ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 02.11.2024
Просмотров: 30
Скачиваний: 1
Конкурентоспособность лазерам обеспечивают их некоторые преимущества. Рассмотрим лишь некото рые основные.
Использование оптического диапазона ликвидиру ет проблему «тесноты в эфире», позволяет значитель но уменьшить и даже полностью ликвидировать вред ное влияние работы одной станции на работу дру гой, увеличить число каналов связи.
И действительно, в оптическом диапазоне элект ромагнитных колебаний может одновременно рабо тать до 1 миллиарда телефонных станций н несколь ко сотен тысяч телецентров. В радиодиапазоне с дли ной волн от 1 до Ш 000 м может одновременно ра ботать всего лишь несколько десятков тысяч радио- и несколько телевизионных станций. При этом по каж дому оптическому каналу связи может быть переда но информации во много раз больше, чем по обычно му радиоканалу.
Лазерное излучение может быть послано весьма тонкими пучками с углами расходимости, измеряемы ми долями угловой минуты. Рассеивание энергии при этом столь незначительно, что при угле расхождения в V и мощности излучения лазера 10 кВт можно пе
редавать информацию на расстояния, которые луч света проходит за несколько лет. Антенны оптическо го излучения невелики и значительно меньше, чем радиоантенны дальней связи.
Лазерное излучение обладает и многими другими преимуществами. Длина волны лазера с течением времени почти не изменяется, т. е. колебания высоко стабильны. Работающие радиопередатчики излучают радиоволны в некоторой полосе, т. е. излучение про исходит не только на основной волне, но н на волнах несколько короче и длиннее основной. Таким образом одновременно с полезным сигналом (который, в свою
2 0
очередь, занимает некоторую полосу частот) излуча ется более широкая и ненужная полоса радиоволн. Из теории распространения электромагнитных коле баний известно, что чем шире полоса излучения, тем меньше дальность действия связи. Этого существен ного недостатка лазерное излучение практически ли шено (излучение лазера весьма узкополосно).
Перечень других преимуществ можно продолжить, но и перечисленные достаточно красноречиво говорят в пользу лазеров. Однако и у лазерного излучения по сравнению с радиоволнами есть значительные не достатки.
Говоря о колоссальных расстояниях, на которых может осуществляться связь на лазерах, имеют в ви ду, что луч света пробегает все это пространство в ва кууме. В атмосфере же лучи быстро затухают и обычно не проникают на расстояния, превышающие не сколько сотен .километров. Кроме того, лучи ла зера не в состоянии огибать даже мелкие неровно сти земной поверхности. Некоторые вещества «про зрачные» для радиолучей, являются непреодолимой преградой для лучей света. Эти недостатки не имеют значения в космосе, так как там среда представляет почти идеальный вакуум. Поэтому использование ла зеров особенно перспективно для космоса, в том чис ле в будущем для связи с далекими мирами.
Так как обычно лазеры излучают энергию в виде тонких пучков, то усложняется система поиска и на ведения луча на нужный объект, особенно на боль ших расстояниях. Весьма вероятной является воз можность, например в локаторах небольшой дально сти, сочетания широкого радиолуча (для предвари тельного обнаружения объекта) со световым лучом. После предварительного обнаружения возможно точ ное наведение луча лазера на объект.
ЛАЗЕРЫ ПЕРЕДАЮТ...
Схемы современных систем на лазерах, кото рые применяются в локации и навигации, для переда
чи и приема звуковой информации и |
изображения, |
для обеспечения взлета и посадки и |
многих других |
целен подчас очень сложны и приступить к их рас смотрению можно только хотя бы после небольшого предварительного знакомства с некоторыми основны ми устройствами, которые обычно входят в состав перечисленных схем.
К таким устройствам, кроме рассмотренных ранее лазеров-усилителей и лазеров-генераторов, относятся передатчики, приемники, а также антенны оптическо го диапазона. Рассмотрим коротко их устройство. Пе редатчик, как правило, состоит из элементов, показан ных на рис. 4. Передатчик на лазере, помимо лазерагенератора, обычно имеет устройство ввода информа ции, модулятор, передающую антенну с механизмом управления и вспомогательные элементы.
В качестве устройства ввода информации в пере датчике может быть использован микрофон, теле графный ключ, приемная телевизионная трубка, раз личные электрические датчики (например, темпера туры, давления) или автоматически работающее уст ройство, вырабатывающее импульсы напряжения не обходимой величины и длительности с заданной час тотой следования. Такие автоматы чаще всего стоят на выходе электронных вычислительных машин.
Здесь, разумеется, перечислены не все устройства, способные вводить информацию, а лишь основные. В зависимости от назначения передатчика выбираемся и
тип у стро й ства.
Напряжение с устройства ввода информации пере дается на каскад, управляющий работой передатчика
22
(модулятор) в соответствии с передаваемой информа цией. Если конструкция большинства устройств вво да информации широко известна и ничем не отлича ется от аналогичных устройств для радиопередатчи ков, то оптический модулятор часто и по принципу работы и конструктивно не похож на модуляторы ра диопередатчиков.
Конечно, назначение модуляторов — ввести пере даваемую информацию в поток электромагнитной энергии — сохраняется. Модуляторы позволяют так воздействовать на структуру передаваемого сигнала, что появляется возможность выделить на выходе при емного устройства первоначальный, введенный в уст ройство ввода информации сигнал. Характер воздей ствия на электромагнитное излучение остается преж ним: излучение изменяется по величине (амплитуд ная), частоте (частотная), фазе (фазовая модуляция).
Луч света может модулироваться путем непосред ственного воздействия на световой поток внутри ла зера (внутренняя модуляция). Существует и внешняя модуляция, когда на световой поток воздействуют вне лазера.
