АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха»

Квантовые приборы оптического и СВЧ диапазонов


М. Ф. Стельмах

Квантовая электроника – одна из новейших областей науки и техники, созданная за последние 10 – 15 лет. Ее возникновение подготавливалось развитием квантовой механики и теории излучения, радиофизики и радиоспектроскопии, физики твердого тела и физики низких температур, оптики и светотехники, полупроводниковой и электронной техники.

В квантовой электронике используются новые принципы генерирования и усиления электромагнитных волн, что позволяет получать результаты, недостижимые в классической электронике.

В обычной вакуумной электронике усиление и генерирование электромагнитных колебаний осуществляется при взаимодействии свободных электронов с электромагнитным полем. Развитие этого принципа позволило создать большое количество типов приборов для усиления, генерирования и преобразования излучения различных диапазонов длин волн. Эти приборы составляют основу современной радиоэлектроники.

На пути развития некоторых приборов классической электроники встречаются серьезные трудности, в ряде случаев – принципиальные. Это в первую очередь относится к повышению стабильности частоты источников излучения, определяемой в этих приборах добротностью внешних резонансных контуров; к уменьшению собственных шумов, ограниченному дробовыми эффектами в электронном пучке; к генерации коротких волн, где пределы ставятся технологическими возможностями изготовления миниатюрных замедляющих систем или высокодобротных резонаторов.

В квантовой электронике для усиления и генерирования электромагнитных волн используется принцип индуцированного излучения в атомах и молекулах вещества, сформулированный Эйнштейном в 1917 г. Индуцированное излучение состоит в том, что возбужденные атомы (молекулы) вещества под влиянием внешнего электромагнитного поля излучают энергию с той же частотой, фазой и поляризацией и в том же направлении, что и внешнее излучение.

С этим эффектом непосредственно связана когерентность электромагнитных волн, излучаемых квантовыми приборами, отличающая их от обычных источников оптического излучения. Для создания квантового прибора необходимо тем или иным методом получить вещество с так называемой инверсной населенностью уровней энергии, когда количество атомов или молекул в возбужденном состоянии оказывается больше, чем в основном состоянии. Необходимо также обеспечить взаимодействие возбужденного вещества с внешним электромагнитным полем и создать условия для многократного прохождения через среду и усиления случайно возникших первичных фотонов излучения. Обычно это достигается использованием резонатора.

В настоящее время разработаны методы получения инверсной населенности уровней в твердых телах, жидкостях и газах, в плазме и полупроводниках. Для создания молекулярных генераторов, используемых в качестве стандартов частоты и времени, используются разреженные молекулярные пучки, обладающие узкими линиями атомных переходов. В квантовых парамагнитных усилителях (КПУ), обладающих низкими уровнями шума, применяются диэлектрические парамагнитные кристаллы, находящиеся при температуре жидкого гелия или азота.

Оптические квантовые генераторы были разработаны как на твердых телах (активированные кристаллы и стекла, полупроводники), так и на жидкостях и газах.

Методы квантовой электроники позволили существенно превзойти параметры электронных приборов. На молекулярных генераторах реализована стабильность частоты 10-11, на много порядков превышающая стабильность обычных генераторов. В КПУ достигнута шумовая температура ниже 10 К. Приборы квантовой электроники продвинулись в оптический диапазон и охватывают ныне область длин волн от глубокого ультрафиолета (λ ≈ 0,2 мкм) до далекой инфракрасной и субмиллиметровой областей, где они смыкаются с приборами классической электроники.

Когерентные оптические квантовые генераторы (ОКГ) способны генерировать излучение весьма высокой направленности, ограниченной лишь дифракционной расходимостью пучка. Это позволяет передавать энергию на очень большие расстояния. Высокая частота излучения позволяет передавать информацию по громадному количеству каналов. Фокусированное излучение ОКГ отличается высокой концентрацией энергии в малых объемах и может быть использовано для плавления и испарения любых материалов.

ОКГ с модуляцией добротности резонатора позволяют получать значительную энергию в очень малые промежутки времени, т. е. обладают рекордно высокой мощностью излучения. При фокусировании такого излучения внутри вещества удается получать напряженности электрического поля, соизмеримые с внутренними атомными полями. Здесь открывается целая область новых физических явлений – нелинейная оптика. Методы нелинейной оптики позволяют изменять частоту ОКГ, генерировать гармоники и субгармоники и создавать параметрические генераторы с плавной перестройкой частоты.

Разные типы ОКГ обладают существенно различными параметрами. ОКГ на рубине и активированном стекле дают максимальные значения энергии в импульсе (до нескольких тысяч джоулей) и мощности в режиме модуляции добротности (до 1010 Вт). Однако к. п. д. таких генераторов не превышает 1 – 3%.

Газовые квантовые генераторы обладают наибольшей направленностью, когерентностью и монохроматичностью излучения. На молекулярных газовых лазерах в далеком инфракрасном диапазоне (10,6 мкм) удается получать высокие непрерывные мощности (до 104 Вт) при к. п. д. свыше 10%. Однако эти лазеры имеют очень большие габариты и требуют пока непрерывной прокачки рабочей смеси.

Полупроводниковые лазеры потенциально имеют очень высокий к.п.д., обладают малыми размерами и высокой яркостью излучения. Однако по расходимости излучения эти лазеры уступают другим типам ОКГ. Новые интересные возможности можно ожидать от еще сравнительно мало развитых жидкостных лазеров.

Развитие лазерной техники происходит в условиях соревнования между различными типами ОКГ. При этом темпы развития настолько высоки, что срок в один год часто приводит к существенной переоценке возможностей различных типов генераторов.

Области применения приборов квантовой электроники уже начинают складываться. Это вакуумная и полупроводниковая технология и микроэлектроника, дальнометрия, оптическая локация, связь и навигация, сверхточные измерения, голография, медицина, биология и др. Применение квантовых приборов непрерывно расширяется.

Существенный вклад в развитие квантовой электроники сделан советскими учеными. Им принадлежит приоритет в ряде фундаментальных исследований и открытий. Пионерские работы В. А. Фабриканта и его сотрудников по усилению света на основе индуцированного излучения отмечены присуждением диплома на открытие с приоритетом от 18 июня 1951 г. [1].

Работы академиков А. М. Прохорова и Н. Г. Басова и их научных коллективов в области квантовой электроники получили всеобщее признание в СССР и за рубежом. Большая группа советских ученых за работы в области полупроводниковых квантовых генераторов удостоена Ленинской премии.

В развитие квантовой электроники в Советском Союзе наряду с институтами Академии наук и высшими учебными заведениями существенный вклад внесли коллективы отраслевых институтов различных министерств и ведомств, выполнившие ряд оригинальных исследований и разработок и создавшие промышленные образцы приборов квантовой электроники.

В настоящей статье излагается современное состояние и перспективы отдельных направлений квантовой электроники, приводятся данные о разработанных и выпускаемых промышленностью приборах и их применениях в народном хозяйстве страны.

Квантовые стандарты частоты и времени

Молекулярный генератор на пучке молекул аммиака, разработанный в 1955 г. в СССР и США, явился не только первым прибором квантовой электроники, но и первым квантовым стандартом частоты и времени.

В этом приборе подготовка системы молекул к излучению осуществляется отбором молекул, находящихся в верхнем энергетическом состоянии. Такой отбор производится путем пропускания пучка молекул аммиака через неоднородное электрическое поле специальной формы. Пролетая затем через резонатор высокой добротности, молекулы испытывают индуцированные переходы в нижнее энергетическое состояние, отдавая энергию полю резонатора. При выполнении определенных условий в резонаторе устанавливаются непрерывные колебания. Так как частота этих колебаний определяется используемым энергетическим переходом в молекуле аммиака, то она в чрезвычайно малой степени подвержена влиянию внешних дестабилизирующих факторов.

Исследования физических процессов, лежащих в основе работы молекулярных генераторов, и работы по усовершенствованию их конструкции, проводившиеся в ряде научно-исследовательских организаций Советского Союза, завершились созданием генераторов с относительной нестабильностью и погрешностью номинального значения частоты колебаний, не превышающей 10-11. В настоящее время молекулярный генератор используется в качестве государственного эталона службы частоты и времени СССР.

На основе молекулярного генератора промышленностью разработаны и выпускаются стандарты частоты широкого применения. В 1966 г. был проведен успешный эксперимент по запуску молекулярного генератора на искусственном спутнике Земли [2]. Этот эксперимент, проведенный в Советском Союзе впервые в мире, открыл перспективы применения молекулярных генераторов в космической связи и навигации. Среди работ по созданию молекулярных стандартов частоты следует отметить создание организациями МЭП автономного молекулярного генератора на аммиаке, работающего без водяного охлаждения с использованием безмасляных высоковакуумных насосов.

