Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы транспортировки когерентного излучении на большие расстояния с использованием методов адаптивной оптики 12
1.1. Основные проблемы транспортировки излучения на большие расстояния 12
1.2. Нелинейно-оптические методы формирования волнового фронта большого поперечного сечения и его точной адресации 14
1.3. Системы формирования волнового фронта и наведения излучения, базирующиеся на подходах линейной адаптивной оптики 17
1.4. Астрономические адаптивные телескопы и системы для передачи лазерного излучения на удаленные объекты 21
1.5. Способы извлечения информации о фазе излучения и недостатки традиционных датчиков волнового фронта 29
Глава 2. Гетеродинное фазовое детектирование в лазерных системах и при анализе волнового фронта излучения 33
2.1. Особенности гетеродинного анализа волнового фронта, усиление сигнала при гетеродинном приеме и факторы, определяющие его предельные возможности 33
2.2. Преобразование сигнала и шума в системе вторичного детектирования 37
2.3. Погрешность определения фазы и амплитуды при гетеродинном приеме 41
2.4. Использование матричного приемника в гетеродинном аэрозольном лидаре атмосферы для повышения потенциала системы 45
2.5. Экспериментальные исследования предельных возможностей гетеродинного анализа волнового фронта 52
Глава 3. Методы и средства коррекции волнового фронта когерентного излучения 56
3.1. Механические методы коррекции волнового фронта, их особенности и предельные возможности (обзор литературы) 56
3.2. Электрооптические быстродействующие фазовые модуляторы для компенсации высокочастотных вибраций элементов оптического тракта 62
3.3. Применение электрооптических фазовых корректоров в качестве внутрирезонаторных частотных модуляторов 65
Глава 4. Релаксационные колебания в одномодовом оптическом генераторе 69
4.1. Возбуждение релаксационных колебаний при смешении частоты генерации 69
4.2. Релаксационные колебания и стабилизация частоты СОг-лазера 77
4.3. Управление параметрами релаксационных колебаний при помощи поглощающей ячейки 83
Глава 5. Сопряженное фазирование независимых излучателей как метод построения систем транспортировки лазерного излучения 89
5.1. Преимущества использования системы независимых излучателей и основные принципы их частотного согласования в ходе процедуры сопряженного фазирования 89
5.2. Оптическая схема системы сопряженного фазирования и алгоритм сопряженного фазирования с частотным согласованием 93
5.3. Алгоритм работы системы фазирования локальных гетеродинов модулей 99
5.4. Параметры системы сопряженного фазирования и алгоритм ее запуска 104
5.5. Факторы, определяющие предельные возможности метода 109
Заключение 113
Литература
- Нелинейно-оптические методы формирования волнового фронта большого поперечного сечения и его точной адресации
- Преобразование сигнала и шума в системе вторичного детектирования
- Электрооптические быстродействующие фазовые модуляторы для компенсации высокочастотных вибраций элементов оптического тракта
- Релаксационные колебания и стабилизация частоты СОг-лазера
Введение к работе
Эффективность передачи энергии лазерного излучения на большие расстояния определяется его угловой расходимостью и точностью наведения луча. Волновой фронт (ВФ) лазерного излучения искажается как в самих лазерах, так и в оптических системах, формирующих и направляющих излучение. Распространение излучения в атмосфере также сопровождается искажением волнового фронта [1], вызванным турбулентностью атмосферы и тепловым самовоздействием излучения.
Для контроля формы волнового фронта и повышения эффективности доставки энергии используются методы как адаптивной, так и нелинейной [2] оптики. Последние успехи лазерной техники в области создания непрерывных лазеров с высокой эффективностью [3] и стабильностью частоты излучения [4] стимулируют развитие новых методов линейной адаптивной оптики и открывают широкие возможности для построения систем передачи излучения. Прогресс в области адаптивной оптики способствует решению большого числа задач, среди которых создание экологически безопасных и экономически рентабельных внеземных источников энергии [5], уничтожение космического мусора, снабжение космических аппаратов энергией, изменение траекторий объектов и т.п.
Особую актуальность проблеме лазерной транспортировки энергии придает, в частности, проект лунного энергетического парка (LEP) [6], нацеленный на освоение природных ресурсов Луны для решения проблем глобального энергетического кризиса. В рамках этой концепции предполагается строительство на поверхности Луны ядерных реакторов, работающих на топливе, добываемом из ее недр. Ключевой научной проблемой концепции является доставка энергии с Луны на Землю [6] при помощи лазерного излучения. Для ее решения в рамках проекта МНТЦ №929 «Разработка методов контроля лазерного пучка с использованием нелинейной и когерентной оптики» были привлечены специалисты НИИ ЛФ. В их задачу входил поиск надежной и работоспособной концепции построения лазерной системы транспортировки на базе анализа особенностей реализации космических лазерных систем.
