Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 57
Текст из файла (страница 57)
Схемы селекции мод с помощью связанных резонаторов (а) и со с е . чатой злектрооптической модуляцией добротности (б); аг Ео Ьэ, Ла — длины резонаторов; гт, гы ге — коэффициенты отражения зеркал; т коэффициент пропусивния свстоделителя; бг 1 — резонансный отражатель; 1 — зеркало; Э вЂ” диафрагма; 4 — активная среда; б — по. ляризэтор; б — электрооптический иристалл; Г призма-«крыма»; 3 — лииза; Э вЂ” приемник излучения; 10 — источник питании Применяются методы с включением дополнительных элементов внутри резонатора. Например, в резонатор лазера помещают тонкую поглощающую пластинку кварца с посеребренной поверхностью.
Через пластинку проходят только те продольные моды, узлы которых совпадают с поверхностью пластинки; остальные моды поглощаются ею. Таким образом, можно настолько уменьшить длину резонатора, что генерация поперечных мод становится невозможной. Недостатком этого метода является то, что при уменьшении длины резонатора уменьшается выходная мощность. Уменьшение длины резонатора ограничено размером активного элемента. На практике довольно часто применяется селекция продольных мод методом связанных резонаторов. В таких резонаторах возникают неэквидистантные по частоте продольные колебания, резонансная частота которых зависит от свойств и настройки резонаторов.
Подбором длин резонаторов 1.„~,я и коэффициента связи между ними можно добиться возбуждения только одного вида колебаний. Радиусы )41 кривизны всех трех зеркал резонатора одинаковы. Выбирая расстояние между зеркалами пассивного резонатора малым ( 800 МГц), можно выделить колебания одной частоты. Недостаток заключается в необходимости строго поддерживать соотношение длин Ц, Ея. Схемы селекции мод. Основным критерием для выбора того или иного резонатора и селектирующих элементов является соотношение между усилением активной среды и потерями выделяемых и подавля- емых типов колебаний, так как усиление активной среды должно быть больше потерь выделяемого типа колебаний и меньше потерь подавляемых типов колебаний. Для селекции продольных мод в мощных ионных лазерах широко применяется связанный резонатор Фокса — Смита (рис.
12.9, а). Плечи этого резонатора пространственно согласованы, если радиусы кривизны )тг и длины Ег подчиняются условию 124! й, = (1.У).,)-' (а, + «.,)7.,)1(1 — й,) гм где й, = 1 ЦК,; ~ г ~' ~ !'4(1 — г'г,); Ьт = бl(21,) — частотный интервал между резонансными пиками; х — коэффициент пропускания полупрозрачного зеркала, Для получения одномодовой генерации необходимо осуществить либо медленное, либо ступенчатое включение добротности (рис.
12.9, б). В этом случае требуется синхронизация момента включения затвора с появлением импульса одномодового излучения. Получение одномодового излучения в лазере с электрооптической модуляцией может быть осуществлено подачей на светозатвор ступенчатого импульса напряжения (см. рис. 12.9, б). Прн напряжении импульса (/т начинается развитие генерации вблизи порога и таким образом формируется слабый одномодовый импульс излучения. В момент времени, соответствующий максимальному значению этого импульса, на затвор подается напряжение (/„ полностью открывающее его. Это приводит к появлению мощного одномодового импульса излучения. При использовании резонатора длиной 80 см с рубиновым активным элементом диаметром 0,8 см и длиной 12 см формируются импульсы одномодового излучения с энергией 0,1...0,15 Дж при длительности импульса около 30 нс и частоте следования импульсов 0,1 Гц 1231.
12.о. Пространственное формирование лазерного излучения При локации и связи в оптическом диапазоне длин волн приемные и передающие оптические объективы играют роль, аналогичную приемным и передающим антеннам радиолокаторов. Поэтому такие оптические устройства принято называть оптическими антеннами. Глав. ное требование, предъявляемое к передающей оптической антенне, заключается в формировании узкой диаграммы направленности излучения.
Однако область применения антенн оптического диапазона значительно сужается из-за значительного рассеивания в средах, характер которого почти не зависит от диаграммы направленности. В простейшем случае диаграмма направленности может быть сформирована резонатором лазера, Обычные многочастотные лазеры имеют диаграмму направленности шириной 5..40'. Уменьшение ширины диаграммы направленности можно получить с помощью внешних оптических устройств: телескопических систем Г. Галилея (1564— 1642), И. Кеплера (1571 — 1630), Н.
Кассегрена (1650 — 1698) (рис. 12.10). Напомним, каким замечательным изобретением была телескопическая система Галилео Галилея, с помощью которой он в январе 243 Рис. 12.10, Основные типы оптических систем: а — телескопическая система Галилея; б — телескопическая системе Кеплера; е верналь. ная система Кэссегрева; г — вернальио-лннэоная система; д — совмещенная приемно.передающая система (1 — актнввая среда; 2 — оптическая антенна); е — оптическая схема аерКаЛЬНОй тЕЛЕСКОПНЧЕСКОй СиетЕМЫ (Ло Ла — РаДНУСЫ КРИВВВНЫ авйиаЛ( и, и — Мсяаявэан 1' 2 плоскость; По Пм а, — углы между главной оптической осью системы н ограничительными лучани; й = Онх)2 — высота) 1610 г.
сделал другие величайшие открытия — рассмотрел горы и кратеры на Луне и открыл спутники Юпитера. При совмещении фокальных плоскостей объектива и окуляра амплитудно-фазовое распределение излучения на выходе объектива соответствуег распределению перед окуляром, но растянуто в Г раз, где Г = /оо//ок продольное увеличение оптической системы. Диагрзмма направленности такой оптической антенны в Г раз уже диаграммы направленности излучзтеля-лазера. Помимо увеличения, основными характеристиками оптической системы являются: диаметры входного О,„и выходного О,ых зрачка, положение входного зрачка, длина системы, угловое поле изображения 2у' (рис.
12.10, е). К приемным оптическим системам предъявляются требования максимального приема энергии излучения, помехозащищенности, фильтрации полезного оптического сигнала. 11роблему помехозащищенности удалось бы решить, имея оптический фильтр с полосой пропускания (0,1...10) 10 "см. На практике наиболее узкие полосы пропускания были получены при использовании интерференционных фильтров, которые позволяют получить полосу пропускания 5 . 1О ' см. Таким образом, в режиме прямого усиления нет возможности использовать высокую монохроматичность лазерного излучения. Интерференционный фильтр представляет собой систему многослойных зеркал, разделенных промежуточным слоем толщиной пкго/2.
Условием работы интерференционного фильтра является размещение его 244 в)параллельном пучке лучей. На практике интерференционный фильтр часто устанавливается в сходящемся пучке лучей. Это не ухудшает заметно его работу, если конус сходящихся лучей имеет угол меньше !2'. Разработаны также поляризационные узкополосные фильтры с перестраиваемой полосой пропускания.
Требование наиболее возможного увеличения энергии принимаемого сигнала вызывает необходимость увеличения размеров оптической антенны. Изготовление зеркал и особенно линз большой апертуры представляет на практике значительные трудности. Поэтому нахождение оптимального конструктивного решения определяется назначением антенны, условиями работы и техническими требованиями.
При болыпих размерах приемной апертуры и длинах волн Х, р 4 мкм становится целесообразным использование зеркальных систем. Вариантом построения приемной оптической антенны является зеркальная система Кассегрена. Использование приемных зеркальных антенн с большой апертурой дает улучшение свойств системы оптической локации, так как энергия принимаемого сигнала прямо пропорциональна площади приемной антенны, а энергия шума, обусловленного фоновой засветкой, пропорциональна корню квадратному из этой площади.
По сравнению с линзовыми телескопическими системами в зеркальных оптических системах отсутствуют хроматические аберрации, а потери на поглощение излучения меньше. Это уменьшает мощность передатчика и снижает требования к диаграмме направленности передающей антенны. Для примера рассмотрим габаритный расчет зеркальной системы Кассегрена. Габаритно(м называется расчет, в результате которого в параксиальной области (идеализация, когда монохроматическими аберрациями пренебрегают в области, где проходит главная оптическая ось) определяют увеличение, возможные размеры зеркзл, поле зрения, фокусные расстояния и положения отдельных элементов.
Лазеры имеют большую мощность излучения, поэтому создавать промежуточное изображение внутри оптической системы, а также склейки элементов во избежание тепловых явлений не рекомендуется. Видимое увеличение телескопической системы Г = /;//; = О.„/О,.х = 2у/(20), (1 2„7) где /~, /2 — фокусные расстояния первого и второго зеркал соответственно; О,„— диаметр входного зрачка; О,ы, — диаметр выходного зрачкз; 2у — расходимость излучения после телескопической системы; 26 — расходимость излучения лазера. По конструктивным условиям компоновки обычно задаются: 2у = 5 ... 30', Оех — — 5 ... 10 мй(; 1' = 0,2 ... 0,02. Определим фокусное расстояние второго зеркала /, =/1/Г, если ЗадаНО ОтНОСИтЕЛЬНОЕ ОтВЕрСтИЕ О = О„„//1, т.
Е. /2 О.х/(ГО). Относительное отверстие первого зеркала по условиям аберрации обычно выбирается в пределах О = Ов„//, = '/,...'/со откуда фокусное расстояние первого зеркала /; О„/О. (12.8) 245 Взаимное расположение зеркал определяется длиной телескопической системы Пример. Произвести габаритный расчет двухэлементпой зеркальной телескопической системы, если заданы параметры (см. рис. 12,10, е): Онх=0г 5 мм' 20=10: 2'/ 1 ° Имеем: Г = 1: 10;0 /У = з = 50 мм. Задаемся Р!//! = 1: 3; тогда / 30. ! ! = 15 мм; /з = /!/Г = 150 мм и и = 135 мм; й = 0г/2 = 2,5 мм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
