 |
Лазер как источник светового излучения
|
|
|
|
Современные оптоволоконные кабели
Реферат
Москва 2006
Введение
Человек издавна использовал свет в качестве источника сигналов, например маяки, костры и т.п. Еще в те далекие времена он фактически построил то, что сегодня мы называем оптической линией связи или оптической системой связи, включающей передатчик (источник), модулятор, оптическую кабельную линию и приемник (глаз). Определив в качестве модуляции преобразование механического сигнала в оптический, например открытие и закрытие источника света, мы можем наблюдать в приемнике обратный процесс - демодуляцию: преобразование оптического сигнала в сигнал другого рода для дальнейшей обработки в приемнике.
Такая обработка может представлять собой, например, превращение светового образа в глазу в последовательность электрических импульсов нервной системы человека. Головной мозг включается в процесс обработки как последнее звено цепи.
Другим, очень важным параметром, используемым при передаче сообщений, является скорость модуляции. Глаз в этом отношении имеет ограничения. Он хорошо приспособлен к восприятию и анализу сложных картин окружающего мира, но не может следить за простыми колебаниями яркости, когда они следуют быстрее 16 раз в секунду. В отличие от глаза, современные оптические системы используют в качестве световых приемников технические устройства - фотоэлементы или фотодиоды, позволяющие отслеживать значительные частоты колебаний.
Физические параметры света
Известно, что свет объединяет в себе два свойства: корпускулярную природу и типичные свойства волнового процесса, которые представляют внешние признаки одной и той же физической реальности.
|
|
|
Важным параметром света является его длина волны. Под этим подразумевается расстояние между двумя положительными или отрицательными максимумами последовательности колебаний.
Длина волны колебательного процесса непосредственно связана с его частотой.
Спектры источников света
Чтобы понять различия источников света, которые применяются в качестве передатчиков в устройствах оптической техники связи, остановимся прежде всего на свойствах обычных источников света.
В обычной лампе накаливания не одна, а огромное количество различных длин волн, причем можно указать приближенно лишь крайние значения области длин волн. Внутри этой области лежит основная доля энергии излучения. Длины волн за пределами этой области изучаются слабо, т.е. являются длинами волн с малыми составляющими мощности. Внутри области излучения (которая в лампе накаливания простирается приблизительно от видимой желтой области да невидимой инфракрасной) отдельные длины волн расположены так, что они не различаются измерительными приборами. В этом случае говорят о непрерывном спектре излучаемого света. Который, в свою очередь может стать спектром поглощения, если вырезать участки длин волн из непрерывного спектра излучения.
Для всех волновых процессов наиболее значительно и характерно явление интерференции. Когда накладываются два волновых фронта с одинаковой фазой, это означает, что максимумы колебаний обоих процессов точно совпадают, и оба процесса складываются и усиливаются. Однако если между обоими процессами имеется разность фаз или различие по расстоянию точно на половину длинны волны, т. е. совпадает максимум одного колебания с минимумом другого, и оба имеют одинаковую мощность, то процессы гасят друг друга.
Свойство естественных источников света, которые никогда между собой не интерферируют, так как их фазовые состояния постоянно претерпевают случайные и быстрые колебания, называется некогерентностью. Хотя световые лучи, как и радиоволны радиопередатчика, являются электромагнитными колебаниями, только с гораздо меньшей длиной волны и соответственно более высокой частотой, они отличаются от радиоволн именно свойством некогерентности.
|
|
|
Радиопередатчики генерируют когерентное излучение. Положение фазы их колебаний в течение длительного времени настолько постоянно, что приемные устройства используют это свойство и извлекают из него пользу. Без свойства когерентности не могли бы функционировать мощные электрические системы связи.
Одиночные атомы излучают световые импульсы спонтанно и не синхронно, т. е. независимо друг от друга и поэтому в целом некогерентно.
Для пояснения обратимся к атомной модели Бора, проложившей новые пути в развитии физики и побудившей ученых к новым исследованиям природы светового излучения. Исходным пунктом для этого был спектральный анализ газов. В газовой трубке с двумя впаянными на концах электродами наблюдалось свечение, когда к этим электродам прикладывалось напряжение. На экране анализатора спектра наблюдалось множество дискретных линий на определенных расстояниях, т. е. при определенных длинах волн. Расположение этих линий зависело от состава газа, которым была наполнена трубка.