В ходе проведенного анализа [7] были выявлены общие принципы построения подобной системы, важнейшие из которых: многомодульная схема построения лазера; использование сегментированных расширителей пучка;
3) когерентное сложение излучения каналов.
Требуемая точность наведения обеспечивается за счет использования лазерного маяка. размещаемого в области приема излучения и служащего репером. В ходе анализа возможных вариантов реализации систем, основанных на этих принципах, автором предложен рассмотренный в [8] подход к построению лазерных систем для доставки энергии на большие расстояния. Этот подход основан на привязке частот и фаз излучения большого числа независимых одночастотных излучателей к частоте и фазе лазерного маяка. Как будет показано ниже, предлагаемый алгоритм работы принципиально отличен от стандартного метода фазирования лазеров с выравниванием фаз излучения в ближней зоне, поэтому было предложено называть этот подход методом сопряженного фазирования. Ключевой особенностью предложенного метода является использование гетеродинного фазового детектирования [9] для анализа ВФ как слабого излучения маяка, так и мощных излучателей. Существенно, что при гетеродинном фазовом детектировании, в отличие от некогерентных методов, сохраняется информация о флуктуациях частоты сигнала. Это позволяет осуществить прецизионное выравнивание частот независимых излучателей и создать необходимые условия для выравнивания фаз независимых излучателей.
В данной работе проведено обоснование реализуемости алгоритма сопряженного фазирования, определены требования к спектральным, временным и энергетическим параметрам системы и проанализированы предельные возможности систем с гетеродинным приемом сигнала.
В первую очередь, для этого потребовалось провести теоретический анализ шумов, определяющих погрешность измерения фазы в реальных гетеродинных фазовых детекторах. Проведенный анализ выявил пути дальнейшего расширения возможностей гетеродинных методов приема излучения. В частности, с его помощью удалось показать, что применение матричного приемника в когерентной лидарпой системе может в несколько раз увеличить ее потенциал.
Особое внимание было уделено также способам управления фазой излучения, в первую очередь, электрооптическим методам [10], позволяющим существенно уменьшить время компенсации возмущений, в частности. Было показано, что ускорение процессов внутрирезонаторного управления частотой лазеров приводит к возбуждению в генераторе нежелательных релаксационных колебаний [11], которые при определенных темпах перестройки частоты могут приводить даже к срыву генерации. Для подавления релаксационных колебаний в задающих генераторах автором было предложено использовать внутрирезонаторные поглощающие ячейки [12]. Теоретический анализ показал, что упомянутые ячейки могут быть применены как для резкого обострения релаксационных колебаний в системах стабилизации частоты, так и для полного их подавления в перестраиваемых по частоте одномодовых излучателях.
Цеди и задачи работы
Основной целью настоящей работы являлось изучение возможностей применения гетеродинных методов и средств адаптивной оптики для эффективного анализа сигналов и управления параметрами когерентных волновых фронтов, необходимого для решения задачи доставки лазерного излучения на большие расстояния. При этом необходимо было решить следующие задачи: исследовать шумы, определяющие предельные возможности гетеродинного фазового детектирования, и их влияние на погрешность измерения фазы излучения; изучить возможности технической реализации высокочастотной внерезонаторной фазовой и внутрирезонаторной частотной модуляции излучения лазера; теоретически и экспериментально изучить процесс возбуждения релаксационных колебаний с целью поиска возможностей их обострения в режиме стабилизации частоты и подавления при работе лазера с перестраиваемой частотой излучения; на базе общего анализа схем разработать принципы построения систем передачи энергии и выработать алгоритм, позволяющий фазировать излучение лазерных излучателей в дальней зоне по сигналу лазерного маяка; исследовать диапазон работоспособности алгоритма фазирования независимых излучателей и определить требования к спектральным, временным и энергетическим параметрам системы сверхдальней лазерной транспортировки энергии.
Актуальность работы
Решение задачи передачи энергии на космические расстояния существенно расширит возможности человечества в освоении космоса и недоступных на сегодняшний день внеземных ресурсов. Оно, в свою очередь, немыслимо без использования приемов формирования и коррекции ВФ излучения. Метод сопряженного фазирования независимых излучателей существенно расширяет область применения гетеродинных методов линейной адаптивной оптики. Модификации метода могут найти применение и в других областях адаптивной оптики, например, для фазирования крупногабаритных сегментированных зеркал.
Результаты анализа погрешностей измерения параметров сигнала при гетеродинном приеме полезны при определении рабочего диапазона локационных и других систем с указанным типом приема сигнала. В частности, они позволили найти пути повышения эффективности работы гетеродинігого аэрозольного лидара за счет применения матричного детектора и некогерентного суммирования сигналов.
