ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 171
Скачиваний: 0
350 |
Монт Росс |
С повышением уровня сигнала расхождение между экспе риментальными и теоретическими данными возрастает, так как наблюдаемые фотоэлектрические сигналы начи нают выходить за пределы допустимого динамического диа пазона используемой электронной аппаратуры.
”sT
Ф и г . 14. Зависимость вероятности ошибки от уровня сигнала в системе с МДИИ для различных уровней фона (М — 4095, скорость передачи 2,5-10® бит/с).
Еще одно испытание М-значных систем было осущест влено в серии экспериментов с позиционно-импульсной модуляцией. Была количественно определена среднеквадра тичная величина ошибки и передано телевизионное изобра жение.
На фиг. '15 приведено семейство кривых зависимости среднеквадратичной временной ошибки от уровня фона для значений уровня сигнала 14,21, 28 и 42 фотоэлектронов на 1 импульс. При этих испытаниях видеополоса составляла 0,16 МГц, а частота квантования равнялась 0,4 МГц. Из
Лазерная связь |
351 |
представленных кривых можно видеть, что фоновый шум величиной до 14 фотоэлектронов на 1 импульс оказывает очень слабое влияние на систему при уровнях сигнала свыше 28 фотоэлектронов на 1 импульс, поскольку средне квадратичная временная ошибка остается почти постоянной в системе с постоянным уровнем. Для низких уровней сиг-
Чиапо фоновых фотоэлектронов Длительность импульса
Фи г. 15. Зависимость среднеквадратичной ошибки в системе с позиционно-импульсной модуляцией (ПИМ).
нала (например, 14 фотоэлектронов на 1 импульс) средне квадратичная временная ошибка быстро возрастает при уровнях фона свыше 1 фотоэлектрона на 1 импульс. Сле дует отметить, что отношение среднего уровня фона к сред нему уровню сигнала здесь так же велико, как и в системах с МДИИ. При возрастании числа возможных позиций или интервалов, обусловленного длительностью импульса, уси ливается дискриминация фона.
Полевые эксперименты с оптическими линиями связи, в которых применяется короткоимпульсная модуляция
352 |
Монт Росс |
с низкой скважностью и осуществляется прямое детектиро вание лазерных сигналов, показали, что атмосфера не вызывает искажений импульсов при прохождении сигна лов по короткой горизонтальной трассе [38]. Однако эк спериментов по определению частоты следования ошибок при прохождении сигналов через слои атмосферы пока еще не проводилось. Лабораторные же измерения частоты следования ошибок продемонстрировали полезность вход ного затвора и способность приемника в целом обеспечи вать высокое качество приема при малых количествах сиг нальных фотоэлектронов в импульсе и высоких скоростях передачи информации (200 Мбит/с).
6. ТРЕБОВАНИЯ К ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЛАЗЕРОВ
Для реализации наиболее эффективных видов моду ляции в высокоинформативных системах, работающих в видимом или ближнем ИК-диапазоне с применением пря мого детектирования, необходим лазерный передатчик, обеспечивающий: 1) импульсную генерацию, которую можно контролировать с высокой точностью во времени; 2) малую длительность импульсов генерации; 3) высокую пиковую мощность излучения; 4) высокую частоту повторения им пульсов; 5) возможность варьирования длительности интер валов между соседними импульсами в значительных пре делах; 6) высокий к. п. д.; 7) малую расходимость луча, близкую к дифракционной; 8) отсутствие потерь энергии в интервалах между импульсами.
Лазеры с непрерывной генерацией не отвечают перечис ленным требованиям. Эти требования в совокупности вы полнимы лишь для лазеров с внутренней модуляцией, эф фективно работающих при очень низких коэффициентах заполнения импульсов. Например, попытка выполнить первые пять требований путем применения лазера в непре рывном режиме в сочетании с внешним модулятором была бы сопряжена с чрезвычайно высокими непроизводитель ными потерями энергии накачки. Внутреннюю модуляцию можно осуществить либо модуляцией добротности, либо изменением во времени отражательной способности эле ментов резонатора. Обе эти возможности рассматриваются в данном разделе. С точки зрения обеспечения высоких
Лазерная связь |
353 |
скоростей передачи информации, а также обеспечения возможности управления каждым генерируемым импуль сом техника внутренней модуляции пока еще далека от совершенства. Так, механические методы модуляции доб ротности непригодны для управления длительностью интер валов между импульсами, поскольку они не позволяют обеспечить выполнение пункта 5) перечисленных выше тре бований.
