2. ЭЛЕМЕНТЫ, УСТРОЙСТВО И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕДАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ЛИУ

Если при рассмотрении функциональной схемы (см. рис. XI. 1) проводить аналогию с радиоизмерительными устройствами, то оптический квантовый генератор — лазер, источник накачки и модулятор выполняют работу передатчика, а роль антенны выполняет оптическая передающая система, предназначенная для формирования направленного излучения.

В отдельных случаях оптическая система может отсутствовать и излучение происходит непосредственно с торца излучателя. Для модуляции может быть использована и внутренняя модуляция самого лазера. Основным элементом передающей системы ЛИУ любого типа является лазер. В настоящее время существует большой выбор лазеров различного типа, которые могут быть использованы в качестве источника излучения. Диапазон излучения простирается от 0,3 мкм до 300 мкм.

Рис. XI.2. Блок-схема лазера на твердом теле

Выбор лазера во многом определяется условиями использования ЛИУ. При использовании ЛИУ в приземном слое атмосферы или в водной среде большое влияние на выбор лазера оказывает ослабление его излучения в указанных средах с целью выбора «окна прозрачности» — спектрального участка с минимальным поглощением средой.

Лазеры на твердом теле можно считать наиболее перспективными в ЛИУ, так как они имеют наибольшую мощность излучения, достигающую у современных лазеров от нескольких десятков до сотен мегаватт в импульсе и малую расходимость, измеряемую десятками минут.

Возможность получения импульсов малой длительности позволяет определять дальность до объекта с высокой степенью точности. Основными элементами лазера на твердом теле являются излучающая головка (рис. XI.2), источник питания, система охлаждения и блок запуска. В качестве активного вещества излучающей головки используются различные кристаллические и аморфные вещества с примесью редкоземельных элементов, а также хрома и урана. Основные характеристики активных веществ приведены, например, в работах [2, 3, 4, 8]. Наибольшее применение получили синтетический рубин и стекло с примесью неодимия.

Конструктивно излучатель выполняется в виде стержня из кристалла активного вещества квадратного, круглого или шестигранного сечения. Размеры и форма стержня, как и конструкция излучающей головки, определяются источником накачки, оптической системой излучателя и способом его охлаждения. Так, использование составного рубинового стержня позволяет осуществить лучший отвод тепла за счет обтекания водой не только боковой поверхности, но и поверхности разрезов.

Кроме того, кристаллы небольшой длины можно получить более однородные по структуре с высокими оптическими параметрами. Оптическая накачка осуществляется через боковые поверхности стержня, а торцевые поверхности образуют резонатор с высоким качеством отражающей поверхности. Отражающие поверхности резонатора представляют собой зеркало с серебряным или многослойным диэлектрическим покрытием с различными коэффициентами преломления и могут быть нанесены непосредственно на торцевые поверхности стержня, а при большой мощности излучения выполняются в виде отдельного зеркала с диэлектрическим покрытием.

Рис. XI.3. Различные типы отражателей лазеров на твердом теле: а — цилиндрический; б — эллиптический; в — четырехэллиптический; г — с тесной упаковкой, 1 — стержень активного вещества; 2 — импульсная лампа; 3 — отражатель

При очень высоких уровнях мощности многослойные диэлектрические зеркала не выдерживают условий работы и используют плоскопараллельные сапфировые пластинки.

В качестве одного из зеркал иногда используются призмы с полным внутренним отражением, а для управления излучением генератора с модулированной добротностью между активным веществом и зеркалом помещается оптическое устройство с регулируемой прозрачностью. Возбуждение активного вещества лазеров на твердом теле осуществляется методом оптической накачки, а так как большинство лазеров работает в импульсном режиме, широкое распространение в качестве источника возбуждения получили импульсные газоразрядные лампы. Для концентрации световой энергии лампы на боковые поверхности стержня активного вещества используются различные отражатели. В первых лазерах использовались спиральные импульсные лампы и отражатели цилиндрического типа. В конструкциях современных лазеров используются прямые и П-образные импульсные лампы и отражатели различного типа (рис. X 1.3). При использовании отражателя эллиптической формы световой поток от лампы, расположенной на его фокальной оси, отразившись от эллиптической поверхности, концентрируется

на стержне активного вещества, который расположен на другой фокальной оси. Применение эллиптических отражателей позволяет получить значительно больший коэффициент передачи, чем в случае отражателей цилиндрической формы. При использовании нескольких ламп накачки используются многоэллиптические отражатели, в когорых стержень активного вещества помещается на главной фокальной оси отражателя. С целью уменьшения габаритов излучающей головки используются отражатели с плотной упаковкой ламп накачки и стержня активного вещества. В лазерах на рубине и стекле с неодимием в качестве источников накачки широко распространены импульсные ксеноновые лампы.

