Файл: Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник.pdf

к смещению частоты линии. Чтобы изменение частоты не пре­ вышало естественной ширины линии генерации (12.8), в рассмот­

Дѵг. теор. Однако каждая линия генерации имеет высокую монохро­

Монохроматичность излучения ОКГ следует оценивать шириной спектральной линии при генерации одного вида колебаний или по

Рис. 12.9

частотному интервалу между крайними резонансными частотами (линиями) при генерации нескольких видов колебаний. Если рас­ стояние между крайними линиями генерации Дѵкр = 300 МГц, то монохроматичность излучения ОКГ может составлять

при неоднородном уширении контура усиления, когда генерируется несколько частот. Генерация происходит на видах колебаний, от­ стоящих по частоте на расстоянии Дѵ. Ширина резонансной кривой

пороговой прямой и кривой контура усиления пропорционально выходной мощности. Поэтому принято частотную характеристику резонатора и спектральные линии генерации изображать под кон­ турной кривой.

§ 12.3. Когерентность и направленность излучения ОКГ

Понятие когерентности означает связь (согласованность) между фазами колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени (пространственная когерентность) или между фа-

196

зами колебания в одной точке в различные моменты времени (вре­ менная когерентность). Когерентность можно определить с помощью функции корреляции и практически обнаружить по наблюдению интерференционных картин.

Сравним когерентность ОКГ и обычных источников света. Све­ товое излучение обычных источников является результатом спонтан­ ных переходов между энергетическими уровнями атомов и не может оставаться синусоидальным или монохроматичным, так как оно затухает из-за потери энергии атома на излучение или возмущается в результате изменения энергии атомов при столкновениях. Можно предположить, что излучение атома имеет вид цугов колебаний

снекоторой длительностью цуга

т(рис. 12.10), соответствующей

ном случае т определяется только спонтанным временем жизни атома. Так как оно обычно мало (х= КН —ІО'9 с), то практически за время наблюдения атом излучает большое число цугов колеба­ ний, не связанных по фазе. Каждый атом излучает цуги колеба­ ний, которые не когерентны, поэтому и излучение источника, со­ держащего много атомов, также не когерентно.

Представим теперь, что время наблюдения значительно меньше т. В этом случае амплитуды двух колебаний, пришедших в данную точку, за время наблюдения мало изменятся, поэтому можно наблю­ дать фазовые соотношения колебаний. Если же можно было наблю­ дать сложение колебаний с помощью отклоняющих пластин осцил­ лографической трубки, то мы заметили бы на экране появление на короткое время фигур Лиссажу. Таким образом, при спонтан­ ном излучении когерентность колебаний наблюдается лишь в те­ чение времени, меньшего т.

Время, в течение которого поле в заданной области сохраняет ко­ герентность, называют временем когерентности, а путь, пройден­ ный светом за время когерентности, — длиной когерентности. Вре­ мя когерентности при спонтанном излучении определяется време­

В отличие от обычных источников света излучение ОКГ имеет высокую степень пространственной и временной когерентности. Объясняется это тем, что излучение ОКГ является результатом вы­ нужденных переходов, а появляющееся излучение всегда совпадает по фазе с первичным излучением. Время когерентности в ОКГ

197

связано с временем жизни верхнего метастабильного уровня рабо­ чего перехода. Это время доходит до ІО-3 с, т. е. примерно в ІО5 раз больше, чем в обычных тепловых источниках света. Поэтому длина когерентности оказывается очень большой, порядка 1000 км.

Временная когерентность определяет применение ОКГ в системах передачи информации, измерения расстояний и угловых скоростей,

в стандартах частоты.

Пространственная когерентность ОКГ характеризует синфазность колебаний по сечению светового потока.

Если излучение различных точек плоского и большого по размерам выходного окна ОКГ практически синфазно, то выходное излучение можно рассматривать как плоскую волну. Однако при реальных размерах зеркал надо учитывать дифракцию, которая при­ водит к появлению угла расходимости. В § 12.1 отмечали, что диф­ ракционный угол может быть очень малым, несколько десятков секунд. Пространственная когерентность ОКГ определяет высокую направленность излучения и возможность его фокусировки в пятно очень малого размера. Вследствие пространственной когерентности излучения ОКГ можно получить плотность энергии излучения боль­ ше, чем Солнце, которая составляет около 7 • ІО3 Вт/см2. Уже по­ лучены плотности излучения около 1011 Вт/см2. При такой плот­

ют применять ОКГ для специальных научных исследований и раз­ личных технологических операций.

§ 12.4. Применения ОКГ

Высокая частота несущей в оптическом диапазоне позволит получить чрезвычайно большое число каналов связи, а очень малый угол расходимости излучения ОКГ — высокую эффективность пе­ редачи энергии. В настоящее время действуют оптические линии связи, на которых изучают все возможности этого способа связи.

Одна из серьезных трудностей при реализации систем оптической связи с помощью ОКГ связана со значительным поглощением из­ лучения в атмосфере. Поглощение зависит от метеорологических условий (дождь, туман, снегопад). Затухание на километр может до­ стигать 10 дБ. Перспективы для атмосферных, или открытых линий связи открывает переход в инфракрасный диапазон волн, где около Я = 10,6 мкм поглощение мало («окно прозрачности» атмосферы). Сейчас имеются мощные ОКГ на С02 с такой длиной волны, но пока отсутствуют модуляторы и фотоприемные устройства, работающие в широком диапазоне частот модуляции.

Протяженность действующих открытых (атмосферных) опти­ ческих линий связи мала, не превышает 20—25 км. На этих линиях обычно используют газовые ОКГ, имеющие хорошую монохрома-

198

тичность, но небольшую выходную мощность. Максимальная ча­ стота используемых оптических модуляторов около 100 МГц. В ка­ честве фотодетекторов применяют ФЭУ с примерно такой же полосой частот. Высокая направленность излучения газовых ОКГ заставля­ ет применять специальные системы для направления светового луча на приемное устройство.

Закрытые линии связи устраняют влияние метеоусловий. В таких линиях должны применяться световоды, обеспечивающие передачу света без значительных потерь на трассе. Возможно применение газовых световодов с фокусирующими линзами или световодов из

фронтами исходного импульса и импульса, отраженного от объекта. Для измерения расстояния используют также фазовые методы.

Весьма перспективно применение ОКГ для голографии. Схема такого применения показана на рис. 12.11. Объект освещается широ­ ким лучом ОКГ. Отраженный от объекта свет падает на фотографи­ ческую пластинку, на нее с помощью зеркала направляется также свет непосредственно от ОКГ. В каждую точку пластинки приходит свет от всех точек объекта и от ОКГ, поэтому на пластинке образует­ ся сложная интерференционная картина, которая после проявле­ ния пластинки называется голограммой. При рассматривании та­ кой голограммы в проходящем свете ОКГ можно увидеть изобра­ жение объекта, причем оно оказывается объемным. Меняя положе­ ние головы, можно увидеть изображение предметов, находившихся на переднем и заднем планах.

Получение голограммы возможно только при использовании источников света, обладающих временной и пространственной коге­ рентностью. При отсутствии временной когерентности (монохрома­ тичности) интерференционная картина не образуется и пластинка засвечивается равномерно. Отсутствие пространственной когерент­ ности также приводит к исчезновению интерференционной картины.

199