Каждый тип лазеров может отвечать одним требова ниям и не соответствовать остальным. Поэтому выбор «наилучшего» лазера в каждом случае зависит от особен ностей применения. Полупроводниковые квантовые гене раторы, например, удовлетворяют всем требованиям, за исключением пунктов 3) и 7), однако эти две характерис тики критичны для эффективной системы связи. Если не обеспечить малую расходимость генерируемого пучка, то из-за больших «пространственных» потерь возрастут тре бования к величине средней мощности передатчика. Это очень важно для дальних космических линий связи, но для коротких наземных линий существенного значения не имеет.
В наибольшей мере перечисленным требованиям отве чает лазер на алюмо-иттриевом гранате (ИАГ—Nd3) с синхронизацией мод. Однако в нем трудно осуществить управление положением импульса во времени, и, кроме того, к. п. д. такого лазера невысок. Для дальних линий связи он мало пригоден (энергия импульса у него для этого слишком мала), зато в ближних линиях благодаря прису щим ему высокой частоте повторения и малой длительности импульсов он обеспечивает возможность передачи инфор мации со скоростями свыше 200 Мбит/с.
Для дальней космической связи представляется заман чивым применение ИАГ — Ш 3-лазера в режиме модуляции добротности с полупроводниковой накачкой. Этот лазер может работать в режиме генерации «гигантских импуль сов», оставаясь большую часть времени закрытым. Такой режим работы называется «модуляцией связи» (rapid pump and dump). В этом режиме лазер генерирует короткие им пульсы, частота следования которых довольно высока. Блок-схема системы для осуществления «модуляции свя зи» приведена на фиг. 16.
12—901
354 |
Монт Росс |
Применение твердотельных лазеров с модуляцией дли тельности интервалов между импульсами (МДИИ) особен но выгодно при построении линий дальней космической связи. Современные твердотельные лазеры могут генери ровать импульсы с высокой пиковой мощностью. Так, например, на твердотельных лазерах, работающих в режиме генерации гигантских импульсов (с модуляцией доброт-
Ф и г. |
16. |
Блок-схема лазера гигантских импульсов для Лі-знач- |
|||||
|
|
ной короткоимпульсной системы связи. |
|
|
|||
1 — зеркало с |
высокоотражакщим покрытием; 2 |
— торец стержня, |
срезанный |
под |
|||
углом |
Брюстера; 3 — ИАГ — Ш 3-стержень; |
4 |
— импульс, «выбрасываемой» |
из |
|||
.резонатора; |
5 — светоизлѵчающие |
диоды; |
6 — электрооптический модулятор; |
||||
7 — источник питания светодиодов; |
8 — временная задержка; 9 |
— подмодулятор; |
|||||
|
1 0 — поляризационная призма Глана—Томпсона; 11 — сигналы ПИМ. |
|
|||||
ности), получены импульсы излучения с пиковой мощно стью в несколько гигаватт на длине волны %= 1,06 мкм. Вторая гармоника этого излучения попадает в спектраль ную область, где фотодетектирование осуществляется с наивысшей чувствительностью, а, как известно, эффектив ность генерации второй гармоники возрастает при увели чении пиковой мощности. В работе [18] сообщается о дос тижении 100%-ной эффективности при уровне 1 Вт.