Устройство большинства современных модулято ров для лазерных генераторов основано на изменении свойств некоторых кристаллов под действием электри ческого и магнитного поля. Прозрачные для лучей лазера кристаллы под действием электрического (ре же магнитного) поля меняют коэффициент прелом ления световых лучей, становясь практически непрозрачными. Стоит лишь убрать окружающее та кой модулятор поле, как луч лазера вновь начинает проходить, не преломляясь, через модулятор и излу чаться антенной.
От выбора способа модуляции часто зависит и мощность излучения. Мощность излучения в течение
2 3
Рис. 4. Основные элементы передающего устройства на лазерах. На схеме показаны электрическая (узкие стрелки) и оптическая (широкие стрелки) связи между элементами передатчика
длительного времени накапливается в активном ве ществе лазера, а потом кратковременно (импульсный режим) излучается. Метод генерации гигантских им пульсов (до 1000 МВт) в очень короткие промежут ки времени (10-7 — 10-9 с) получил название моду ляции добротностью. При такой модуляции доброт ность оптического резонатора квантового генератора периодически меняется. В резонатор на время накап ливания мощности умышленно вносятся потери.
В таких условиях генератор не в состоянии вырабатывать энергию, он ее может только накапли вать. Лишь по достижении наибольшей заселенности энергетических уровней активного вещества резона тор приобретает свое хорошее качество. Короткие и мощные импульсы поступают в оптическую антенну.
В качестве передающих антенн в оптических гене раторах часто используются зеркальные телескопы,
2 4
параболические н плоские зеркала. В случаях когда луч высокой направленности требуется перемещать с очень большой скоростью, .может применяться антен на, излучатели которой, образуя решетку, располага ются на некотором удалении друг от друга. Излуча тели питаются таким образом, чтобы обеспечить необ ходимое пространственное положение и форму луча.
...И ПРИНИМАЮТ
Приемник электромагнитной энергии оптического диапазона имеет такой же принцип действия как и обычный радиоприемник. Только 'элементы у таких приемников различны. Вместо туго натянутой прово локи антенны широковещательного приемника или ан тенны в виде металлического рефлектора сложной геометрической формы на входе приемника оптичес кого диапазона может быть установлена антенна в виде подзорной трубы или даже телескопа.
По аналогии с радиоприемниками приемники оптического диапазона могут быть приемниками пря мого детектирования, прямого усиления или суперге теродинного типа. Пока еще используют более прос
тые детекторные приемники |
и |
приемники прямого |
|
усиления*. |
|
|
усиле |
Функциональная схема приемника прямого |
|||
ния оптического диапазона (рис. |
5) содержит: |
антен |
|
ну, избирательное устройство (фильтры), лазер-усили тель (ОКУ), детектор (ФЭУ), усилитель сигналов вы
деленной информации и устройство |
обработки инфор- |
* В радиотехнике супергетеродинные |
приемники пришли |
па смену детекторным приемникам и приемникам прямого уси ления лишь через два-три десятка лет.
3 - 6 7 6 6 |
2 5 |
Рис. 5. Основные элементы приемного устройства на лазерах
нации (воспроизводящее устройство). В качестве ан тенны обычно используется зеркальный телескоп или оптический коллиматор с вставными сегментиро ванными зеркалами.
Избирательное устройство призвано выделить из различных сигналов оптического диапазона «нуж ный», «свой» сигнал. Для этого в приемнике, сразу же после антенного устройства стоит светофильтр. Светофильтр прозрачен лишь для лучей «нужного» сигнала. Все другие лучи он ослабляет и на вход усилителя не пропускает.
Лазер-усилитель усиливает отфильтрованные сиг налы. ОКУ может иметь один, два и более лазеров. На вход детектора подаются уже достаточно мощные высокочастотные сигналы в виде луча света.
Детектор оптического приемника (фотодетектор) выполняет две задачи: превращает энергию видимо го луча в электрическую энергию и отделяет от де тектируемого сигнала полезную информацию. В ка честве детекторов приемников оптического диапазона
2 6
обычно используют различные устройства типа фотоэлементов, в том числе: фотоэлектронные усили тели (ФЭУ), полупроводниковые фотоэлементы, фо токлистроны, фотопараметрические детекторы и фо- то-ЛБВ.
Усилитель сигналов информации усиливает элект рическую энергию, полученную с фотодетектора. Та кие усилители ничем не отличаются от аналогичных устройств обычных радиоприемников и телевизоров.
Устройство обработки информации выбирается в
зависимости |
от назначения лазерного |
приемника. |
Это могут |
быть электромеханические |
звуковоспро |
изводящие устройства (головные телефоны, громко говорители), электронно-лучевые трубки, блоки па мяти вычислительных машин и другие приборы, реги стрирующие или обрабатывающие принятый сигнал.
В лазерных приемниках, собранных по супергете родинной схеме, основное усиление происходит на радиочастоте строго фиксированного значения.
Для создания такой частоты необходимо исполь зовать дополнительный лазерный маломощный гене ратор-гетеродин. Принятый сигнал и сигнал с допол нительного генератора одновременно подаются на фотодетектор, с выхода которого сигнал промежуточ ной частоты (уже в радиодиапазоне) подается на оконечную часть обычного радиоприемника.
ЯРЧЕ ТЫСЯЧИ СОЛНЦ
В одном из цехов Ленинградского оптико-механи ческого объединения перед отправкой заказчикам дер жат экзамен самые различные лазеры. Здесь и не большие квантово-механические приборы для школь ных физических лабораторий и более солидные лазе
3* |
2 7 |