Если потери сравнительно малы

<

< 1,2(0,7дб) j , то это выражение можно привести к следующему виду:

- 1) 7

Тш.рпу * ТА +66,71+Тку-г- °,

где /-потери l/Kpi, выраженные в децибелах *.

Из последнего выражения следует, что эффективная температура РПУ возрастает примерно на 7° К иа каждые 0,1 дб потерь.

Таким образом, общая чувствительность радиоприемного устройства прн использовании квантового усилителя определяется не столько самим усилителем, сколько потерями в трактах передачи сигнала и шумами антенны. В связи с этим для полной реализации возможностей малошумящих квантовых усилителей необходимо обращать внимание на тщательность выполнения волио-водных трактов и циркулятора и выбирать такие условия работы аитеины (главным образом, диапазон рабочих частот), при которых шумовая температура антенны будет мала.

Некоторые параметры рубиновых квантовых усилителей. Способность квантовых усилителей работать с малыми шумами определяет возможность их широкого использования в радиолокации космических объектов с Земли и радиосвязи с ними, а также для надежной радиосвязи с помощью спутников и радиоастрономии. Для многих из этих систем с помощью квантовых усилителей можно создать приемники, внутренние шумы которых не будут существенно ограничивать дальность связи или обнаружения объектов. Естественно, что квантовые усилители целесообразно использовать лишь в тех диапазонах частот, где уровень внешних шумов мал, особенно в области космического окна , расположенного в диапазоне длин волн 30-3 см.

Приведем оценку параметров, которые можно получить при современном состоянии** техники рубиновых квантовых усилителей, работающих как с открытыми криогенными установками, так и использующих гелиевые криостаты с замкнутым циклом.

Рубиновые квантовые усилители с открытыми криогенными установками имеют следующие типовые данные:

* При выводе принято -=1;

=2,3 lg

--=0,23 / --\ =0.23/.

0,1-1 % 20-40 дб

10-20 % 10-30° к

100 дб 2q-5 вт

0,1 сек

7-22 кг

Диапазон частот...... 400 Мгц-15 Ггц

Ширина полосы (от центральной

частоты) ......

Коэффициент усиления . Диапазон перестройки Шумовая температура Динамический диапазон Начало насыщения (в импульсе)

Время восстановления.....

Вес квантового усилителя с сосудом Дьюара (без источника иакачки):

с постоянным сверхпроводящим магнитом в сосуде ........

с внешним постоянным

магнитом...... 45-220 кг

Вес источника накачкн .... 10-45 кг

Открытый гелиевый сосуд Дьюара:

срок хранения температуры ........ 8-35 ч

размеры....... 8,5-70 дм3

вес......... 4,5-20 кг

скорость испарения гелия ОЛ-0,3 л/ч

емкость....... 2-10 л

Характеристики экспериментальных гелиевых криостатов с замкнутым циклом

Для наземных Для бортовых установок устаионок

Охлаждающая мощность при 4,2° К, вг

Размеры, дм3 . . .

Вес, кг......

Потребляемая мощность, кет ....

Срок службы (между профилактическими осмотрами), ч . .

0,25-1

85-285 45-220

1000

0,25-0,5 28 16-22

1000

29-6. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ (ЛАЗЕРЫ)

Обшие сведения

Оптический квантовый генератор (ОКГ)* - прибор, в котором осуществляется генерация монохроматических электромагнитных волн оптического диапазона путем использования индуцированного излучения. Принципы работы ОКГ те же, что и в молекулярном генераторе, с тем отличием, что молекулярный генератор работает в СВЧ области спектра, а ОКГ - в оптической.

Оптический квантовый генератор представляет собой резонатор, в который помещена активная среда, содержащая атомы в возбужденном состоянии. Для получения активных атомов используется вспомогательный источник энергии - генератор накачки. Механизм накачки может быть самым разнообразным - подсветка вещества вспомогательным излучением, возбуждение электронным потоком, с помощью ионизации газовой среды и др. Активные среды ОКГ могут находиться в разных агрегатных состояниях, в связи с чем различают ОКГ на твердом теле, жидкостные и газовые.

** Данные взяты из работы [Л. 11]. опубликованной в 1961 г. За последние годы не появлялось сведений о существенном изменении этих оценок.

* По американской терминологии лазер или оптический мазер ; название laser слагается из первых буки фразы slight amplification by stimulated emission of radiation* - усиление света индуцированным испусканием излучения.

