2.5. ЛАЗЕРНАЯ СВЯЗЬ

С момента возникновения жизни на Земле возможность передачи друг другу сообщения (или, как теперь принято говорить, информации) занимало одно из главных мест в человеческом общении. В Древней Греции, например, информация передавалась с помощью световых волн, для чего на специальных башнях разжигали костры, оповещавшие жителей о каком-либо важном событии. Во Франции был изобретен оптический телеграф. Русский ученый Шеллинг предложил электрический проводной телеграф, впоследствии усовершенствованный американцем Морзе. Электрический кабель соединил Европу с Америкой. Т. Эдиссон удвоил пропускную способность телеграфной линии. А. Попов открыл возможность передачи телеграфных сообщений без проводов — с помощью электромагнитных колебаний. Радиотехника получила бурное развитие. Стали вести передачи на различных длинах волн: длинных, средних, коротких. В эфире стало тесно.

С чем же связана скорость и количество передаваемой информации? Известно, что предельная скорость передачи определяется длительностью одного периода колебаний используемых волн. Чем короче период, тем больше скорость передачи сообщений. Это справедливо и для передачи сообщений с помощью азбуки Морзе, с помощью телефонной связи, радиосвязи, с помощью телевидения. Таким образом, канал связи (передатчик, приемник и связывающая их линия) может передавать сообщения со скоростью не больше, чем частота собственных колебаний всего канала. Но это еще не достаточное условие. Для характеристики канала связи требуется еще один параметр — ширина полосы канала, т. е. диапазон частот, который используется в этом канале связи. Чем больше скорость передачи, тем шире полоса частот, на которых следует передавать. Оба этих параметра вынуждают осваивать все более высокие частоты электромагнитных колебаний. Ведь с увеличением частоты увеличивается не только скорость передачи по одному каналу, но и число каналов связи.

Техника связи стала забираться во все более коротковолновую область, используя сначала дециметровые, потом метровые и, наконец, сантиметровые волны. А дальше произошла остановка из-за того, что не было

подходящего источника несущих электромагнитных колебаний. Ранее существовавшие источники давали широкий спектр с очень малой мощностью, приходящейся на отдельные частоты колебаний. Световые волны не были когерентными, а это исключало использование их для передачи сложных сигналов, требующих модуляции излучения. Положение резко изменилось с появлением лазеров. Когерентность и монохроматичность лазерного излучения позволяют модулировать и детектировать луч таким образом, что используется вся ширина оптического диапазона. Оптический участок спектра гораздо шире и вместительнее, чем радноволновой. Покажем это простым расчетом. Подсчитаем, какое количество информации можно передать одновременно по оптическому каналу связи с длиной волны 0,5 мкм (соответствует Гц). Для примера возьмем такой город, как Москва. Пусть в ней имеется 1500 000 телефонов, 100 передающих широковещательных радиостанций и 5 телевизионных каналов. Для расчетов примем, что полоса частот телефонного канала составляет Гц, радиоканала , телевизионного канала — Гц. Возьмем коэффициент запаса, равный 100. Вычисления произведем по формуле

где с — скорость света, К — длина волны электромагнитного колебания, полоса частот, занимаемая одним телевизионным каналом, полоса частот одной радиовещательной станции, полоса частот одного телефонного канала, количество телевизионных каналов, количество радиоканалов, количество телефонов, к — коэффициент запаса.

Подставляя значения для нашего примера, получим Отсюда можно сделать вывод, что высокочастотная составляющая электромагнитного колебания, равная примерно Гц, позволяет (принципиально) в одном луче лазера одновременно обеспечить передачу информации тысяче таких городов, как Москва. Однако для реализации этой принципиальной возможности необходимо решить ряд проблем. Они связаны с модуляцией, демодуляцией и с прохожением излучения в атмосфере. Чтобы в этом разобраться, рассмотрим оптическую линию связи (рис. 27).

Рис. 27. Оптическая линия связи с использованием лазера

Линия связи состоит из передающего и приемного устройств. В передающее устройство входят лазер, вырабатывающий высокочастотную несущую; модулятор, обеспечивающий наложение передаваемой информации на световую несущую; оптическая система, необходимая для фокусирования излучения в узкий пучок, что обеспечивает большую дальность и высокую помехозащищенность; микрофон с усилителем и устройство нацеливания. Приемное устройство состоит из входной оптической системы, приемника излучения, демодулятора, усилителя, громкоговорителя и устройства прицеливания (привязки) приемника к передатчику. Линия связи работает таким образом. Сигнал в виде звуковой частоты поступает на микрофон. Здесь он преобразуется в электрический и поступает на модулятор, через который проходит излучение лазера. Оно оказывается промодулированным в соответствии с речевым сообщением. Промодулированный пучок поступает на оптическую систему. Этим излучением с помощью визирного (прицельного) устройства осуществляется облучение того места, где расположена приемная система. Приемная оптическая система собирает лазерный лучистый поток и направляет его на приемник и на усилитель. После чего он попадает на демодулятор, задачей которого является выделение из несущей частоты первоначальной звуковой частоты. Она проходит усилитель звуковой частоты и поступает на громкоговоритель.