Источник питания (ем. рис. XI.2) заряжает накопительную емкость, подключенную к электродам лампы. Блок запуска формирует высоковольтный импульс, который вызывает начальный пробой газа в лампе. После этого сопротивление между электродами лампы резко падает, происходит разряд накопительной емкости и возникает мощная световая вспышка.

Излучение источника накачки обычно широкополосно, а спектр поглощения активного вещества лазера дает возможность использовать только часть излучаемой энергии. Кроме того, оптическая связь источник накачки — активное вещество неидеальна. Это приводит к тому, что к. п. д. преобразования электрической энергии в световую у лазеров на твердом теле мал и обычно не превышает 5%. В отдельных случаях удается получить более высокий к. п. д. Так, для лазера на стекле с неодимием в отражателе с серебряным покрытием и плотной упаковкой стержня и ламп получен к. п. д. 6,5%. Продолжается поиск и разработка как новых источников накачки, так и методов возбуждения с целью концентрации большей части энергии излучения в требуемом частотном диапазоне и увеличении к. п. д. лазера.

Одним из перспективных источников накачки лазеров на твердом теле могут служить полупроводниковые диодные лазеры. Излучение их обладает высокой монохроматичностью по сравнению с другими источниками накачки. При этом длина волны излучения может меняться в зависимости от окружающего рабочий кристалл лазера электрического или магнитного поля. Полупроводниковые лазеры имеют высокий к. п. д. Во время работы в небольшом объеме выделяется значительное количество тепла и охлаждение лазера является серьезной проблемой. Для отвода тепла и стабилизации температурного режима применяются различные системы охлаждения, которые могут быть как воздушными, так и водяными. В отдельных случаях для отвода тепла от стержня используется жидкий азот.

Газовые лазеры были первыми источниками непрерывного излучения, которые получили широкое распространение в ЛИУ. В качестве активного вещества в газовых лазерах используется смесь газов или отдельный газ. Схема газового лазера приведена на рис. XI.4. Активное вещество заключено в стеклянную или кварцевую разрядную трубку.

Зеркала резонатора для удобства изготовления разрядной трубки и юстировки обычно выполняются отдельно. Обработка поверхности зеркал производится с высокой степенью точности (до , а непараллельность зеркал не должна превышать нескольких угловых секунд. Помимо плоских зеркал разонатор может выполняться и из двух сферических зеркал, расстояние между которыми равно радиусу кривизны зеркала. В этом случае требования к точности обработки и юстировки могут быть значительно снижены, в связи с меньшими диффракционными потерями такого резонатора. Возбуждение активного вещества может производиться как высокочастотным, так и постоянным полем. При возбуждении высокочастотным полем напряжение от в. генератора подводится к внешним электродам трубки. Более удобно возбуждение от генератора постоянного тока. Газовые лазеры с оптической накачкой пока не получили широкого применения.

Одним из первых газовых лазеров, который нашел применение в ЛИУ, был лазер на смеси гелий — неон.

Мощность гелий-неоновых лазеров в настоящее время не превышает несколько десятков милливатт.

Значительно большую мощность (до нескольких ватт) имеют аргоновые лазеры. Наиболее перспективным считается лзер на мощность излучения которого в непрерывном режиме достигает на каждый метр длины разрядной трубки и имеющий к. п. д. 10%.