Резонатором чаще всего является система двух плоских параллельных друг другу зеркал (типа интерферометра Фабри - Перо). Применяются и другие типы открытых резонаторов, например конфокальный, т. е. резонатор, состоящий из двух сферических зеркал с центрами кривизн, расположенных на противоположных зеркалах.

Под действием накачки в веществе, расположенном между зеркалами, возникает состояние инверсной заселенности, при котором число атомов на верхнем уровне превышает число атомов на нижнем энергетическом уровне.

Можно провести следующую аналогию между ОКГ и электронным генератором - активная среда играет роль усилителя в радиотехнических генераторах, спонтаииое излучение - роль шума, резонатор - роль системы обратной связи, а накачка - роль питания.

До начала процесса накачки большинство атомов рабочего вещества находится в основном (низшем) состоянии. Согласно закону Больцмана на высоких оптических частотах верхние уровни являются незаполненными. Благодаря накачке атомы переходят в возбужденное состояние, в результате чего на одном из верхних уровней возникает избыточная населенность по сравнению с расположенными ниже уровнями. Обычно отдельные возбужденные атомы переходят спонтанно иа более низкие уровни независимо друг от друга, так что свет, испускаемый всей группой атомов, некогерентен. Если в ОКГ спонтанно излучаемые фотоны имеют направления распространения, не параллельные оси активного вещества (и, следовательно, резонатора), то они просто выходят за пределы вещества.

Лавинный процесс индуцированного излучения начинается в тот момент, когда по крайней мере одни возбужденный атом спонтанно излучает фотон, параллельный оси резонатора. Этот фотон вынуждает другой возбужденный атом испустить второй фотон. Напомним, что когда переход возбужденного атома на более низкий уровень индуцируется квантом света, то этот атом излучает фотон той же частоты, фазы и направления распространения, какими характеризовался индуцирующий фотои. Этот процесс начинает лавинообразно развиваться, так как фотоны перемещаются вдоль возбужденного вещества, многократно отражаясь от зеркал резонатора.

Для вывода образующегося пучка когерентного излучения обычно одно из зеркал резонатора делается полупрозрачным. Узкая направленность луча обеспечивается высокой степенью параллельности плоских зеркал, в результате чего в луче остаются только те фотоны, которые многократно прошли через вещество, не отклонившись существенно от его оси. Высокая монохроматичность излучения обусловлена тем, что индуцированное излучение представляет собою резонансный процесс. Поскольку излучение, выходящее со стороны полупрозрач-

ного зеркала, имеет почти плоский фронт, то оно является пространственно когерентным, а так как излучение почти монохром а-тично, то оно когерентно и во времени.

Некоторые количественные характеристики когерентности излучения. Различают временную и про странствениую когерентность волн. Временная когерентность колебаний поля в точке г характеризуется функцией корреляции Р(т):

Р(т) = £(r, t)E(r, t + x),

представляющей собой усредненное по времени скалярное произведение двух значений поля в одной и той же точке пространства, разделенных интервалом времени т. Считается, что волны обладают временной когерентностью, если существует статистическая связь (корреляция) между амплитудами волн в данной точке в один момент времени и любой более поздний момент. Монохроматические колебания представляют собой крайний случай полной временной когерентности.

Волны считаются пространственно когерентными, если существуют поверхности, на которых амплитуды воли как функции времени находятся во вполне определенном соотношении. Пространственная когерентность характеризуется функцией корреляции

Р(г) = Е(г, г)£(г + Дг, г),

представляющей усредиеииое во времени произведение двух компонент поля, взятых в одни н тот же момент времени, но в разных точках пространства. По отношению к узким лучам излучения обычно ограничивают понятие пространственной когерентности вектором Дг, перпендикулярным направлению распространения луча, поскольку пространственная когерентность по направлению распространения луча связана с временной когерентностью. Таким образом, в этом случае пространственную когерентность можно заменить понятием поперечной когерентности, т. е. когерентности в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волн, а временная когерентность оказывается пропорциональной продольной пространственной когерентности.

Полностью когерентные и полностью некогерентные пучки волн являются идеализированными понятиями, которые, строго говоря, никогда не наблюдаются на практи7 ке. Поля, возбуждаемые радиопередатчиками или оптическими квантовыми генераторами, с одной стороны, и тепловое излучение тела - с другой, являются примером приближения к этим теоретическим моделям. Практически всегда приходится иметь дело с частично когерентными пучками, отличающимися друг от друга степенью когерентности.