Способ управления релаксационными колебаниями генератора с помощью внутрирезонаторных поглощающих ячеек позволяет создавать излучатели со сверхвысокой чувствительностью мощности излучения к внутрирезонаторной модуляции потерь. Этот способ может найти применение как при внутрирезонаторных измерениях очень слабой осцилляции поглощения, так и при разработке генераторов со сверхвысокой стабильностью частоты излучения. Кроме того, использование внутрирезонаторных поглощающих ячеек позволяет осуществлять частичное или полное подавление релаксационных колебаний, что имеет существенное значение для стабильной работы лазеров с быстрой перестройкой частоты излучения.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней на основе теоретического анализа получены выражения для отношения си гнал/шум и погрешностей измерения параметров сигнала при гетеродинном приеме излучения, примененные к реальным приемным системам; предложено использовать матричный детектор с некогерентным суммированием сигналов в гетеродинном аэрозольном лидаре и показано, что это позволит в несколько раз повысить потенциал лидара; аналитическим образом исследован процесс возбуждения релаксационных колебаний в непрерывном лазере с поглощающей ячейкой и продемонстрирована возможность управления их параметрами вплоть до резкого обострения или полного подавления резонанса в активной среде лазера; предложен новый принцип формирования волнового фронта большого поперечного сечения на базе независимых лазерных излучателей, в котором прецизионное выравнивание частот и фаз излучения источников осуществляется автоматически в ходе процедуры фазового сопряжения;
Автор выносит на защиту следующие положения:
При гетеродинном приеме излучения в системе, измеряющей амплитуду или фазу сигнала, отношение сигнал/шум на ее выходе, как и в случае прямого детектирования, пропорционально корню квадратному из мощности сигнала.
Применение матричного детектора и некогерентного суммирования в гетеродинном аэрозольном лидаре с одинаковыми пространственно разнесенными входной и выходной апертурами увеличивает отношение сигнал/шум в несколько раз.
Использование внутрирезонаторной поглощающей ячейки позволяет управлять параметрами релаксационных колебаний непрерывного лазера в широких пределах: от существенного увеличения чувствительности мощности излучения к модуляции потерь на частоте релаксационных колебаний до полного подавления осцилляции.
При гетеродинном детектировании фазовые модуляторы способны обеспечить прецизионное выравнивание частот независимых источников непосредственно в ходе процесса линейного обращения волнового фронта лазерного маяка.
Практическая значимость полученных результатов определяется тем, что: полученные выражения для погрешностей измерения параметров сигнала при гетеродинном приеме могут быть использованы для оценки возможностей широкого класса систем, использующих вторичное детектирование при обработке сигнала биений; использование матричного детектора позволяет в 2-3 раза увеличить потенциал гетеродинного СОг-лидара, который был разработан и в настоящее время изготавливается для действующего образца мобильного лидарного комплекса; предложенный способ функционального анализа чувствительности выходной мощности излучения к модуляции резонаториых потерь позволяет производить расчет параметров релаксационных колебаний в непрерывном лазере с произвольным набором внутрирезонаторных элементов; способ управления параметрами релаксационных колебаний при помощи поглощающей ячейки может быть применен как для повышения чувствительности систем внутрирезонаторного измерения поглощения и систем стабилизации частоты, так и для подавления релаксационных колебаний в непрерывных генераторах; - метод сопряженного фазирования независимых излучателей и выработанные требования к параметрам системы были использованы при разработке облика лазерных адаптивных систем для передачи энергии излучением с Луны на Землю через зеркало на геостационарной экваториальной орбите и из пустынных областей экваториального пояса через аналогичное зеркало в заданные зоны средних широт.
Личный вклад автора в представленную работу выразился: в разработке метода сопряженного фазирования независимых излучателей, способа функционального анализа чувствительности выходной мощности излучения к модуляции потерь и метода управления параметрами релаксационных колебаний при помощи внутрирезонаторной поглощающей ячейки; в проведении теоретических и экспериментальных исследований, а также, совместно с Е. Н. Сосновым, численных расчетов; в обработке и анализе полученных экспериментальных данных.
Апробация работы
Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на VI, VII, VIII и XI международных конференциях «Оптика лазеров», г. С.-Петербург, в 1990, 1993, 1995 и 2003 гг., а также на научных семинарах Института Лазерной Физики.
По результатам исследований опубликовано 12 научных работ.
Объем и структура
Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 121 странице. Она содержит 39 рисунков, 3 таблицы и список литературы, включающий 108 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Краткое содержание работы:
Во введении показана актуальность темы диссертационной работы и сформулированы цели исследований.
В первой главе обсуждены основные проблемы транспортировки излучения на космические расстояния, заключающиеся в необходимости формирования путем когерентного суммирования лазерных каналов крупноапертурного волнового фронта излучения высокой мощности с расходимостью излучения, близкой к дифракционной, и обеспечения сверхточного наведения. Проанализированы возможности нелинейно-оптических методов и линейной адаптивной оптики, отмечены достоинства линейных методов для решения поставленной задачи. На основе литературных данных проведен анализ последних достижений в разработке систем линейной адаптивной оптики, существующих способов измерения фазового профиля световой волны и основных недостатков датчиков фазы негетеродинного типа.