Рис. XI.4. Схема газового лазера: 1 — зеркало резонатора; 2 — газоразрядная трубка; 3 — источник возбуждения

В США для мощного локатора разработан лазер, от которого при первых испытаниях получена мощность при этом длина активного участка задающего генератора этого лазера равна а длина активного участка усилителя мощности составляет

Широкое применение газовых лазеров объясняется их высокой когерентностью, по сравнению с любыми другими источниками излучения. Кроме того, выбором соответствующей активной среды можно получить длину волны излучения от 2300 А до 0,5 мм. Перспективным направлением является использование газовых лазеров, работающих в импульсном режиме. Так, лазеры на смеси имеют мощность до сотен киловатт в импульсе и могут работать с высокой частотой повторения. Недостатком газовых лазеров с высокой мощностью излучения является большая длина газоразрядной трубки.

Полупроводниковые лазеры. Полупроводниковый лазер состоит из активного вещества — полупроводникового лазерного диода, источника накачки и системы охлаждения (рис. XI.5).

Резонатором полупроводникового лазера служат очень точно обработанные грани полупроводникового диода. К двум другим граням областей приложено напряжение источника накачки. При линейных размерах полупроводникового диода мм и объеме порядка излучение происходит из активной области толщиной доли микрона.

Полупроводниковые лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Основной их недостаток — необходимость отвода значительного количества тепла. Этой проблеме уделяется большое внимание для обеспечения значительной плотности тока накачки. В системе охлаждения используется обычно жидкий азот, так как при более высоких температурах резко увеличивается необходимая для возбуждения мощность накачки. Конструктивно полупроводниковый диод располагается на массивном металлическом хладопроводе, охлаждаемом в ванне с жидким охладителем — азотом, гелием или водородом. При комнатной температуре можно работать лишь с импульсами несколько сот наносекунд и менее.

Рис. XI.5. Схема полупроводникового лазера: ИП — источник питания; СО — система охлаждения; 1 — контакт; 2 — активная область

Направленность излучения полупроводниковых лазеров составляет несколько градусов, а мощность излучения в импульсе десятки ватт при средней мощности несколько десятков милливатт. Основными преимуществами полупроводниковых лазеров являются малые размеры, высокий к. п. д., теоретически достигающий 100% [4] и возможность модуляции излучения изменением тока накачки. Для увеличения мощности излучения находят применение «матричные» излучатели, в которых излучение нескольких полупроводниковых диодов ориентируется в одном направлении. На таком «матричном» излучателе из арсенид-галлиевых диодов получена импульсная мощность 1 кет.

Жидкостные лазеры. В последнее время ведется усиленная разработка лазеров, в которых в качестве активного вещества используются жидкости с различными примесями. Преимуществом таких лазеров считается простота охлаждения активного вещества за счет его циркуляции между резонатором и теплообменником.

На рис. XI.6 показан жидкостный лазер. Более широкая полоса поглощения и лучшая теплопроводность жидких активных веществ позволяет получить большую частоту повторения импульсов и более высокий к. п. д., чем у лазеров на твердом теле. В настоящее

время жидкостные лазеры не нашли еще широкого применения в ЛИУ и находятся на стадии экспериментальных исследований, однако их разработчики надеются получить жидкостный лазер, который будет успешно конкурировать с твердотельными лазерами.

Модуляция излучения. В передающих устройствах возможна модуляция амплитуды, фазы, плоскости поляризации и частоты. Применяют два метода модуляции: внутренний и внешний. Для внутренней модуляции излучения используются различные способы воздействия в процессе генерации когерентного света в самом лазере. При внешней модуляции воздействию подвергается световое излучение лазера.

В основе внешнего метода модуляции лежат электрооптические эффекты Фарадея, Керра и Поккельса.

Рис. XI.6. Жидкостный лазер: 1 — лампа накачки; 2 — активная среда; 3 — зеркало

В газовых и полупроводниковых лазерах модуляцию выходного излучения можно осуществить изменением мощности источника накачки.

Наиболее широко используется внутренняя модуляция лазера изменением добротности резонатора (-модуляция). Создание устройств, позволяющих осуществить модуляцию добротности, способствовало успешной разработке и применению ЛИУ. Использование режима модуляции добротности позволяет получать мощные импульсы излучения малой длительности. Сущность метода состоит в искусственном понижении добротности резонатора лазера с помощью затвора, устанавливаемого между активной средой и зеркалом. При этом самовозбуждение лазера не происходит и существует возможность продолжать накачку и накапливать гораздо большее число возбужденных атомов. При мгновенном открытии затвора накопленная энергия излучается в виде мощного импульса до сотен меговатт и длительностью около 10 наносекунд. Для управления добротностью оптического резонатора используются механические затворы, электрооптические переключатели типа ячейки Керра или Поккельса, ультразвуковые затворы, просветляющие жидкости и различные их комбинации.

