1) рабочего вещества, обладающего не-бход иными энергетическими уровнями; 2) источника накачки, служащего для возбуждения рабочего вещества; 3) электродинамической системы, создающей условия для эффективного взаимодействия поля с рабочим веществом.

В качестве активных сред квантового усилителя могут использоваться рабочие вещества в любом агрегатном состоянии.

Можно осуществить резонаторные усилители и усилители бегущей волны.

В резонаторных усилителях используются открытые резонаторы ti па интерферометра Фабри - Перо; ввод и вывод сигнала можно осуществить через полупрозрачные зеркала резонатора. Таким образом, резонаториын квантовый усилитель оптического диапазона представляет собой интерференционный фильтр с активной (т. е. обладающей отрицательным коэффициентом поглощения) средой.

Чтобы получить значительное усиление, необходимо заставить участвовать в излучении возможно большее число возбужденных частиц. В резонаторных усилителях это достигается использованием эффекта мно гократного отражения излучения от пластин резонатора, расположенных по торцам активного вещества. Резонатор, таким образом, обеспечивает обратную связь.

В активной среде под влиянием генератора накачки осуществляется инверсия на-селенностей и линейный коэффициент поглощения становится отрицательным (Л<0). Тогда усиление мощности за один проход

С = e~hd. (29-34)

Усиление мощности на резонансной частоте

GMaKC=Ctf0)= [1-PG(/ )F (2935)

где R - коэффициент отражения пластин резонатора.

Структура этого выражения аначогич на выражению коэффициента усиления мощности усилителя с обратной связью. В самом деле (1-Р)2 определяет потери энергии на входе (коэффициент передачи цепей связи усилителя с внешней схемой), Р характеризует степень обратной связи, так что выражение, стоящее в скобках в знаменателе,- показатель обратной связи [Л. 16].

Резонаторный усилитель обладает характерной для регенеративных систем сильной нестабильностью усиления. Изменение резонансного усиления при изменении усиления на проход определяется величиной

aotfo) (i-P)3(i+PG)

dG (1 - RG)

Изменение G на 5% от 2,1 до 2 при rcd=10 см и Р=0,45 уменьшает усиление от 210 до 60. Если RG становится больше 1, то усилитель превращается в генератор. Представляется, что не составляет трудностей перевести устройство из режима генерации в режим усиления. Для этого надо

изменять произведение RG, уменьшая усиление на один проход (изменением мощности накачки) и коэффициент отражения. Однако когда речь идет об усилении колебаний заданной частоты, то возникают существенные технические трудности в pea лизации усилителя из-за нестабильности размеров резонатора. В самом деле, изменение расстояния между пластинами интерферометра на Я0/4и приводит к изменению фазы на л/2, что вызывает падение уси тения до минимальной величины. Такие изменения размеров резонатора вызываются даже незначительными изменениями темпе-

Активме вещество

Рис. 29-41. Усилитель в виде линии передачи, содержащей активное зещество.

ратуры окружающей среды (на десятые и сотые доли градуса Кельвина). Эти трудности не возникают в генераторах, поскольку в них колебания автоматически возникают на резонансной частоте резонатора и изменения размеров влияют на частоту генерации, но не срывают ее. - Таким образом, большие электрические размеры резонаторов приводят к необходимости либо применения специальной системы температурной стабилизации усилителя, либо .использования специальной системы автоподстройки размеров резонатора.

Большую стабильность по отношению к изменениям размеров и к колебаниям энергии накачки будет иметь усилитель бегущей волны (рис. 29-41). В чистом виде такой усилитель можно осуществить, если на- выходном торце активного вещества Р-0. Тогда

G = e~hi,

где d - длина активного вещества. Однако получить большие усиления практически оказывается затруднительно. В виду наличия неоднородностей на торцах линии Р=£0 и если СР>1, то усилитель возбудится. Следовательно, для усилительного режима необходимо, чтобы GP<1.