Несмотря на уже достигнутые высокие характеристики молекулярных генераторов, требования к дальнейшему увеличению стабильности и точности номинального значения частоты колебаний продолжают увеличиваться. В ряде применений – навигации, допплеровской локации, метрологии, службе времени, в физических исследованиях – требуются относительная стабильность и точность номинального значения частоты колебаний вплоть до 10-13 и выше. Эти потребности стимулировали развитие и появление целого ряда квантовых приборов, либо непосредственно генерирующих колебания сверхстабильных частот, либо позволяющих стабилизировать частоту колебаний классических генераторов (обычно кварцевых) с высокой точностью.

В 1961 г. был предложен квантовый генератор на пучке атомарного водорода. По принципу действия этот прибор близок к молекулярному генератору и отличается от него тем, что в приборе создаются условия для длительного взаимодействия атома водорода, находящегося в верхнем энергетическом состоянии, с полем резонатора. Увеличение времени взаимодействия приводит к очень узкой линии излучения и, соответственно, к высокой стабильности и точности номинального значения частоты генерируемых колебаний. Развитие этого направления в ФИАН и других организациях привело к созданию генераторов с относительной нестабильностью частоты колебаний, не превышающей 10-12.

Другой цикл исследований, начатых в начале 60-х годов, завершился получением квантовых генераторов на парах изотопа рубидия-87 с оптической накачкой. Эти приборы характеризуются высокой стабильностью частоты генерируемых колебаний и наименьшими, по сравнению со всеми другими квантовыми стандартами частоты, размерами и весом. Эти особенности открывают широкие перспективы использования рубидиевых генераторов в космической технике, авиации и т. п.

Наиболее высокую долговременную стабильность при высокой точности номинального значения частоты генерируемых колебаний обеспечивают атомнолучевые цезиевые трубки. Эти приборы представляют собой высокодобротные частотные дискриминаторы. С их помощью осуществляется автоматическая подстройка умноженной частоты колебаний кварцевого генератора по частоте энергетического перехода в атомах цезия. В Советском Союзе на предприятиях МЭП был проведен большой цикл исследовательских работ, в результате чего было разработано несколько типов атомнолучевых цезиевых трубок для стандартов частоты, позволяющих обеспечить стабильность частоты генерируемых колебаний в течение всего времени эксплуатации не хуже 10-11. Эти приборы в настоящее время выпускаются промышленностью. Ведутся работы по дальнейшему увеличению долговременной стабильности до 10-12 и выше. Одна из атомнолучевых трубок представлена на рис. 1.

Атомнолучевая цезиевая трубка АЛТ-2
Рис. 1. Атомнолучевая цезиевая трубка АЛТ-2
Длина 65 см

Здесь описаны далеко не все типы квантовых стандартов частоты. Но и из приведенного краткого обзора видно, что развитие этой области квантовой электроники привело к фундаментальным изменениям в технике стабилизации частоты и позволило совершенно по-новому ставить и решать целый ряд важных научных и технических задач. Советские исследователи внесли в эту область значительный вклад.

Квантовые парамагнитные усилители (мазеры)

Квантовые парамагнитные усилители (КПУ) осуществляют усиление слабых СВЧ сигналов за счет индуцированного излучения системы парамагнитных ионов в диэлектрическом кристалле. Возбуждение активного вещества производится внешним источником электромагнитного поля (например, клистроном).

Заметим, что для успешной работы КПУ необходимы кристаллы с небольшой примесью парамагнитных ионов, когда отсутствует сильное взаимодействие ионов друг с другом, препятствующее созданию инверсной населенности. Кроме того, кристаллическое поле видоизменяет энергетический спектр парамагнитных ионов. В мазере активное вещество помещается во внешнее магнитное поле, регулировкой которого можно изменять энергетический спектр ионов и таким образом – резонансные частоты сигнала и излучения накачки.

Для увеличения взаимодействия электромагнитного поля сигнала с веществом последнее помещается в резонатор или замедляющую систему.

Так как эффективность усиления КПУ растет с понижением температуры, обычно используются температуры жидкого гелия.

Первые квантовые усилители были созданы в 1957 – 1958 гг. Главным преимуществом их явилась чрезвычайно низкая температура шумов, которая более чем на порядок была ниже температуры шумов электронных приборов – ламп бегущей волны и квадрупольных усилителей.

Практическое использование квантовых парамагнитных приборов определяется в значительной степени такими техническими характеристиками, как ширина полосы, усиление и шумовая температура. Области применения КПУ – радиоастрономия, радиолокация космических объектов, связь и телевидение через искусственные спутники Земли и др. [3]. Совершенствование КПУ идет по пути усовершенствования его элементов. Так, например, замена СВЧ резонатора на замедляющую систему, в которой реализуется бегущая волна, позволила существенно расширить полосу усиления, увеличить стабильность усиления и уменьшить уровень шумов. Замена громоздкого постоянного магнита весом 100 кг и более на сверхпроводящий магнит весом всего 2 – 3 кг позволила получить легкий, с приемлемыми для практики весом и размерами усилитель. Переход на новое активное вещество – монокристалл рутила с примесью ионов хрома и железа – дает возможность создать усилитель с малым временем восстановления чувствительности после воздействия на него сильного сигнала.

В СССР такие работы начались в 1957 – 1958 гг. в институтах АН и в некоторых отраслевых институтах. Проведение исследований на предприятиях МЭП привело к созданию ряда приборов.

Впервые в СССР был разработан мазер бегущей волны дециметрового диапазона на новом активном материале – рутиле с примесью хрома и со сверхпроводящим магнитом [4]. Такой усилитель обладает предельно низкими шумами (сам усилитель имеет шумовую температуру порядка 10 К) и малым временем восстановления чувствительности после воздействия на него зондирующего импульса передатчика или помех, что выгодно отличает его от КПУ на рубине. Сложность создания такого усилителя заключается не только в получении монокристалла рутила с хорошими характеристиками, но и в создании эффективной замедляющей системы с учетом чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемости рутила и большого тангенса угла потерь.

В 1966 г. разработан мазер бегущей волны сантиметрового диапазона на рубине (рис. 2). Рабочие характеристики этого мазера значительно лучше, чем у аналогичных более ранних отечественных и у некоторых зарубежных мазеров. Так, полоса усиления его составляет 35 МГц при усилении не менее 20 дБ. Усилитель имеет сверхпроводя-щий магнит и сверхпроводящую дополнительную катушку для регулировки полосы усиления в пределах 20 – 50 МГц при усилении соответственно 30 – 16 дБ. Использование такого усилителя в глобальной системе связи и телевидения повысит качество, и надежность приема.

Квантовый парамагнитный усилитель бегущей волны сантиметрового диапазона в гелиевом криостате
Рис. 2. Квантовый парамагнитный усилитель бегущей волны сантиметрового диапазона в гелиевом криостате

Описанные выше усилители работают при температуре жидкого гелия, для чего используются гелиевые криостаты. Следующим этапом, обеспечивающим более широкое внедрение квантовых парамагнитных усилителей, является переход на гелиевые микроохладители с замкнутым циклом, что значительно упростит эксплуатацию приборов.

Дальнейший прогресс в этой области квантовой электроники происходит в следующих направлениях: освоение новых диапазонов: поиски новых парамагнитных веществ; совершенствование системы охлаждения; улучшение эксплуатационных характеристик.

Оптические квантовые генераторы на активированных диэлектрических кристаллах и стеклах (твердотельные ОКГ)

Первым оптическим квантовым генератором был генератор на твердом теле, а именно – на кристалле рубина. Возбуждение в таких ОКГ создается мощными лампами накачки.

Активный элемент помещается в оптический резонатор из двух плоско-параллельных зеркал и в осветитель с лампами накачки. Излучение ламп накачки в широком спектре поглощается активными ионами и преобразуется в мощное когерентное монохроматическое излучение. В кристалле рубина активными ионами являются ионы хрома, содержащиеся в качестве небольшой примеси (около 0,05%). При определенных условиях (в режиме модуляции добротности) активные ионы могут накапливать энергию накачки примерно за 10-3 сек и испускать ее в виде очень короткого и мощного лазерного импульса.

Основным достоинством твердотельных квантовых генераторов является возможность получения с их помощью больших значений энергии и мощности в импульсе, которые необходимы для воздействия излучения на вещество и создания систем оптической локации и связи. Однако к.п.д. преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения для генераторов этого типа остается сравнительно низким. Поэтому наряду с повышением энергии и мощности в импульсе и увеличением частоты повторения импульсов большое внимание в процессе исследований и разработок уделяется увеличению к. п.д. генераторов, повышению надежности и срока их службы. Эти задачи решаются путем повышения качества активных элементов (в первую очередь, рубина и стекла с неодимом), улучшения конструкции осветителей и систем охлаждения путем улучшения спектральных и энергетических характеристик источников накачки. Были начаты работы по практическому применению ОКГ для обработки различных материалов. Одной из таких работ было создание в конце 1963 г. макета лазерной технологической установки и проведение с ее помощью технологических поисков, а через год была выпущена первая партия технологических установок и передана в различные учреждения и на предприятия для изучения возможных областей использования лазерной обработки материалов [5].

