Файл: Применения лазеров..pdf

Было показано, что лазеры с синхронизованными мо­ дами обладают рядом специфических характеристик: а) час­ тота следования импульсов равна c/2L\ б) полуширина им­ пульса обратно пропорциональна ширине линии люминисценции; в) пиковая мощность равна средней мощности лазера, работающего в режиме несинхронизованных мод, умноженной на число синхронизованных мод.

Использование второй из перечисленных характеристик позволило получить оптические импульсы очень малой длительности. Ширина линии люминисценции у твердотель­ ных лазеров существенно больше, чем у газовых лазеров. В силу этого у ИАГ—Ш 3-лазеров при синхронизации мод были получены импульсы длительностью 30 пс при непре­ рывной накачке [13, 41].

Короткие импульсы можно получить и при использо­ вании пассивных элементов для синхронизации мод. Та­ кими элементами являются насыщающиеся поглотители, аналогичные обсуждавшимся выше, но отличающиеся от последних быстродействием. После многократного про­ хождения сквозь ячейку с красителем длительность импуль­ са уменьшается и моды оказываются синхронизованными.

Была разработана техника выделения отдельных им­ пульсов из цуга в режиме синхронизации мод. Для вывода отдельного импульса из резонатора используется рассмот­ ренный выше метод модуляции связи. Были проведены эк­ сперименты со стержнями из неодимового стекла, которые генерировали импульсы длительностью 20 пс с пиковой мощностью 40 ГВт. Осуществить временную синхронизацию импульсов довольно трудно, поскольку приходится иметь' дело с интервалами очень малой длительности. Блок-схе­ ма типичной экспериментальной установки для получения цуга импульсов в режиме модуляции добротности представ­ лена на фиг. 17. С помощью призмы Плана—Томсона излу­ чение, поляризованное в одной плоскости, можно оставить внутри резонатора, а излучение с ортогональной поляри­ зацией вывести из резонатора. Электрооптическая ячейка играет роль модулятора поляризации.

Для построения высокоинформативных импульсных сис­ тем связи требуется достаточно высокая частота генерации цифровых сигналов. Поэтому способность генерировать короткие импульсы является важной характеристикой

лазера, если идет речь об использовании его в качестве пе­ редатчика. Особенно привлекательными с этой точки зре­ ния являются лазеры, работающие в режиме непрерывной синхронизации мод. Частота следования излучаемых ими импульсов очень высока; кроме того, эти лазеры допускают временное уплотнение сигналов, которое увеличивает ин­ формативную емкость передатчика.

1 — детектор; 2 — выходное излучение лазера; 3 — ячейка на красителе для синхро­ низации мод; 4 — активный стержень; 5 — призма Глана—Томсона; 6 — электрооп­ тическая ячейка; 7 — зеркало с коэффициентом отражения 99%.

Мы рассмотрели свойства лазеров, используемых в им­ пульсных системах связи. Однако и лазеры с непрерывной генерацией могут также быть полезными во многих слу­ чаях. Высокая направленность излучения желательна во всех применениях; что же касается других характерис­ тик, то их важность определяется выбором методов моду­ ляции. В видимой и ближней ИК-областях спектра целе­ сообразно, по-видимому, применять только прямое фотоде­ тектирование, а на длине 10,6 мкм только гетеродинное, поскольку другие возможные методы приема для этих диа­ пазонов обладают большими недостатками.

Излучение лазеров, работающих в непрерывном режиме, можно модулировать импульсными сигналами с помощью модуляторов, располагаемых вне резонатора; кроме того, это излучение не обязательно должно быть спектрально чистым. Если применяется аналоговая модуляция, то имеет

смысл сначала перенести информацию на частотно-модули- рованную поднесущую. Это существенно снизит отрицатель­ ное влияние на качество передачи таких факторов, как амплитудная нестабильность лазера, нелинейные искаже­ ния в модуляторе и нестабильность оптических свойств атмосферы.

Однако если необходимо вести передачу не на одной, а на нескольких поднесущих, то излучение лазера должно быть одномодовым и одночастотным. В противном случае возникнут эффекты перекрестной модуляции между канала­ ми вследствие сложного частотного состава лазерного излу­ чения. Это требование на практике трудно выполнить в силу неизбежных изменений геометрических размеров ре­ зонатора и значительной ширины линии усиления в актив­ ной среде, обусловливающей многочастотный состав ла­ зерного излучения. Например, в случае ИАГ—Ш 3-ла- зера ширина линии 5 ГГц достаточна для поддержания генерации многих частот, включая и те, которые зависят от расстояния между зеркалами в резонаторе.

