Лекция: Квантовые генераторы в передатчиках

Учебные вопросы:

1 Принцип действия квантового генератора

2 Лазер на рубине.

3 Назначение и структурная схема радиопередатчика оптического диапазона

1Принцип действия квантового генератора

Для создания электромагнитных колебаний СВЧ в квантовых генераторах используется внутренняя энергия микрочастиц — атомов, молекул, ионов. Квантовые генераторы называют еще лазерами. Слово «лазер» составлено из начальных букв английского названия квантовых генераторов — усилитель света за счет создания стимулированного излучения.

Принцип действия квантового генератора состоит в следующем. Изменение энергии микрочастиц (атомов, молекул, ионов, электронов) происходит не непрерывно, а дискретно — порциями, названными квантами.

Микросистемы, в которых элементарные частицы взаимодействуют между собой, называются квантовыми системами. Переход квантовой системы из одного энергетического состояния Е1 в другое Е2 сопровождается излучением или поглощением кванта электромагнитной энергии hv = E2—Е1, где h — постоянная Планка; γ —частота. Энергия W кванта зависит от частоты электромагнитного поля и определяется по формуле W=hf, где f — частота. Интервал между двумя энергетическими уровнями называется переходом. На рис. 4.30 показано несколько переходов, каждому из которых соответствует различная энергия кванта W2—W1, W3—-W1 и Wз—W2. Это, в свою очередь, означает, что частота электромагнитного поля для каждого перехода приобретает определенное значение.

Энергетическое состояние квантовой системы подчиняется закону Больцмана, что показано штриховой линией на рис. 4.30.

Из рисунка видно, что большим запасом энергии, например W2, обладает меньшее число микрочастиц N2, наибольшее число микрочастиц N1 имеет меньший запас энергии W1.

Известно, что наиболее устойчивым состоянием любой системы, в том числе и атома, и молекулы, является состояние с наименьшем энергией. Поэтому каждая система стремится занять и сохранять состояние с наименьшей энергией. Под действием внешних факторов — нагрева, освещения, электромагнитного поля — энергетическое состояние атома может изменяться.

Если атом, например водорода, взаимодействует с электромагнитным полем, он поглощает энергию Е2—E1 = h γ и его электрон переходит на более высокий энергетический уровень. Такое состояние атома называется возбужденным. В нем атом может находиться некоторое очень малое время, называемое временем жизни возбужденного атома. После этого электрон возвращается на нижний уровень, т. е. в основное устойчивое состояние, отдавая избыток энергии в виде излучаемого кванта энергии — фотона.

Излучение электромагнитной энергии при переходе квантовой системы из возбужденного состояния в основное без внешнего воздействия называется самопроизвольным или спонтанным. При спонтанном излучении фотоны испускаются в случайные моменты времени, в произвольном направлении, с произвольной поляризацией. Поэтому оно называется некогерентным.

Однако под действием внешнего электромагнитного поля электрон может быть возвращен на нижний энергетический уровень еще до истечения времени жизни атома в возбужденном состоянии. Если, например, два фотона воздействуют на возбужденный атом, то при определенных условиях электрон атома возвращается на нижний уровень, излучая квант энергии в виде фонта. При этом все три фотона имеют общую фазу, направление и поляризацию излучения. В результате энергия электромагнитного излучения оказывается увеличенной.

Излучение электромагнитной энергии квантовой системой при снижении ее энергетического уровня под действием внешнего электромагнитного поля называется вынужденным, индуцированным или стимулированным.

Индуцированное излучение совпадает по частоте, фазе и направлению с внешним облучением. Отсюда такое излучение называют когерентным (когерентность — от латинского cogerentia — сцепление, связь).

Так как на стимулирование перехода системы на более низкий энергетический уровень энергия внешнего поля не затрачивается, то электромагнитное поле усиливается и его энергия возрастает на значение энергии излучаемого кванта. Это явление используется для усиления и генерирования колебаний с помощью квантовых приборов.

В настоящее время лазеры изготовляют из полупроводниковых материалов. Полупроводниковым лазером называют полупроводниковый прибор, в котором происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию излучения оптического диапазона. Для работы лазера, т. е. для того, чтобы лазер создавал электромагнитные колебания, необходимо, чтобы в его веществе воз бужденных частиц было больше, чем невозбужденных. Но в нормальном состоянии полупроводника на более высоких энергетических уровнях при любой температуре число электронов меньше, чем на более низких уровнях. Поэтому в нормальном состоянии полупроводник поглощает электромагнитную энергию. Наличие электронов на том или ином уровне называется населенностью уровня. Состояние полупроводника, в котором на более высоком энергетическом уровне находится больше электронов, чем на более низком уровне, называется состоянием с, инверсной населенностью. Создавать инверсную населённость можно различными способами: с помощью инжекции носителей зарядов при прямом включении р—n-перехода, путем облучения полупроводника светом и т. д.

Источник энергии, создавая инверсию населенностей, выполняет работу, передавая энергию веществу и далее электромагнитному полю. В полупроводнике с инверсной населенностью можно получить вынужденное излучение, так как в нем имеется большое число возбужденных электронов, которые могут отдать свою энергию.