В настоящее время создана серия лазерных технологических установок с различными параметрами светового излучения (см. таблицу).

Одна из них (К-ЗМ, рис.3) позволяет произ-водить обработку мате-риалов импульсами излучения с максималь-ной энергией до 3 Дж, с изменением длитель-ности импульса от 0,6 до 5 мсек и частотой повторения 3 имп/мин. Установка снабжена системой стабилизации энергии излучения.

Лазерная технологическая установка К-3М
Рис. 3. Лазерная технологическая установка К-3М

Параметры технологических установок

Параметр К-3К-3М«Луч-1»«Луч-1М»«Луч-1П»«Луч-10»«Квант-3»
Максимальная энергия на выходе, Дж.11 - 31212до 15
Длительность импульса, мсек10,6; 1; 2; 3,5; 522210.5 - 5
Наибольшая частота следования3 имп. в мин.3 имп. в мин.4 имп. в сек.до 4 имп. в сек.1 имп. в сек.до 10 имп. в сек.до 4 имп. в сек.
Активный элементРубинРубинРубинРубинРубинРубинСтекло с Nd
ОхлаждениеСеть сжатого воздухаСеть сжатого воздухаВодопроводЗамкнутое с дистиллированной водой, теплообмен к водопроводуЗамкнутое с дистиллированной водой, теплообмен к водопроводуЗамкнутое с дистиллированной водой и холодильным агрегатомЗамкнутое с дистиллированной водой и холодильным агрегатом

Применение совершенной оптической системы дает возможность получать в металлических пленках отверстия диаметром до 3 мкм. В настоящее время налажен серийный выпуск этих установок. Они применяются для изготовления фильер при производстве синтетических волокон, корректировки пленочных сопротивлений, приварки тонких выводов в полупроводниковых и электровакуумных приборах, изготовления жиклеров и т. п.

Образцы технологических установок К-3М и «Луч-1» демонстрировались на международных выставках и получили высокую оценку зарубежных специалистов.

В настоящее время ведутся работы по использованию твердотельных ОКГ в масс-спектрометрии, для сверхбыстрой передачи информации, для систем оптической локации и в медицине.

Достигнутые в настоящее время предельные значения уровней энергии и мощности ограничены стойкостью активных веществ. Поэтому исследования механизма разрушения активных элементов и изыскание путей повышения их стойкости являются кардинальными проблемами в области твердотельных ОКГ.

Для создания твердотельных ОКГ непрерывного действия важное значение имеют работы, направленные на снижение порогов возбуждения. В связи с этим большой интерес представляет разработка таких материалов, как кристаллы вольфрамата кальция с примесью неодима, кристаллы фтористого кальция с диспрозием, алюмо-иттриевого граната с неодимом и граната с тройными легирующими примесями, в которых за счет внутренней передачи энергии между активными ионами существенно расширяются полосы поглощения энергии накачки и увеличивается эффективность преобразования энергии накачки в когерентное излучение.

Полупроводниковые квантовые генераторы (ПКГ)

Другим типом ОКГ на твердом теле являются полупроводниковые квантовые генераторы, в которых в качестве активного вещества используются кристаллы полупроводников. В отличие от твердотельных ОКГ, где рабочие переходы происходят между отдельными энергетическими уровнями изолированных активных ионов, внедренных в кристаллическую матрицу, в ПКГ состояние инверсии для электронов осуществляется между зоной проводимости и валентной зоной, т. е. между состояниями с квазинепрерывным спектром энергетических уровней.

Отличительными особенностями ПКГ являются очень большой коэффициент усиления в активной зоне, а также наличие самопоглощения излучения вследствие поглощения на свободных носителях.

К настоящему времени ПКГ удалось осуществить на полупроводниках с так называемой «прямой» структурой зон, у которых велика вероятность излучательной межзонной рекомбинации носителей. На полупроводниках с непрямыми межзонными переходами (таких как кремний и германий) создать ПКГ пока не удалось.

Существует три типа ПКГ – инжекционные на р–n-переходе; с возбуждением электронным лучом и с фотовозбуждением.

Инжекционные ПКГ на р–n-переходе

Инжекционные ПКГ являются приборами, непосредственно преобразующими энергию электрического тока в энергию когерентного светового излучения.

Инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый диод; которому придается специальная геометрическая форма оптического резонатора. Отражающие плоскости образуются на границе полупроводника и среды, в которой работает диод (воздух, вакуум, жидкий азот и т. д.), за счет различия в коэффициентах преломления полупроводника и среды. Иногда на одну грань полупроводникового кристалла наносят отражающее покрытие.

При протекании тока через диод в р-области, прилегающей к р–n-переходу, накапливаются неравновесные электроны, которые рекомбинируют на свободные акцепторные уровни или свободные состояния в валентной зоне (дырки) с излучением световых квантов, энергия которых близка к энергии ширины запрещенной зоны полупроводника. При превышении определенной плотности тока, называемой пороговой, усиление света, обусловленное инверсией в распределении носителей и стимулированными переходами, превосходит потери, и возникает генерация света. Размер активной области генерации в направлении, перпендикулярном плоскости р–п-перехода, обычно составляет 1 – 2 мкм, что сравнимо с длиной волны генерации.

Инжекционный ПКГ на р–n-переходе включает в себя лазерный диод, систему токовой накачки и систему охлаждения, если последняя необходима.

Инжекционные ПКГ обладают целым рядом значительных достоинств, к которым относятся: прямое преобразование электрической энергии в энергию когерентного светового излучения; высокий к.п.д. преобразования; малые габариты (обычные размеры лазерного диода 0,3x0,4x0,1 мм3); легкость модуляции излучения входным током; возможность работы при достаточно больших частотах повторения импульсов и в непрерывном режиме.

Недостатками инжекционных ПКГ являются относительно большая расходимость излучения, малые импульсные энергии, которые может отдать ПКГ, что обусловлено его малыми размерами.

В настоящее время созданы инжекционные лазеры на целом классе полупроводниковых соединений типа АIIIВV и АIIВVI (например, арсенид галлия, теллурид свинца и т. п.). Диапазон длин волн, охватываемый в настоящее время инжекционными ОКГ, простирается от 0,7 до 11 мкм, т. е. от видимой области до далекой инфракрасной.

Наибольшему исследованию подверглись инжекционные лазеры на арсениде галлия, для которых получены наилучшие результаты.

В СССР разработкой полупроводниковых инжекционных лазеров занимаются институты АН СССР и ряд отраслевых институтов.

На предприятиях МЭП созданы и выпускаются промышленностью полупроводниковые лазерные диоды на арсениде галлия, работающие в импульсном режиме при температуре жидкого азота (с импульсной мощностью до 5 Вт и более). Разработаны инжекционные лазеры с повышенной средней мощнос-тью (до 1 Вт), работающие при частотах повторе-ния до 105 Гц. На предприятиях МЭП впервые был осу-ществлен непре-рывный режим работы при темпе-ратуре жидкого азота (диод из арсенида галлия с диффузионным р–n-переходом). Мощность генера-ции составляет примерно 1 Вт. Разработаны также диоды, эффективно работающие при комнатной температуре. На их основе разработан портативный ПКГ на длине волны 0,9 мкм, не требующий охлаждения (рис. 4), со следующими параметрами:

  • мощность излучения в импульсе: 5 – 12 Вт
  • ток в импульсе: 100 – 120 А
  • длительность импульса: 150 нсек
  • частота следования импульсов: 1 кГц
Малогабаритный полупроводниковый лазер, работающий при комнатной температуре
Рис. 4. Малогабаритный полупроводниковый лазер, работающий при комнатной температуре

Параметры этого прибора находятся на уровне лучших зарубежных образцов ПКГ.

Потенциальные области применения инжекционных ПКГ:

  • дальномеры и высотомеры для автоматической посадки самолетов;
  • устройства для стыковки космических объектов;
  • различные виды оптических линий связи.

ПКГ с электронным возбуждением

Этот тип ПКГ отличается от инжекционного тем, что возбуждение неравновесных носителей в монокристалле полупроводника производится с помощью пучка быстрых электронов.

Достоинства этих приборов по сравнению с инжекционным ПКГ – больший объем работающего активного вещества, что позволяет получать большие импульсные мощности и меньшую расходимость светового луча; менее жесткие требования к выбору исходного вещества, что объясняется использованием однородного полупроводника, а не диодной структуры.