Для лазера на рубине коэффициент отражения иа границе рубин - воздух Р0,07, В таком усилителе усиление G должно быть меньше 14. Величину R можно уменьшить при помощи просветляющих по крытий. Однако для получения усиления в 30 дб (103 раз) R должно быть меньше 0,001, что уже трудно осуществить.

Для преодоления указанных трудностей в работе [Л. 31] предложена конструкция многосекционного усилителя бегущей волны (рис. 29-42). Усилитель состоит из последовательно расположенных усилительных секций, разделенных невзаимными элементами (изоляторами). Изоляторы про-

пускают сигнал с незначительными потерями в прямом направлении и сильно оставляют его прн распространении волны в обратном направлении. Для получения невзаимиого действия могут быть использованы оптические аналоги СВЧ изоляторов, используЮщих вращение плоскости поляризации электромагнитной волны в магнитном поле. Особенности таких изоляторов по сравнению с СВЧ изоляторами заключаются в том, что в оптическом диапазоне следует подбирать другие вещества и линия

Усиливающие алементы

Изоляторы

Рис. 29-42. Схематическое изображение однонаправленного оптического квантового усилителя бегущей волны.

пропускает много типов колебаний. В СВЧ изоляторах плоскость поляризации определяется волноводом; в оптическом диапазоне эту задачу выполняет поляризующая среда.

При диаметре рубинового стержня около 10 мм усилитель может пропускать примерно 108 пространственных типов колебаний. Это означает, что через усилитель могут передаваться изображения. Такой. усилитель бегущей волны можно рассматривать как линзу, обладающую усилением, ограниченной апертурой и бесконечным фокусным расстоянием. В системах с одним типом волны, к которым относится большинство систем радиодиапазона, информация передается только в продольном направлении, т. е. в частотном и временном измерениях. В оптическом диапазоне имеется возможность использовать информационные ячейки и в поперечной плоскости. При этом может быть реализована приемная мозаичная система с усилением изображения.

Большое внимание в последние годы уделялось исследованию шумов в квантовых усилителях. Предельное значение шума квантовых усилителей оптического диапазона определяется спонтанным излучением возбужденной среды, т. е. самопроизвольным переходом возбужденных частиц с верхнего энергетического уровня на нижний. Пересчитанная ко входу усилителя мощность шума равна:

Рт =-- hfB = yhfB,

Из -И!

где п2 и tii - плотность атомов активного вещества соответственно в верхнем и нижнем энергетических состояниях; hf - энергия кваита; В - энергетическая полоса пропускания.

Приведенное выражение характеризует мощность шума в одном типе колебаний.

При наличии нескольких типов колебаний мощность шума соответственно увеличивается, поскольку спонтанное излучение про исходит независимо в каждом типе колебаний. Для увеличения чувствительности целесообразно использовать усилители, работающие на одном типе колебаний. Существует ряд способов снижения уровня шума квантовых усилителей до предельного значения. При использовании Надлежащим образом построенной системы связи усилителя с детектором (эта система включает диафрагмы, линзы и поляризатор) можно добиться пространственной фильтрации нежелательных типов колебаний и пропускания на выход усилителя шумов только одного типа колебаний.

Сопоставляя выражения для уровня шума квантовых усилителей и супергетеродина, можно видеть, что выражения для минимального уровня шума квантового уси лителя и супергетеродина совпадают по форме, если положить у=Цг\. Такое совпадение не является случайным. Ниже будет показано, что идеальный квантовый усилитель и идеальный супергетеродин имеют уровень собственного шума, близкий к теоретическому пределу, установленному для линейных приемных устройств.

О принципиальных ограничениях чувствительности приемников оптических излучений

Рассмотрим факторы, определяющие предельно достижимую чувствительность приемных устройств различных типов.

Кроме ограничений, связанных со способом приема, существуют ограничения, обусловленные дополнительными шумами как внутренними (тепловой в дробовой шум элементов схем и электронных приборов), так и внешними.

В радиодиапазоне чувствительность, как правило, ограничивается как раз влиянием этих дополнительных источников помех. В оптическом диапазоне. необходимо произвести переоценку роли различных факторов, влияющих на определение уровня пороговых сигналов.

