Файл: Применения лазеров..pdf

пластины. Усиленный поток вторичных электронов попа­ дает на коллектор, на который подается положительный потенциал в несколько сотен вольт относительно нижней пластины.

На фиг. 25 показан экспериментальный образец дина­ мического ФЭУ со скрещенными полями (без магнитного экрана).

В режим вторично-электронного умножения, сопро­ вождаемого фазовой фокусировкой, попадают электроны, вылетающие с фотокатода лишь в определенной части пе­ риода переменного электрического поля; это и обеспечивает стробирование ФЭУ.

Энергия, необходимая для возбуждения вторично-элек­ тронной эмиссии в динамическом ФЭУ со скрещенными полями, обеспечивается переменным электрическим полем СВЧ. Наиболее удобным и эффективным способом создания этого поля является использование высокодобротного резо­

натора, состоящего из емкости пластин ФЭУ и внешней индуктивности, с помощью которой осуществляется на­ стройка на рабочую частоту. Подбором места ввода СВЧмощности в резонатор обеспечивается необходимое согла­ сование импедансов. Такой способ включения значительно снижает требования к мощности источника высокочастот­ ной накачки.

В ближнем ИК-диапазоне, где квантовая эффективность фотокатодов очень низка, значительными преимуществами обладают полупроводниковые лавинные фотодиоды (ЛФД).

Однако при работе на длине волны %= 1,06 мкм очень трудно сделать выбор между ЛФД и ФЭУ. Повышение кван­ тового выхода ФЭУ на этой длине волны, достигнутое бла­ годаря созданию полупроводниковых фотокатодов, может склонить выбор в пользу ФЭУ, а малые размеры ЛФД —

впользу ЛФД.

Всистемах ближнего действия нередко с успехом при­ меняются обычные полупроводниковые фотодиоды, даже если они и не обладают высокой чувствительностью, свой­ ственной ЛФД. Эти фотодиоды имеют такой же высокий квантовый выход, как и ЛФД, однако из-за отсутствия внутреннего усиления их чувствительность меньше чув­

ствительности ЛФД. Для случаев, когда фоновый шум пре­ вышает внутренние шумы, последнее обстоятельство не существенно. Если же требуется обеспечить высокую чув­ ствительность, необходимо уровень фона снизить до такой степени, чтобы создаваемый им шум не превышал теплового шума входного каскада усилителя, следующего за фотоди­ одом. Этого можно достичь применением светофильтров,

+1

Ф и г . 26. Вольт-амперные характеристики полупроводникового фотодиода.

1 — фотодиод не освещен (темновой ток); 2 — слабая засветка; 3 — более сильная засветка; 4 — ток короткого замыкания.

сужением поля зрения, а также использованием временной селекции сигналов, например импульсного стробирования.

Рассмотрим принцип работы полупроводникового фото­ диода. Вольт-амперные характеристики фотодиода приве­ дены на фиг. 26. Если фотодиод не освещен, то вольт-ам­ перная характеристика, такая же (/), как и у обычного

на фотодиод обратный ток резко возрастает и, следователь­ но, рабочий участок характеристики оказывается в треть­ ем квадранте. Быстродействие фотодиода зависит не только от емкости р—n-перехода, которая в свою очередь связана с размерами чувствительной площадки, но и от длины волны. Для детектирования коротких импульсов на длине волны X = 1,06 мкм лучше использовать германиевые фотодиоды, чем кремниевые, поскольку у кремния намного меньше коэффициент поглощения в этом диапазоне.

Лавинные фотодиоды изготавливаются из таких же материалов, что и обычные фотодиоды (германий и кремний). Полоса усиления ЛФД может достигать 1010 Гц [2], а коэф­ фициент внутреннего усиления при работе в лавинном режиме может быть равен 100 на частоте 1 Гц. Надежную работу ЛФД при высокой чувствительности и высоком бы­ стродействии можно обеспечить лишь при очень строгом контроле напряжения смещения и при пороговом детекти­ ровании. Усиление в лавинном фотодиоде не так велико, как в фотоэлектронном умножителе, но его вполне доста­ точно, чтобы на выходе последующего малошумящего уси­ лителя собственные шумы диода преобладали над тепловыми шумами; при этом обеспечивается уверенный прием сигна­ лов, содержащих от нескольких сотен до двух тысяч и более фотонов на импульс. В известном смысле малое уси­ ление ЛФД эквивалентно очень низкому квантовому вы­ ходу ФЭУ. Размеры чувствительной площадки ЛФД очень малы; поэтому ЛФД требуют более качественной оптики, чем ФЭУ. Можно создать лавинные фотодиоды и с боль­ шими размерами чувствительных площадок, но за счет быстродействия. Требования к источникам напряжения смещения для фотодиодов существенно проще, чем для фото­ электронных умножителей; это объясняется гораздо мень­ шими величинами напряжений питания ЛФД по сравнению с напряжениями питания ФЭУ.

9. ДЕФЛЕКТОРЫ

Для стационарных линий, занимающих фиксированное положение, электронное управление направленностью ла­ зерного луча не имеет существенного значения. Однако во

управление необходимо и должно быть быстродействующим. Прецизионное управление направленностью лазерного луча в дополнение к обычному наведению зеркалом, укреплен­ ным в карданном механизме, можно осуществить с помощью так называемых биморфных пьезоэлектрических дефлекто­ ров. Зеркало монтируется на двухслойной пьезоэлектри­ ческой пластинке, к которой подводится управляющее на­ пряжение до 500 В. На промышленных образцах приборов было осуществлено сканирование с частотой 1 кГц, обеспе­ чившее разрешение по 400 элементов в каждом направлении. В настоящее время создаются синхронные спутники, угловое положение которых стабилизируется с точностью ±1°; электронные отклоняющие устройства обеспечивают воз­ можность управления направленностью лазерного луча в таких пределах с точностью до долей угловой ширины самого луча. Например, 1/400 углового градуса составляет приблизительно 4 мрад; это значит, что можно успешно работать с пучками шириной 10 мрад.

Для управления направленностью пучка были также использованы приборы на основе электрооптических крис­ таллов. Однако на них в настоящее время трудно получить большое число разрешаемых элементов при достаточно вы­ соких скоростях сканирования, если оставаться в разумных пределах требований к величине управляющей мощности. Некоторые новые электрооптические материалы позволяют преодолеть это затруднение, что может привести к улуч­ шению свойств системы.01

10. ПРИЕМНАЯ ОПТИКА

При прямом фотодетектировании возможно применение приемной оптики с большой апертурой. На Земле для приема сигналов из космоса можно использовать очень боль­ шие системы. В космосе применимы оптические системы с апертурой диаметром 30—90 см; они не очень массивны, поскольку предъявляемые к ним требования по точности, качеству изображения и жесткости механической конструк­ ции существенно ниже, чем у оптических телескопов. На фиг. 27 приведена зависимость веса приемных устройств различных размеров от допустимой величины диаметра

у

. N

Ф и г . 28. Десятиметровый оптический коллектор для прямого детектирования импульсных сигналов из космоса.

мость такого рефлектора меньше полумиллиона долларов, в то время как даже двухметровый оптический телескоп стоит несколько миллионов.

Если система используется только ночью, то главным ограничением является условие, чтобы точность рефлек­ тора обеспечивала полный сбор принятого сигнального излучения на поверхности фотокатода. В дневное время проблема фона гораздо серьезнее; даже если используются узкополосные фильтры и применяется короткоимпульсная модуляция, то все равно необходимо сужать поле зрения для