Генерация при электронном возбуждении получена на целом ряде веществ, например сульфиде кадмия, селениде кадмия и др., в интервале длин волн от 0,43 мкм до инфракрасной области.

Импульсные мощности достигают 102 – 103 Вт.

Основные работы в этом направлении в СССР выполнены в ФИАН [6].

ПКГ с фотовозбуждением

Эффективная накачка полупроводника светом возможна тогда, когда энергия световых фотонов близка к ширине запрещенной зоны.

В ФИАН были проведены исследовательские работы по накачке арсенида галлия мощным излучением рубинового лазера.

Практический интерес такие ПКГ могут, по-видимому, найти как преобразователи частот светового излучения.

Дальнейшие разработки полупроводниковых квантовых приборов ведутся с целью улучшения параметров ПКГ, повышения их срока службы, стабильности и надежности, создания эффективных источников тока и систем охлаждения.

Достигнутые параметры ПКГ еще, по-видимому, далеки от предельных. Резервы таятся в совершенствовании исходных материалов (снижении концентрации посторонних примесей, повышении качества кристаллической структуры и оптической однородности монокристаллов), создании специальной структуры р-п-перехода, обладающей малыми внутренними потерями, и дальнейшей отработке конструкции приборов.

В ближайшем будущем полупроводниковые квантовые генераторы смогут занять достойное место среди других приборов квантовой электроники.

Особого внимания заслуживает применение ПКГ в счетно-решающих устройствах.

Высокая частота когерентного излучения оптических квантовых генераторов различных типов принципиально позволяет производить операции передачи и обработки информации с большими скоростями переходных процессов, чем с помощью других методов.

Переход к световым частотам в качестве несущих во внутренних связях вычислительных машин позволит повысить тактовую частоту последних по крайней мере до 1010 Гц. Работы по созданию квантовых оптических элементов для вычислительной техники начались в 1961 г., когда была предложена первая в мире квантовомеханическая модель так называемого нейристора (устройства, моделирующего основные характеристики нервного волокна – аксона) [7].

Исследования работы нейтристора показали, что на основе таких устройств могут быть созданы схемы, способные выполнять комплекс операций дискретной логики, причем функциональная близость нейристора к живому аксону создает предпосылки для синтеза логических структур, более приближенных к логике биологических объектов, чем современные дискретные вычислительные устройства.

В результате успешного завершения работ в 1963 г. был впервые создан пороговый логический элемент на базе ОКГ на рубине и стекле с примесью неодима [8].

Особенно широкие возможности для применения квантовых оптических устройств в вычислительной технике открылись в связи с созданием полупроводниковых лазеров, обладающих значительно меньшей инерционностью и более высоким к.п.д. по сравнению с лазерами с твердотельными активными элементами. В 1962 г. была предложена модель нейристора на основе инжекционного полупроводникового лазера, а в 1966 г. был открыт так называемый «пичковый» режим генерации полупроводникового лазера, позволяющий получать одиночные импульсы излучения с длительностью около 10-10 сек [9], что дает возможность обеспечить создание макета узла квантово-оптической вычислительной машины с тактовой частотой около 1010 Гц.

Газовые ОКГ

В отличие от твердотельных ОКГ, основу которых составляют диэлектрические или полупроводниковые материалы, в газовых ОКГ используются вещества в газообразной и парообразной фазе. Для изоляции рабочего вещества от внешней среды применяются газоразрядные трубки, в основном изготавливаемые из стекла или кварца.

Рабочее вещество газовых ОКГ, представляющее собой свободные атомы или молекулы, при подаче энергии и создании определенного комплекса условий (давление, состав, температура и т. д.) может переходить в состояние с инверсной заселенностью уровней. В этом случае газовая среда обладает свойствами усиления света с длиной волны, соответствующей переходу между уровнями энергии с инверсной населенностью. Если такая среда помещена в оптический резонатор, образованный двумя плоскими или сферическими зеркалами, то при условии превышения величины усиления света над суммой потерь при прохождении луча между зеркалами возникает генерация. При этом часть подводимой энергии преобразуется в энергию когерентного излучения, выходящего в виде, узконаправленного яркого луча со стороны полупрозрачного зеркала.

Таким образом, основными элементами конструкции газового ОКГ являются трубка с газовой средой, возбуждаемой до состояния с инверсной населенностью, и оптический резонатор.

Наибольшее распространение получили газоразрядные ОКГ, в которых, возбуждение осуществляется при прохождении электрического тока через газ. Из газовых ОКГ с оптической накачкой наиболее эффективными являются ОКГ на фотодиссоциации молекул. Здесь инверсная заселенность в атомах или радикалах возникает при распаде исходных молекул под действием подводимой извне световой энергии. В химических лазерах, пока еще мало разработанных, инверсная заселенность образуется в продуктах реакции за счет химических превращений.

Газовые ОКГ обладают рядом преимуществ по сравнению с ОКГ других типов. Их основными отличительными особенностями являются высокая монохроматичность и направленность излучения, а также возможность получения генерации в больших объемах вещества при весьма совершенной оптической однородности активной среды, что недостижимо для ОКГ с рабочими веществами в конденсированной фазе.

Газоразрядные ОКГ можно условно разделить на три основных типа: ОКГ на нейтральных атомах инертных газов, ионные и молекулярные. Лазеры первого типа характеризуются небольшой величиной выходной мощности (порядка нескольких десятков милливатт) и дают генерацию главным образом в видимой и в ближней инфракрасной области; Типичным представителем лазеров этого типа является ОКГ на смеси гелия и неона, обеспечивающий генерацию в непрерывном режиме на трех основных длинах волн: 0,63; 1,15 и 3,39 мкм. Эти лазеры характеризуются как наименьшей шириной линии излучения, так и наименьшей расходимостью луча, приближающейся к дифракционному пределу.

Ионные ОКГ характеризуются значительно большей величиной выходной мощности, достигающей в непрерывном режиме десятков ватт. Основной диапазон работы, лазеров данного типа – видимая область спектра и ультрафиолет. В импульсном режиме ионные ОКГ обеспечивают также получение значительно больших величин выходной мощности по сравнению с лазерами первого типа.

На молекулярных ОКГ в настоящее время получены рекордные величины выходной мощности, достигающие нескольких киловатт в непрерывном и мегаватт в импульсном режимах, а рабочий диапазон простирается от ультрафиолета до инфракрасной области.

Наиболее перспективными из молекулярных лазеров являются ОКГ на СО2, генерирующие в области длин волн 10 мкм. Для них характерны высокие значения к.п.д., достигающие 10 – 20% при выходной мощности в непрерывном режиме порядка сотен ватт и киловатт, что пока недостижимо для других типов лазеров. Указанные особенности газовых ОКГ лежат в основе их широкого применения в научных исследованиях и народном хозяйстве.

В СССР работы по газовым ОКГ были начаты в 1962 г. После создания в ФИАН первого ОКГ на смеси Не–Nе исследования в этой области стали проводить и отраслевые научно-исследовательские институты.

В 1962 – 1963 гг. в СССР независимо от зарубежных работ [10, 11] развернулись исследования газового разряда в инертных газах с целью изыскания способов получения инверсной заселенности и детального изучения механизма возбуждения атомов. Эти исследования позволили по мере накопления данных сознательно подходить к достижению необходимых параметров излучения разрабатываемых ОКГ. Они дали также возможность постановки работ по повышению выходной мощности, коэффициента полезного действия и получению генерации на новых длинах волн. Впоследствии, помимо инертных газов, стали исследоваться пары металлов [12, 13] и молекулярные газы [14, 15]. В это, же время проводились изыскания наилучших конструкций газоразрядных трубок и оптических резонаторов, простых и надежных в эксплуатации, способных работать в различных климатических условиях.

В области технологии проводилось сравнительное обследование различных материалов для газоразрядных трубок и окон, изучалось взаимодействие наполняющего газа со стенками трубки и электродами, находились оптимальные условия изготовления активных элементов ОКГ. Были разработаны методы и комплекс аппаратуры для исследования процессов в газоразрядных трубках, измерения коэффициента усиления, выходной мощности, спектра, излучения, угла расходимости и других параметров газовых ОКГ. Созданы также специальная вакуумно-технологическая аппаратура и приборы контроля производства газовых ОКГ. Большая работа проведена по созданию прочных высокоотражающих диэлектрических покрытий для зеркал, разработаны различные типы юстировочных механизмов и конструкций оптических резонаторов. В процессе разработок созданы и испытаны разнообразные конструкции ОКГ, в том числе устойчивые по отношению к климатическим и механическим воздействиям.

Вслед за макетом гелий-неонового ОКГ на длине волны 1,15 мкм был освоен газовый лазер с излучением на длине волны 0,63 мкм, после чего основные усилия были направлены на создание серии промышленных приборов видимого диапазона спектра.