Обычно выходной «импульс», генерируемый лазером при возбуждении лампой-вспышкой, состоит из серии уз ких пичков, следующих друг за другом в течение всего времени, пока длится «импульс». Выходная энергия лазера
Лазерная связь |
355 |
распределяется между пичками, и, следовательно, пиковое значение выходной мощности оказывается намного меньше по сравнению с тем, что можно было бы получить, если бы вся выходная энергия оказалась сосредоточенной в од ном «пичке». Кроме того, при заданных условиях импульс ной генерации пичковая структура не повторяется от им пульса к импульсу, даже если средняя импульсная мощ ность сохраняется неизменной. Однако можно создать такие условия, при которых лазер оказывается в состоянии генерировать гигантские моноимпульсы. При этом возник новение импульсов, которое в обычных условиях носит случайный характер, можно синхронизировать с какимлибо внешним контрольным устройством.
Метод генерации гигантских импульсов получил наз вание «модуляции добротности» [34]. Сущность этого ме тода заключается во внесении потерь в оптический резона тор на время действия накачки, создающей инверсию засе ленности энергетических уровней в активной среде. За это время происходит спонтанное испускание небольшого количества фотонов, которого, однако, не хватает для воз буждения лазерной генерации в активной среде, поскольку потери в резонаторе достаточно велики. Между тем накоп ление энергии все еще продолжается за счет процесса ин вертирования заселенности уровней. Если при этом вне запно устранить потери и восстановить первоначальную добротность оптического резонатора, то произойдет стиму лированный одновременный переход всех возбужденных атомов в нижнее энергетическое состояние, сопровождае мый испусканием гигантского импульса когерентных фото нов. Синхронизация модуляции добротности и накачки позволяет достичь завершения накачки к моменту начала испускания фотонов из резонатора.
Известно несколько способов внесения регулируемых потерь в резонатор. В первой экспериментальной работе для модуляции добротности использовался оптический за твор в виде ячейки Керра, помещенной внутри резонатора между лазерным стержнем и одним из выходных зеркал. Плоскость поляризации излучения устанавливалась та ким образом, чтобы при подаче напряжения на ячейку Кер ра излучение не могло проходить через нее к выходному зеркалу. Сначала включалась лампа-вспышка, осущест-
12*
356 |
Монт Росс |
вляющая |
накачку — инвертирование заселенности уров |
ней. Через несколько десятых долей миллисекунды после этого с ячейки Керра мгновенно снималось напряжение, в результате чего затвор просветлялся и резонатор создавал обратную связь для активной среды лазера. Задержку времени выключения ячейки Керра после начала накачки подбирали с таким расчетом, чтобы к этому моменту дости гался максимум инверсии.
В 1964 г. для модуляции добротности были применены органические красители [52]. Этот метод основан на исполь зовании свойства насыщения поглощательной способности некоторых веществ. Такие материалы поглощают излу чение до определенного предела, а затем становятся проз рачными, когда все переходы, ответственные за поглоще ние, оказываются насыщенными. Время задержки выход ного импульса при этом зависит от концентрации красите
ля, которую можно варьировать, добиваясь максимальной мощности излучения.
Модуляция добротности была осуществлена также и с помощью ультразвука [9]. Экспериментальная установка содержала оптический резонатор Фабри—Перо, в котором одно из зеркал отклонялось от нормального положения. Между этим наклоненным зеркалом и лазерным стержнем помещалась кварцевая ультразвуковая ячейка. Сразу же после включения оптической накачки на ячейку подавался импульс возбуждения и в кристалле кварца создавался акустический волновой фронт. В некоторый момент возни кают условия, при которых световой луч, дифрагирующий на акустических волнах, выходит под прямым углом к нак лоненному зеркалу и индуцированное излучение отражается обратно в лазерную активную среду. Если же отклоненный световой луч падает на зеркало не под прямым углом, то после отражения он выходит из резонатора. Рассмотренные методы модуляции добротности применимы также к лазе рам, работающим в импульсном режиме. При этом частота генерации импульсов ограничивается постоянной времени зарядки выходной цепи источника питания лампы-вспышки,
тллг- г' п о я в и л о с ь сообщение [51] о создании ИА1—NcP-лазера с непрерывной накачкой и периодичес
кой модуляцией добротности, генерирующего импульсы мощностью 1 кВт с частотой повторения до 500 Гц. Моду
Лазерная связь |
35? |
ляция добротности в данном случае осуществлялась вра щающимся зеркалом, используемым в качестве одного из отражателей резонатора. Резонатор оказывается настроен ным в те моменты, когда оси зеркал совпадают. Это условие выполняется один раз за период вращения, а при всех других положениях вращающегося зеркала резонатор имеет низкую добротность.