Таблица 15 (см. скан) Характеристики модуляторов

Поскольку частота модуляции при передаче звукового сигнала не превышает 104 Гц, то для ее реализации подходит большинство модуляторов и демодуляторов, разработанных к настоящему времени. Наиболее широко используется амплитудная модуляция. Для ее реализации подходят оптические элементы, которые меняют свою прозрачность под воздействием прикладываемого к ним напряжения. К такого типа модуляторам относится и ячейка Керра, состоящая из жидкого диэлектрика и металлических пластин. При приложении к пластинам электрического поля жидкий диэлектрик становится двоякопреломляющим. В результате плоскость поляризации проходящей световой волны повернется на угол

где В — постоянная Керра, — длина пути, напряженность поля. При этом плоскополяризованное поле,

проходя через анализатор, изменяет свою интенсивность в соответствии с законом электрического поля. Таким образом, с помощью модулятора в луч лазера вводится звуковая частота. Посмотрим на таблицу, в которой представлены характеристики различных типов модуляторов, и попробуем выбрать тот, который подходит для нашей связной системы.

Пусть у нас в качестве источника излучения используется газовый гелий-неоновый лазер. Для передачи звукового сообщения требуется модуляция в пределах до 20 кГц. Этому лучше всего удовлетворяет кристалл германия (табл. 15). У него хорошая глубина модуляции — 50%. Однако этот модулятор не может быть использован, поскольку его спектральная прозрачность лежит в диапазоне 1,8...25 мкм, т. е. он непрозрачен для излучения в 0,6328 мкм, которое излучает гелий-неоновый лазер. Кристалл АДП или КДП подойдет по спектральному диапазону и у него хороший запас по частоте модуляции. С таким модулятором можно промодулировать оптическое излучение на нескольких участках частот, что дает принципиальную возможность ввести в один луч несколько телефонных каналов. Но вот ввести в луч лазера с помощью такого модулятора несколько телевизионных каналов невозможно, поскольку для передачи телевизионного изображения необходима полоса частот Гц. Можно передать только одну телевизионную программу. Нужны модуляторы с очень большим диапазоном частот модуляции. Смотрим в таблицу. Модулятор на ультразвуковой волне имеет диапазон от 5 до 30 МГц. Его верхний предел самый большой, других модуляторов нет. Сравним этот диапазон в Гц с диапазоном частот газового лазера . Видно, что они отличаются на семь порядков, т. е. в десять миллионов раз. Следовательно, высокочастотная несущая лазера не используется в полную силу своих возможностей. И не используется потому, что нет пока еще модуляторов с диапазоном частот до Гц. Аналогичная картина имеет место и для приемников излучения. Их тоже следует выбирать, исходя из того спектрального диапазона, на котором они работают. И исходя из того диапазона частот, который они способны воспринять. Наиболее предпочтительны ФЭУ, имеющие полосу частот порядка 100 МГц [24], но не более. Следовательно, и здесь имеется проблема, которая требует своего решения.

Рис. 28. Функциональная схема первой лазерной телевизионной установки

Проще всего было построить телефонную линию связи, ибо для нее имелись все необходимые элементы: источник излучения, модулятор и приемник излучения. Такие линии были созданы с тем, чтобы оценить эффективность их функционирования. Одна из них связывала АТС, находящуюся на площади Шолохова, со зданием МГУ на Ленинских горах. По лазерному лучу, связывающему телефонные станции, можно было одновременно вести несколько десятков телефонных разговоров. Другая линия была создана в Армении. Она связала Ереван и Бюроканскую астрофизическую обсерваторию, находящуюся на расстоянии 50 км на горе Арагац [5].

