где AF - полоса пропускания последетек-торного тракта.

Если число фотоэлектронов, приходящихся на время разрешения приемника, велико ят>1, где п - число фотонов в секундах (это условно равносильно условию п/Д/?> 1, т. е. число фотоэлектронов, приходящихся на 1 гц полосы пропускания я>1), то сигнал на выходе фотодетектора имеет непрерывный характер. Такой режим подобен приему непрерывных сигналов радиодиапазона: детектор воспроизводит (с искажениями вследствие квадратичкости) огибающую.

Если итС1, то сигнал на выходе имеет дискретный характер - состоит из импульсов, вызываемых отдельными фотоэлектронами, которые почти не перекрываются.

Детекторный приемник, который может регистрировать поступление отдельных фотонов, принято называть счетчиком фотонов. Такой режим не имеет аналога в радиодиапазоне. Примером счетчика, получившего широкое применение для регистрации оптических и у-излучений, является фотоэлектронный умножитель. Ниже будет показано, что счетчнк фотонов является наиболее энергочувствительным приемником.

Практика конструирования приемных устройств СВЧ показывает, что чувствительность детекторных приемников, например, в сантиметровом диапазоне бывает на несколько порядков хуже чувствительности супергетеродинных приемников и приемников прямого усиления (с ЛБВ, квантовым или параметрическим усилителем). Поэтому в СВЧ диапазоне для приема весьма слабых сигналов детекторные приемники не применяются. Было бы неправильно такое представление о свойствах детекторных приемников распространять иа оптический диапазон.

Рассмотрим этот вопрос подробнее. Проведем сравнение детекторного и супергетеродинного приемников с полупроводниковым диодом на входе. Будем полагать эти диоды совершенно одинаковыми. Детектор при приеме слабого сигнала квадратичен

В супергетеродине при РГот>Рсигн ,

Р вых - ЗРвх-

Примем а-10 ет-1, 6=0,1, что соответствует параметрам современных диодов.

Пусть за смесителем и детектором следуют усилители с одинаковой мощностью шума, отнесенной к входу Рш = 10-1г ет. Поставим требование, чтобы отношение мощностей сигнала и шума на выходе детектора и смесителя было одинаковым

= 1.

- V с

,-13

= 10~7 \etn\-. (29-30)

соответственно на входе супергетеродина Рт

г-13

Ю-14 ет. (29-31)

Тогда мощность сигнала на входе детекторного приемника должна быть равной

Таким образом, пороговая чувствительность детекторного приемника в этом примере оказалась на 7 порядков хуже, чем у супергетеродина. Причина такого различия заключается в том, что чувствительность приемников в рассмотренных примерах определяется шумами усилителя, включенного после диода.

Представим теперь, что с .детектором сопряжен какой-то усилительный механизм, который дает- усиление мощности в 107 раз, не внося дополнительного шума. Тогда чувствительность обоих типов приемников была бы одинаковой. В оптическом диапазоне такое усиление обеспечивается в электронных умножителях, которые могут довести сигнал до уровня, значительно превышающего уровень шума следующего за детектором усилителя. При этом привычные представления о преимуществах супергетеродина по чувствительности теряют силу.

Если чувствительность приема ограничивается внешними шумами, приходящими вместе с сигналом, то все рассмотренные способы приема будут характеризоваться одинаковыми пороговыми сигналами при условии, что линейный тракт приемника согласован со спектром передаваемого сигнала (предполагается, что шум имеет гауссово распределение). Однако как на высоких частотах раднодиапазона, так и в оптическом диапазоне такое согласование труднее выполнить в детекторных приемниках из-за трудности достижения достаточно узких полос пропускания.

Так, например, частотная избирательность оптического детекторного приемника определяется додетекторным фильтром, поскольку частотная избирательность современных фотокатодов выражена весьма слабо. Оптические фильтры в настоящее время имеют полосу пропускания 10-100 А, а уникальные лабораторные образцы имеют

полосу пропускания порядка 1 А (при1 %= =0,7 мкм это соответствует полосе в . 100 000 Мгц=100 Ггц). Это означает, что даже при использовании наиболее коротких импульсов длительностью в 1 нсек и наиболее узкополосных фильтров линейный тракт детекторного приемника будет далек от выполнения условий согласования Д,~1/ти.

Супергетеродинный прием оптических излучений

Вопросы гетеродннирования световых пучков были впервые рассмотрены Г. С. Гореликом еще в 1947 г. в статьях о демоду-ляционном анализе света [Л. 15]. Однако практическая реализация супергетеродинного приема стала возможной лишь с появлением лазеров. Последние можно использовать в качестве оптических гетеродинов.

Идея гетеродннирования на оптических частотах принципиально не отличается от преобразования на радиочастотах: излучения сигнала и гетеродина подаются на нелинейный элемент, в выходной цепи которого имеется сравнительно малоинерционная колебательная система, выделяющая колебания промежуточной частоты. Однако, когда необходимо технически осуществить смешение сигнального и гетеродинного световых потоков, возникают специфические особенности. Оба луча, направляемые на светочувствительную поверхность квадратичного фото детектор а - смесителя (рис. 29-39), для эффективного гетеродннирования должны иметь высокую степень пространственной когерентности на поверхности фотодетектора.

В качестве детектора-смесителя могут быть использованы фотоэлементы, фотоумножители, полупроводниковые фотодиоды, фотосопротнвлення и другие типы оптических детекторов. Выходной ток таких приборов пропорционален квадрату напряженности электрического поля Е и, следовательно, мощности падающего на светочувствительную поверхность потока

. f ~ £2 р. .

