Применение лазеров в связи и локации

Необходимость использования линз и зеркал больших разме­ров значительно усложняет устройство оптических лучеводов и увеличивает их стоимость.

Предлагается более совершенный способ ориентации луча, по которому используется совокупность пар отражателей, имеющих цилиндрическую поверхность. В каждой паре отра­жатели расположены по отношению друг к другу таким образом, чтобы их фокальные плоскости были взаимно ортогональными. Каждая пара отражателей представляет собой длиннофокусную линзу, причем расстояние между соседними парами приблизитель­но равно сумме их фокусных расстояний. Угол поворота светового луча каждой парой отражателей определяется ориентацией дан­ной пары по отношению к некоторой плоскости. Такая система ха­рактеризуется весьма малыми потерями, широкополосностью и про­стотой конструкции.

1.4.3 Волоконные волноводы

Волоконный волновод явля­ется вариантом диэлектрического стержневого волновода.

В волноводах большого диаметра (10+100 мк) условия рас­пространения волн аналогичны условиям в отражающей трубе, за исключением того, что волокно может быть изогнуто на небольшой угол без существенного увеличения потерь. Распространение волн идет почти целиком внутри волокна, и затухание передаваемого сигнала определяется потерями в диэлектрике волокна. Такие многомодовые волоконные волноводы используются уже давно, но в связи со сравнительно большими потерями их применение огра­ничивается только короткими трактами передачи.

В волноводах малого диаметра (менее 0,1 мк) большая часть энергии идет снаружи волокна в виде поверхностной волны. В свя­зи с этим затухание волн невелико. Потери в этих одномодовых волноводах могли бы быть меньше 10 дб/км, но здесь возникают трудности их закрепления на большом протяжении. Малая вели­чина потерь может быть реализована только в том случае, если по­верхность волокна не имеет изъянов и точек соприкосновения с другими предметами. Для получения хорошего состояния поверх­ности стекло полируют па пламени. Волокно крепится методом плакировки, т. е. нанесением поверхности слоя, причем коэффи­циент преломления этого слоя должен быть меньше, чем самого волокна. Поверхностная волна, распространяясь в таком плаки­рующем, слое (толщиной в десятые доли микрона), уже не возмущается поддерживающими линию деталями.

1.4.4 Газовые волноводы

В волноводах второго класса нет необходимости делать резкую границу между диэлектриком и сво­бодным пространством. В этом случае можно применить плавное уменьшение величины диэлектрической проницаемости в попереч­ном сечении волновода. Такие волноводы можно получить, напри­мер, воздействием силовых полей с цилиндрической симметрией на трубку, например из двуокиси углерода. Очевидно, такие труб­ки могут служить эффективным оптическим волноводом.

Основное преимущество газовых волноводов заключается в ма­лом затухании, так как потери в таких газах ничтожны. Однако из-за малости коэффициента преломления эти волноводы не так эффективны при наличии изгибов, как волоконные.

1.4.5 Оптические микроволноводы

Принцип работы опти­ческого микроволновода основан на малости затухания при рас­пространении поверхностной волны (рисунок 1.12, а). В простейшем виде показан оптический микроволновод, который состоит из тон­кой Диэлектрической пленки 1, которая закреплена в поддерживающей системе 2. Микроволновод возбуждается параллельным пучком лучей так, что электрическое поле имеет поляризацию, перпен­дикулярную пленке. Толщина пленки составляет доли длины вол­ны (около 0,05 мк), а ширина пленки позволяет свободно пропус­тить весь пучок света, обычно 10 000 длин волн.

Рисунок 1.12 - Типы оптических микроволноводов

Распространяющаяся по пленке мода является плоской поверх­ностной волной, симметричной средней плоскости пленки. Большая часть энергии идет снаружи пленки и только небольшая ее часть проходит внутри. Поэтому потери в линии сравнительно малы.

В плоскости, перпендикулярной поверхности пленки, микро­волновод можно изгибать без существенного увеличения потерь.

В плоскости, параллельной пленке, изгиб можно делать, только при­меняя скрутки на 90°, так как в этой плоскости волновод за собой «поле не ведет».

Внешнее конструктивное выполнение оптического микроволно­вода определяется технологическими соображениями. Оболочка не участвует в передаче волн и служит только для защиты и креп­ления пленки. Существует много способов крепления тонкой плен­ки. На рисунке 1.12, б показан пленочный волновод, поддерживаемый конфокальной системой линз, где 1 — тонкая пленка, 2 - миниатюрные линзы. Однако подобные структуры имеют большой недо­статок изгибы в них могут осуществляться только в одной плос­кости На рисунке 1.13, в изображен волновод в виде скрученной плен­ки. Здесь пленка в виде непрерывной скрутки помещена в гибкую защитную трубу. Такой волновод может иметь изгибы в любой плоскости при условии, что радиус изгиба велик по сравнению с пе­риодом скручивания.

Итак, имеется значительное количество типов световодов и лучеводов, каждый из которых имеет свои достоинства и не­достатки.

Основное достоинство световодов — их способность преодоле­вать неровности, изгибы, недостаток — сравнительно большое за­тухание.

Лучеводы имеют меньшее затухание, однако они чрезвычайно чувствительны к смещениям грунта, требуют высокоточной юстировки, плохо преодолевают плавные изгибы. Применение автома­тической юстировки уменьшает указанные недостатки. Однако при этом значительно возрастает сложность и стоимость системы.

2 Применение лазеров в радиолокационных системах

Основные преимущества лазерных радиолокационных систем следующие: большая дальность действия при относительно малой потребляемой мощности, высокая точность измерения дальности и угловых координат, малые шумы в приемных устройствах, труд­ность создания помех, малые габариты и вес. Все это обеспечивает перспективность использования оптических радиолокационных сис­тем. Особенно перспективна оптическая локация в космосе при слежении за спутниками, для радиолокации планет и т. д.

Радиолокационная система для определения расстояния до цели содержит лазерный передатчик, триггерный механизм, оп­тический приемник с фильтром монохроматического света, отраженного от цели; считывающее устройство, связанное с оптическим приемником и триггерным устройством.

Рисунок 2.1 - Оптический локатор

На рисунке 2.1 изображена схема оптической радиолокационной системы. Лазер 1 представляет собой стержень 2 из активного ве­щества, например из рубина. Стержень окружен газоразрядной лампой 3, на которую поступают импульсы от источника энергии накачки 4. Синхронизатор 5 приводит в действие источник 4, кото­рый зажигает лампу 3, в результате чего лазер излучает луч 6 ко­герентного света по направлению к цели. Синхронизатор обеспечи­вает также горизонтальную развертку лучей двух осциллографов 7 и 8 — считывающих устройств системы. Выходной луч лазера фиксируется детектором 9, который подключен к осциллографу 7. На осциллографе появляется импульс 10, соответствующий момен­ту передачи выходного импульса лазера. Луч 6 лазера отражается от цели 11 и через некоторое время принимается оптическим при­емником 12. Отраженный от цели луч 13 попадает на параболичес­кий рефлектор 14 и фокусируется в фотоэлементе 15. Фотоэлемент подключен к осциллографу 8, который регистрирует принимаемый от цели световой импульс. Разница во времени между импульсами 10 и 16 па обоих осциллографах является мерой расстояния от системы до цели 11.

1	2	3	4	5	6	7	8