При использовании механического затвора одно из зеркал резонатора делается вращающимся, и максимальная добротность резонатора получается при параллельном расположении зеркал.

Желательно в качестве зеркала применение призмы с полным внутренним отражением, так как в этом случае не требуется тщательной юстировки. Для электрооптических затворов используются оптические элементы, у которых под действием электрического поля возникает двойное лучепреломление. Электрические затворы обладают большим быстродействием, но требуют значительных управляющих напряжений и вносят затухание в резонатор. Затвор на основе просветляющей жидкости представляет собой сосуд с раствором красителя, который значительно поглощает излучение данной длины волны и помещается между стержнем активного вещества и зеркалом резонатора. Самовозбуждение лазера не наступит до тех пор, пока накачка не достигнет уровня обесцвечивания красителя и уменьшения потерь в резонаторе. С помощью такого метода у лазера на стекле с неодимием были получены импульсы длительностью сек.

Длительность импульса зависит от параметров оптического резонатора и обычно составляет сек.

Предельная мощность при работе в режиме одиночных импульсов определяется качеством материала активного вещества, малейшие неоднородности которого вызывают локальные потери и разрушение стержня.

Разработаны лазеры, выдерживающие многократное излучение мощностью при длительности 12 нсек. Наибольшая мощность и наименьшая длительность импульса получаются при включении добротности электрооптическим затвором.

Примером использования внутренней модуляции лазера является приведенная на рис. XI.7 блок-схема лазерного дальномера. Световой поток излучателя, в качестве которого используется лазер с модуляцией добротности, коллимируется передающей оптической системой и направляется на объект, до которого измеряется дальность. Отраженный от объекта сигнал через приемную оптическую систему поступает на приемник излучения (ФЭУ) и преобразуется в электрический импульс, который усиливается усилителем и подается в блок измерения временных интервалов. В качестве опорного сигнала в блок измерения временных интервалов подается также электрический импульс от опорного ФЭУ, который засвечивается специально отведенной для этого частью светового потока импульса излучения лазера. Величина временной задержки отраженного импульса относительно опорного импульса определяет дальность до объекта.

Информация о дальности может отображаться индикатором непосредственно в цифровой форме. Использование модуляции добротности позволяет значительно уменьшить длительность импульса, что способствует увеличению точности измерения дальности.

Большую точность измерения дальности позволяет получить использование фазового метода дальнометрирования при внешней модуляции лазера.

Блок-схема дальномера с использованием внешней модуляции лазера непрерывного излучения приведена на рис. XI.8. В этом случае дальность до объекта определяется неоднозначно, что приводит к необходимости модуляции излучения несколькими частотами и усложнению аппаратуры.

Необходимо отметить, что работа лазера в режиме модулированной добротности приводит к некоторому уменьшению к. п. д., но этот режим энергетически выгоден в ЛИУ в связи с тем, что в отличие от радиодиапазона оптический приемник излучения является счетчиком квантов и уменьшение длительности зондирующего импульса уменьшает среднюю мощность передатчика.

Рис. XI.7. Блок-схема лазерного дальномера с внутренней модуляцией: УУМ — устройство управления модулятором; УС — устройство синхронизации; ИД — индикатор дальности; Б ИВ И — блок измерения временных интервалов; У — усилитель

Рис. XI.8. Блок-схема лазерного дальномера с внешней модуляцией: Л — лазер; ОМ — оптический модулятор; ОС — передающая оптическая система; ИД — индикатор дальности; Г — генератор; ФИ — фазовый измеритель; У — усилитель; ФД — фотодетектор

При работе в атмосфере в дневное время, когда уровень фона очень высок, концентрация энергии излучения лазера в коротких импульсах, измеряемых наносекундами, способствует подавлению фона, увеличению отношения сигнал/шум и увеличению дальности действия ЛИУ.