Швейцарский математик Бальмер в 1885 г. обнаружил, что частоты измеренных спектральных линий описываются следующим простым уравнением:
F = R (1 / n^2 - 1 / m^2)
где n, m - целые числа; R - константа, не зависящая от состава газа, R=3,29*10^15 Гц
Спустя 26 лет после открытия Бальмера Нильс Бор установил фундаментальную теоретическую связь между формулой Бальмера и элементарным квантом излучения. Количественное значение кванта излучения h=6,63*10^-34 BT*c^2 было найдено Максом Планком в 1900 г. Квант представляет собой величину, которая интерпретирует энергию светового излучения как целое кратное определенным минимально возможным порциям энергии. Из ранее приведенных рассуждений вытекает знаменитая атомная модель Бора. Вокруг тяжелого положительного ядра на определенных орбитах вращаются легкие, отрицательно заряженные элементарные частицы - электроны. У водорода - элемента с наиболее простым строением атома - имеется только один электрон, который нормально вращается на ближайшей к ядру орбите.
|
|
|
Если к атому водорода подвести внешнюю энергию, то электрон может быть поднят на следующую, более высокую орбиту. Радиусы орбит относятся согласно Бору как квадраты целых чисел, т. е. как 1: 4: 8 и т. д. При этом для каждого скачка между двумя орбитами требуется энергия, точно соответствующая кванту Планка, тогда начальная орбита Бора остается без электрона. Однако эти более удаленные от ядра орбиты не являются для электрона стабильными. Он может пребывать там короткое время и затем возвращается на первоначальную орбиту - прямо или "по ступенькам". И подобно тому как электрон забирает энергию, чтобы попасть на более высокую орбиту, он отдает энергию при возвращении на стабильную орбиту, при этом только целочисленными порциями, которые зафиксированы стабильными орбитами (которые соответствуют определенным энергетическим уровням) в модели атома. Освободившаяся энергия согласно уравнению Планка проявляется как излучение определенных частот.
Лазер как источник светового излучения
Молекулам и атомным комплексам (кристаллам) присущи принципиально неизменные свойства, но не столь простые, как это представлено в примере с одиночным атомом водорода. Прежде всего, различия проявляются во влиянии соседних атомов. Поэтому дискретные энергетические состояния, которые следуют из наличия вышеописанных электронных орбит, как правило, размываются. В связи с этим появляются определенные энергетические области (энергетические зоны). Имеет также существенное значение, что отдельные единичные переходы (с одного энергетического уровня на другой) более или менее "запрещены", т. е. они не должны иметь места (эти запреты надо понимать не совсем буквально).
В качестве примера можно было бы назвать схему энергетических уровней ионов трехвалентного хрома, которые играют главную роль в одном из первых экспериментальных образцов лазера - в рубиновом лазере.
|
|
|
В этой связи отметим два таких энергетических уровня в атоме хрома: основной уровень E1 и состояние E2. Переход с уровня E2 на основной E1, строго говоря, запрещен, т. е. электрон на уровне E2 мог бы быть устойчивым. Практически, однако, этого не происходит; находящийся на уровне E2 электрон может удерживаться в этом состоянии приблизительно до 0,01 с. [В сравнении с длительностями пребывания в других нестабильных состояниях (10^-8 c) это - длительное время.] Такое состояние называется метастабильным, и это явление особенно важно в работе лазера: оно придает метастабильному состоянию E2 свойства накопителя энергии.
Если стержневидный рубиновый кристалл (Al2O3) с добавлением ионов хрома облучить интенсивным зеленым светом, то происходит следующее. Прежде всего в результате подведенной световой энергии электроны с основного уровня E1 переносятся в энергетическую зону E2 (не прямо, а через неустойчивую энергетическую зону E3, но это в данном случае несущественно). Атом за счет этой внешней энергии теперь возбужден "накачан"), более того, совокупность атомов достигла так называемой инверсии населенностей (электронами) энергетических зон. Нижняя энергетическая зона, обычно сильно населенная, в данном случае почти пуста, напротив, более высокий уровень E2, первоначально не сильно заселенный электронами, теперь значительно ими занят. Но это состояние атомов, как уже упоминалось, довольно устойчиво. Подведенная энергия накапливается.
С этого состояния начинается цепная реакция, подобная процессу в генераторе с обратной связью, вызываемая случайным процессом излучения энергии хотя бы одним из возбужденных атомов. Такой атом случайно переходит из состояния E2 в состояние E1 и при этом отдает энергию излучения - сравнительно короткую последовательность колебаний, но все же достаточную, чтобы встретить на своем пути через стержневидный кристалл второй возбужденный атом. Частота этого колебания определяется по закону Планка разностью энергий E2 и E1 и соответствует длине волны приблизительно 694 нм или красному световому импульсу, находящемуся в видимой области спектра.