Тепловой шум в оптическом и радиодиапазонах. В радиодиапазоне чувствительность радиоприемных устройств ограничивается тепловыми шумами сопротивлений потерь в линиях передач, резонаторах и шумовым излучением неба (космическим шумом на частотах ниже 1 ООО Мгц и шумами атмосферы на частотах выше 10 000 Мгц)*. При наземном приеме излучений в пределах космического окна (область частот ~ ~ от 1 000 до 3 000 Мгц) и при использовании высоконаправленной антенны с вертикальной ориентацией главного луча уровень внешнего шума в пересчете, на шумовую температуру антенны может составлять

* Здесь имеется в виду диапазон СВЧ. В диапазоне ДВ. СВ я КВ чувствительность приема ограничивается атмосферными, промышленными и другими внешними помехами.

единицы градусов Кельвина. Эта величина определяется, до какого уровня целесооб разно снижать уровень собственного глума приемника такого диапазона. Известно, что уровень шума охлажденных до гелиевых температур квантовых и параметрических усилителей имеет также величину в несколько градусов Кельвина. Однако шумовая температура лучших СВЧ приемников составляет 20-50° К. Основной составляющей этой величины являются тепловые шумы в линиях передач (волноводы, разрядники, циркуляторы). Таким образом, врадиодиа -пазоне тепловой шум в трактах передачи сигнала от антенны к малошумящему усилителю является основным фактором, определя ющим достижимую чувствительность радиоприемного устройства.

Рассмотрим влияние теплового шума на системы оптического диапазона. Нагрузка, находящаяся при температуре Г, посылает на каждом типе колебаний шумовую располагаемую мощность

Р w

где п=6,62 Ю-34 дж сек - постоянная Планка;

k = 1,38 10-23 дж/град - постоянная Больцмана.

Рассмотрим два предельных случая. Если допустить, что показатель экспоненты в уравнении мал (Л/<САТ), то уравнение аппроксимируется следующим образом: Pm=kTB.

Это приближение справедливо для всего радиодиапазона и нормальных температур.

Наоборот, в предельном случае очень высоких частот и низких температур (hf>kT)

Рш = hfBe -hf/kT.

Очень удобно и наглядно мощность шума выражать числом квантов в секунду. Число квантов теплового шума в сеКунду равно:

В предельном случае высоких частот (hf>kT)

пш Be-hfkT.

Полезно знать частоты и длины волн, для которых hf=kT. Они могут быть найдены из простого выражения

Таблица 29-3

Результаты расчетов по этой формуле приведены в табл. 29-3.

При Т=300°К на волне =0,7 мкм (красная граница видимого света) hf= =70 kT, а при Я=0,4 мкм (синяя граница) fe/=125 kT.

На рис!. 29-43 представлены графики мощности теплового шума в зависимости

от частоты, соответствующие точному исходному выражению и радиочастотному приближению. Видно, что в предельном случае высоких частот (оптический диапа-он) тепловые шумы значительно меньше, чем в радиоподдиапазоне. Эту особенность характеризуют не совсем точным выражением; все сильные кванты выморожены .

о 1 г з ч s

Рис. 29-43. Шум в линейных усилителях.

Расчеты показывают, что в диапазоне видимого света при комнатной температуре и полосе пропускания приемника В=109 гц на вход одномодового приемника будет поступать в среднем 1 квант теплового шума за 10 тыс. лет. Поэтому активные сопротивления и поглощающие фильтры в опти ческом диапазоне в отлнчие от радиодиапазона не создают теплового шума (они тоже заморожены ).

Однако отсюда не следует делать вывод, что поглощающие и рассеивающие принимаемую энергию элементы и устройства не влияют на уровень флуктуации на выходе приемника. Всякое ослабление принимаемого потока фотонов приводит к увеличению вероятности ошибок в принятом сообщении и, в частности, к увеличению вероятности пропуска импульсного сигнала. Однако это влияние косвенное. Сами поглощающие элементы не создают ложных сигналов, Они лишь способствуют относитель-