lazernaya_tekhnika_uchebnik (863459), страница 15
Текст из файла (страница 15)
4.4, направляются на фотоприемник(фотоумножитель) 4. Конструктивно схема может быть выполнена ввиде моноблока (рис. 4.5).Если контур неподвижен, т.е. не вращается вокруг оси, перпендикулярной плоскости контура, то частоты обоих колебаний одинаковы.В этом случае с выхода приемника 4 снимается постоянный сигнал (частота оптического излучения значительно превышает величину 1/τ, гдеτ – постоянная времени приемника).
Если же контур вращается вокругоси с угловой скоростью Ω, то частоты колебаний, распространяющихся в противоположных направлениях, становятся различными. Разность частот двух колебаний оказывается равной∆ν = 4ΩS/(λL),(4.1)где S – площадь; L – периметр контура; λ – средняя длина волны колебаний.Если оба колебания направляются на фотодетектор, то выходнойэлектрический сигнал будет содержать частоту, равную разности частотколебаний, т.е.
f = ∆ν. Частота f называется частотой биений. ОтсюдаΩ = fλL/(4S).2Таким образом, зная или из1меряя частоту биений и параме1тры контура, можно определить93угловую скорость вращения контура. Этот метод измерения угло8вых скоростей является очень72 чувствительным, так как частоты4 оптического излучения очень ве25лики и даже небольшая скорость6вращения вызывает большую разРис. 4.5. Конструкция лазерногоность частот.гироскопа в кварцевом моноблоке:Как видно из уравнения (4.1),1 – клеммы питания; 2 – зеркаларезонатора; 3 – внутренний канал;частота биений теоретически про4 – расщепляющая призма; 5– выход нафотодетектор; 6 – диафрагма; 7 – экран; порциональна угловой скорости8 – катод; 9 – кварцевый моноблоквращения контура.
Однако суще78ствует явление, которое искажает эту зависимость. Оно называетсязахватом частот и состоит в том, что при малых скоростях вращениячастота биений исчезает (излучение происходит на одной частоте, которая получает некоторое преимущество в интенсивности перед другой).Поэтому зависимость f от Ω выглядит следующим образом (рис. 4.6).Для устранения явления захвата частоты встречных волн искусственно разносят, т.е. увеличивают разность между ними. Это делается с помощью так называемых невзаимных элементов (элемент 5 нарис.
4.4). Сущность работы невзаимного элемента состоит в том, что оннеодинаково действует на встречные волны. Например, если векторыэлектрических полей встречных волн вращаются в разные стороны, а вневзаимном элементе скорость вращения для одной волны увеличивается, а для другой уменьшается (например, за счет эффекта Фарадея), тооптические пути встречных волн становятся неодинаковыми и возникает разностная частота даже в отсутствии вращения. Таким образом,с помощью невзаимного элемента устраняется явление захвата частот.Кроме того, устраняется неоднозначность отсчета направления движения, присущая квантовому гироскопу, так как при наличии невзаимногоэлемента вращение контура в разные стороны приводит либо к уменьшению, либо к увеличению частоты, созданной невзаимным элементом.То, что кольцевой лазер называется квантовым гироскопом, объясняется следующим образом.
В формуле (4.1) Ω есть проекция угловой скорости вращения контура на ось, перпендикулярную плоскости контура.Поскольку любой кольцевой лазер вращается вместе с Землей, то выходной сигнал лазера будет зависеть от ориентации оси вращения контураотносительно вектора угловой скорости вращения Земли: устройствокак бы чувствует направление век- fТеоретическаязависимостьтора угловой скорости. Изменениеположения контура приводит к изменению выходного сигнала. Этосправедливо не только для кольцевых лазеров, размещенных на Земле. Таким образом, функции кольцевого лазера похожи на функцииΩзахв.Ωгироскопа.
Преимущества квантоРис. 4.6. Зависимость частотывого гироскопа перед механичебиений от скорости вращенияскими следующие:контура79отсутствие движущихся (вращающихся) частей;меньшая потребляемая мощность (несколько десятков ватт);большее быстродействие (квантовый гироскоп начинает работатьпочти мгновенно после включения, а механический требует значительного времени для достижения заданного числа оборотов);большая теоретическая чувствительность (она достигает примерно2,5·10‒4 град/час);сигнал квантового гироскопа легко выражается в цифровой форме(частота есть число периодов колебаний в единицу времени), что позволяет использовать его совместно с компьютером.Из принципа работы квантового гироскопа ясно, что он может бытьиспользован для измерения широты точки на Земле, направления меридиальной плоскости (т.е.