Было показано, что для обеспечения стабильной моду ляции добротности положение зеркала должно фиксиро ваться с точностью 0,2 мм. Время жизни энергетического уровня в ИАГ—Ш 3-лазере, с которого происходит генера ция, составляет 230 мкс, так что при частотах повторения свыше 4,3 кГц импульсная накачка дает такой же эффект, что и непрерывная. С помощью оптико-акустических моду ляторов добротности были получены частоты повторения до 50 кГц.
В работе [22] ’описан иной метод получения гигант ских лазерных импульсов, основанный на изменении во времени отражательной способности. Резонатор содержит лазерный стержень, два концевых зеркала, кальцитовую призму и ячейку Поккельса. Призма, ячейка и одно конце вое зеркало в совокупности составляют устройство с изме няемой отражательной способностью. Сначала на ячейку подается такое напряжение (смещение), при котором лазер ная генерация невозможна; это создает условия для накоп ления энергии накачки. Затем ячейка просветляется и появляется возможность для прохождения нормального лазерного луча между зеркалами и, следовательно, для роста энергии стимулированного излучения внутри резо натора. Наконец на ячейку подается напряжение, мгновен но поворачивающее плоскость поляризации на 90°. По скольку показатель преломления кальцитовой призмы для этой поляризации отличен от первоначального, то излучение выходит из резонатора. При этом способе модуляции лазер ное излучение не выходит через полупрозрачное зеркало и, следовательно, резонатор может работать при гораздо более высоких значениях плотности энергии по сравнению с плотностями, допускаемыми при других методах генера ции гигантских импульсов.
С помощью ультразвуковой техники было осуществлено также управление случайными пичками при импульсной
358 Монт Росс
генерации. В данном случае эксперимент проводился по описанной выше схеме с той лишь разницей, что в ультра звуковой ячейке возбуждались стоячие акустические вол ны. Это приводило к тому, что оптический путь внутри резонатора между наклоненными зеркалами оказывался от крытым (т. е. резонатор оказывался настроенным) перио дически во времени, а не один-единственный раз, как это имеет место при импульсном возбуждении ячейки. Если в момент, когда возбуждение накачки достигает определен ного уровня, оптический путь внутри резонатора открыт (резонатор настроен), то появляется лазерная генерация, которая резко обрывается, как только исчезают условия настройки резонатора.
Если режим накачки подобран соответствующим обра зом, то после генерации очередного импульса необходимый уровень возбуждения достигается к моменту, когда резо натор настроен — лазерная генерация повторяется. Этот процесс периодически прерываемой генерации продолжает ся в течение всего времени, пока осуществляется накачка. При равномерной накачке выходное излучение представ ляет собой последовательность импульсов равной амплитуды, повторяющихся с частотой стоячей акустической волны.
В лазерном резонаторе, как и в любом другом, может поддерживаться одновременно несколько типов колебаний (мод). Это может привести к нежелательным эффектам, так как взаимная связь между отдельными модами настоль ко слаба, что они оказываются почти независимыми, и когерентность лазерного излучения далека от идеальной. Кроме того, эти моды обычно хаотично флуктуируют по фазе и амплитуде, так что результирующие спектральные составляющие выходного излучения также флуктуируют по амплитуде. Моды конкурируют друг с другом по энер гии излучения, вследствие чего эффективность накачки снижается.
В 1964 г. было высказано предположение [12], что ла зерные моды могут быть синхронизованы друг с другом по фазе посредством введения в резонатор внутренних потерь, модулированных с частотой c/2L, где L — длина резонатора. Величина с/2Ь характеризует частотное разде ление аксиальных мод.