Газовый лазер ОКГ-11
Рис. 5. Газовый лазер ОКГ-11

За прошедшее пятилетие разработаны и переданы в серийное производство более десяти типов гелий-неоновых ОКГ на видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. Многие из этих приборов применяются в научных исследованиях и народном хозяйстве.

Газовый лазер ЛГ-24М
Рис. 6. Газовый лазер ЛГ-24М

Первые приборы универсального назначения ОКГ-11 (рис. 5), ЛГ-24М (рис. 6) и ЛГ-34М были разработаны и приняты к серийному производству еще в 1963 г. Лазер ОКГ-11, работающий на длине волны 0,63 мкм, получил широкое применение в разнообразных научных исследованиях и отдельных областях народного хозяйства. На его базе создан лазерный визир ЛВ-1 для управления движением горнопроходческого щита под землей. Прибор ЛГ-24М был использован при осуществлении первой в СССР экспериментальной оптической системы передачи телевизионных сигналов. Лазер ЛГ-34М явился прототипом прибора ЛГ-35 (рис. 7), имеющего чрезвычайно малую величину расходимости луча (около 1 угловой минуты) и предназначенного для для использования в оптических линиях связи.

Газовый лазер ЛГ-35
Рис. 7. Газовый лазер ЛГ-35

Среди других разработок следует отметить ЛГ-116 первый в мире гелий-неоновых лазер с поперечным разрядом (диодный лазер), отличающийся малым рабочим напряжением и высоким к. п. д.; малогабаритные лазеры ЛГ-55 (рис. 8), ОКГ-13, ОКГ-14 (рис. 9), используемые в светодальномерах и устройствах для заданий опорного направления при геодезических и строительных работах. В частности, ОКГ-14 используется в лазерном зенит-центрире ЛЗЦ-1 для задания вертикального направления при строительстве высотных сооружений и проходке вертикальных стволов шахт. ЛЗЦ-1 успешно использовался на строительстве высотной башни телецентра в Москве.

Газовый лазер ЛГ-55
Рис. 8. Газовый лазер ЛГ-55

Помимо лазеров непрерывного действия, был создан ряд импульсных ОКГ, в частности ЛГИ-15, работающий на длине волны 1,15 мкм и имеющий мощность в импульсе более 100 Вт. Среди других импульсных приборов следует назвать малогабаритный ОКГ на парах ртути с длиной волны 0,616 мкм и выходной мощностью 1 – 2 Вт при частоте повторения импульсов до 10 кГц. При одинаковых габаритах средняя выходная мощность этого прибора превосходит выходную мощность ОКГ видимого диапазона. Импульсный ОКГ на неоне обеспечивает получение импульсов генерации в зеленой области спектра длительностью 5 – 10 нсек, а импульсный ОКГ на ионизованном аргоне типа ЛГИ-26 позволяет получать излучение в сине-зеленой области спектра с мощностью 500 Вт при длительности порядка 1 мксек. ОКГ на молекулярном азоте, излучающий в ближнем ультрафиолете (0,337 мкм), имеет выходную импульсную мощность до 10 кВт при частоте следования 1 кГц и используется для проведения исследований в химии и биологии.

Малогабаритный газовый лазер ОКГ-13
Рис. 9(а). Малогабаритный газовый лазер ОКГ-13
Малогабаритный газовый лазер ОКГ-14
Рис. 9(б). Малогабаритный газовый лазер ОКГ-14

Помимо вопросов, связанных с освоением новых диапазонов спектра, повышением выходной мощности и улучшением эксплуатационных характеристик приборов, значительное внимание уделяется также исследованиям в области одночастотных ОКГ с очень узкой линией генерации, высокой стабильностью частоты и управляемой перестройкой частоты. Созданные первые макетные образцы высокостабильных одночастотных ОКГ открывают широкие возможности развития прецизионных устройств для измерения расстояний в точном машиностроении, измерения скоростей и ускорений, для применения в голографических устройствах и т. д.

Особо следует отметить применение газовых ОКГ в геодезии и навигации. Здесь возник новый класс приборов – квантовые оптические гироскопы, основой которых является ОКГ с кольцевым резонатором. Принцип действия квантового гироскопа основан на различии фазовых скоростей света, распространяющегося в двух различных направлениях по замкнутому контуру при его вращении вокруг оси, перпендикулярной плоскости резонатора.

Возникающая разность фаз световых лучей пропорциональна угловой скорости вращения контура.

Важным преимуществом квантовых гироскопов по сравнению с обычными устройствами, предназначенными для этих же целей, является более высокая чувствительность, быстродействие и устойчивость к механическим нагрузкам.

Научно-исследовательская и промышленная база для разработок и производства газовых ОКГ, созданная за истекшее пятилетие, позволит в дальнейшем еще более расширить фронт работ в этом направлении и обеспечить важнейшие отрасли народного хозяйства высокоэффективными и надежными приборами.

Нелинейная оптика и преобразование частоты излучения

На базе успехов в области твердотельных ОКГ быстро развилась новая отрасль оптики – нелинейная оптика. Методы нелинейной оптики позволяют производить эффективное преобразование излучения имеющихся ОКГ в другие диапазоны длин волн. Умножение и деление частот, генерация мощного, перестраиваемого по длине волны излучения, сложение и вычитание частот, оптическое детектирование, генерация дискретных спектров при вынужденном комбинационном рассеянии, генерация мощных гиперзвуковых волн, измерение мощности, самофокусировка лучей ОКГ – все эти проблемы нелинейной оптики привлекают пристальное внимание все большего числа исследователей во всех странах мира. Объясняется это огромным практическим значением указанных проблем для создания генераторов мощного когерентного излучения в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах.

Рассмотрим вкратце физические принципы преобразования частоты излучения, на которых основаны приборы нелинейной оптики. При распространении в оптической среде лучей света от обычных источников (солнца, ламп накаливания и т. п.) свойства среды (например, показатель преломления) остаются неизменными, т. е. не зависят от напряженности поля световой волны. Это связано с тем, что напряженности полей световых волн указанных источников малы по сравнению с напряженностью внутренних межатомных полей среды (107 – 109 В/см). Поэтому до открытия ОКГ в оптике наблюдались лишь отдельные нелинейные явления (нелинейное поглощение, комбинационное рассеяние).

Создание оптических квантовых генераторов позволило получить напряженности световых полей до 108 В/см, при которых свет оказывает влияние на свойства среды. Показатель преломления среды начинает зависеть от напряженности поля – среда становится нелинейной. Такие среды вносят нелинейные искажения в спектр частот распространяющегося луча света; спектр обогащается высшими гармониками и субгармониками, разностными и суммарными частотами; при определенных условиях энергия входной волны света может в значительной степени преобразоваться в энергию света на комбинационных частотах. Рассмотрим основные нелинейные явления в оптике.

Генерация суммарных частот. При прохождении сквозь нелинейную среду двух лучей света от источников с разными частотами ω1 и ω2 в среде возникает излучение суммарной частоты ω1 + ω2. Частным случаем такого сложения частот является удвоение частоты от одного источника. Весь видимый диапазон занимает чуть меньше октавы, поэтому удвоение частот видимого диапазона приводит к преобразованию излучения в ультрафиолетовое.

Генерация разностных частот. Одновременно с появлением излучения на суммарной частоте ω1 + ω2, возникает генерация на разностной частоте ω1 + ω2. Частным случаем такого вычитания является деление частоты источника накачки. Замечательное свойство этого явления – возможность распада кванта накачки частоты ω на два кванта частот ω1 и ω2 , причем ω1 + ω2 = ω, а ω1 и ω2 могут в пределах указанной суммы перестраиваться. На этом принципе основано создание перестраиваемых параметрических генераторов света. Перестройка может осуществляться как резонаторами, настроенными на соответствующие частоты, так и путем подачи соответствующего электрического смещения на нелинейную среду.

Вынужденное комбинационное рассеяние. При комбинационном рассеянии одной из частот взаимодействующих волн является частота ω0 колебаний молекул, из которых состоит вещество, а другой – частота ω1 излучения ОКГ. В результате в нелинейной среде возникает излучение целого спектра частот n*ω0 + m*ω1, где n, m – целые числа. Коэффициент преобразования излучения ОКГ в излучение комбинационных частот может достигать значительной величины (до нескольких десятков процентов).

Оптическое детектирование. Один из частных случаев генерации разностной частоты – самовычитание частоты ОКГ, т.е. генерация «постоянной составляющей света» в нелинейной среде. При прохождении луча света через нелинейную среду в последней возникает постоянная поляризация, величина которой пропорциональна мощности луча. На основе такого явления могут быть разработаны измерители мощности ОКГ с повышенной точностью измерений.