Во второй главе проанализированы преимущества и выявлены особенности гетеродинного анализа волнового фронта и основные факторы, определяющие его предельные возможности. Рассмотрено преобразование сигнала и шума в системе вторичного детектирования, получены выражения для погрешности определения параметров сигнала при гетеродинном приеме. Доказано преимущество использования матричных детекторов в когерентном аэрозольном лидаре. Представлены результаты экспериментальных исследований предельных возможностей гетеродинного анализа волнового фронта.
В третьи главе на основе литературных данных проанализированы механические методы управления волновым фронтом излучения, рассмотрены их особенности и ключевые параметры. Приведены результаты исследования возможностей применения высокоскоростных электрооптических модуляторов на базе кристалла из CdTe для компенсации высокочастотных фазовых флуктуации в оптическом тракте, а также для быстрого управления частотой одном одо вого СОг-лазера. Представлены результаты экспериментальных исследований генерации СОг-лазерас внутрирезонаторным электрооптическим частотным модулятором.
В четвертой главе на основе полученных экспериментальных данных численно исследован процесс возбуждения релаксационных колебаний при изменении длины резонатора и смещении частоты излучения СОг-лазера. Предложен метод функционального анализа, позволяющий осуществлять подобные расчеты для генераторов с произвольным набором внутрирезонаторных элементов. На конкретных примерах показано, что применение поглощающей ячейки позволяет управлять параметрами релаксационных колебаний от резкого увеличения чувствительности до полного их подавления.
В пятой главе рассмотрен предложенный метод линейного сопряженного фазирования источников, показано преимущество системы независимых излучателей, сформулирован алгоритм метода и пояснен принцип автоматического частотного согласования излучателей в ходе процедуры сопряженного фазирования. Введено понятие модуля и аналитически доказана работоспособность алгоритмов как внутримодульного, так и межмодульного сопряженного фазирования. Проведено численное моделирование конкретного варианта реализации параметров системы и описан алгоритм се запуска. Проанализированы факторы, определяющие предельные возможности рассмотренной системы.
Б заключении обобщены и сформулированы основные результаты настоящей работы.
Нелинейно-оптические методы формирования волнового фронта большого поперечного сечения и его точной адресации
Сложность задачи формирования плоского волнового фронта светового пучка стремительно возрастает с увеличением его поперечных габаритов и мощности. Для компенсации динамических искажений формы волнового фронта лазерных пучков в конце 60-х - начале 70-х годов был предложен ряд методов коррекции [13,14], основанных на использовании нелинейных оптических процессов. К началу 80-х годов были разработаны принципы построения лазеров, не чувствительных к оптическому качеству используемых элементов [15]. Нелинейные волновые преобразования при этом обеспечивают такую коррекцию световых пучков, которая приводит либо к формированию требуемого волнового фронта (как правило, плоского или сферического) выходящего лазерного излучения, либо к передаче этого излучения по неоднородной оптической трассе на приемную апертуру заданного размера с минимальными потерями мощности.
Для коррекции фазового распределения оптического излучения используется процедура обращения волнового фронта (ОВФ) излучения, базирующаяся на инвариантности уравнений Максвелла относительно замены знака переменной времени [16]. Ключевым допущением при использовании данного принципа является абсолютное совпадение путей распространения сигнального и силового излучений. Существуют методы нелинейной коррекции, в которых длины оптических путей лучей могут несколько отличаться [17]. В этом случае при расчете эффективности коррекции необходимо учитывать потери, обусловленные совокупностью искажений ВОЛНОВОГО фронта на всех различающихся участках в связи со статистически независимым характером возмущений.
В настоящее время используются и активно развиваются два основных метода ОВФ: при вынужденном рассеянии света назад [18] и при четырех вол новом смешении [19]. В первом методе, как правило, используется вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), при котором в нелинейной среде возбуждается гиперзвуковая волна такой структуры, что отраженное от нее излучение является сопряженным по отношению к падающему (излучению маяка). Главным недостатком данного метода с точки зрения рассматриваемой проблемы является его пороговый характер, требующий высокой плотности мощности излучения в среде обращающего зеркала для возбуждения гиперзвуковой волны. При космических расстояниях между излучателем и маяком это накладывает практически невыполнимые требования на мощность лазерного маяка. Немаловажным фактором является и сложность введения меняющегося углового упреждения в систему ОВФ при ВРМБ. ОВФ при четырехволновом смешении не обладает пороговым характером и позволяет в некоторых пределах менять направление обращенной волны наклоном волнового фронта одной из волн накачки. Однако этот метод предъявляет достаточно серьезные требования к качеству волнового фронта и мощности опорных волн. Несопряженность волновых фронтов встречных опорных волн снижает качество фазового сопряжения. Кроме того, для эффективной перекачки энергии из опорной волны в обращенную мощность опорной волны должна на порядок превышать мощность волны сигнальной.
