на больших расстояниях и резко ослаблять взаимные помехи между работающими передатчиками. При этом может быть получен существенный выигрыш в дальности действия по сравнению с системами радиосвязи. В системах направленной связи угловая нестабильность установки луча должна быть значительно меньше его ширины. Поэтому одной из важнейших проблем оптической связи является разработка систем поиска, захвата н точного углового сопровождения излучения корреспондента. При работе в ус. ловиях атмосферы, помимо ослабления, вызываемого поглощением и рассеянием оптических излучений, необходимо учитывать также то, что турбулентность и вызываемая ею рефракция ограничивают минимально возможную ширину луча. Судя по опыту астрономических наблюдений, затруднительно поддержание связи, если ширина луча менее 1 .

Мощность передатчика РПер, необходимая для реализации заданной дальности связи г, зависит от характера сигнала (непрерывный, импульсный) и способа приема (когерентный усилитель, квантовый счетчик). Наиболее экономным с точки зрения затраты мощности на единицу передаваемой информации является импульсный режим работы передатчика при приеме на квантовый счетчик. Особенности расчета импульсных линий с учетом статистики потоков фотонов рассмотрены выше в параграфе, посвященном оптической локации.

Квантовый усилитель и супергетеродинный приемник нельзя использовать для приема единичных фотонов, поскольку уровень собственного шума таких приемников имеет величину порядка 1 кванта на каждый герц полосы пропускания: Pm=hfB, вт. По аналогии с приемными устройствами радиодиапазона шум линейного тракта та, ких приемников может быть охарактеризован коэффициентом шума Щ или шумовой температурой tm:

По известным Ш или Тш расчет линии связи прн любом способе модуляции производится совершенно аналогично расчету систем радиодиапазона.

В настоящее время для приема излучений ОКГ в диапазоне видимого света чаще всего используются фотоэлектронные умножители. Рассмотрим особенности расчета линии связи при приеме на ФЭУ непрерывно модулированных (например, по амплитуде) сигналов.

Прн распространении излучения в свободном пространстве мощность сигнала РПр, поступающего на- вход приемника, равна мощности передатчика, помноженной на отношение площади апертуры приемника ЛПР к площади Аосш, освещенной излучением

передатчика:

р р ЕЕ. гпр -- *пер .

осв

пер 2

>пр

(29-51)

где Qnep - телесный угол излучения передатчика.

Основными источниками шума при приеме являются: 1) излучение фона, 2) квантовые флуктуации принимаемого сигнала, 3) темновой ток фотокатода. Темновой ток обычно невелик и может быть уменьшен охлаждением фотокатода. При больших коэффициентах умножения можно также пренебречь шумами усилителя, следующего за ФЭУ.

Мощность шума фона равна: Рф = ВЙпрпрДЯ, где В - яркость неба, вт м~2 стерад-1 X

ХА-1.

Учитывая, что

Лпр £2прГ,

= ВАар QnpAX = ЕАпр АК, (29-52)

где E=BQnp (ет м~2 А~1) - спектральная плотность потока фонового излучения.

При связи в ночное время, а также в космическом пространстве основную роль играют квантовые флуктуапин полезного сигнала. Если принять, что флуктуации числа принимаемых фотонов следуют распределению Пуассона н среднее число падающих на раскрыв приемной антенны в секунду фотонов равно N, то дисперсия отклонения числа фотонов от среднего значения

AN% = Nq.

При полосе последетекторного тракта AF время разрешения приемника At- 1/2ДР н дисперсия отклонения числа фотонов за время разрешения

[AN2 = = 2N0 AF и {AN = VNAF .

Учтя, что энергия фотона Eф=hf, получим, что мощность квантового шума

Рш.кв = A.V hf = V2 N0 AF hf.

Мощность принимаемого сигнала Pnv-Nohf. Тогда

Рш.кв =

VzPnphfAF.