Для систем с оптическим гетеродинированием также требуется высокая стабильность частоты и когерентность излучения. В частности, от С02-лазера, предназначенного для использования в линии связи, требуется, чтобы он мог работать в одномодовом и одночастотном режиме, ибо только при этом можно осуществить эффективное фото­ смешение [35]. В данном направлении исследований достиг­ нут значительный прогресс; на повестку дня выдвигаются требования надежности и длительного срока службы в космических условиях. Специально для применения в кос­ мосе был разработан пятимилливаттный Не—Ne-лазер [4], а С02-лазеры [6] и ИАГ—Ш 3-лазерЫ [1] отрабатывают­ ся применительно к требованиям космических линий связи. С02- и Не—Ne-лазеры относятся к типу газовых генерато­ ров, в то время как ИАГ—Ш 3-лазер может быть чисто твердотельным, если в нем применять диодную накачку вместо ламповой.

Разрабатываются также ИАГ—Nd3-лазеры с солнечной накачкой. Диодная накачка в настоящее время осущест­ вляется с помощью светодиодов на основе GaAsP [42] и GaAlAs [14]; однако накачка с помощью лазерных диодов, осуществимость которой была продемонстрирована экспе­

риментально, может оказаться наилучшим решением про­ блемы [47], в особенности для линий дальней космической связи, где крайне желательно использовать ИАГ—Nd3- лазеры с высокой импульсной мощностью и сравнительно небольшими частотами повторения импульсов.

В коротких наземных или в закрытых световодных ли­ ниях связи весьма привлекательным может оказаться при­ менение полупроводниковых диодных излучателей, рабо­ тающих как в лазерном, так и в некогерентном режимах. Они могут генерировать короткие импульсы, их стоимость невысока, а импульсной мощности их излучения вполне достаточно для коротких дистанций. Существующие огра­ ничения по частоте повторения импульсов излучения лазер­ ных диодов, по-видимому, в недалеком будущем будут устранены благодаря успехам, достигнутым с применением двойных гетеропереходов. Это даст возможность проекти­ ровать недорогие широкополосные короткие линии связи.

7. МОДУЛЯТОРЫ

При разработке лазерных систем наибольшие трудности вызывают модуляторы излучения. В данном разделе об­ суждаются принципы действия и основные характеристики модуляторов.

Отношение скорости света в вакууме к его скорости в какой-либо материальной среде называется показателем преломления этой среды; его величина больше 1. Среда, в которой скорость света не зависит ни от направления рас­ пространения, ни от поляризации, считается изотропной; примерами таких сред могут служить стекло, газы, жид­ кости и кубические кристаллы.

Кристаллические среды, как правило, анизотропны, т. е. скорость света в них зависит от направления распро­ странения и поляризации излучения, В отсутствие опти­ ческой активности свет распространяется в анизотропной среде в виде .двух линейно и взаимно ортогонально поля­ ризованных волн, каждая из которых имеет свою скорость; показатели преломления для этих волн различны. Это раз­ личие показателей преломления для двух взаимно ортого­ нальных поляризаций названо двойным лучепреломлением для заданного направления распространения.

364 Монт Росс

риалов эти требования трудно выполнить, и пока еще не удалось найти удовлетворительного решения всех проб­ лем, связанных с выращиванием и обработкой кристаллов.

В модуляторах, действие которых основано на электрооптическом или магнитооптическом эффекте, состояние поляризации волны, распространяющейся в рабочем ма­ териале, изменяется под воздействием внешнего электри­ ческого или магнитного поля. Внешние поляризационные элементы — анализаторы — превращают наведенные из­ менения поляризации в соответствующие изменения ин­ тенсивности излучения, проходящего через модулятор. Поляризационную модуляцию можно осуществить с по­ мощью электрооптического и магнитооптического эффек­ тов, а фазовую модуляцию — только с помощью электро­ оптического эффекта. Модуляцию можно осуществить так­ же, используя акустооптический эффект.

Известно несколько основных типов конструкции электрооптических модуляторов. Типичная структура модуля­ тора, в котором используется эффект Поккельса для ампли­

(фиг. 18, б) падающий луч поляризуется призменным поляроидным расщепителем потока и направляется собирающей оптикой в кристалл; поляроид и кристалл расположены так, что угол между плоскостью поляризации луча и осью z кристалла составляет 45°. Направлению, перпендику­ лярному оси z, соответствует одно из двух значений коэф­ фициента преломления в зависимости от ориентации плос­

ся на две равные составляющие, одна из которых поляри­ зована вдоль оси z, а другая перпендикулярно к ней. Пос­ кольку эти две волны распространяются с разными скоростями, то при прохождении через кристалл более мед­ ленная волна отстанет от другой по фазе. Световой луч от­ ражается от диэлектрического слоя, нанесенного на торец

Поляризация выходного луча будет зависеть от резуль­ тирующего фазового сдвига «медленной» волны относи­ тельно «быстрой». Она останется неизменной, если фазовый сдвиг кратен четному числу я рад; однако если при двойном прохождении луча через кристалл фазовый сдвиг ока­ зывается кратным нечетному числу я рад, то плоскость

а

Фиг. 18. Структуры электрооптических модуляторов (ЭОМ).

поляризации повернется на 90°. Если к кристаллу прило­ жено электрическое поле и величины щ и пе изменяются в разной мере, то изменяется и результирующий сдвиг, что приводит к соответствующей модуляции интенсивнос­ ти при повторном прохождении луча через поляроидную призму.