Главная  Оптические магистрали 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [ 133 ] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

ных парах и обычно становится настолько сильным, что делает оптическую систему связи неработоспособной.

Водяные капли, размеры которых достигают миллиметровых размеров, обычно выпадают в качестве дождя. Это вызывает как рассеяние, так и поглощение. Коэффициент затухания увеличивается с увеличением скорости осадков, но зависит также от распределения размеров водяных капель. Это затрудняет обобщения, но можно сказать, что увеличение затухания на 1...10 дБ/км является обычным. Таким образом, несмотря на то, что характеристики системы связи значительно ухудшаются из-за дождя, можно обеспечить достаточный запас мощности, чтобы сохранить их на прежнем уровне.

Из.менения атмосферной температуры вдоль пути распространения вызывают рефракцию пучка. Непрерывные изменения рефракции вследствие турбулентности атмосферы приводят к мерцанию, эффекту, обычно присутствующему при наблюдении звезд. Рефракция и мерцание затрудняют наведение узкого пучка и, по существу, определяют нижний предел практической расходимости пучка. Мерцание также вызывает непрерывное изменение уровня мощности принимаемого сигнала. Это, наряду с изменением атмосферного затухания, исключает использование методов прямой аналоговой модуляции интенсивности для внешних наземных систем связи.

16.3. источники ИЗЛУЧЕНИЯ

16.3.1. Общая характеристика источников излучения

В § 16.2 показано, что при хороши.х атмосферных-условиях полупроводниковые светодиоды и лазеры пригодны для использования в наземных оптических линиях связи протяженностью 1...I0 км. Достой нет в а.ми этих источников излучения является компак!ность. легкость, прочность и простота осуществления мо-дуляпии. Для оптических систем связи большей дальности требуются более мощные лазерные источники излучения. Обычно они бывают громоздкими, хрупкими и малоэффективными и требуют сложных и мощных источников питания для их возбуждения и модуляции. Наиболее подходящими для оптической связи считаются два из самых совершенных типов лазеров. Это лазер на стекле с неодимом, работающий на длине волны 1,06 мкм или на второй гармонике - 0.53 мкм, и лазер на углекислом газе, работающий на длине волны 10,6 мкм, Время от времени предлагаются и другие лазерные источники, например более коротковолновые лазеры для систем связи между спутниками и подводными лодками, но здесь рассматриваются только два вышеуказанных. Ясно, что их использование приведет к созданию двух различных лазерных систем связи.

16.3.2. Лазерные источники излучения на стекле с неодимом

Неодимовые лазеры - это твердотельные лазеры, в которых в качестве активного материала использованы ионы редкоземельного элемента неодима (Nd*+), присутствующие в виде слабоконцентрированной примеси в твердотельном материале основы. Наиболее пжроко в качестве основы используют следующие материалы:



монокристаллические стержни алюмоиттриевого граната (АИГ - YsAslOia), в которых иттрий замещен Nd;

определенные типы стекол, в которых до 5 % массы компонентов материала составляет NdOs.

Поскольку эти материалы являются электрическими изоляторами, необходимо, чтобы лазеры накачивались оптически. Обычно используются мощные некогерентные источники излучения, такие как галогенные или криптоновые лампы накаливания, или ксеноновые газоразрядные лампы.

Материал основы должен быть прозрачным для излучения как накачки, так и лазерного.

Активный материал присутствует в относительно низкой концентрации, поэтому структура энергетических уровней электронов в сю-бодном атоме до некоторой степени сохраняется, однако сами по себе энергетические уровни сильно изменяются вследствие наличия материала основы. Именно это происходит в стекле, где концентрация Nd*+ выше и где существуют некоторые колебания в составе материала основы, окружающего различные ионы неодима. Это вызывает асимметричное уширение энергетических уровней. На рис. 16.6 дано схематическое изображение уровней Nd в АИГ. Метастабильный уровень *Рз/ (спонтанное время жизни 200 ... 500 мкс) является верхним уровнем лазерного перехода. Нижний лазерный уровень - это состояние Vu/j. Он имеет короткое радиационное время жизни и находится значительно выше основного состояния, так что не может быть заселен электронами за счет тепловой энергии. Верхний энергетический уровень может быть быстро заселен путем снятия возбуждения с более высоких F, G н Н уровне?.. Таким образом, неодим образует четырехуровневую лазерную систему. Инверсия населенности может быть легко достигнута накачкой излучением в диапазоне длин волн 500 ... 800 нм. Это излучение поглощается при возбуждении системы с основного уровня на более высокие уровни, показанные на рисунке.

Инверсия населенности может поддерживаться несмотря на непрерывное лазерное излучение. Уровень выходной мощности в режиме непрерывного излучения зависит от термических свойств лазерного стержня. В этом отношении АИГ превосходит стекло, поэтому его предпочитают в качестве материала основы, когда требуется непрерывная генерация на высоком уровне средней мощности. Однако из неодимово-го стекла можно изготовить стержни гораздо больших размеров, которые лучше всего подходят для генерации импульсов очень высокой мощности с низким коэффициентом заполнения. Стало возможным получать несколько сотен ватт выходной мощности в режиме непрерывной генерации при накачке излучением криптоновой дуговой лампы. При этом общий КПД лазера может превышать 1 %. Однако в этихуслови-ях лазер излучает на многих поперечных модах высокого порядка, и представляется, что для практических систем связи стабильность и надежность газоразрядной лампы меньше, чем это необходимо. Используя в качестве источника накачки вольфрамо-галондные лампы, можно



получить несколько ватт лазерной мощности в непрерывном режиме. Общий КПД составит около 1 % или значительно меньше, если лазер должен излучать только на основной поперечной моде. Путем включения в лазерный резонатор интерференционного фильтра (эталона Фабри -Перо), как показано на рис. 16.7, может быть выделена оди-

Гла6нь1е полосы накачли

Верхний уровень лазерного перехода

-S,F-GuH уровни


Нижний уровень лазерного перехода

Igjji Основное свстоянт

Рис. 16.6. Уровни энергии электронов, участвующие в работе аеодимового лазера



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [ 133 ] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

0.0014