16.3. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

16.3.1. Общая характеристика источников излучения

В § 16.2 показано, что при хороших атмосферных условиях полупроводниковые светодиоды и лазеры пригодны для использования в наземных оптических линиях связи протяженностью Достоинствами этих источников излучения является компактность, легкость, прочность и простота осуществления модуляции. 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 вчитаются два из самых совершенных типов лазеров. Это лазер на стекле с неодимом, работающий на длине волны или на второй гармонике — и лазер на углекислом газе, работающий на длине волны 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 присутствующие в виде слабоконцентрированной примеси в твердотельном материале основы. Наиболее широко в качестве основы используют следующие материалы:

монокрметаллические стержии алюмоиттриевого граната в которых иттрий замещен

определенные типы стекол, в которых до массы компонентов материала составляет

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 газораз рядные лампы.

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

Активный материал присутствует в относительно низкой концент рцйи, поэтому структура энергетических уровней электронов в свободном атоме до некоторой степени сохраняется, однако сами по энергетические уровни сильно изменяются вследствие наличия мате -риала основы. Именно это происходит в стекле, где концентрация выше и где существуют некоторые колебания в составе материала осно вы, окружающего различные ионы неодима. Это вызывает асимметрич ное уширение энергетических уровней. На рис. 16.6 дано схематическое изображение уровней в Метастабильный уровень (спонтанное время жизни является верхним уровней лазерного перехода. Нижний лазерный уровень — это состояние 4/11/2. Он имеет короткое радиационное время жизни и находится значительно выше основного состояния, так что не может быть заселен электро нами за счет тепловой энергии. Верхний энергетический уровень быть быстро заселен путем снятия возбуждения с более высоких уровней. Таким образом, неодим образует четырехуровневук лазерную систему. Инверсия населенности может быть легко достиг нута накачкой излучением в диапазоне длин волн излучение поглощается при возбуждении системы с основного уровня на более высокие уровни, показанные на рисунке.

Инверсия населенности может поддерживаться несмотря на непре рывное лазерное излучение. Уровень выходной мощности в режиме непрерывного излучения зависит от термических свойств лазерного стержня. В этом отношении превосходит стекло, поэтому его предпочитают в качестве материала основы, когда требуется непрерывная генерация на высоком уровне средней мощности. Однако из неодимового 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 Однако в этих условиях 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-галоидные 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

Рис. 16.6. (см. скан) Уровни энергии электронов, участвующие в работе неодимового лазера

Рис. 16.7. Возможная схема лазерного передатчика, использующего неодимовый источник излучения с внешним модулятором

одиночная продольная мода, при этом частота стабилизируется и легко перестраивается путем вращения эталона. Если далее в резонатор ввести материал с нелинейными оптическими свойствами, то может быть получено удвоение частоты с относительно малыми потерями общего КПД - приблизительно в 2 раза. Возможное устройство удвоения частоты также показано на рис. 16.7. Подходящим материалом оказался ниобат бария. Если все эти элементы собрать вместе, окажется вполне возможным получить приблизительно 1 Вт одномодового лазерного излучения на длине волны используя для накачки вольфрамо-галоидную лампу мощностью около 1 кВт.

Модулировать частоту лазерного излучения в принципе возможно путем перестройки резонатора, однако на практике используется более простая внешняя модуляция интенсивности. Реализовать прямые методы модуляции интенсивности лазерного излучения не представляется возможным, во-первых, вследствие трудностей модуляции мощности оптической накачки и, во-вторых, из-за большого радиационного времени жизнн верхних лазерных уровнен. В схеме, изображенной на рис. 16.7, лазерные стержни срезаны под углом Брюстера, благодаря чему лазерное излучение становится линейно поляризованным: колебания будут поляризованы в основном в плоскости, перпендикулярной плоскости конца стержня, так как только это излучение не испытывает потерь при отражении на границе раздела воздух — стержень. Будучи внешним по отношению к резонатору, излучение проходит вначале через ячейку Поккельса, с помощью которой плоскость поляризации может вращаться при приложении электрического напряжения к электрооптическому кристаллу из такого материала, как ниобат лития, а затем через поляризатор. В результате интенсивность излучения, выходящего из поляризатора, будет изменяться от 0 до 100 % в зависимости от напряжения, приложенного к ячейке Поккельса. Может быть использована как цифровая, так и аналоговая модуляция интенсивности излучения при частотах модуляции до

