Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Для спектральной линии, имеющей лоренцову форму, Лтн —— = 1О' Гц. При значениях тока возбуждения около 150 мА инвесия населенностей уровней ОКУ остается почти неизменной и происходит насыщение. 6.4. Шумы в оптических квантовых усипителях Термин «шумы» означает естественные флюктуации электромагнитного поля, обусловленные дискретной природой электрических зарядов и квантовой природой излучения.
Шумы принципиально неустранимы, они могут быть уменьшены до сравнительно малого уровня. опросту говоря, шумы — это помехи аппаратуры, вызывающие появление посторонних сигналов, мешающих наблюдению или измерению полезных сигналов. Они ограничивают чувствительность ОКУ. Часть шумов, поступающих на вход ОКУ совместно с полезным сигналом, являются внешними шумами; та же часть, кото а возникает в самом ОКУ, является внутренними шумами. Полезный сигнал малого уровня, как правило, неразличим среди шума точно так же, как неразличимо сияние звезд на фоне дневного неба ПЗ). Источниками внешних шумов являются фоновые засветки, электрические разряды, ионосферные и космические радиошумы, тепловое и радиоизлучение Земли и г. д,; источниками внутренних шумов— случайные флюктуации поля излучения и неравномерности термоэлектронной эмиссии. Сюда относят дробовые, п1енловыэ, мерцгпнельные (фликкер) шумы.
Действие шумов на аппаратуру принято определять средним квадратическим отклонением шумового напряжения или тока и отношением мощностей сигнала и шума (Р,/Р ). Дробовые шумы вызываются неравномерностью термоэлектронной эмиссии из катода; они наблюдаются не только во всех элект ровакуумных электронных приборах, но также при формировании ионных, молекулярных и атомных пучков и при образовании любых потоков свободных квантовых частиц. Спектр дробового шума равномерный до частот 1О' Гц, а затем спадает на более высоких частотах.
Фликкер-шумы низкочастотны и лежат в интервале 1...200 Гц. Они возникают за счет неравномерности эмиссии электронов с отдельных участков катода. Тепловые шумы вызываются флюктуационной разностью потенциалов на концах проводника, когда заряд каждой элементарной его 110 части изменяется по случайному закону. Мощность теплового шума, как и других типов шумов, определяется эквивалентной шумовой лгэмлэратурой, т. е. температурой проводника, при которой его тепловой шум имел бы такую же интенсивность. Например, процессы генерации и рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках неизбежно сопровождаются тепловыми шумами.
Если квантовые усилители работают при глубоком охлаждении, то тепловые шумы почти отсутствуют. Основной вклад в мощность этих шумов вносят шумы, возникающие в первых миллиметрах активной среды со стороны входа. Например, мощность шума квантового усилителя в 100 раз меньше мощности шума самых малошумящих электронных усилителей. Рассмотрим шумы в ОКУ. Для исследования возможного количества информации, вводимой, например, в оптические системы связи, требуется оценить шумы когерентного лазерного излучения, проходящего через активную усилительную среду.
Природа возникновения шумов в ОКУ следующая. Шумы, вызванные спонтанными переходами с верхнего энергетического уровня на основной, смешиваются с полезным сигналом и, попадая на детектор, ухудшают отношение мощностей сигнал/шум (тепловыми шумами можно пренебречь ввиду того, что ФТ)) йч). Мощность шума Р лазерного усилителя определяют, используя простую геометрическую модель ОКУ, показанную на рис. 6.1, а.
Шумовой сигнал, образованный в сечении г = О, распространяющийся под углом О к оси г, усиливается в е~"гщ *'"' раз. Мощность шума зависит от угла О [29): Р (О) = 2Р а8 соз Ойв/Хвы (6. 15) где 5 — площадь выходной диафрагмы усилителя, см',е(а = О,„„— элементарный телесный угол, в который излучается шум, ср; Р„, = /гчЮ Н' (Π— 1) (6.16) Ф2 Ф1а2/а1 — мощность шума на одну моду, Вт; е(м — интервал частот, в котором излучается данный шум, Гц. Метод снижения шумов в ОКУ основан на введении в схему поляризатора, линзы и диафрагмы. В формуле (6.16) не учтена поляризация шума, тогда как использование линейного поляризатора вдвое уменьшает шум. Для наилучшей передачи мощности через выходную диафрагму усилителя лазерный луч вводят в ОКУ таким образом, чтобы радиус диафрагмы а,/2 в плоскости выходного зеркала достигал минимального значения.