Степень когерентности определяется интервалом корреляции (т или Дг), при котором огибающая амплитуд функции корре-

ляции R уменьшается на определенную величину (например, в е раз или в 2 раза) Временная когерентность тесно связана с шириной спектра излучения. Чем уже спектр, тем выше когерентность, больше временной интервал корреляции, а излучаемые колебания ближе к монохроматическим, чисто гармоническим. Если интервал корреляции определять интервалом времени тк, в течение которого амплитуда огибающей корреляционной функции уменьшается в 2 раза, то

где Af-ширина спектра по уровню половинной мощности (для прямоугольного импульса с высокочастотным заполнением ти = = 1/Д, для импульса с экспоненциальной огибающей Тк=1/яА, и т. д.). Величину тн иногда называют временем когерентности. Положим /=стн, где с - скорость света.

Величина / называется длиной когерентности и характеризует продольную когерентность колебаний.

Для чрезвычайно стабильного клистрон-ного генератора, работающего на частоте Ю11 гц, время когерентности составляет 10-100 сек или 1012-1013 периодов сигнала. Для излучения ОКГ с той же степенью когерентности время корреляции составит 1- 10 мсек. Для обычных тепловых источников света время когерентности составит 10--10-8 сек.

Временная когерентность излучений ОКГ позволяет использовать все преимущества почти монохроматических сигналов с точки зрения осуществления различных способов модуляции (частотная, фазовая и др.), а также размещения в оптическом диапазоне огромного количества каналов передачи информации.

Если оптический квантовый генератор работает в одиомодовом (см. ниже) режиме, т. е. генерирует один тин колебаний, то интервал пространственной корреляции практически равен ширине плоского луча (в этом случае считается, что пучок является пространственно когерентным по всему сечению луча ).

Пространственная когерентность дает возможность производить оптические преобразования светового пучка, ограниченные лишь дифракционными пределами.

Из теории дифракции известно, что угловое расстояние иер-вого нуля от центра дифракционной картины, т. е. ширина луча, при условии, что излучение происходит из круглого торца лазера диаметром D и что амплитуда и фазы световых колебаний во всех точках излучающей поверхности оди-

наковы, должно быть равно:

6=1,22- , рад.

Заметим, что такая расходимость получается в так называемой дальней зоне излучения, когда расстояние г точки наблюдения от источника велико (r~>D2l%). Некогерентные ( естественные ) источники света дают в дальней зоне значительно большую расходимость пучка, которая зависит от отношения диаметра излучателя к диаметру рефлектора или линзы. Разумеется, диаметр излучателя не может быть слишком малым, допустим порядка К, так как при малых размерах он не сможет излучать большую мощность.

Существенное различие имеется в возможностях фокусирования когерентных и некогерентных колебаний. Когерентный луч отражающими или преломляющими поверхностями можно сфокусировать в ближней

зоне (т. е. когда c-DqIK) в пятно диаметром

Р=1,22/-А,

где г/ - фокусное расстояние оптической системы, имеющей диаметр Do. Если г/ = А>, то площадь сфокусированного пятиа когерентного излучения будет порядка А2.

Плотность потока излучения в фокальном пятне будет равна:

h = ~ Рвых [ет/мЦ, (29-20)

где Ав- площадь объектива; РВЫх-мощность падающего на объектив света.

При мощности рубинового лазера Рвых=10 кет, Х,=0,7 мкм, Ао/г=1/2 плотность мощности в середине изображения составит 1016 вт м~2. Плотность мощности на поверхности солнца составляет менее 108 вт-м~2. Таким образом, оптический квантовый генератор способен создавать плотность мощности, которая н 106 раз превышают плотность излучения поверхности Солнца. Такая плотность мощности сопровождается соответственно высокими напря-женностями электрического поля, определяемыми выражением

£ = ]Л20я./0 , (29-21)

где 120л - сопротивление свободного пространства.

Спектральная интенсивность излучения, выражающаяся в виде плотности потока на единицу частоты (вт м~2 гц~1), также на много порядков больше того же параметра для Солнца.

Размеры сфокусированного пятна, получаемого с помощью некогерентного света, ограничены размерами источника света. Поэтому с помощью естественного света