Применение лазеров в телевидении

В последнее время разработано несколько систем, в которых телевизионное изображение передается по оптическому каналу. Простейшая телевизионная система [25] была выполнена из готовых узлов и деталей. Функциональная схема этой системы представлена на рис. 28. Она включала в себя лазер промышленного прозводства, два промышленных телевизора, стандартный усилитель и видеоусилитель. Кроме того, использовались приемная и передающая оптические системы, модулятор оптического излучения и оптический фильтр. Телевизионные сигналы, получаемые от первого телевизора, усиливаются и поступают на модулятор (видеосигналы снимаются с одного из каскадов видеоканала телевизионного приемника). Модулятор, стоящий на выходе излучения

лазера, обеспечивает амплитудную модуляцию лучистого потока. Это излучение формируется в узкий луч с помощью оптической системы и направляется в сторону приемного устройства. Оно также имеет приемную оптическую систему зеркального типа (с двумя зеркалами), узкополосный оптический фильтр и диафрагму. Затем излучение поступает на ФЭУ. Такое сочетание последних трех элементов обеспечивает хорошую селекцию приемного сигнала, что позволяет использовать систему в условиях Солнечного освещения. Сигнал на ФЭУ превращается из оптического в электрический, проходит видеоусилитель и подается на кинескоп второго телевизора. Несмотря на наличие шумов, вносимых лазером и интенсивным дневным фоном при работе телевизионной установки в условиях солнечного освещения, изображение на экране второго телевизора было вполне удовлетворительным. Более того, четкость изображения была высокой, что позволяло сделать вывод о хорошей передаточной характеристике модулятора и связанных с ним электронных устройств. В системе не обнаруживался «снегопад», а это говорит о достаточном отношении сигнал/шум.

Мы отмечали ранее, что модулятор является главным элементом системы телевизионной связи. Здесь использовалась ячейка Покельса, в которой напряжение модуляции подается на кристалл в направлении светового потока. Данный модулятор обеспечивает хорошую глубину модуляции и имеет достаточную полосу, но ему присущи два существенных недостатка: первый заключается в том, что для управления модуляцией требуется напряжение, доходящее до нескольких киловольт, и второй обусловлен тем, что ячейку необходимо охлаждать.

Уже в последующих модификациях аппаратуры были применены решения, позволяющие устранить эти недостатки. Ячейка Покельса была заменена на кристалл КДП, который обладает хорошей оптической прозрачностью в данном интервале длин волн, а для снижения модулирующего напряжения применялось дополнительное сужение луча с помощью коллимирующей системы. Это позволило сузить луч до 1 мм. Для обеспечения механической прочности кристалл был помещен в металлический корпус. Эти усовершенствования позволили снизить потребляемый уровень мощности на два порядка. Модулятор работал при напряжении 18 В и потреблял ток 50 мА [26].

Рис. 29. Схема лазерной передающей камеры

Через некоторое время появились образцы телевизионных систем, в которых по лазерному лучу передавалось пять различных телевизионных изображений. В этих системах в качестве источника излучения использовался газовый лазер, работающий на волне 0,6328 мкм при излучаемой мощности всего в 8 мВт. В приемном устройстве применялся кремниевый фотодиод. Передача изображения велась на каналах 66...7Б, 76...82, 182... 186, 198..204, 210...216 МГц [26].

Функциональная схема третьего варианта лазерной передающей ТВ-камеры представлена на рис. 29. Эта система обеспечивала передачу по лучу лазера телевизионной программы, а также музыкальной программы и цифровой информации. Основными элементами устройства являлись: газовый аргоновый лазер с системой развертки луча в пространстве, приемник, состоящий из узкополосного фильтра, с полосой пропускания в 90 ангстрем, фотоумножителя и предварительного усилителя. Третьим составным блоком была система строчной и кадровой синхронизации. Своеобразие состоит в том, что используется быстросканирующий лазерный луч, а вместо телевизионной камеры — фотоумножитель. Телевизионное изображение получается при облучении объекта непрерывным излучением лазера, которое разворачивается в пространстве по двум перпендикулярным осям с помощью вращающихся призм. Горизонтальная развертка обеспечивается 16-гранной призмой, вращающейся со

скоростью 60 000 об/мин. При этом скорость движения луча по вертикали обеспечивается 26-гранной призмой, вращающейся со скоростью 150 об/мин. Эти две развертки дают 60 кадров в секунду. Излучение лазера, отраженное предметом, изображение которого должно быть получено, попадает на приемное устройство, с выхода которого усиленный сигнал подводится к контрольному телевизору и на его экране воссоздается изображение предмета. Для синхронизации развертки контрольного телевизора с разверткой луча лазера в пространстве предусмотрены два элемента. Один из них осуществляет строчную, а другой — кадровую синхронизацию. Фотоэлементы цепей строчной и кадровой синхронизации установлены соответственно на пути развертки лазерного луча по горизонтали и вертикали. Выходные сигналы фотоэлементов, усиленные до требуемой величины, обеспечивают необходимую синхронизацию. Положительным качеством такой лазерной телевизионной камеры является высокое качество изображения. Кроме того, она может работать в темноте и способна передавать изображение через туман гораздо лучше какого-либо другого устройства аналогичного назначения. К недостаткам системы относятся значительные потери энергии при развертке луча в пространстве и наличие быстровращающихся элементов.