Самофокусировка света. Явление самофокусировки света сопутствует большинству явлений нелинейной оптики и заключается в следующем. При распространении в среде мощного излучения ОКГ коэффициент преломления среды внутри луча оказывается больше, чем вне луча. Вследствие этого луч создает линзу для самофокусировки и сжимается до нитей порядка нескольких микрон.

Явления нелинейной оптики возникают при распространении света в различных средах – кристаллах, жидкостях, газах, в прозрачных и поглощающих средах.

В умножителях частоты и параметрических перестраиваемых генераторах в качестве рабочего вещества используются прозрачные кристаллические среды. Классическим нелинейным кристаллом является дигидрофосфат калия (КДП). На нем впервые было осуществлено синхронное умножение частоты ОКГ. Кристаллы этого типа позволяют уравнять фазовые скорости распространения волн основной частоты (ОКГ) и гармоники, в связи с чем выходная мощность гармоники резко возрастает.

В последнее время стали известны новые нелинейные среды, в частности ниобат лития, характеризующийся весьма большим коэффициентом нелинейности, теллур, пригодный для работы в диапазоне до 20 мкм, и др. [16]. Рабочей средой для комбинационных генераторов являются жидкости и газы. Сильно сжатые (до нескольких сотен и тысяч атмосфер) газы обладают весьма высоким коэффициентом нелинейных искажений, благодаря чему коэффициент преобразования основного излучения в комбинационный спектр составляет в таких генераторах 30% [17].

Работы в области нелинейной оптики начались в 1963 г. В результате многих исследований разработан ряд лабораторных приборов. В феврале 1964 г. впервые в СССР создан макет ОКГ с модуляцией добротности на стекле с примесью неодима и нелинейным элементом на кристалле КДП для удвоения частоты, дающий излучение в зеленой области спектра (λ = 0,53 мкм) [18].

В дальнейшем уровень мощности таких приборов был поднят до десятков и сотен мегаватт при коэффициенте преобразования до 30%. Было получено также излучение 4 й гармоники лазера на стекле с неодимом (λ = 0,265 мкм), представляющее интерес для исследований в области биологии [19].

В 1965 – 1966 гг. был разработан ОКГ на волну λ = 0,42 мкм (сине-фиолетовое излучение) на базе сложения частот рубинового и неодимового ОКГ в нелинейном кристалле КДП [20].

В 1966 г. был разработан также генератор на пяти линиях комбинационного рассеяния в сжатом водороде (длины волн от 0,35 до 1,1 мкм) на основе рубинового ОКГ [21]. Было осуществлено нелинейное вычитание частот рубинового и неодимового ОКГ на кристалле метаниобата лития. Проводятся работы по использованию явления оптического детектирования для разработки измерителя импульсной мощности ОКГ [22]. Разрабатываются параметрические перестраиваемые преобразователи [23]. Приборы с использованием явлений нелинейной оптики должны найти широкое применение в самых различных областях науки и техники (генераторах стандартных оптических сигналов, локаторах, системах связи, источниках излучения, перестраиваемого по длине волны и т. д.) [24].

Среди проблем, стоящих перед нелинейной оптикой, в первую очередь следует отметить задачу реализации двухфотонного оптического перестраиваемого генератора, проблему повышения к.п.д. параметрических генераторов, исследование явлений самофокусировки, оптического детектирования и вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (генерация гиперзвуковых волн) [24].

Устройства для приема и модуляции лазерного излучения

Одной из перспективных областей применения оптической квантовой электроники являются системы связи.

При высокой направленности излучения передающих устройств (расходимость лазерного луча – доли угловых минут) и относительно большой входной аппаратуре приемных элементов возможна передача широкополосной информации в условиях земной атмосферы на расстояния до нескольких десятков километров при мощности лазера 10 – 100 мВт. В космосе при повышении мощности передатчика до сотен ватт возможна связь на миллионы километров.

Оптическая связь обладает целым рядом преимуществ по сравнению с существующими системами связи на сверхвысоких частотах. Однако реализация этих возможностей сопряжена с необходимостью решения серьезных научно-технических задач по разработке модуляторов излучения и специальных приемных устройств.

Приемники светового излучения

Выбор схемы и основных элементов приемника модулированного светового излучения зависит от способа модуляции, использованного в линии связи, метода приема, ширины канала связи, длины волны излучения передающего лазера и особенностей трассы связи.

Во всех приемниках лазерного излучения применяются фотоэлектрические приборы, в которых происходит преобразование энергии модулированного светового излучения в радиосигнал. В приборах с внешним фотоэффектом сигнал проявляется как поток фотоэлектронов, покидающих фотокатод. В приборах с внутренним фотоэффектом свет приводит к изменению сопротивления полупроводника или к появлению фото э.д.с.

Наиболее распространенными приемниками с внешним фотоэффектом являются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), получившие широкое применение в различных областях науки и техники.

Усилиями ряда научно-исследовательских и заводских коллективов за несколько десятилетий разработано большое число типов ФЗУ для различных участков светового диапазона и специальных условий работы. Среди них следует отметить приборы типа - ФЗУ-30, ФЭУ-36, ФЭУ-53, находящиеся на уровне лучших мировых разработок, а по отдельным параметрам превосходящие их. Однако специфика применения ФЭУ в технике лазерной связи ставит новые серьезные задачи перед разработчиками. Главную трудность представляло создание высокоэффективного сверхширокополосного приемника. Таким приемником явилась лампа с бегущей волной с фотокатодом – фото-ЛБВ, сочетающая в себе фотоэлектронную пушку и широкополосную замедляющую систему, применяемую в обычных ЛВВ [25]. Разработка такой лампы оказалась сложной задачей и потребовала усилий нескольких организаций.

В 1962 – 1964 гг. впервые в Советском Союзе были разработаны фото-ЛБВ на диапазон 3 ГГц с полупрозрачными мультищелочным. и кислородно-цезиевым фотокатодами чувствительностью 10-10 Вт/Гц 1/2 [26, 27].

Серьезным шагом вперед явилась разработка СВЧ фотоприемника типа ФЗУ-ЛБВ. В таких лампах между фотокатодом и спиральной замедляющей линией располагается секция вторично-электронного умножителя, обеспечивающая усиление фототока в 100 – 1000 раз [27].

В связи с большими успехами в разработке мощных газовых лазеров на диапазон 10,6 мкм возникла актуальная задача создания фотоприемников на этот диапазон. Известные до настоящего времени полупроводниковые фотоприемники для работы в среднем ИК-диапазоне требуют охлаждения до гелиевых температур, что является серьезным препятствием для широкого использования их в технике.

В настоящее время ведутся поисковые работы по созданию полупроводниковых приемников, не требующих глубокого охлаждения.

Большой интерес представляют также пироэлектрические приемники, способные при узких полосах (до нескольких мегагерц) работать при комнатной температуре.

За последние годы были успешно проведены исследования принципов оптического гетеродинирования и выявлены основные требования к аппаратуре, необходимой для его осуществления.

Если учесть, что современная лазерная техника развилась до настоящего уровня всего лишь за несколько лет, можно рассчитывать на появление уже в ближайшие годы экспериментальных систем связи различного назначения.

Модуляторы света

Подобно радиоволнам, свет может быть промодулирован по амплитуде, фазе, частоте, поляризации и направлению излучения. Механические затворы и вращающиеся зеркала слишком инерционны и не могут обеспечивать высокочастотной модуляции. Значительно более широкие возможности для модуляции открываются при взаимодействии света с веществом при воздействии на последнее электрических, магнитных и акустических полей, изменяющихся с частотой модуляции.

Эти взаимодействия можно подразделить на два класса. К первому относятся, например, такие эффекты, как сдвиг края полосы поглощения в электрическом поле (эффект Франца-Келдыша), поглощение света на свободных носителях в полупроводниках. Здесь модуляция существенно обусловлена поглощением света в модулирующей среде. Эффекты второго типа носят характер параметрического или реактивного взаимодействия. Сюда относятся вращение плоскости поляризации в магнитном поле (эффект Фарадея), акустооптический эффект, линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса), квадратичный электрооптический эффект (явление Керра) и др.

Все эти явления в настоящее время составляют предмет интенсивных исследований, направленных на более глубокое понимание их принципиальных основ и на изыскание наиболее эффективных материалов и конструктивных решений модулирующих устройств.

В вопросах применения наибольшее значение приобрел электрооптический эффект в кристаллах. Он заключается в том, что под влиянием внешнего электрического поля изменяется показатель преломления кристалла. Наложение электрического поля на кристаллы определенных типов приводит к появлению двулучепреломления, пропорционального значению электрического поля. Кристалл становится оптической фазовой пластинкой, вызывающей фазовый сдвиг, величина которого управляется приложенным напряжением. Разработаны оптические системы, в которых это явление используется для амплитудной, фазовой и поляризационной модуляции.

