэффициент Эйнштейна для индуцированного испускания.
Первый член в скобках-описывает вклад за счет спонтанного испускания, Второй член в скобках описывает вклад в излучение со стороны индуцированных процессов. Скорость вынужленных (или индуцированных] переходов (или квантовых скачков] пропорциональна плотности энергии облучения атомов и(чц). В традиционных случаях оптических применений вынужденное испускание обычно бывает незначительным. В абсорбционной спектроскопии я, — населенность основного состояния и равновесная населенность верхнего состояния определяется выражением (22) л> = и> елр ] — (Е> — Е>)]И ], где й — постоянная Больцмана; Т вЂ” абсолютная температура. Для оптических частот, Е> — Е>л ИТ, таким образом, п>л л> и член и,— н> в формуле (21) отрицателен.
Следовательно, в этом случае может наблюдаться только поглощение (отрицательное усиление). В эмиссионной спектроскопии плотность генерируемой энергии и(н») так незначительна, что вынужденвое испускание пренебрежимо мало по сравнению со спонтанным. Для достижения положительного усиления в некотором объеме атомов или молекул необходима инверсия равновесного теплового распределения населенностей, описываемого формулой (22). Методы достижения инверсной населенности, такие, как разлеление молекул ч~е„ Е>' в пучке р]Н», находящихся в нижнем и ъ~ ф я верхнем энергетических состояниях, бы- ее] ъ Е> ч~ ! ., I лн реализованы Таунсом с соавторамн (5] в первой успешной демонстрации Ер яз усиления, основанного на вынужденном испускании.
(Таунс для своего усилитеЛя на аМмиаке ВВЕЛ тЕрМин «Мазвр», где рне. >. днаюанна онер»ее»нее«на уровней лааера. буква «м» соответствует «ш]сгоч>аче» (микроволновый). В оптическом диапазоне удобнее осуществлять инверсию населенностей косвенным способом согласно схеме, поназаниой на рис. 1. В указанной схеме населенность первоначальво свободного уровня Ее получается за счет основного уровня Ео с помощью таких процессов, как оптическая наиачка или накачка нз-за столкновений.
Переходы фотонов с населенного теперь уровня Е, на свободный уровень Е> могут создать эффект вынужденного испускания и оптического усиления. Уровень Е, должен оставаться по существу свободным под действием излучательиых или безызлучательяых переходов в основное состояние Ео. Существуют также случаи (иапример, для рубина), где вынужденное испускание создает переходы с уровня Е> на Е,, но переходы с уровня Е> на Е> безызлучательные.
В этом случае населенность основного состояния Ео должна быть уменьшена на 50о]>, прежде чем сможет иметь место вынужденное испускание. В первом случае вынужленное испуснание получается за счет переходов Е< Е> и только небольшая часть атомов иэ основного состояния должна быть переведена накачкой в состояние Е„ прежде чем может начаться вынужденное испускание (3), Для лазерного усилителя принципиально необхолимо наличие среды с инверсией населенности. Приходящий сигнал соответствующего диапазона частот 297 Гл. 9. Оптические локаторы производит запуск процесса вынужденного испускания, создающего усиление.
Любые отражающие поверхности уменыпают достижимое усиление и, таким образом, невыгодны. С другой стороны, для лазерно~о генератора необходима оптическая обратная связь так же, как для электронного генератора необходима цепь электронной обратной связи; в оптической системе эта обратная связь создается с помощью отражающих поверхностей. Первой предложенной оптической системой с обратной связью был интерферометр Фабрн — Перо, состоящий нз двух плоских параллельных зеркал, центры которых расположены на одной оси и отстоят друг от друга на тщательно выверенном расстоянии 1. Шавлов и Таунс в 1958 г. в рабоге [6) наглядно показали свойства обратной связи резонатора Фабрн — Перо, заполненного в качестве усилительной среды возбужденным газом.
Свет, распространяющийся параллельно оси резонатора Фабри — Перо, проходят через усилительную среду, последовательно отражаясь от переднего и заднего зеркал, н регенератнвно усиливается, если волны прн последовательных отражениях находятся в фазе. Этот оптический резонатор эквивалентен длинной линни передачи, имеющей на каждом конце реактивные нагрузки. Условие резонатора выполняется, когда ! кратно А/2 и распространяющиеся вперед и назад световые волны создают в результате наложения стоячую волну, которая увеличивается во времени от шумового до некоторого установившегося уровня.