Этот процесс называется индуцированным или стимулированным излучением. Индуцированное колебание согласуется по частом и фазе с индуцирующим колебанием таким образом, что с полным основанием можно говорить об "усилении света индуцированной эмиссией излучения". Отсюда произошло слово LASER: light amplification by stimulated emission of radiation.
Если в установившемся режиме энергия излучения при прохождении сигнала через кристалл больше потерь на поглощение энергии, то получается эффект самовозбуждения такой же, как в генераторе с обратной связью. Единичное спонтанное излучение связано с продолжительными непрерывными световыми колебаниями в теле кристалла (поскольку в кристалле постоянно имеется достаточное количество возбужденных атомов). Если нанести на одну из торцевых поверхностей стержня полупрозрачный зеркальный слой, то часть энергии излучения покинет кристаллический стержень в виде когерентного светового излучения.
|
|
|
В первые годы твердотельные лазеры применялись главным образом в импульсном режиме. В качестве источников света применялись лампы-вспышки, которые периодически возбуждали кристалл сверхмощными некогерентными световыми импульсами и вызывали излучение коротких когерентных световых импульсов. В качестве примера, разработанного в то время лазера непрерывного излучения можно назвать лазер на неодимовом гранате (Nd-YAG), ядро которого представляет собой иттриево-аллюминиевый гранат (Y3Al5O12) с примесью неодима. Основные линии энергии накачки лежат здесь в области длин волн 750 - 810 нм, основной лазерный переход - на 1064 нм. (Возбуждаемы также и другие переходы.)
Описанный неодимо-иттриево-алюминиевый гранат является одним из многих возможных материалов, применяемых в лазерах. Приемлемы также многие другие материалы; требуется лишь, чтобы они принципиально могли излучать свет (флюоресцировать) и обладали метастабильным состоянием с возможно более высокой устойчивостью или временем жизни. Возбуждение этого состояния должно осуществляться с высоким КПД (что обусловливает относительно малую мощность накачки), и, наконец, материал должен обладать малыми оптическими потерями.
Некоторые газы хорошо соответствуют перечисленным условиям, поэтому можно построить так называемый газовый лазер. Один из наиболее известных газовых лазеров использует в качестве активного материала смесь из гелия и неона, где энергия возбуждения подводится в форме электрического разряда в газе. В тонкой стеклянной трубке длиной от нескольких десятков сантиметров до 1 м разряд зажигается между двумя электродами, впаянными в корпус трубки. При этом во всем объеме возбужденного газа внутри трубки возникают электроны, энергия которых служит для того, чтобы прежде всего перевести на более высокий энергетический уровень атомы гелия, которые в свою очередь в результате аналогичного эффекта возбуждают имеющиеся в незначительном количестве атомы неона. Эти атомы неона при описанном синхронизированном обратном переходе в основное состояние создают индуцированное излучение.
Техническим условием нарастания данного процесса в свою очередь является наличие оптического объемного резонатора, такого, какой получался в описанном выше твердотельном лазере при нанесении плоскопараллельных зеркальных слоев на обе торцевые поверхности кристалла. В газовом лазере активный элемент конструктивно отличается от активного элемента кристаллического лазера. Газоразрядная трубка сначала закрывается наклеенными стеклянными концевыми пластинками и затем - оптически точно выверенная - вносится в объемный резонатор, образованный двумя внешними зеркалами. В современных небольших газовых лазерах применяют также внутренние зеркала, располагаемые в газоразрядном пространстве. По крайней мере, одно из зеркал делается полупрозрачным, так чтобы часть света могла покидать резонатор ("окно Брюстера").
Так как длина волны генерируемого лазером света определяется разностью энергетических уровней соответствующих активных материалов (и вполне могут существовать одновременно несколько таких излучающих переходов), возможно излучение света различных длин волн. Так, лазер на He-Ne может принципиально излучать на трех различных длинах волн. Чаще всего он работает на длине волны 0,63 мкм. Эта длина волны соответствует красному свету видимого диапазона. Наряду с ним имеются возбужденные, невидимые для нас длины волн 1,15 и 3,39 мкм. Какая из трех возможных волн покинет объем резонатора, определяет конструктор лазера нанесением частотноселективной пленки на зеркало.
Необходимо подчеркнуть широту области изменения их параметров. Однако все газовые лазеры имеют существенное преимущество: высокую когерентность излучения, которому вначале придавали большое значение, оказалось при близком рассмотрении ненужным. Гораздо важнее когерентности для световой передачи сообщений оказалась простота возможности модуляции света, и как раз здесь у газового лазера оказались слабые стороны.
