Оптический квантовый усилитель

Оптический квантовый усилитель (ОКУ) представляет собой устройство, позволяющее усиливать когерентное излучение оптического диапазона. ОКУ, как и квантовые усилители радиодиапазона, усиливают за счет индуцированного излучения в среде с отрицательной температурой.

Возможны два режима работы оптического квантового усилителя: бегущей волны (без обратной связи) и регенеративный.

В регенеративном режиме с помощью открытых резонаторов создается положительная обратная связь.

Для двухуровневой системы с населенностью верхнего уровня и нижнего коэффициент усиления ОКУ в децибеллах в линейном режиме

где — вероятность спонтанного излучения в единицу времени в единичный телесный угол для перехода между верхним и нижним уровнями в направлении с поляризацией Р;

— формфактор линии;

— длина волны падающего излучения;

— длина активной среды;

— диэлектрическая постоянная;

— статистические веса нижнего и верхнего уровней соответственно.

Ширина полосы ОКУ бегущей волны на уровне 3 дБ определяется по формуле

где ширина линии люминесценции;

— коэффициент усиления. в центре линии дБ. Регенеративный ОКУ имеет большое число типов колебаний (мод) в резонаторе, и его можно рассматривать как ОКУ бегущей волны с эффективной длиной превышающей длину ОКУ бегущей волны. Полоса пропускания регенеративного ОКУ будет сужаться с увеличением коэффициента усиления (дБ), т. е.

Для лоренцевой формы линии

где — время жизни активной частицы на верхнем уровне; — частота, соответствующая центру спектральной линии.

Рис. IV. 11. Схема регенеративного а — с резонатором типа Фабри-Перо; — коэффициенты отражения зеркал; К — активная среда, входной и выходной сигналы; б — с регулируемой обратной связью: 1 — входное зеркало; 2 — модулятор; 3 — стеклянная пластинка; 4 — приемник усиленного сигнала; 5 — активная среда (рубин); 6 — плоское зеркало

Мощность спонтанного излучения определяющая чувствительность регенеративного ОКУ, находится по формуле

где — коэффициент усиления регенеративного

К — коэффициент усиления на одном проходе, зависящий от длины резонаторов

Схемы регенеративных ОКУ показаны на рис. IV.

В качестве источника сигнала использовался ОКГ на рубине с модулированной добротностью. Пройдя через калиброванный ослабляющий фильтр, коллиматор и диафрагму, усиливаемый сигнал поступал в регенеративный ОКУ и после усиления регистрировался фотоэлектронным умножителем.

Полученное значение при полосе Гц, энергия Дж.

Если принимаемый сигнал более узкополосный, необходимо согласовывать полосу приемного ОКУ с полосой сигнала. Предельная спектральная чувствительность ОКУ составляет

Используя оптические квантовые усилители, можно значительно повысить чувствительность приемников инфракрасного излучения. Система, состоящая из ОКУ с последующим квадратичным детектором огибающей, имеет отношение сигнал — шум (при работе на одном типе колебаний и согласовании входа), определяемое по формуле

где — сигнал;

- мощность квантовых шумов на входе усилителя;

— постоянная Планка;

— частота инфракрасного сигнала;

В — мгновенная эффективная ширина прямоугольной полосы пропускания усилителя;

— коэффициент усиления усилителя;

— инверсия населенности в усилителе;

— полоса пропускания схемы, включенной после детектора;

— квантовая эффективность детектора огибающей;

— пороговая чувствительность приемника, отнесенная к единичной полосе пропускания .

В случае пороговых сигналов, пренебрегая относительно слабым дробовым шумом, а также считая, что , получим из уравнения (IV.30) выражение для минимального обнаруживаемого сигнала

Как следует из формулы (IV.31) можно значительно уменьшить, сделав приемника значительной большей, чем Поэтому в инфракрасном диапазоне, например при 1 мкм, можно достигнуть существенного повышения чувствительности, так как с ростом длины волны квантовый шум убывает, а приемники имеют все большее . Так, например, для мкм при и при условии, что квантовый шум ограничен (большое ). Для гелиево-неонового ОКУ достигнутое понижение минимального обнаруживаемого сигнала при использовании неохлаждаемого приемника составило 45 дБ.