Файл: Кононенко, В. К. Полупроводниковые лазеры и их применение в науке и технике.pdf

вой форме счетным устройством. Частота повторения импульсов излучения длительностью 30 нсек составляет 15 гц. Как показали летные испытания, с помощью опи­ санного альтиметра можно измерять высоту вплоть до 300 м с точностью до 1,5 м при различном характере'земной поверхности. Интересно отметить, что если поверх­ ность покрыта лесом, то отраженный сигнал имеет ха­ рактер «двойного эха»- из-за отражения от вершин деревьев и поверхности Земли. Это иллюстрирует воз­ можность применения лазерного альтиметра в условиях, когда обычный локационный прибор бесполезен.

Сейчас имеются инжекционные лазеры с достаточно большой выходной мощностью при комнатной темпера­ туре, которые могут применяться в дальномерных уст­ ройствах ближнего действия, где требуется высокая ча­ стота повторения импульсов. В США на GaAs лазере с длиной волны излучения 0,9 мкм создано следящее устройство для наблюдения за полетом цели. В экспери­ ментальном дальномере с помощью специальной прием­ ной оптической системы линия визирования совмещена с лазерным лучом. Усиленный сигнал отражения с ФЭУ подается на цифровой и аналоговый вычислители. Ци­ фровой вычислитель, который подключен к цифровому индикатору дальности, дает отсчет расстояния каждую секунду. При этом показания на цифровом табло запо­ минаются до следующего измерения. Это удобно для определения расстояния до неподвижной или медленно перемещающейся цели. В случае быстро движущихся це­ лей удобно пользоваться аналоговым вычислителем, ко­ торый дает непрерывный отсчет. При этом отсчет даль­ ности может производиться по отклонению стрелки вольтметра или на ленте самописца. Вес дальномера не превышает 4 кг, его длина равна 38 см, диаметр — 7,5 см. Батареи емкостью 0,75 а-час обеспечивают непрерывную работу дальномера в течение 5 час. В качестве источни­ ков излучения использовались мощные (до 100 вт)

36

лазеры на арсениде галлия с импульсами длительностью 50 нсек при частоте повторения 1 кгц и выше. Измерения проводились с точностью до 10 л на расстоянии около 1 км. Угловое разрешение дальномера составляет 5 мрад.

Для проведения геодезических измерений предназна­ чен отечественный дальномер ГД-314 (рис. 10), который демонстрировался на Лейпцигской международной яр­ марке 1965 года. В качестве источника излучения в нем использован GaAs лазерный диод, работающий в непре­ рывном режиме, мощностью 0,5 мет. Действие прибора основано на фазовом методе измерения расстояний. Мо­ дуляция излучения осуществляется путем подачи высоко­ частотного напряжения прямо на р—«-переход. Для по­ вышения точности измерений масштабную частоту моду­ ляции надо выбирать как можно ближе к несущей частоте. Однако для соблюдения однозначности измерений ее нельзя брать слишком большой. Поэтому дальномер ГД-314 работает на двух масштабных частотах — 150 кгц и 10 Мгц. Первая служит для грубого определения даль­ ности, а вторая — для получения более точного отсчета. Оптическая схема дальномера состоит из передающего

Рис.. 10. Внешний вид светодальномера ГД-314

37

ii приемного объективов и интерференционного узкопо­ лосного фильтра, установленного перед фотокатодом приемника. Максимальная дальность действия прибора 2 км с ошибкой не более 5 см. Вес дальномера с блоком питания составляет 15 кг.