Реальные характеристики модулирующих устройств, такие как наибольшие частоты модулирующего сигнала, ширина полосы модуляции, значение управляющих электрических напряжений и мощности модулирующего сигнала, линейная и угловая апертура, устройства, его прозрачность и допустимая световая мощность зависят от двух основных факторов, а именно: от используемых электрооптических кристаллов и от метода создания модулирующего поля в кристалле.

Большинство модуляторов сейчас разрабатывается на основе кристаллов дигидрофосфата калия (КДП) и дигидрофоефата аммония (АДП), а также дидейтерофосфата калия (ДКДП). В настоящее время легко выращиваются образцы этих кристаллов большого размера и хорошего оптического качества. Они обладают как продольным (случай, когда электрическое поле параллельно направлению распространения светового пучка), так и поперечным (электрическое поле перпендикулярно направлению распространения пучка) линейным электрооптическим эффектом. Однако их применение в модуляторах связано с определенными трудностями и ограничениями, которые обусловлены наличием естественного двулучепреломления, сильно зависящего от температуры, относительно низким значением электрооптических постоянных, большим значением диэлектрической постоянной, а также тем, что эти кристаллы гигроскопичны и обладают малой механической прочностью. Кроме того, эти кристаллы прозрачны лишь в интервале длин волн 0,3 – 1,2 мкм. Из других кристаллов следует назвать кристаллы метаниобата лития и танталата лития, которые как по своим электрооптическим параметрам, так и по механическим свойствам существенно превосходят кристаллы КДП и АДП.

Рассмотрим теперь основные типы модуляторов, отличающиеся по методу создания электрического поля в кристаллах.

Модулятор с сосредоточенным взаимодействием

Простейшим из модуляторов этого типа является модулятор, в котором кристалл помещается между двумя электродами, плотно прилегающими к его поверхности. Верхняя граница частот модулирующего сигнала в этом случае в принципе определяется следующим условием: электрическое поле в кристалле должно быть постоянно в течение времени, требующегося свету для прохождения вдоль модулятора. В действительности верхний предел частоты модулятора определяется частотой последовательного электрического резонанса контура, образуемого емкостью модулятора и индуктивностью проводников, подводящих сигнал. Для модуляции в непрерывном режиме верхний частотный предел обычно ограничен разогревом кристалла, обусловленным диэлектрическими потерями.

Модуляторы такого типа, в которых используются кристаллы, обладающие продольным электрооптическим эффектом, обычно требуют высоких управляющих напряжений модулирующего сигнала и, соответственно, больших управляющих мощностей. В частности, такой модулятор, построенный на кристалле КДП, требует для 100%-ной модуляции напряжения около 10 кВ, в связи с чем его использование ограничено частотами порядка 50 кГц. Приборы могут быть существенно улучшены путем использования нескольких кристаллов, расположенных последовательно друг за другом вдоль оси светового пучка. Так, выпускаемый предприятиями МЭП модулятор типа МП-3 (рис. 10), в котором установлено пять кристаллов и несколько усовершенствована оптическая схема, требует для 100%-ной модуляции 1200 – 1300 В, а для 50%-ной модуляции в линейном режиме всего 180 В и может работать в непрерывном режиме до частоты 10 МГц.

Оптический модулятор
Рис. 10. Оптический модулятор

Значительно лучшие характеристики имеют модуляторы, в которых используется поперечный электрооптический эффект. Здесь типичные управляющие напряжения для модуляторов, разработанных на основе кристалла КДП, составляют сотни вольт. Например, модулятор ОЛМШ-100, также выпускаемый предприятиями МЭП (рис. 11), требует для 100%-ной модуляции 450 – 650 в и может работать в непрерывном режиме в полосе 0 – 100 МГц.

Широкополосный оптический модулятор ОЛМШ-100
Рис. 11. Широкополосный оптический модулятор ОЛМШ-100

Идет подготовка к промышленному выпуску модулятора, работающего по несколько более сложной оптической схеме, у которого напряжение 100%-ной модуляции равно 90 В.

Верхняя граница полосы частот, в которой могут работать модуляторы конденсаторного типа, по-видимому, не превышает 200-250 МГц.

Наряду с разработкой модуляторов конденсаторного типа разработаны модуляторы света в СВЧ диапазоне. Наложение СВЧ поля на электрооптический кристалл осуществляется путем помещения кристалла в объемный резонатор с высокой добротностью. Полоса пропускания таких резонаторов обычно не превышает 5-10 МГц. В настоящее время разработаны конструкции таких модуляторов, работающих в непрерывном режиме на частоте 700 МГц при модулирующей мощности порядка 2 Вт. Существуют конструкции модуляторов на частоты 3 и 10 ГГц. Однако они работают лишь в импульсном режиме, так как управляющие мощности, например, в последнем случае достигают 200-300 Вт.

Модуляторы бегущей волны

Наиболее многообещающими системами, с точки зрения получения широкополосной модуляции света при малой модулирующей мощности, являются так называемые модуляторы бегущей волны. В таких устройствах кристалл помещается в высокочастотную линию передачи, так что возникает как бы суммирование электрооптического эффекта при распространении света вдоль кристалла. Для осуществления этого эффекта необходимо согласование фазовой скорости СВЧ сигнала, распространяющегося в линии с фазовой скоростью света при прохождении его через кристалл. Известны удачные попытки создания модуляторов этого типа с полосой 1 ГГц, построенных на кристаллах КДП. Однако в целом задача создания такого модулятора еще должна быть решена.

Описанные выше модулирующие устройства являются по существу результатом первого этапа работ в этой области. Их характеристики во многом несовершенны. Основные проблемы, в которых необходимо вести дальнейшие исследования, состоят в расширении диапазона модулирующих частот, снижении мощностей модулирующих сигналов, улучшение светотехнических характеристик модуляторов. Особенно важным направлением является создание эффективных модуляторов для инфракрасного излучения.

Материалы для приборов квантовой электроники

Успехи, достигнутые квантовой электроникой, были бы невозможны без разработки специальных материалов. Активные материалы - кристаллы с определенными примесями – являются основой квантовых парамагнитных усилителей и твердотельных лазеров. Специальные нелинейные и электрооптические кристаллы преобразуют частоты света, служат модуляторами в системах лазерной связи и затворами в оптических локаторах.

Специальные синтетические материалы, широкое применение которых характерно для современной техники вообще, явились фундаментом развития различных направлений квантовой электроники.

Работы по созданию специальных материалов начались в Советском Союзе одновременно с началом работ по квантовой электронике. Одной из первых была задача разработки монокристаллов синтетического рубина (окиси алюминия с примесью хрома) сначала для квантовых парамагнитных усилителей (КПУ), а затем и для лазеров.

Задачи подобного типа не встречались раньше в технике: нужно было изготовить монокристаллические элементы значительных размеров (до 200 – 500 мм длиной и до 12 – 18 мм диаметром), обладающие высокой степенью совершенства кристаллической решетки и исключи- тельной оптической однородностью. Усилиями институтов АН СССР и отраслевых предприятий эта задача была решена успешно. Уже в 1958 г. предприятия МЭП освоили выпуск опытных партий элементов из рубина для КПУ, а в 1961 – 1962 гг. были изготовлены и первые лазерные элементы из рубина. Сейчас промышленностью выпускается несколько типов рубиновых лазерных элементов.

Однако развитие лазерной техники требует кристаллов рубина все более и более высокого качества. Поэтому технология их производства непрерывно совершенствуется. Хотя основная часть кристаллов рубина и сейчас производится классическим методом Вернейля (кристаллизацией мелкодисперсного порошка в газовом пламени), все основные стадии процесса претерпели существенные изменения. В частности, новые типы кристаллизаторов дали возможность существенно увеличить выход кристаллов повышенного качества. Применение усовершенствованных методов производства исходного порошка (пудры) также значительно улучшило кристаллы. Использование кристаллов рубина повышенного качества, полученных на предприятиях МЭП, позволило создать лазеры на рубине с к.п.д., равным 1,2 – 1,4% [28]. В настоящее время готовится внедрение в промышленность методов получения таких кристаллов.

Предприятия МЭП в 1960 г. впервые в СССР разработали для квантовой электроники другой активный материал – монокристаллический рутил (двуокись титана) с примесями ионов хрома и железа, используемый в квантовых парамагнитных усилителях. Сейчас производятся кристаллы рутила длиной до 250 мм и диаметром до 16 мм. Около 40% из них являются безблочными и пригодны для использования в КПУ [4]. Кроме того, были разработаны методы выращивания кристаллов молибдатов стронция и кальция, двойного молибдата лантана – натрия, активированных неодимом, являющихся активными материалами для ОКГ с низким порогом генерации. В 1965 – 1966 гг. разработана технология выращивания кристаллов алюмо-иттриевого граната с примесью неодима – материала для лазеров непрерывного действия. Проводятся работы по синтезу и других, более сложных монокристаллов, позволяющих намного повысить эффективность твердотельных 0КГ.