Отношение мощности сигнала РПр к флук-туацнонной составляющей в готоке полезного сигнала будет равно:

Отношение сигнал/шум на выходе идеального квадратичного детектора будет равно:

Среднее число электронов, выбиваемых фотонами сигнала за время разрешения приемника,

п = т) Л,

где т)- квантовая эффективность фотокатода. Шумовой ток, вызываемый квартовыми флуктуациями сигнала,

/ш.кв = Апе = т)Д Ne,

где е - заряд электрона; Дп2=2пД/\

При совместном действии квантовых и фоновых шумов мощность шума

Рш = 2е(/ШКЕ +/ш.ф)ДР = 2eImAF, где /ш.кв и /щ.ф - соответственно постоянные составляющие токов, обусловленных квантовыми и фоновыми шумами:

/ш.кв = псе; /ш.ф = ифе;

Рш = 2е(псе + яфе)ДЕ = 2е2(яс + кф)ДЕ.

Пусть амплитуда тока сигнала после фотодетектироваиия равна /с. Тогда мощность сигнала при 100%-ной модуляции

В последнем выражении учтена квантовая эффективность фотокатода т) и потери мощности в приемном тракте до фотокатода тПр. Мощность шума после фотодетектирования

/>ш.вых = 2е2т)прт) [Ne + N$] AF.

Обычно бывает задано требуемое отношение сигнал/шум на выходе

1 /Рс \ 2Л1прЧ +ф)

Рвых :

Решая это уравнение относительно Рс, находим мощность сигнала, при которой реализуется заданная рВых

2рЕЫХДРя/

TlnpT]

Введем обозначение

ЧпрЦ

РвыхДЕ

Тогда Рс =

4 М

hf(~+~Y\+MN

Из последнего выражения следует, что если ЛШф <gl, то с шумами фона можно ие считаться и

Если же MNф > 1, то

рс=щУмнф .

Чтобы получить на входе детектора сигнал мощностью Рс, необходима средняя выходная мощность передатчика, равная 1 \2

ТперТср \ Пр

/ gngp£ \2 \ пр /

где тпер - коэффициент пропускания оптической системы передатчика; тСр - коэффициент пропускания среды (атмосферы); 0 - угловая ширина луча передатчика; г - дальность связи; dnp - диаметр раскрыва приемной антенны.

Голография

Появление лазеров открыло путь для реализации нового метода фотографирования - голографии. Суть этого метода заключается в следующем. Подлежащий фотографированию объект освещается когерентным светом лазера. На фотопластинку падает отраженный от объекта свет и, кроме того, так называемый опорный сигнал - свет того же лазера, отраженный от неподвижного зеркала. Таким образом, на пластинке регистрируется суперпозиция волн света опорного н отраженного от объекта. В результате иа пластинке запечатлевается характерная интерференционная картина - сложный узор, получившийся за счет наложения световых потоков. Такая запись изображения называется голограммой. Голограмма совершенно не похожа на оригинал, но тем не менее иа ней своеобразным оптическим кодом зашифрована вся информация об объекте, которая содержится в обычной фотографии, и сверх того много дополнительной информации, которую невозможно зарегистрировать с помощью обычных фотопроцессов. Для записи голограммы нет необходимости в линзах илн других устройствах, формирующих изображение.

Процесс воссоздания изображения является обратным процессу образования интерференционной картины. Голограмма освещается светом лазера. Световые волны, возникающие при прохождении когерентного излучения через голстрамму, являются точными копиями тех волн, которые неходили от объекта - оригинала при записи изображения. Полное сходство восстановленных при просвечиваннн голограммы волн и первичных волн, которые падали на пластинку при изготовлении голограммы, позво ляет сделать вывод, что изображение, полученное с помощью голограммы, должно быть неотличимо от объекта, служившего оригиналом.

Изображение, которое можно увидеть, если смотреть на освещаемую лазером голограмму, как в окошко, воспринимается как трехмерное, причем объемный эффект достигается без каких-либо стереоустройств. Кроме того, такому объемному изображению присущи и другие реалистические черты. Так, например, если наблюдатель изменяет свое положение, то изменяется и перспектива изображения Изменяя точку наблюдения, можно заглянуть за заслоняющий предмет.

Кроме воссоздания естественного объемного изображения голограмма обладает рядом других интересных свойств. Так, например, любой малый участок голограммы можег воспроизвести все изображение целиком. Это свойство голограммы объясняется гем, что в идеальном случае каждая точка голограммы воспринимает свет от всех участков объекта и содержит в закодированном виде все изображение.