Весьма перспективной представляется локационная система, в которой импульсный характер излучения, обес­ печивающий большую дальность действия, сочетается с фазовым методом индикации, дающим высокую точность измерений. К таким системам относится импульсно-фа­ зовый светолокационный дальномер ГДФИ-1, разра­ ботанный в Ленинградском государственном оптическом институте им. С. И. Вавилова. Прибор состоит из двух блоков: электронной схемы, построенной на полупровод­ никовых элементах, и оптической головки, включающей

регистрируется фотоприемником ФЭУ-28, который рабо­ тает в режиме фазового детектирования. Частота моду­ ляции задается кварцевым генератором и равна 6 Мгц. Испытания аппаратуры проводились в городских услови­ ях. Дальность действия прибора при использовании блока уголковых отражателей общей площадью 100 смг превы­ шает 10 км.

Наиболее приемлемы для эксплуатации в светодальномерах неохлаждаемые ПКГ. На базе GaAs лазера, действующего при комнатной температуре, создан усо­ вершенствованный высокочастотный светодальномер ГДФИ-2 с импульсно-фазовой индикацией. Импульсы излучения величиной 1 вт имеют длительность 0,15 мксек и повторяются с частотой 1 кгц. Точность измерения на дистанции 10 км составляет около 5 см, что превышает точность известных импульсных систем.

38

Известно, как важны легкость и компактность для космической аппаратуры. Ведь увеличение веса бортовой аппаратуры на 1 кг приводит к необходимости увеличи­ вать вес ракеты почти на 100 кг. Миниатюрные навига­ ционные устройства на основе ПКГ могут найти приме­ нение в различных системах поиска, сближения и сты­ ковки космических кораблей. Операции сближения и стыковки необходимы при создании в околоземном про­ странстве орбитальных станций; многократного выпол­ нения этих операций требует доставка и смена экипажей, обслуживающих космические станции; без маневрирова­ ния и стыковки немыслимо также оказание помощи космическому кораблю, терпящему бедствие.

За рубежом разработана комбинированная оптиче­ ская система сближения космических кораблей на основе GaAs лазерных диодов, которая служит для определения угловых координат цели и расстояния между кораблями. Локационная аппаратура работает в трех режимах: поиск, слежение в дальней и ближней зонах. Максималь­ ная дальность действия системы свыше 10 км. При боль­ ших расстояниях до цели на корабле-охотнике работает лазерный локатор. Когда расстояние между кораблями становится меньше 3 км, начинает действовать люминесцирующий источник, который работает в непрерывном режиме. Излучение модулируется с частотой 5 Мгц, что обеспечивает измерение дальности с точностью до 10 см. При этом угловое положение цели определяется с точ­ ностью 0,1°, а точность измерения скорости может со­ ставлять 3 см/сек. Работа системы прекращается после полной стыковки космических аппаратов.

Лазерная спектроскопия

Спектроскопия изучает спектры поглощения и испу­ скания различных веществ. Исследуя спектральные ли­ нии, их ширину и форму, можно определить распределе­

39

ние энергетических уровней атомов, структуру молекул, характер электронных переходов и т. д. Методы спектро­ скопии позволяют изучать вещество в ничтожных коли­ чествах, в изолированных от окружающей среды объе­

исследование зависимости оптических характеристик сре­ ды от интенсивности света. Эти исследования стали воз­ можны лишь после создания лазеров и привели к воз­ никновению нового раздела физики—нелинейной оптики. При помощи лазеров с перестраиваемой частотой ге­ нерации оптические спектры наблюдаются без призм, дифракционных решеток и других спектральных при­ боров.

Легкая регулируемая перестройка частоты генерации полупроводниковых лазеров позволяет использовать их в качестве источников излучения для спектральных из­ мерений. Полосу усиления, а также положение отдель­

ных линий генерации можно сдвигать в определенных пределах, изменяя уровень возбуждения и внешние усло­ вия (температуру, давление, напряженность магнитного поля). Ширина линии излучения ПКХ достаточно мала. Так, например, для инжекционных лазеров в непрерыв­ ном режиме отношение ширины линии к частоте излуче­ ния составляет 10~7—10-10. Это делает ПКГ перспектив­ ными для измерений с высоким разрешением показателя преломления, оптического поглощения, рассеяния, лю­ минесценции атомных и молекулярных систем.