Заметим, что миниатюрный неодимовый лазер можно сделать из короткого (длиной 1—2 см) оптического волокна, сердцевина которого

легирована неодимом. Такое волокно можно накачивать с торца с помощью светодиода большой мощности. Этот лазер рассматривают как возможный источник излучения для волоконно-оптических систем связи, работающих в области

Во многих случаях удобно иметь лазер, генерирующий непрерывный поток импульсов большой мощности, который пропускается или не пропускается ячейкой Поккельса. Таким образом, пиковая мощность нмпульса может быть увеличена в раз относительно уровня средней мощности и может иметь место режим передачи с пассивной паузой.

Существуют три способа получения периодически повторяющихся импульсов лазерного излучения: активная модуляция добротности, пассивная модуляция добротности и синхронизация мод.

Активная модуляция добротности может быть использована для получения импульсов длительностью несколько микросекунд при частоте повторения в несколько килогерц. Для получения большой инверсии населенности при выключенном оптическом резонаторе используется оптическая накачка. Например, одно из зеркал может вращаться таким образом, что резонатор образуется только когда два зеркала параллельны и имеет место многократное отражение. Это должно происходить при пике инверсии населенности, когда энергия, запасенная в активной среде, быстро разряжается и формируется короткий импульс излучения.

Пассивная модуляция добротности позволяет получить гораздо более короткие импульсы, чем активная модуляция добротности, обычно длительностью около 100 не, обеспечивая при этом частоту повторения импульсов примерно Здесь во время накачки выходное зеркало делается полностью отражающим, в результате чего энергия накачки запасается в резонаторе в виде излучения. Когда этот процесс достигает максимума, прозрачность выходного зеркала повышается от нуля до максимально возможного значения (в идеале до После этого, в течение времени пролета нескольких фотонов, где I — оптическая длина резонатора) излучение испускается в виде одиночного импульса. При этом вся запасенная в резонаторе энергия излучения «выводится» из него.

Синхронизация мод может использоваться для получения субнано-секундных импульсов с частотой повторения до Легче всего это достигается путем дополнительного включения в оптический резонанс нелинейного оптического материала вместо эталона. Он представляет собой насыщающийся поглотитель и производит так называемую пассивную синхронизацию мод. Насыщающийся поглотитель — это материал, прозрачность которого увеличивается с ростом интенсивности излучения. Естественно имеют место флуктуации интенсивности и излучение более высокой интенсивности испытывает большее усиление при двукратном прохождении в резонаторе, чем менее интенсивное. В результате энергия излучения образует одиночный импульс большой мощности, который колеблется внутри резонатора, многократно

отражаясь от его зеркал. Излучение имеет место во время отражения пульса от частично прозрачного зеркала. Здесь частота повторения им пульсов зависит от времени пролета фотона в резонаторе и составляв Точно такой же эффект может быть получен путем модуляции по терь (или усиления) активной среды на частоте Это можно сделать например, поместив в резонатор поляризатор и электрооптический кристалл и приложив к кристаллу напряжение этой частоты. процесс называется активной синхронизацией мод. В этом случае тельность импульса зависит от ширины полосы оптических часто, в пределах которой имеет место лазерная генерация, т. е. от ширины линии излучения лазерного перехода: Приближении . При комнатной температуре ширина линии излучения в составляет и хотя невозможно поддерживать оптиче ское усиление в пределах всей ширины линии, в режиме синхронизации мод можно получить длительность импульса менее