Таким образом, голограмму можно раз- г резать на кусочки, но не потерять при этом возможности воссоздания всего изображения. Далее, на одну и ту же пластинку можно последовательно наложить несколько изображений, а затем восстановить каждое из изображений в отдельности, причем другие изображения не будут мешать. Для этого при записи нужно использовать различные частоты лазерных излучений. Так, например, можно при записи использовать три монохроматические волны, соответствующие трем основным цветам. Тогда при восстановлении изображения с помощь о трех подобных лазеров будет получено цветное объемное изображение.

Пользуясь для освещения голограммы при воссоздании изображения расходящимся пучком, можно получить большое увеличение изображения, не прибегая к линзам. Тот же результат можно получить, если освещать объект при записи излучением с одной длиной волны, а прн восстановлении изображения пользоваться излучением с более короткой длиной волны.

Уже имеется много предложений по использованию Голографии в технике кино, телевидении, а также в научных исследованиях. Совершенствование техники лазеров, повышение мощности излучения, увеличение степени когерентности колебаний и т. п. будут способствовать переходу от лабораторных экспериментов к широкому практическому применению методов голографии.

Хотя развитие практических применений лазерной техники и не пошло такими бурными темпами, как это предполагалось первоначально, имеется ряд областей, в которых применение лазеров оказалось очень плодотворным.

Твердотельные лазеры успешно используются в глазной хирургии для присоединения (приваривания) отслоившейся сетчатки. Созданы и используются лазерные установки для резки, сварки и сверления (прожигания отверстий) в стекле, керамике, драгоценных камнях, тугоплавких металлах.

АС 1ПИО

Излучение газовых лазеров используется в метрологии и в разного рода регулировочных работах, где требуется точное выдерживание направлений (наладка и выравнивание турбин, ускорителей частиц, \ остов, туннелей, высотных сооружений, при изготовлении крыльев и другой арматуры самолетов и т.п.). Во всех этих случаях лазерное оборудование позволяет получить более высокую точность, нежели обычные оптические методы. Проводятся исследования по применению лазеров для измерения скорости потока жидкостей и газов, для обнаружения турбулентности воздуха, для анализа механических натяжений, при раз личных фотографических процессах. Имеются предположения о возможности использования лазеров в химии для стимулирования разного рода реакций.

Целесообразные направления конкретных применений лазеров для наземной и космической связи, локации, навигации, голографии, ЦВМ всесторонне изучаются, и реализация этих возможностей зависит от технических эксплуатационных характеристик элементов лазерной техники (генераторов, приемников, модуляторов и т. д.).

Несомненно, что создание оптических квантовых генераторов является новым шагом в развитии многих областей техники и научных исследований, которые ранее базировались только иа возмохчностях радиоэлектроники.

ЛИТЕРАТУРА

1. Басов Н. Г., К р о х и н О. Н., П о-по в Ю. М., УФН, 1960, т. 72, вып. 2, с. 161.

2. М и к а э л я н А. Л., Т е р - М к к а э -ляп М. Л., Т у р к о в Ю. Г., Оптические генераторы на твердом геле, Советское радио , 1967.

3. Чернышев В. Н., Шереметьев А. Г., К о б з е в В. В., Лазеры в системах связи, Связь , 1966.

4. Г р и г о р ь я н ц В. В., Ж а б о т и н-с к и й М. Е., 3 о л и н В. Ф., Квантовые стандарты частоты, Наука , 1968.

5. Н и ко л ь с к и й И. А., Квантовые усилители, Энергия , 1964.

6. К о с ы р е в Е. А. Молекулярные усилители и генераторы СВЧ, Воениздат, 1963.

7. Ж а б о т и н с к и й М. Е., Молекулярные усилители и генераторы, Госэнергоиздат, 1958.

8. Б а с о в Н. Г., В у л Б. М., П о -по в Ю. М., ЖЭТФ, 37, 587 (1959).

9. К а р л о в Н. В., М а и е н к о в А. А., Квантовые усилители. Итоги науки, серия физика , ВИНИТИ, 1966.

10. К о б з е в В. В., М и л и н к и с Б. М., Емельянов Р., Г., Применение оптических квантовых генераторов для целей связи, Связь , 1965.

П. Сэнф, Гудвиц Кифер, Kofi а н с, Квантовые усилители в радиолока-