Для измерения энергетического интервала между ли­ ниями поглощения и ширины этих линий необходима точная частотная калибровка полупроводникового лазе­ ра, используемого для спектроскопических измерений. Сотрудники Московского инженерно-физического инсти­ тута предложили метод калибровки импульсного лазер­

40

ного диода при помощи интерферометра Фабри — Перо. В одном из опытов излучение диода формировалось в параллельный пучок и пропускалось через интерферометр Фабри — Перо с разрешающей силой 5-105. Расстояние между максимумами полос пропускания шириной около 100 Мгц было 5 Ггц. В импульсном режиме возбуждения, температура активной области инжекционного лазера в- течение импульса тока повышается, что приводит к из­ менению коэффициента преломления активной среды и, следовательно, к сдвигу отдельной линии генерации. При длительности прямоугольных импульсов тока 5 мксек, которые налагались на постоянный ток возбуждения, из­ менение длины волны генерации составило 0,6 А (25 Ггц).

С помощью калиброванного по частоте импульсного GaAs лазера исследовалось поглощение света атомами цезия. Излучение лазера фокусировалось на кювету с насыщенными парами Cs133 при комнатной температу­ ре. После кюветы излучение проходило через фильтр и регистрировалось ФЭУ-6, сигнал с которого подавался на осциллограф С1-15. Под влиянием излучения на дли­ не волны 8521 А атомы цезия переходят с самого нижне­ го, основного уровня энергии на второй возбужденный уровень. Основной уровень цезия из-за сверхтонкого рас­ щепления состоит из двух подуровней. Поэтому наблю­ даются два пика поглощения, расстояние между ними составляет 9,2 Ггц, что близко к значению, полученному методами радиоспектроскопии.

Регулируя скорость подачи жидкого азота к хладопроводу, можно задавать температуру лазерного диода. При этом длина волны генерации арсенида галлия пере­ страивается в диапазоне от 8500 до 9000 А. Настраивая таким способом лазерный диод на длину волны 8943 А, удалось разрешить сверхтонкую структуру линии по­ глощения цезия, связанной с переходами между основ­ ным уровнем энергии и первым возбужденным уровнем.

41

При регистрации линии 8943 А средняя скорость пере­ стройки частоты генерации в течение импульса накачки составляла 100 Ггц/мксек. Экспериментально найденное расщепление возбужденного состояния— 1,2 Ггц. .

Максимальная точность измерений в описанных выше опытах определялась добротностью интерферометра. Поскольку предельное разрешение ограничивается ши­ риной линии излучения ПКГ, доходящей до 150 кгц, точность спектроскопических измерений может быть зна­ чительно повышена.

Лазеры с перестраиваемой частотой генерации удоб­ ны для диагностики плазмы. В частности, с помощью перестраиваемого GaAs лазерного диода при 77 °К про­ водились интерферометрические исследования населен­ ности двух возбужденных состояний аргоновой плазмы. Длина волны генерации в зависимости от уровня леги­ рования диодов находилась в интервале 8350—8550 А и перестраивалась с помощью длинного импульса тока накачки (больше 50 мксек). Лазерное излучение направ­ лялось линзой в разрядную трубку длиной 40 см и диа­ метром 1 см, заполненную аргоном до давления 3 мм рт. ст. Аргоновая плазма возбуждалась слабым электри­ ческим разрядом. Так как разрядная трубка помещалась в интерферометр Фабри — Перо, одновременно опреде­ лялись поглощение и показатель преломления плазмы. Для этого сравнивалось положение главных максимумов пропускания интерферометра без плазмы и при наличии трубки с Аг в резонаторе. Таким способом измерялись малые изменения показателя преломления ( ~ Ю-7) в зависимости от длины волны излучения. Как показали дисперсионные измерения на двух длинах волн — 8408 и 8424 А, число атомов аргона в нижнем возбужденном

удобны вдали от центра линий поглощения, где пропу­

42