работать как квантовый компас), определениявертикали в данной точке Земли, а также для измерения угловой скорости вращения и углов поворота. В последнем случае выходной сигналустройства интегрируется.Чувствительность квантового гироскопа пропорциональна периметру кольцевого резонатора. Для увеличения длины кольцевого резонатора возможна спиральная конструкция с небольшим размером одноговитка.
В этом случае в качестве активной среды удобно использоватьполупроводниковые элементы или волоконно-оптические квантовыегенераторы (например, волоконный источник излучения ASE на стекловолокне, легированном эрбием, с длиной волны излучении 1536 нмпроизводства Пермской научно-производственной приборостроительной компании).4.4. Лазерные системы связиРастущий объем информации требует увеличения числа каналовсвязи и увеличения пропускной способности существующих каналов.
Особенно это касается каналов Земля–спутник, спутник–спутник,спутник–Земля, где требуется передавать огромный объем информациив ограниченные отрезки времени. Для спутниковой связи наиболее подходящими являются оптические каналы.Во-первых, использование оптической частоты позволяет создавать новые каналы в совершенно другой области спектра, где существуют свободные частотные диапазоны, в то время как радиодиапазон ужепочти полностью освоен (явление «тесноты эфира»).80Во-вторых, поскольку частота оптического диапазона намного превышает частоту радиодиапазона, в оптическом диапазоне можно реализовать и большие полосы частот, а это, с одной стороны, дает возможность передавать больший объем информации, а с другой – сокращатьвремя передачи.
Например, только видимой части спектра оптическогодиапазона соответствует полоса частот (для примера взята λ = 0,63 мкм)∆ν = с∆λ/λ2 ≈ 3·108·0,4/0,4 ≈ 3·108 МГц.Если для передачи телевизионного канала необходима полоса6 МГц, то в полосе ∆ν можно было бы разместить 3·108/6 = 50 млн каналов.В-третьих, оптические системы для передачи оптического излучения имеют гораздо меньшие, в соответствии с длиной волны, размеры,чем антенны радиодиапазона.В-четвертых, узкие диаграммы направленности обеспечиваютбольшую дальность действия и помехозащищенность.К недостаткам оптических каналов относятся: ослабление излучения в атмосфере; необходимость точного нацеливания передатчика иприемника.Сигнал оптической несущей (рис. 4.7) модулируется сигналоминформации и передается с помощью оптической системы в канал(космос, атмосфера, световод).
Приемная система (рис. 4.8) фильтрует и фокусирует излучение на фотодетекторе, где оптический сигналпреобразуется в электрический. Радиотехническая цепь осуществляетнеобходимое усиление и фильтрацию передаваемой информации. Длямодуляции оптической несущей информационным сигналом используется ЧМ модуляция, ФМ, AM модуляция, а также модуляция по интенсивности и модуляция по поляризации ПМ.Фотодетекторы разделяются на два класса:1) энергетические (приемники прямого детектирования или некогерентные приемники);2) гетеродинные (когерентные).Приемники прямого детектирования применяют тогда, когда информация заключена в изменении мощности сигнала, гетеродинные –при AM, ЧМ и ФМ модуляции.Передающая антенна характеризуется диаграммой направленностии усилением. Усиление антенны G = Рmах/Ри, где Рmах – максимальнаяплотность мощности в диаграмме направленности; Ри – плотность мощности изотропной, т.е.
излучающей во все стороны одинаково, антенны.81ИсточникнформацииЛазерОптическаяантеннаМодуляторСканирующаясистемаРис. 4.7. Структурная схема передатчика системы связиСканирующаясистемаПриемн.антеннаПростр.светоф.ФотодетекторСпектр.свтетоф.Местн.генерат.Рис. 4.8.
Структурная схема приемника системы связи82Радиотехнич.цепьВеличина 10lgG есть усиление, выраженное в децибеллах. Оптическая антенна диаметром 152 мм при ν = 6·1014 Гц дает усиление 115 дБ,а в радиодиапазоне для излучения с длиной волны в десятки сантиметров антенна диаметром 63 м дает усиление около 60 дБ (это следует изтого, что G = 4π/Ω, где Ω – телесный угол расходимости).Кроме основной задачи – передачи и приема информации, для оптической связи огромное значение имеет проблема обеспечения попадания передаваемого излучения в приемник.
Эта проблема состоит изтрех задач:1) наведение луча передатчика на приемную станцию (наведение);2) обнаружение приемной станцией луча передатчика (обнаружение);3) сопровождение лучом передатчика приемной станции (сопровождение).Наведение луча передатчика на приемную станцию должно производиться с погрешностью не хуже равной половине расходимости лучапередатчика (рис. 4.9).Так как Θпер может составлять единицы угловых секунд, то требуется очень большая точность наведения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