К настоящему времени физические процессы, лежащие в основе различных методов обращения, изучены достаточно хорошо [16]. Экспериментально исследован широкий круг вопросов, связанных с применением методов нелинейной фазовой коррекции в импульсно-периодических лазерных оптических системах [20]. Однако их практическое использование в непрерывных лазерных системах находится сегодня на самой начальной стадии, что не позволяет достаточно достоверно оценить весь круг проблем, с которыми придется столкнуться при использовании ОВФ в мощных непрерывных лазерных системах. Тем не менее, подобные оценки необходимы, поскольку на их базе определяются наиболее перспективные направления развития. В работе [7] анализируется возможность формирования волновых фронтов большого поперечного сечения по сигналу лазерного маяка с использованием приемов нелинейно-оптического фазового сопряжения. В ней рассмотрены два типа систем, первая из которых предполагает использование телескопа с дифракционной структурой на главном зеркале [21] и алгоритма "запись-считывание" [22]. В основе упомянутого алгоритма лежит применение пространственных модуляторов света, помещенных в резонатор опорного лазера. Генерируемое лазером излучение привязывается к области модулятора, на которую фокусируется излучение маяка и которая из-за этого приобретает наибольшее пропускание. В результате выходной пучок направляется точно навстречу излучению маяка. Основное достоинство алгоритма заключается в отсутствии зависимости длины волны управляемого излучения от длины волны маяка.
Была исследована также схема ТЕНОКОМ [21], в которой дифракционная структура на контррефлекторе позволяет сформировать систему с нелинейно-оптической компенсацией аберраций всех элементов телескопа. Силовое излучение в этом случае дважды отражается от поверхности главного зеркала: до и после обращения волнового фронта, компенсируя искажения телескопа. При этом направление распространения усиленного пучка полностью определяется направлением пучка маломощного опорного лазера, что позволяет использовать алгоритм «запись-считывание» для точного наведения излучения на маяк. Принципиальным является то обстоятельство, что вспомогательные оптические элементы телескопа такого типа должны иметь высокое оптическое качество и жестко фиксироваться друг относительно друга. Последнее требование весьма трудно выполнить при больших длинах телескопа в условиях термической нестабильности. Кроме того, разбиение выходной апертуры на совокупность выходных расширителей пучка относительно малого диаметра требует решения задачи фазирования опорных пучков либо средствами линейной адаптивной оптики, либо при помощи все тех же нелинейно-оптических методов.
Еще один вариант формирования волнового фронта большого поперечного сечения базируется непосредственно на обращении волнового фронта излучения маяка при четырех волновом смешении [23]. Автоматизм процедуры обращения приводит к тому, что обращенный пучок распространяется строго в направлении опорного источника. При наличии поперечной проекции вектора относительной скорости источника и приемника возникает упомянутая выше проблема компенсации меняющегося углового рассогласования осей, особенно актуальная при движении объектов с космическими скоростями. Простейшим решением проблемы является расположение опорного источника на расстоянии, соответствующем угловому смещению, от приемной площадки в направлении ее движения по отношению к излучателю. Основная сложность подобного решения заключается в том, что при передаче излучения через орбитальное зеркало угловое смещение является двумерной функцией времени.
Ключевой проблемой при реализации рассматриваемых схем является задача создания ОВФ-зеркала, способного одновременно и когерентным образом обращать излучение всех усилительных модулей. Как уже упоминалось, в настоящее время фазовое сопряжение непрерывного излучения нелинейно-оптическими методами относится к задачам с недостаточным опытом экспериментальной реализации.
Существуют также методы пассивной фазовой синхронизации, пригодные для когерентного сложения большого числа лазерных каналов. Так, плоский волновой фронт сравнительно большого поперечного сечения может быть сформирован за счет пассивной фазовой синхронизации двумерной матрицы излучателей [24], при этом задача компенсации искажений внешнего тракта должна решаться дополнительными адаптивными методами. Тем не менее, разумный предел диаметра апертуры подобных систем не превышает единиц метров в связи с резким возрастанием сложности задачи компенсации искажений внешнего тракта.
Преобразование сигнала и шума в системе вторичного детектирования
Классическое отношение сигнал/шум или отношение мощностей сигнала и шума, полученное для гетеродинного приема в предположении доминирования дробовых шумов полупроводникового фотодиода, имеет вид [59,60] Ps - мощность анализируемого излучения, г)- квантовая эффективность фотоприемника, hv- энергия кванта и В - рабочая полоса приемной системы. При выводе выражения (1) предполагалось, что дробовый шум фототока доминирует над всеми другими шумами и обусловлен исключительно излучением гетеродина, мощность которого значительно превышает мощность анализируемого излучения,
Как правило, отношение сигнал/шум используется для определения вероятностных характеристик обнаружения локационного сигнала на фоне шумов. В то же время, название характеристики предполагает возможность ее использования для определения погрешности измерения параметров сигнала. При известном отношении мощности сигнала и шума погрешность измерения интенсивности сигнала должна быть обратно пропорциональна этой величине. Анализ, представленный автором данной работы в [61] и приведенный ниже, показывает, что использование формулы (1) не позволяет столь просто вычислять погрешность измерения параметров сигнала.