Одно яз концевых отражаюшнх зеркал делается только частично отражающим, и, таким образом, некоторая полезная часть энергии может быть извлечена нз резонатора. Чтобы в приборе началась генерация, усиления активной среды должно превосходить потери резонатора, включан днфракционные потеря, поглощение в среде н потери за с ет прохождения через аеркала. Мейман 17] в !960 г. создал первый лазер.
Он использовал кристалл рубина с оптической накачкой, создаваемой импульсами газоразрядной лампы. вспышки. Газовый лазер, работающий в непрерывном режиме, был создан несколькими месяцами позже Джававом 181. Он использовал гелий-неоновую смесь, Причем накачка осуществлялась за счет разряда в газе. Лазерная генерация с непосредственной электрической накачкой была получена в !962 г, о помощью инжекции носителей в арсеннд-галляевом р — а-переходе 19 в 11), Было найдено огромное количество твердых веществ, жидкостей я газов, способных генерировать лазерное нзлученне, буквально на сотняк различных длин волн от ультрафиолетового диапазона до далекого инфракрасного. Из внх только несколько имеют доста очно большие мощность, к.
п. д. н когерентвость для практического использования в качестве передатчиков для локаторов. Далее приводится краткое описание основных классов лазеров, причем основной акцент делается на спецнфнческнх лазерах, наиболее полезных для применений в локации.
Твердотельные лазеры с оптнческой накачкой. Активной средой для таких лазеров является полированный кристалл илн стекловядный материал, в ноторый добавлено необходимое количество (например 0,1 молярного процента) актнвнрующего прнмесного вещества, такого, как ионы хрома нли неодима, Работа такого лазера показана на ряс. 2. Когда на лазерный кристалл действует некогеоентное оптическое излучение накачки, актнвируюшие ионы переходят нз основного состояния в состояние с более высокой энергией, показанное на рисунке заштрихованной полосой. Возбужденные ионы быстро (безызлуча. тельно) переходят в метастабильное состояние т, нз которого они относительно медленно (излучательно) переходят в конечное состояние 1.
Этот переход обеспечивает фотоны для лазерного излучения. Механизм перехода из конечного состаянвя в основное й не важен, он должен лишь быть достаточно быстрым, чтобы поддерживать конечное состонние ненаселенным. На диаграмме рнс. 2 показана работа наиболее часто встречающегося четырехуровневого лазера с оптической накачкой. Некоторые лазеры, имеющие очень большое значение (напрнмер, лазер на рубине), являются трехуровневыми приборами. В этом случае конечный уровень совпадает с основным.
Инверсия населенно- 298 9.2. Лазерные передатчики и модупягорье сти и оптическое усиление постигается в четырехуровневом лазере как только в метастабильное состояние переведено накачкой достаточное количество ионов. В трехуровневых лазерах по крайней мере половина ионов должна быть переведена накачкой из основного в метастабиланое состояние раньше, чем может быть получена инверсия населенности н усиление. Таким образом, четырехуровневые лазеры требуют значительно меньшую мощность оптической накачки для достижения лазерной генерации; они имеют также более высокий к.п.д.
при умеренных уровнях накачки. По этим причинам четырехуровневые лазеры представляют собой единственный тип лазера на твердом теле, работающий в непрерывном режиме, и имеющий практическое значеняе. 0спосннпнеиип 1ч ьчо Ьуопуеспгеунпонсе ссспгояиие пг Фпуероонеияный пепопоу Нснеинсе свппопиие й усноуиое ссопгояине и Рис. 3. диаграмма аиергетачесиих уреииеа лазера с оатичесиоа ааиачиоа. Большинство активирующих ионов в твердотельных лазерах с оптической накачкой принадлежат к группе редкоземельных элементов.
Так как заряд электронного облака редкоземельных ионов очень мал, то наблюдается незначительное перекрытие решетки ионов основного вещества и, следовательно, незначительное расширение спектральных переходов. Так как мощность накачки, требуемая для достижения порога генерации, пропорциональна ширине основной спектральной линии испускания, то необходима малая ширина этой ливии.
Кристаллы или стекловидный материал для лазеров обычно изготовляются в виде стержней, концевые отражающие поверхности которых играют роль резонатора Фабри — Перо. В ранних твердотельных лазерах для того, чтобы получить отражательную способность, близкую к единице, концевые поверхности стержня делались строго плоскими и параллельными и покрывались многослойным диэлектриком нли тонной металлической пленкой. С тех пор нашли широкое применение и другие типы концевых устройств, такие, как плоское зеркало на одном конце стержня, а на другом конце система, использующая эффект полного внутреннего отражения, или сферические зеркала на обоих концах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