Другим классом специальных материалов для квантовой электроники являются нелинейные и электрооптические кристаллы для преобразования частоты и управления пучком ОКГ. Среди них большое распространение получили кристаллы дигидрофосфатов калия, аммония, рубидия (КДП, АДП, РДП) и ряд других. Выращивание этих кристаллов из водных растворов начато в 1962 г. В результате на предприятиях МЭП были разработаны методы получения крупных образцов указанных кристаллов с высокой оптической однородностью, что позволило получить рекордные данные в нелинейной оптике, в частности по генерации высших гармоник и созданию перестраиваемого оптического генератора на кристалле КДП [29]. В процессе работы создана новая автоматическая аппаратура для выращивания воднорастворимых кристаллов, например универсальный кристаллизатор с программным отбором конденсата, с помощью которого выращивают монокристаллы высокой оптической однородности весом до 1,5 кг [30].

В последнее время много внимания уделяется перспективному кристаллу метаниобата лития, у которого большие значения электрооптических констант по сравнению с кристаллами типа КДП позволяют осуществить модуляторы с пониженным управляющим напряжением. Разработана. технология выращивания и отжига таких кристаллов, пригодных для нелинейных преобразователей и модуляторов света [31].

Современными актуальными направлениями в разработке специальных материалов для квантовой электроники являются разработка упрочненных активных материалов для ОКГ, способных выдерживать колоссальные потоки мощности в генераторах (до 109 – 1010 Вт/см2) в течение коротких импульсов; дальнейшее повышение оптической однородности активных материалов для ОКГ с предельной расходимостью излучения (определяемой дифракцией света); изыскание и разработка новых активных материалов с повышенной эффективностью (для лазеров с к.п.д., равным 5 – 10%); разработка упрочненных электрооптических материалов с повышенной стойкостью к излучению; поиск и разработка новых эффективных модуляционных и нелинейных оптических материалов для различных диапазонов длин волн, включая и далекий инфракрасный диапазон [32].

Заключение

Квантовая электроника в настоящее время переживает еще начальный этап своего развития. Происходит соревнование между различными типами оптических генераторов за получение наиболее высоких выходных параметров при наиболее простых методах и малых затратах.

Интенсивно ведутся поиски новых принципов преобразования различных видов энергии в энергию когерентного излучения. В сферу интересов квантовой электроники вовлекаются все новые и новые области науки и техники. Расширяются области ее применения, масштабы которых в ряде случаев трудно оценить.

Созданные квантовые приборы уже сегодня становятся мощным средством исследований и производства в самых различных областях науки, техники и промышленности. Нет никакого сомнения, что эти приборы займут прочное место там, где они будут экономически оправданными и где их применение позволит решить задачи, не доступные для выполнения другими средствами.

Настоящая статья написана по материалам, подготовленным ведущими специалистами, внесшими существенный вклад в разработку и создание приборов квантовой электроники: Алейниковым В.С., Беляевым В.П., Верным Е.А., Гордеевым Д.В., Дмитриевым В.Г., Зверевым Г.М., Иевским А.В., Кривцуном В.М., Кузнецовым В.М., Лисовским Л.П., Москаленко В.Ф., Мартыновым В.Ф., Остапченко Е.П., Панкратовым В.М., Печениным Ю.В., Ривлиным Л.А., Рыбаковым Б.В., Резом И.С., Соловьевым Е.Г., Тычинским В.П., Федуловым С.А., Швейкиным В.И., Юхвидиным Я.А.

Значительную работу по подготовке материалов статьи выполнил Г. М. Зверев.

Всем указанным лицам автор выражает свою искреннюю и глубокую благодарность.

М. Ф. Стельмах

М.: изд. ЦНИИ «Электроника», 1967

Литература

  1. Фабрикант В. А. Вудынский М. М., Бутаева Ф. А. Свидетельство на изобретение № 148441 от 18.6.1951.
  2. В космосе квантовый генератор, «Правда», 1 ноября 1966.
  3. Котельников В. А., Вестник АН СССР, 1964, № 2, стр. 39.
  4. Соловьев Е. Г., Абазадзе Ю. В., Исаев С, К., Степанова Е. Г., Крынецкий И. Б., «Радиотехника и электроника», т.Х1, № 7, стр. 1196.
  5. Чельный А. А., Кокора А. Н., Жукова А. А., Труды конференций по электронной технике, 1966, вып.2, МЭП.
  6. Богданкевич О. В., Докторская диссертация, ФИАН, 1966.
  7. Ривлин Л. А., Свидетельство на изобретение № 149123, февраль 1961.
  8. Ривлин Л. А., Свидетельство на изобретение № 166149, 1963.
  9. Курносов В. Д., Плешков А. А., Петрухина Г. С., Ривлин Л, А., Трухан В.Г., Цветков В. В., ЖЭТФ, Письма в редакцию, 1967, т. 5, вып. 3, стр. 77.
  10. Bridges W.B., Ргос. IЕЕЕ, vоl. 52, July, 1964, рр. 843 – 844.
  11. Gordon E., Labuda E., Bridges W., Appl. Phys. Letters, vol. 4, №10, Мау, 15, 1964, рр. 178 – 180.
  12. Fowlest G.K., Silvast W.T. Appl. Phys. Letters, vol. 6, June 1965, рр. 236 – 237.
  13. Fowlest G.K., Silvast W.T.. Т., Quantum Electron., vol QE-1, №4, 1965, p. 183.
  14. Тычинский В.П. Мощные газовые лазеры, УФН, т. 91, вып. 3, 1967, стр. 389 – 424.
  15. Соболев И.И., Соковиков В.В. Оптические квантовые генераторы на СО2, УФН, т. 91, вып. 3, 1967, стр. 425 – 454.
  16. Miller R. {and other}, Appl. Phys. Letters, vol.5, № 11, 1964.
  17. Minck R.W., Terhune R.W., Rado W.G., Appl. Phys. Letters, vol.3,№ 10, 1963, р. 181.
  18. Ахманов С. А., Ковригин А. И. [и др.]. ЖЭТФ, т.. 48, вып. 6, 1965.
  19. Ахманов С. А., Ковригин А. И., Пискарскас А. С., Хохлов Р. В. Письма ЖЭТФ, 1965, т. 11, вып. 5.
  20. Дмитриев В. Г., Шкунов Н. В, Гольдин Ю. А., Тарасов В. К. ЖЭТФ, Письма в редакцию, 1966, № 11.
  21. Бутягин О. Ф., Дмитриев В. Г., Шариф Г. А. Известия ВУЗов, «Радиофизика» (в печати).
  22. Franken Р.A., Ward J. Rev. Modern Phys., vol. 35, 1963, p. 23.
  23. Ахманов С. А., Ковригин А.И., Колосов В. А., Пискарскас А. С., Фадеев В.В., Хохлов Р.В. Письма ЖЭТФ, 1966, т. 111, вып. 9, стр. 372 – 378.
  24. Хохлов Р. В., УФН, 1965, т. 87, вып. 1.
  25. Афанасьев В.А., Мноян В.И. Приемные и преобразовательные СВЧ приборы с длительным взаимодействием и электронные параметрические усилители. Статья в этом выпуске, стр. 74.
  26. Самородов Ю.Д. Определение параметров, характеризующих чувствительность демодуляторов света в режиме прямого детектирования. «Электронная техника», серия 1, «Электроника СВЧ», 1966, вып. 8, стр. 111 – 124.
  27. Самородов Ю.Д. К оценке чувствительности демодуляторов света при прямом детектировании. «Электронная техника», серия 1, «Электронная техника», 1966, вып. 8, стр. 177 – 181.
  28. Королев Е.А., Бондарчук В.А., Тихонова Н.П. «Оптико-механическая промышленность», 1967, № 3, стр. 9.
  29. Радунская И. Кванты в упряжке, «Правда», 11 июля 1967, № 192 (17874).
  30. Универсальный кристаллизатор КЛ-2, Проспект В/О Техмашэкспорт.
  31. Федулов [и др.]. Изв. АН СССР, серия физическая, 1967, №7.
  32. Рез И. С. Изв. АН СССР, серия физическая, 1967, № 11.
Почтовый адрес
РФ, 117342, г. Москва,
ул. Введенского, д. 3, корп. 1
Телефон и факс
Телефон:
+7 495 333-91-44
Факс:
+7 495 333-00-03
Интернет
E-mail:
bereg@niipolyus.ru
Skype:
niipolyus