Дробовый шум гетеродина определяет погрешность измерения параметров сигнала при относительно малой величине отношения сигнал/шум, что соответствует случаю очень слабого сигнала. В этом случае наблюдение гетеродинного переменного сигнала на частоте биений без дополнительной обработки сигнала не имеет практического смысла. Вторичное детектирование (амплитудное или фазовое) с последующим накоплением сигнала, приводящим к эффективному сужению полосы рабочих частот приемной системы и подавлению шумов, эквивалентно возведению сигнала в квадрат с последующим интегрированием (вторичное детектирование).
При выводе уравнения (1) в [59] амплитуды тока сигнала и шума были возведены в квадрат, но каждая в отдельности. В действительности же, в квадрат возводится сумма сигнала и шума, что приводит к появлению перекрестных членов, содержащих шумовые компоненты и повышающих реальную погрешность определения параметров сигнала. Для определения реально действующих шумов и отношения сигнал/шум, определяющего погрешность измерения параметров сигнала, целесообразно рассмотреть влияние вторичного детектирования в наиболее общем виде.
Для того чтобы максимально приблизить анализ погрешностей измерения параметров сигнала к практике, рассмотрим типичную схему измерения фазы сигнала гетеродинного излучения (рис. 9). Сигналы с фотодиодов 1, на которых анализируемое излучение сбивается с гетеродинным, предварительно пропускаются через полосовые усилители 2, обрезающие постоянную составляющую фототока, обусловленную излучением гетеродина. Ширина полос усилителей В определяется допустимым диапазоном флуктуации разности частот анализируемого и гетеродинного излучений. Указанный диапазон зависит от многих параметров системы, включая допустимый диапазон доплеровского сдвига, и в каждом случае рассчитывается независимо.
Как уже говорилось, наименее чувствительная к шумам схема измерения разности фаз двух радиосигналов использует метод квадратурного фазового детектирования, при котором перемножение сигналов осуществляется с помощью аналоговых перемножителей 4. На оба входа одного перемножителя и один вход другого сигналы подаются непосредственно, в то время как на второй вход второго перемножителя один из сигналов подается со смещением на тг/2, обеспечиваемым с помощью линии задержки 3. На выходе первого перемножителя мы получаем сигнал, пропорциональный косинусу разности фаз, а на выходе второго - синусу. В целях подавления шумов сигналы с аналоговых перемножителей 4 подаются па интеграторы 5 с временем интегрирования г.
Для простоты анализа рассмотрим интеграторы с жестко фиксироианным периодом накопления. Это означает, что в начальный момент времени периода измерения напряжение на интеграторе равно нулю. Сигнал интегрируется в течение времени накопления, после чего считывается. Период измерения заканчивается обнулением интегратора. Предположим, что время считывания информации и обнуления интегратора существенно меньше времени накопления, тогда период измерения равен периоду накопления или времени интегрирования г. В реальных системах время интегрирования задается требуемой частотой получения информации о фазе сигнала. Можно предположить, что отношение сигнал/шум и погрешность определения фазы в схемах со стандартной интегрирующей цепочкой не будет существенно отличаться от соответствующих величин в рассматриваемой системе.
Сигналы с выходов интеграторов оцифровываются и обрабатываются далее в цифровом виде. Поскольку простейшая процедура определения фазы сигнала через арктангенс отношения проекций имеет ограниченный диапазон (равный я), целесообразно определять фазу табличным образом по значениям синуса и косинуса. Цифровые операции не увеличивают погрешности измерения параметров сигнала, и потому система цифровой обработки сигнала на рис. 9 не приведена.
При измерении амплитуды сигнала нет принципиальной необходимости в использовании двух фотодетекторов. Одноканальный вариант будет отличаться наличием квадратичного детектора взамен аналогового перемножителя. Для простоты анализа его функцию можно свести к возведению силы тока в квадрат.
Электрооптические быстродействующие фазовые модуляторы для компенсации высокочастотных вибраций элементов оптического тракта
В ряде задач адаптивной оптики (например, при фазировании излучения в импульсных лазерах, при большом числе итераций и т.д.) актуальной является проблема минимизации времени, необходимого для осуществления анализа и коррекции аберраций, и возникает необходимость создания быстродействующих фазовых корректоров. При их использовании внутри резонатора они, кроме того, позволят существенно снизить требования на допустимую скорость дрейфа частоты излучения лазерного маяка.
Описанные выше корректоры ВФ на основе адаптивных зеркал (например, фирмы Itek) имеют частоты управления не более 10 кГц (рис. 16). Относительно медленными являются и фазовые корректоры на основе ЖК модуляторов [82,83]. В ряде работ [84,85] для осуществления быстрой фазовой коррекции атмосферных искажений рассматривалась возможность применения электрооптических материалов, однако существенного развития вплоть до настоящего времени это направление не получило, по-видимому, вследствие высоких управляющих напряжений. Основное отличие фазовых модуляторов от более распространенных амплитудных заключается в следующем. Кристаллографические оси модулятора располагаются таким образом, чтобы вектор напряженности электрического поля и вектор поляризации проходящей световой волны совпадали по направлению с главной осью кристалла. В таком случае не происходит вращения плоскости поляризации, но происходит изменение оптической длины кристалла. Это обстоятельство определяет существенное отличие электрооптических фазовых модуляторов от адаптивных зеркал, поскольку первые предполагают поляризованность проходящего излучения.
Для анализа проблем, возникающих при работе электрооптических модуляторов, нами был разработан быстродействующий фазовый корректор ИК-диапазона, в котором в качестве активного электрооптического элемента использовался кристалл CdTe. Этот кристалл обладает наиболее высоким значением электрооптической постоянной Г4і= 6.8-10" м/В среди подобных материалов для указанного диапазона длин волн (от 2 до 30 мкм) [86]. Принципиальная структура многоэлементного фазового электрооптического корректора, построенного на базе изученного модулятора, приведена на рис. 21. Основные его параметры, полученные в ходе экспериментальных исследований, приведены в таблице 3.
Существенной проблемой для данного фазового корректора является термостабилизация кристалла, поскольку CdTe имеет сильную зависимость показателя преломления от температуры (dn/i/r= 1.14-10"14 град 1 [87]). Для кристалла длиной 10 см фазовый набег при изменении температуры на 1 составляет величину 2.15л, превышающую рабочий диапазон фазового корректора. Это обстоятельство немаловажно, поскольку в любой схеме включения корректора присутствуют, как минимум, два неустранимых источника тепловыделения. Первый из них связан с поглощением проходящего излучения, а, следовательно, зависит от коэффициента поглощения материала и мощности управляемого излучения. При известных коэффициенте поглощения и интенсивности излучения данный источник легко прогнозируем. В отличие от него второй источник, связанный с поглощением тока утечки на конечном омическом сопротивлении кристалла, как правило, является непредсказуемым.
В работах [87,88] приведены конструктивные решения по термостабилизации, обеспечивающие удержание температуры с точностью ±0,2 град, однако подобный подход едва ли является рациональным. При стабилизации температуры поверхности кристалла объемный характер источников тепловыделения с учетом относительно низкой теплопроводности материала и высокой чувствительности показателя преломления от температуры приведет к возникновению заметной термической линзы. Для того чтобы избежать нежелательного побочного искажения волнового фронта, целесообразно термоизолировать кристалл и противопоставить объемному характеру ввода тепла в кристачл объемный характер вывода (за счет теплового излучения). Решение проблемы чувствительности оптической длины кристалла к температуре может базироваться на относительно низких скоростях тепловых процессов. Изменение оптической длины кристалла вследствие его разогрева можно рассматривать как дополнительное возмущение фазы, которое может быть скомпенсировано при помощи низкочастотных, но широко диапазонных адаптивных зеркал на пьезоэлектрических движителях, описанных в предыдущем параграфе. Подобный подход был исследован в экспериментах по внутрирезонаторному применению модулятора, описанному в следующем параграфе.
Электрооптические фазовые модуляторы, изменяющие свою оптическую длину под воздействием приложенного напряжения, могут быть использованы и для управления частотой излучения лазера при их размещении внутри резонатора.
Для исследования возможностей управления частотой лазера с помощью электрооптического модулятора нами была собрана схема формирования импульса амплитудой до 2700 В с передним фронтом длительностью 500 не [89]. Импульс подавался на модулятор из CdTe размерами 10x10x34 мм , вырезанный вдоль оси (101), с электрическим полем вдоль оси (010). Полные потери излучения в модуляторе на проход составляли 6%. Модулятор размещался внутри резонатора исследуемого лазера, излучение которого сбивалось на приемнике с излучением опорного лазера. Сигнал биений выводился на экран осциллографа С1-75 и фиксировался на фотопленку.
Характерная картина биений для импульса амплитудой 850 В с разверткой 1 мке/дел. представлена на рис. 22. Варьирование параметров импульса и ориентации модулятора позволило определить удельное частотное смещение, составившее 3,5 кГц/В при длине резонатора 125 см. Анализ осциллограмм показал практически мгновенное отслеживание частотой генерации изменения величины прикладываемого напряжения. Т.е., время реакции генератора на изменение напряжения на электродах внутрирезонаторного фазового модулятора оказалось заметно меньше 1 мкс.
Относительно путей дальнейшего повышения чувствительности резонатора наши расчеты показали, что за счет оптимального вырезания и расположения кристалла при тех же геометрических размерах в том же резонаторе можно достичь чувствительности 5 кГц/В. Уменьшение поперечного сечения до 6x6 мм позволит увеличить ее до 8 кГц/В. Дальнейшее увеличение чувствительности в той же конструкции может быть осуществлено за счет роста линейных размеров кристалла в случае снижения его коэффициента поглощения, что является чисто технологической задачей.
Релаксационные колебания и стабилизация частоты СОг-лазера
До сих пор возбуждение релаксационных колебаний при частотном смещении рассматривалось как побочное, нежелательное явление, с которым необходимо бороться. Однако наличие резонансных частот, резко повышающих чувствительность системы к воздействию, зачастую находит и полезное применение, например, для повышения чувствительности, снижения частотной девиации и (или) увеличения скорости отработки в стандартном для газовых лазеров методе стабилизации частоты генерации по собственному контуру усиления активной среды [98,99]. Для того чтобы проанализировать возможности подобного применения релаксационных колебаний, необходимо подробнее остановиться на теории их возбуждения.
Как следует из предыдущего параграфа, при непрерывной генерации релаксационные колебания в лазере возбуждаются при быстром отклонении величины распределенных потерь от величины насыщенного усиления, которые одинаковы в условиях стабильной генерации. Два условия должны быть выполнены для возникновения релаксационных колебаний с заметной амплитудой. Скорость релаксации внутрирезонаторного электромагнитного поля должна быть существенно больше скорости релаксации инверсии активной среды, и скорость частотного смещения должна быть сравнима с частотой колебаний. Время затухания колебаний зависит от уже упомянутого выше отношения между скоростями изменения интенсивности излучения и инверсии.
Впервые теоретический анализ релаксационных колебаний был проведен в [11], где исследовалось влияние модуляции резонаторных потерь на выходную мощность лазера. Полученные уравнения для амплитуды и фазы колебаний интенсивности в зависимости от частоты модуляции позднее были представлены в более удобной и наглядной форме [97]. Выражения были выведены для абстрактного лазера на базе скоростных уравнений с описанием активной среды в терминах инверсной заселенности. Уравнение для амплитуды колебаний выходной мощности позволило определить условия существования релаксационных колебаний, оценить значение собственной частоты активной среды и величину максимальной чувствительности среды к возмущению. Чтобы отличить усиление модуляции интенсивности на частоте релаксационных колебаний от насыщенного усиления или усиления слабого сигнала активной среды, введем понятие «релаксационного усиления» Ет.
Уже первые теоретические работы [11,97] показали, что в отличие от гелий-неоновых лазеров, где релаксационные явления отсутствуют, величина релаксационного усиления в твердотельных и СОг-лазерах меняется от сотен единиц до десятков тысяч. Подобное возрастание чувствительности привело к появлению ряда исследований, посвященных использованию релаксационных колебаний при высокочувствительных измерениях поглощения.
Применение релаксационного усиления для стабилизации частоты излучения было предложено в [9Н] и осуществлено в [100] на основе твердотельной активной среды. Трудности, связанные с поиском подходящего внутрирезонаторного спектрального репера привели к использованию в качестве последнего интерферометра Фабри-Перо. Очевидно, что применение частотного репера, собственная частота которого сильно зависит от температуры, едва ли отвечает требованиям долговременной стабилизации. Вероятно, последнее обстоятельство и является главной причиной того, что релаксационное усиление редко используется в системах стабилизации частоты. Между тем, релаксационное усиление приводит к увеличению отношения сигнал/шум и (или) возрастанию сигнала отклика системы на случайный сдвиг частоты излучения. По-видимому, оптимизация системы стабилизации частоты заключается в поиске баланса между этими двумя выигрышами.
Как уже упоминалось выше, С02-лазер существенно отличается от твердотельного более узким контуром линии усиления, что позволяет использовать данный контур в качестве естественного спектрального репера. Подобный подход широко используется в системах частотной стабилизации, при этом резонаторное обострение спектрального контура приводит к тому, что остаточные частотные флуктуации по величине на два-три порядка меньше ширины линии усиления. Применение релаксационного усиления в системах стабилизации частоты СОг-лазера могут позволить дополнительно уменьшить остаточную девиацию частоты. Выигрыш зависит от параметров среды и конкретной реализации резонатора.
Сравнение результатов, полученных нами при численном анализе релаксационных процессов, описанном в предыдущем параграфе, с оценками по формулам, полученных в приближении скоростных уравнений для инверсной населенности, выявило два обстоятельства. Первое из них связано с некорректностью понятия скорости релаксации инверсии, а второе - с заметным расхождением результатов численных и аналитических расчетов.
Похожие диссертации на Особенности гетеродинного приема лазерного излучения и линейное фазирование независимых излучателей