Пренебрегая дифракцией, приводящей к нарушению поперечного распределения поля сигнального пучка, и поглощением мощности излучения (-13,5 '/О) на выходе ОКУ, сигнал считают неискаженным. Телесный угол, занимаемый выходящим пучком, в, = Хво/Я. В случае, когда половина мощности шума задерживается линейным поляризатором, мощность шума„принимаемая детектором, равна Ршв Для получения такого результата на практике следует пользоваться приближением для дальней зоны или же рассматривать струк- 1!1 туру поля излучения в фокальной д Т плоскости линзы.
Тогда оптималь- /,7 ное отношение Рвх/Рие Рс/Рвсеве обеспечивается при условии (29] обад/(/)дв) = 1, где 51 — площадь отверстия диафрагмы, см', фокусное расстояние линзы, см. „, 1 у „171 „;1 Если известны мощность шума а /' " Р~ на выходе ОКУ и его коэффиРяс. 6.6. Заввсвмостяотпошенввмсш- циент квантового усиления за один яостей свгввл/шум (/) в времени кс- проход энергии в резонаторе (дде), геревткосгв т„,„(у) от инверсии васе- то можно рассчитать мощность шу- ОКУ леввостей уровней гелий-неовового ма, приведенную ко входу усилителя: /у дд — ! Рш,„= йч д(е )'1 /Удлд/Ед Трехуровневый ОКУ имеет мощность шума больше, чем четырехуровневый (при А/1 (( 11/в) в 11/в/()д/в — ))/дав/дд) раз.
Для рубинового ОКУ это значение равно примерно 50. Отношение мощностей сигнал/шум зависит также от инверсии населенностей энергетических уровней в ОКУ (рис. 6.5). Прн /)/в — Жд -~ 20 1Ов см — ' отношение Рвд/Р|ив е 1, ЧтО СандЕтЕЛЬСтзуЕт О ПОВЫШЕНИИ ШуМОВОй СОСтаадяЮ щей при увеличении инверсии населенностей. Использование когерентного излучения для оптической связи накладывает на системы, осуществляющие эту связь, определенные ограничения. Направленность и когерентность излучения лазера, обеспечивающие требуемую пропускную способность канала, могут изменяться в результате взаимодействия со средой.
Активная среда ОКУ, через которую переносится информация, вызывает изменение когерентности излучения. В свою очередь, уменьшение когерентности приводит к расширению луча. Поскольку степень когерентности электромагнитного поля определяет количество информации, которую потенциально можно в него ввести, ОКУ, изменяя статистические свойства данного поля, вносит дополнительные шумы. Чем меньше время когерентности, тем больше шумы. Существуют различные методы оценки времени когерентности т„. Наиболее распространенные нз них — интерференционный н метод счета фотонов, которые позволяют определить время когерентности излучения (см. и.
13.5). Метод измерения времени когерентности лазерного излучения основан на исследовании корреляции между флюктуациями числа фотонов, приходящих в единицу времени на два независимых фотоэлектрических преобразователя от двух групп фотонов с определенным запаздыванием т„,„относительно друг друга, на которые разделяется исследуемый поток излучения в двухлучевых интерферометрах с амплитудным делением волнового фронта. Метод измерения времени когерентности тмм является методом косвенного измерения ширины спектральной линии Асл и наоборот. При гауссовой форме линии, например, связь между ними определяется зависимостью 41дткогбвл 1 ° 112 Глава 7. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ ИМПУЛЬСНОГО ДЕЙСТВИЯ ТЛ.
Трехуревневьдй пазер Впервые индуцированное излучение в оптическом диапазоне длин волн было получено Т. Майманом в 1960 г. в твердотельном рубиновом импульсном генераторе. Следует напомнить, что созданию первого лазера предшествовали фундаментальные исследования советских (А. М.
Прохоров, Г. Н. Басов) и зарубежных (А. Шавлов, У. Таунс, Д. Вебер) ученых. Другим типом твердотельных лазеров импульсного действия были четырехуровневые генераторы на стекле, активированном неодимом, с длиной волны излучения Хе = 1,064 мкм. Этот генер тор был создан Е. Снитцером в 1961 г. Сейчас это один из самых рато распространенных типов лазеров, существенный вклад в совершенс- твование которых внесли советские ученые М. П. Ванюков, А. А. Мак, П.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