Модуляция газового лазера создается путем управления интенсивностью газового разряда. Этим достигается модуляция энергии выходящего излучения лазера. Однако скорость модуляции ограничена инерционностью газового разряда; наивысшая достижимая ширина полосы модуляции лежит в пределах нескольких тысяч герц, поэтому представляет собой малый интерес для техники связи.
Кроме названных, существенными недостатками газового лазера являются его размеры, механическая непрочность, высокие, требуемые для газового разряда рабочие напряжения и, наконец, ограниченный срок службы, обусловленный недолговечностью газоразрядной трубки. Все эти свойства исключают применение газового лазера в современной системе связи, тем более, если учесть прогрессирующее развитие полупроводниковой техники и особенно микроэлектроники. Относительно большие электронные лампы, которые еще господствовали в технике приборостроения 60-х годов, сегодня за редким исключением исчезли и представляют только исторический интерес. Полупроводниковый прибор господствует в широкой области электроники, требует невысоких рабочих напряжений и меньших (на несколько порядков) мощностей.
К этой элементной базе может быть отнесен только один источник света, который также построен на принципах полупроводниковой техники и изготовляется по такой же или аналогичной технологии,- полупроводниковый лазер.
Полупроводниковый лазер отличается от газового и твердотельного лазеров способом возбуждения. Он накачивается не световой энергией, а непосредственно электрической. К одному из p-n переходов, известных из полупроводниковой техники, прикладывается напряжение в направлении проводимости. Оно вызывает ток и путем нарушения равновесия носителей зарядов (электронов и дырок) - желаемую инверсию населенностей энергетических зон в области р-n перехода. Таким образом, полупроводник накачан, он запас энергию.
Если спонтанно и случайно произойдет переход от такого возбужденного состояния атомов в основное состояние (рекомбинация носителей заряда), то излучаемый свет будет некогерентен. Его мощность тем выше, чем больше прикладываемое напряжение, чем больше ток через p-n переход и чем больше число возбужденных атомов. В этом состоянии такой прибор еще не лазер, а светоизлучаючий диод.
Однако если повышать далее ток через переход, то при определенном токе при наличии обратной связи будет достигнуто такое усиление, когда будет выполняться условие самовозбуждения, являющееся предпосылкой стабильного излучения. При этом так называемом пороговом токе диод начинает генерировать лазерное излучение, это означает, что выходящий свет синхронизирован по фазе и когерентен. Теперь с возрастанием тока его мощность увеличивается приблизительно пропорционально току.
В твердотельном и газовом лазерах необходимо наличие зеркальных поверхностей для образования оптических резонаторов. В полупроводниковом лазере объем резонатора много меньше: p-n переход, в области которого образуется индуцированное излучение, имеет толщину менее 1 мкм и ширину несколько десятков микрометров. Крепление зеркал при таких габаритах затруднено, да в этом и нет необходимости, так как очень высокий коэффициент преломления арсенида галлия (GaAs), который сегодня применяется в качестве основного материала для светоизлучающих диодов, позволяет реализовать функцию отражения в самом кристалле. Так, если разломить кристалл полупроводника в определенном направлении, то ровные поверхности излома работают аналогично отражателям оптического резонатора.
Когда к началу 60-х годов появились первые пригодные к эксплуатаций лазеры, стало очевидным, что свет предстал в новом качестве - когерентное электромагнитное колебание на несколько порядков раздвинуло границы применяемого в технике связи диапазона частот. Оптимистические расчеты едвали можно было опровергнуть: длины волн около 1 мкм соответствуют частоте 3*10^14 Гц. Если принять лишь 1% этого значения в качестве ширины полосы сигнала, которыми можно модулировать данное колебание, то получим значение 3000 Ггц. Это соответствовало бы приблизительно миллиарду телефонных разговоров или миллиону телевизионных программ, которые можно было бы передать одним единственным световым лучом! Известно, что самый лучший и самый дорогой коаксиальный кабель с медными проводниками обладает едва ли одной тысячной долей этой пропускной способности, и что в будущем крайне необходимо будет передавать информацию очень большого объема. Число телефонных абонентов в мировой телефонной сети постоянно и неудержимо растет, а растущие хозяйственные и промышленные отношения между странами и континентами требуют все больше качественных каналов связи. Когда же в сферу рассмотрения перспективных проектов включили возможность использования видеотелефона (а передача одного-единственного изображения требует почти тысячекратной пропускной способности по равнению с телефонным сигналом), то стало необходимым считаться с сильно возросшей потребностью в каналах передачи информации.
|
|
|