Оптические антенные системы. Большим преимуществом ЛИУ является возможность получения очень узких диаграмм направленности при небольших размерах антенн, что является следствием значительного уменьшения длины волны излучения. Электромагнитное излучение лазера обладает высокой монохроматичностью, когерентно имеет строгую направленность. Расходимость пучка излучения (рис. XI.9) может составлять единицы минут и в отдельных случаях не требуется специальных устройств для формирования диаграммы направленности.

Коллимация излучения с помощью оптики позволяет получить диаграммы направленности, измеряемые единицами секунд. Если

и для приема отраженных сигналов использовать антенну с малой эффективной поверхностью, мощность внутренних шумов ЛИУ может оказаться больше мощности принятого сигнала. Это приводит к тому, что для формирования диаграммы направленности передающей системы и приема сигналов, отраженных от объекта, в ряде случаев целесообразно иметь раздельные антенны. В качестве передающих антенн используются различные оптические системы, из которых наибольшее применение нашли зеркальные телескопические системы и системы, построенные по схеме Галилея (см. рис. XI.9).

Основные характеристики передающих систем. Основной характеристикой передающей системы является требуемая мощность излучения для обеспечения заданной дальности действия ЛИУ.

Рис. XI.9. а — расходимость лучей лазера; б — антенная система Галилея; в — зеркальная антенная система.

Определяющим фактором при выборе мощности передающего устройства являются условия распространения излучения данной длины волны. Требуемая мощность излучения передающего устройства для обеспечения заданной дальности определяется следующим равенством:

где — мощность передающего устройства;

R — дальность до объекта;

— ширина диаграммы направленности передающего устройства по половинной мощности;

— отношение сигнал/шум;

— предельная чувствительность приемного устройства; — площадь апертуры приемного устройства;

— эффективная отражающая площадь объекта;

— коэффициент отражения;

- к. п. д. - приемной оптики;

- к. п. д. передающей оптики;

где а — коэффициент ослабления излучения.

Направленность излучения является одной из наиболее важных характеристик. Потенциальная точность измерения угловых координат определяется шириной диаграммы направленности измерительного устройства и отношением сигнал/шум:

где а — среднеквадратическая ошибка измерения координат;

— ширина диаграммы направленности измерителя по половинной мощности;

— отношение сигнал/шум.

Распределение интенсивности излучения по углу характеризуется следующей зависимостью [1]:

где мощность излучения в направлении 0;

— максимальная мощность излучателя;

— угол от нормали излучателя;

— функция Бесселя;

— длина волны излучателя;

— диаметр излучателя.

Теоретическая диаграмма направленности показана на рис. XI.10. Угловой раствор главного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности при малых углах определяется соотношением

Угловой раствор по нулевым значениям

Однако на практике такую направленность излучения получить не удается вследствие наличия многих поперечных мод резонатора и неоднородности активного вещества. Так, например, для твердотельного лазера на рубине ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности составляет 10 — 20, что в несколько раз превышает расчетную.

С помощью оптической системы можно получить очень высокую направленность излучения для обеспечения требуемой дальности действия и высокой разрешающей способности. Однако уменьшение направленности излучения ограничено требованиями,

предъявляемыми системой управления для обеспечения устойчивого автосопровождения объекта.

Длина волны излучения во многом определяет основные тактикотехнические характеристики ЛИУ.

При выборе длины волны определяющими факторами являются:

1. Условия распространения излучения в сфере (для данной длины волны). Так, например, исследования прозрачности морской воды показали, что излучение красной части спектра значительно поглощается, в то время как излучение в сине-зеленой части спектра распространяется на значительные расстояния.

Рис. XI. 10. Теоретическая диаграмма направленности излучения лазера

2. Наличие эффективных приемных устройств.

3. Достаточная мощность излучения лазеров.

Частота повторения импульсов. Выбор частоты повторения импульсов передающего устройства определяется заданной точностью сопровождения объекта и ограничениями, накладываемыми системой управления.

Максимальная частота повторения импульсов лазерного передающего устройства ограничивается энергетическими возможностями лазера. При применении эффективной системы охлаждения с замкнутым циклом для лазеров на твердом теле частота повторения импульсов составляет несколько десятков герц. Однако увеличение частоты повторения приводит к увеличению веса и габаритов передающей системы, в особенности, системы охлаждения.