Если полупроводник с инверсной населенностью облучить электромагнитными колебаниями частотой, равной частоте перехода между энергетическими уровнями, то электроны с верхнего уровня перейдут на нижний вынужденно, излучая фотоны. При этом происходит вынужденное- когерентное излучение. Оно является усиленным. Создав в таком устройстве цепь положительной обратной связи, получим лазер — автогенератор электромагнитных колебаний оптического диапазона. Для изготовления лазеров чаще всего используют арсенид галлия, из которого изготовляют кубик со сторонами длиной в несколько десятых долей миллиметра.

2 Лазер на рубине.

Для изготовления лазера в качестве рабочего вещества используют различные диэлектрические и полупроводниковые кристаллы, стекла, пластмассы, жидкости и газы. Но все они содержат основные две функциональные части: систему накачки, приводящую рабочее вещество в активное состояние, т. е. обеспечивающую накопление энергии, способной переходить в энергию электромагнитного излучения; систему, обеспечивающую условия перехода накопленной энергии в электромагнитную энергию излучения.

Для изготовления рубинового лазера используют стержень, выполненный из монокристалла синтетического рубина — окиси алюминия (АL20з) с примесью хрома (Сг).

Диаграмма энергетических уровней электронов внутренних оболочек ионов хрома приведена на рис 1. Уровни 1 и 3 являются короткоживущими, а уровень 2 — долгоживущим (метастабильным). Рабочим является переход между метастабильным 2 и основным 1 уровнями. Оптическая накачка энергии состоит в быстром и интенсивном перенесении электронов с уровня 1 на уровень 3.

Рис 1. Рубиновый лазер: схема расположения энергетических уровней

Для этого кристалл рубина освещается очень короткими, Но очень интенсивными вспышками высокомощной лампы накачки. Рубин поглощает сине-зеленую часть спектра излучения лампы накачки. В результате этого электроны с уровня 1 переходят на уровень 3, приобретая энергию. Так как уровень 3 короткоживущий, его избыточная населенность долго не удерживается. Электроны сразу переходят в основном на уровень 2 и накапливаются на нём, пока не будут выполнены условия самовозбуждения лазере, Затем с уровня 2 электроны вынужденно или спонтанно (самоп-роизвольно) переходят на уровень 1, излучая фотоны с частой γ21, соответствующей красному свету.

Для самовозбуждения необходима положительная обратная связь.

Она достигается за счет расположения активного элемента между двумя строго параллельными друг другу высококачественным и зеркалами, как показано на рис. 4.31,6. Эти зеркала образуют открытый оптический резонатор, в котором фотоны могут многократно проходить вдоль активного элемента (стержня) лазера. Пусть, например, в середине стержня в результате спонтанного перехода со второго уровня 2 на первый 1 электрон отдал свою энергию в виде фотона. Этот фотон, распространяясь вдоль стержня, доходит до зеркала и отражается, направляясь в другую тропу. При движении вдоль стержня он может возбудить другие электроны. Так возникает самовозбуждение, после которого автоколебания быстро нарастают. Предел нарастания их определяется конечным числом частиц, взаимодействующих с полем или конечной мощностью источника накачки. Вывод энергии производится через отверстие в одном из зеркал. Основными параметрами лазера являются: длина волны излучения, выходная мощность, КПД, энергия, излучаемая за время импульса (для импульсных лазеров).

3 Назначение и структурная схема радиопередатчика оптического диапазона

Излучения радиопередатчиков оптического диапазона (сокращенно — оптические передатчики) занимают диапазон волн 0,01— 100 мкм, который подразделяется на четыре поддиапазона: ультрафиолетовый — 0,01...0,38 мкм; видимый — 0,38...0,77 мкм; инфракрасный — 0,77... 10,0 мкм; субмиллиметровый — 0,40... 100,0 мкм.

По устройству оптический передатчик, структурная схема которого приведена на рис. 20.2, представляет собой совокупность радиоэлектронных и оптических элементов и блоков.

В оптическую часть передатчика входят: лазер, модулятор света и оптические линзы, фокусирующие и ориентирующие луч света в требуемом направлении. В радиотехническую часть передатчика входят: СВЧ усилитель, согласующее устройство, связывающее вход модулятора с выходом усилителя, и кодер, служащий для кодирования передаваемого сообщения. Преимущества оптического передатчика состоят: в возможности передачи с высокой скоростью как цифровой (109 бит/с и выше), так и аналоговой (десятки гигагерц) информации исключительно большого объема; высокой когерентности и острой направленности излучения, что позволяет существенно снизить мощность передатчика; высокой помехозащищенности, особенно при использовании волоконных световодов.

Рассмотрим более подробно работу оптической системы связи в космическом пространстве. Ее применение для передачи информации на большие расстояния в околоземном пространстве из-за сильного влияния атмосферы на луч света может приводить к столь сильному затуханию в канале связи, что прием сигнала может стать невозможным. Зато весьма эффективно применение оптических систем связи в космическом пространстве, где затухание и расходимость луча света незначительны. В такой глобальной системе связь между спутниками вне земной атмосферы осуществляется с помощью оптической лазерной системы, а передача информации на Землю — в радиодиапазоне.

Структура такой комбинированной оптико-радиоэлектронной системы приведена на рис. 20.3.

В оптических передатчиках, как и радиопередающих устройствах, возможно осуществление различных видов модуляции, в том числе амплитудной, частотной, фазовой, поляризационной и импульсной. При этом возможна модуляция как путем непосредственно воздействия на лазер, так и с помощью внешнего модулятора, устанавливаемого на пути лазерного луча.