Пусть изменение поля во времени на светочувствительной поверхности описывается соотно шепнем

Е = Ег cos(cor£ - фг) + + Ес cos(cact - ро),

где £г- амплитуда поля гетеродина; Ес - амплитуда поля сигнала; сог, шс - соответствующие круговые частоты; фг, фс - начальные фазы.

Результирующий фототок пропорционален величине

Ё2 =

£-+ЕгЕс cos <опр/,

где принято, что фг=фс=0. Здесь первые два слагаемых определяют постоянную составляющую фототока /о, а третье - составляющую промежуточной частоты /пр. Легко видеть, что

При условии, что Ег>Ес, Рг

где Tj - квантовая эффективность фотокатода ; Рг - мощность луча гетеродина; е - заряд электрона; h - постоянная Планка; /г - частота гетеродина. Среднеквадратичная величина тока промежуточной частоты

\г р

Рг °

где Рс

- мощность сигнального луча.

Расщепители луча

Рис. 29-39. Принцип оптического гетеродинироЕа-ния.

Если полоса пропускания устройства за смесителем равна В, то дробовой шум смесителя определится выражением:

Р В.

7-р = 2е/0В = 2

Если детектор является идеальным и не вносит никаких добавочных шумов, то при отсутствии внешнего шумового фона единственным источником шума в системе является дробовой шум, обусловленный квантовой природой излучения. Д&ия / р на находим:

Рс vfifcNc А/г В А/г В

где Nc - скорость поступления фотонов сигнала, т. е. число фотонов сигнала, падающих на фотокатод в 1 сек.

Полагая, что /г~/с, получаем:

где т-время разрешения приемника.

Отметим основные особенности оптических смесителей.

Усиление при преобразовании. Как и при детектировании света, при смешении сигналов с помощью фотодиодов можно

получить коэффициент передачи мощности больше единицы. Мощность сигнала на промежуточной частоте

р ~ ll ~ Р Р . (29-32)

пр пр г с v

При детектировании мощность выходного видеосигнала

вых вых с

(29-33)

Таким образом при использовании одного и того же фотоприбора выигрыш в усилении при преобразовании частоты по сравнению с детектированием пропорционален величине

Направленность приема. Поскольку размеры фоточувствительнон поверхности, перекрываемой гетеродинным и сигнальным лучами, обычно значительно больше длины волны К, то токи промежуточной частоты inp от различных элементов поверхности могут иметь различные фазы, что вызовет уменьшение /Пр на выходе смесителя.

Таким образом, при оптическом преобразовании частоты существенную роль играет амплитудно-фазовое распределение волн сигнала и гетеродина на поверхности фото детектора.

Если представить излучения сигнала и гетеродина в виде плоских волн с постоянной амплитудой по всей поверхности, то первый минимум приема достигается, когда угловое расхождение пучков сигнала и гетеродина (рис. 29-40) составит величину e= Ji,/d, рад, где d - диаметр пучка. Вид

Зависимости /Пр/Лгр.накс=Г (@) при ЭТОМ

представляет типичную дифракционную картину отверстия диаметром d. Если поле излучения гетеродина представляет, например, волну типа ТЕМоо, то максимум пр/Упр-макс составляет 0,815 от соответствующего максимума, получаемого при равномерном распределении поля в освещенном пятне, и первый нуль достигается при угле расхождения пучков в 1,5 раза больше дифракционного предела. Отношение Рс/Рт в точке максимума составляет в этом случае 0,64 от соответствующего отношения при равномерном распределении поля. Таким образом, когда уменьшение отношения Рс/Рш недопустимо, целесообразно с помощью диафрагмы вырезать участок фронта с постоянной амплитудой. При наличии запаса по чувствительности допустима работа на более высоких типах колебаний с расширением допуска на непараллельность лучей сигнала н гетеродина.

Отношение сигнал/шум. Приведенное выше выражение для PJP-ш получено с учетом дробового шума гетородина. В реальном приемнике, кроме того, имеется внешний шум (фоновая засветка), внутренний шум смесителя (например, темповой ток), шумы усилительных каскадов, следующих за смесителем. Замечательное свойство су-

пергетеродина заключается в следующем: при достаточно большой мощности гетеродина с шумами, вызываемыми указанными выше причинами, можно не считаться и отношение Рс/Рш будет характеризоваться выражением

- =rj/VcT.

Более точно условие справедливости этого выражения сводится к тому, чтобы мощность дробового шума гетеродина была значительно больше мощности шума, вызы-

Рис. 29-40. Расхождение пучков сигнала и гетеродина.

ваемой всеми другими причинами. Этот результат не зависит от физического механизма, используемого при детектировании. Влияние природы физических явлений сказывается лишь на величине квантовой эффективности т] и на возмолшости практической реализации режима, при котором обеспечивается преобладание дробового шума гетеродина.

Избирательность. Избирательность супергетеродина определяется трактом промежуточной частоты, и, по-видимому, в настоящее время только при помощи супергетеродинного метода можно добиться наивысшей (по сравнению с другими способами приема) частотной избирательности. Это имеет особое значение при выделении узкополосного оптического сигнала из широкополосного фона. Так, супергетеродин с полосой пропускания в 100 Мгц будет иметь полосу по крайней мере на -трн порядка меньше, чем полосы пропускания лучших оптических фильтров.

Прямое усиление оптической несущей с помощью квантовых усилителей

По принципу действия квантовые усилители оптического диапазона аналогичны мазерам. Однако специфика оптического диапазона, заключающаяся в большом отношении размеров устройств к длине волны и большой энергии кванта по сравнению с kT (hfkT), существенно сказывается на рабочих характеристиках лазерных усилителей. В частности, при анализе шумовых свойств лазеров при гелиевых температурах существенное значение имеет спонтанное излучение, которым в радиодиапазоне можно пренебречь.

Квантовый усилитель состоит нз следующих основных элементов: