Лазерные и телевизионные системы траекторных измерений. Лазерные передатчики

1. Лазерные и телевизионные системы траекторных измерений

Лекция 7
Лазерные передатчики
2016 г.
9 семестр, кафедра РТПи АС,
Лектор:
доцент, к.т.н. Бугаев Юрий Николаевич
1

2. История создания лазера

В 1939-м сотрудник Московского энергетического института (МЭИ)
Валентин Фабрикант сформулировал принцип усиления
электромагнитного излучения для среды, в которой можно создать
инверсную, то есть возрастающую с увеличением энергетического
уровня населенность электронами их атомных орбит.
Несмотря на важность сделанных в этих работах выводов, они, к
сожалению, остались практически не замеченными и не оказали
существенного влияния на создание лазеров, как и поданная В.А.
Фабрикантом с сотрудниками в 1951 году заявка на изобретение "нового
способа усиления электромагнитного излучения УФ, видимого, ИК и
радиодиапазонов", которая была опубликована только в 1959 году, уже
после создания мазеров и публикаций другими учеными предложений о
создании лазеров.
2

3. История создания лазера

В 1955 году ученые Николай Басов и Александр Прохоров разрабатали квантовый
генератор - усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения,
активной средой которого является аммиак. Такое устройство называется мазер
(от английского Microwave Amplification by Stimulated Emission).
Первый работающий лазер был сделан Теодором Майманом в 1960 году в
исследовательской лаборатории компании Хьюза (Hughes Aircraft).
Основная идея работы лазера заключается в инверсии электронной населённости
путём «накачки» рабочего тела энергией, подводящейся к нему, например, в виде
световых или электрических импульсов. Рабочее тело помещается в оптический
резонатор, при циркуляции волны в котором её энергия экспоненциально
возрастает благодаря механизму вынужденного излучения. При этом энергия
накачки должна превышать определённый порог, иначе потери в резонаторе
будут превышать усиление и выходная мощность будет крайне мала.
3

4. Лазерные передатчики для ЛТЛС ближнего действия (до 15 км)  

Лазерные передатчики для ЛТЛС
ближнего действия (до 15 км)
К лазерным передатчикам ЛТЛС ближнего действия предъявляются
следующие требования:
Высокая частота повторения импульсов 50-200 Гц;
Отсутствие системы водяного охлаждения, высокий к.п.д.;
Малые вес и габариты;
Простота обслуживания т.к. ограничено число операторов и они не
специализированны, а универсальны.
В полной мере этим требованиям удовлетворяют полупроводниковые
лазеры или твердотельные лазеры с накачкой полупроводниковыми
диодами.
4

5. Полупроводниковые лазеры.

Среди лазеров видимого и инфракрасного диапазонов
полупроводниковые лазеры занимают особое положение по
ряду своих характеристик. В полупроводниках удаётся получить
очень большие коэффициенты усиления ~ 102 - 103 см-1, поэтому
размеры полупроводникового лазера могут быть сделаны очень
малыми - порядка долей мм. Лазер на полупроводниках GaAs,
CdS, InAs, InSb, ZnS и др. позволяют почти полностью перекрыть
видимый и ближний инфракрасный диапазоны.
Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются
очень высоким кпд преобразования электрической энергии в
когерентное излучение (близким к 100%)
5

6. Полупроводниковый лазер на кристалле GaAs

Первая работа о возможности использования полупроводников для
создания лазера была опубликована в 1959 Н. Г. Басовым, Б. М. Вулом и
Ю. М. Поповым.
Применение р—n -переходов для этих целей было предложено в 1961 Н.
Г. Басовым, О. Н. Крохиным, Ю. М. Поповым.
Полупроводниковый лазер на кристалле GaAs впервые были
осуществлены в 1962 в лабораториях Р. Холла, М. И. Нейтена и Н.
Холоньяка (США).
В СССР фундаментальные исследования, приведшие к созданию
полупроводникового лазера, были удостоены Ленинской премии в 1964
(Б. М. Вул, О. Н. Крохин, Д. Н. Наследов, А. А. Рогачёв, С. М. Рыбкин, Ю.
М. Попов, А. П. Шотов, Б. В. Царенков).
6

7. Полупроводниковый лазер с электронным возбуждением

Полупроводниковый лазер с электронным
возбуждением впервые осуществлен в 1964
Н. Г. Басовым, О. В. Богданкевичем, А. Г.
Девятковым. В этом же году Н. Г. Басов, А.
З. Грасюк и В. А. Катулин сообщили о
создании полупроводникового лазера с
оптической накачкой.
7

8. Лазеры на гетероструктурах

В 1963 Ж. И. Алферов (СССР) предложил использовать
гетероструктуры для полупроводникового лазера.
Они были созданы в 1968 Ж. И. Алферовым, В. М.
Андреевым, Д. З. Гарбузовым, В. И. Корольковым, Д. Н.
Третьяковым, В. И. Швейкиным, удостоенными в 1972
Ленинской премии за исследования гетеропереходов и
разработку приборов на их основе.
8

9. Лазерах с возбуждением электронным пучком

В полупроводниковых лазерах с возбуждением электронным пучком можно
возбуждать большие объёмы полупроводников, чем в случае инжекции через р n-переходы. Пиковая мощность при этом доходит до 1 Мвт при средней мощности
~ 1 вт. Кпд при электронном возбуждении не может превышать 30%.
При рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках
освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов излучения
(люминесценция) или передаваться колебаниями кристаллической решётки, т. е.
переходить в тепло. Доля излучательных актов рекомбинации у таких
полупроводников, как Ge и Si, очень мала, однако в некоторых полупроводниках
(например, GaAs, CdS) при очистке и легировании она может приближаться к 100%.
9

10.

Рекомбинация электронно-дырочной пары может
сопровождаться испусканием кванта излучения, близкого по
энергии к ширине запрещенной
зоны DE полупроводника.
При этом длина волны
λ » hc/DE,
где h — Планка постоянная, с — скорость света.
10

11. 2

Энергетические схемы: а — накачки и излучательной рекомбинации в
полупроводнике; б — оптического усиления при наличии инверсии
населённостей состояний вблизи краев зон — дна Ес зоны проводимости и
потолка Еn валентной зоны; DЕ — ширина запрещенной зоны, и —
квазиуровни Ферми для электронов проводимости и дырок.
11

12. Методы накачки:

В полупроводниковых лазерах применяют следующие
методы накачки:
1) инжекция носителей тока через р—n-переход (см.
Электронно-дырочный переход), гетеропереход или контакт
металл — полупроводник (инжекционные лазеры);
2) накачка пучком быстрых электронов;
3) оптическая накачка;
4), накачка путём пробоя в электрическом поле.
Наибольшее развитие получили полупроводниковые лазеры
первых двух типов.
12

13. Инжекционные лазеры.

Инжекционные лазеры. Лазер на р—n-переходе
представляет собой полупроводниковый диод, у которого две
плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные р—nпереходу (рис. 6.2), образуют оптический резонатор
(коэффициент отражения от граней кристалла ~20—40%).
13

14.

Инверсия населённостей достигается при большой
плотности прямого тока через диод (порог
генерации соответствует току ~1 кА/см2, а при
пониженной температуре ~ 102 A/см2, рис.6. 3). Для
получения достаточно интенсивной инжекции
применяют сильно легированные полупроводники.
14

15. Рис. 6.5. Образцы инжекционных лазеров.

15

16. Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры – это основной тип лазера, который применяется в
лазерных системах траекторных измерений.
Рабочее тело
Рубиновый лазер
Длина волны
694,3 нм
Импульсная лампа
Алюмо-иттриевые лазеры с
неодимовым легированием
1,064 мкм, (1,32 мкм)
(Nd:YAG)
Лазер на фториде иттрия-лития с
неодимовым легированием
1,047 и 1,053 мкм
(Nd:YLF)
Лазер на ванадате иттрия (YVO4) с
неодимовым легированием
1,064 мкм
(Nd:YVO)
Лазер на неодимовом стекле
(Nd:Glass)
Источник накачки
~1,062 мкм (Силикатные стёкла),
~1,054 мкм (Фосфатные стёкла)
16
Импульсная лампа, лазерный диод
Импульсная лампа, лазерный диод
Лазерные диоды
Импульсная лампа, Лазерные
диоды

17. Конструктивные элементы лазеров

Блок
управления
модулятором
Cистема
управления
Просветляющее
покрытие
Максимальное
отражение
ЛД
17
Фокусирующая
система
Кристалл
Nd:YAG
Модулятор
добротности
Выходное
зеркало

18. Преимущества твердотельных лазеров:

Преимущества твердотельных лазеров:
Высокая удельная мощность;
Высокое качество при большой мощности (TEM00);
Высокий кпд (с диодной накачкой) 20%;
Большая энергия (до кДж/импульс);
Широкий диапазон длин волн;
Широкий диапазон длительностей импульсов (от 10-2 до 10-14 с);
Возможность генерации ультракоротких импульсов - рекордное
значение составляет около 4 фемтосекунд;
Совместимость длин волн с оптическим волокном - возможность
доставки излучения по оптоволокну;
Возможность внутрирезонаторного удвоения частоты генерации;
Большая яркость;
18

19. Вынужденное излучение

Атом может находиться в различных энергетических состояниях с энергиями
E1, E2 и т. д. В теории Бора эти состояния называются стабильными. На самом
деле стабильным состоянием, в котором атом может находиться бесконечно
долго в отсутствие внешних возмущений, является только состояние с
наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие
состояния нестабильны.
Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое
время, порядка 10–8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из
низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить
из второго постулата Бора.
На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно
большее время, порядка 10–3 с. Такие уровни называются метастабильными.
Переход атома в более высокое энергетическое состояние может
происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна
разности энергий атома в конечном и начальном состояниях.
19

20.

В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход
электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на
нижний может происходить под влиянием внешнего
электромагнитного поля, частота которого равна
собственной частоте перехода. Возникающее при этом
излучение называют вынужденным или индуцированным.
Вынужденное излучение резко отличается от
спонтанного излучения. В результате взаимодействия
возбужденного атома с фотоном атом испускает еще
один фотон той же самой частоты, распространяющийся
в том же направлении. На языке волновой теории это
означает, что атом излучает электромагнитную волну, у
которой частота, фаза, поляризация и направление
20
распространения точно такие же, как и у первоначальной

21.

С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного
атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два
совершенно одинаковых фотона-близнеца.
Условное изображение
процессов (a)
поглощения, (b)
спонтанного испускания
и (c) индуцированного
испускания квант.
Чтобы проходящая через слой вещества волна усиливалась, нужно
искусственно создать условия, при которых n2 > n1, т. е. создать
инверсную населенность уровней. Такая среда является
термодинамически неравновесной.
21

22. Среда с инверсной населенностью

Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, называется
активной. Она может служить резонансным усилителем светового сигнала.
Для того, чтобы возникала генерация света, необходимо использовать
обратную связь. Для этого активную среду нужно расположить между двумя
высококачественными зеркалами, отражающими свет строго назад, чтобы он
многократно прошел через активную среду, вызывая лавинообразный
процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. При этом в среде
должна поддерживаться инверсная населенность уровней. Этот процесс в
лазерной физике принято называть накачкой.
Начало лавинообразному процессу в такой системе при определенных
условиях может положить случайный спонтанный акт, при котором
возникает излучение, направленное вдоль оси системы. Через некоторое
время в такой системе возникает стационарный режим генерации. Лазерное
излучение выводится наружу через одно (или оба) из зеркал, обладающее
частичной прозрачностью.
22

23.

Существуют различные способы получения среды с инверсной населенностью уровней. В
рубиновом лазере используется оптическая накачка. Атомы возбуждаются за счет поглощения
света. Но для этого недостаточно только двух уровней. Каким бы мощным не был свет лампы–
накачки, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. В рубиновом
лазере накачка производится через третий выше расположенный уровень
Трехуровневая схема оптической накачки. Указаны
«времена жизни» уровней E2 и E3. Уровень E2 –
метастабильный. Переход между уровнями E3 и E2
безызлучательный. Лазерный переход осуществляется
между уровнями E2 и E1. В кристалле рубина уровни E1,
E2 и E3 принадлежат примесным атомам хрома
23

24.

После вспышки мощной лампы, расположенной рядом с рубиновым стержнем,
многие атомы хрома, входящего в виде примеси в кристалл рубина (около 0,05 %),
переходят в состояние с энергией E3, а через промежуток τ ≈ 10–8 с они переходят в
состояние с энергией E2. Перенаселенность возбужденного уровня E2 по сравнению с
невозбужденным уровнем E1 возникает из-за относительно большого времени жизни
уровня E2.
Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694 мм (темновишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе 106–109 Вт.
Исторически это был первый действующий лазер (американский физик Т. Майман, 1960 г.).
В 1955 году ученые Николай Басов и Александр Прохоров разрабатали
квантовый генератор - усилитель микроволн с помощью индуцированного
излучения, активной средой которого является аммиак. Такое устройство
называется мазер (от английского Microwave Amplification by Stimulated
Emission). Имеющаяся разность каких-либо двух энергетических уровней
атомов или молекул среды к спонтанному испусканию частиц.
24

25.

В отсутствие внешнего поля спонтанное излучение и безизлучательные
релаксационные процессы определяют время жизни частицы в
возбужденном состоянии (τ и τ1 на рис.6.7.) Из-за конечности этого времени
(и из-за других причин, например доплеровского смещения частоты для
движущихся микрочастиц) линия излучения, соответствующая переходу,
оказывается уширенной.
Одним из серьезных недостатков существующих лазеров с модуляцией
добротности, в которых энергия оптической накачки получается от ламп,
является низкий КПД преобразования этой энергии в энергию излучаемых
импульсов. Его типовые величины - 1 4%. Это означает, что 96 99% энергии
накачки преобразуется в тепло, которое необходимо отводить как от
активного элемента лазера, так и от остальных элементов его конструкции.
25

26. Твердотельные лазеры с накачкой от полупроводниковых лазерных диодов

Изобретение твердотельных лазеров с накачкой от полупроводниковых
лазерных диодов позволило резко повысить КПД системы накачки и
примерно на порядок снизить потребляемую лазером мощность и
мощность потерь, которую необходимо отводить от элементов его
конструкции. Реальность получения значительного преимущества таких
лазеров по энергетическим показателям по сравнению с лазерами с
ламповой накачкой подтверждена лабораторными экспериментами и уже
появились промышленные образцы, которые могут успешно конкурировать
с лазерами с ламповой накачкой .
Использование лазерных диодов в качестве источника накачки имеет два
значительных преимущества.
Во-первых, лазеры с ППН имеют значительно больший КПД Энергетическая
эффективность таких лазеров достигает 30%.
ЛД обладают высоким КПД. ЛД на основе четверных соединений
InGaAsP/GaAs имеют эффективность 40…60% , эффективность ламп
составляет 10...15%.
26

27. Схема твердотельного лазера с продольной п/пров. накачкой

Блок
управления
модулятором
Cистема
управления
Просветляющее
покрытие
Максимальное
отражение
ЛД
Фокусирующая
система
Кристалл
Nd:YAG
Модулятор
добротности
27
Выходное
зеркало

28.

— Излучение ЛД малоинерционно и легко модулируется током накачки. Время
включения ЛД оказывается значительно меньше характерной длительности
накачки (200мкс) поэтому импульс накачки с достаточной степенью точности
может считаться прямоугольным. Короткие фронты таких импульсов позволяют
отключать накачку непосредственно перед излучением импульса генерации, что
означает наиболее эффективное использование энергии накачки. В случае
использования лампы импульс накачки имеет форму колокола, у которого
задний фронт, как правило, следует после импульса генерации и,
следовательно, его энергия не используется.
Во-вторых, излучение ЛД имеет направленную структуру, его можно собрать и
сфокусировать. Это позволяет осуществлять локальную накачку активного
элемента – создавать инверсию населенности в ограниченных объемах
активного элемента. Поскольку высшие моды резонатора имеют различную
пространственную структуру, то, проходя через активную среду лазера, они
будут испытывать различное усиление. Это явление, называемое также
эффектом «мягкой диафрагмы», может служить дополнительным механизмом
для обеспечения одномодовой генерации.
28

29.

. Однако, на практике осуществление полупроводниковой накачки сопряжено с
рядом трудностей.
Одной из основных проблем является проблема заведения излучения накачки
в активный элемент лазера. Излучение лазерного диода имеет сильно
различную расходимость в двух перпендикулярных плоскостях. Так,
расходимость излучения AlGaAs диода составляет примерно 56º в плоскости,
перпендикулярной p-n переходу, и 8º в плоскости перехода. Это создает
определенные сложности при сборе излучения и его фокусировке внутрь
активного элемента, особенно где необходимо обеспечить пространственное
согласование накачки с каустикой основной моды резонатора.
Вторая проблема происходит из локальности накачки и, следовательно
тепловыделения. Она является актуальной как для самих лазерных диодов, так
и для кристалла активного элемента. В ЛД энергия нагрева выделяется в узком
канале генерации сечением порядка 5х100 микрон и является одним из
факторов, ограничивающий мощность генерации ЛД. В активном элементе
локальный нагрев приводит к возникновению наведенной термической линзы и
механических напряжений и, как следствие, к искажению волнового фронта.
29

30. Импульсный твердотельный лазер с диодной накачкой производства НПО «Полюс».

30

31.

Для систем ближнего действия обычно достачно иметь лазеры с
длительностью импульсов излучения 10 15нс, энергией импульса
10 50мДж, частотой повторения 50 200Гц. Примерно такие же
требования предъявляются к лазерам бортовых локационных систем
самолетного и космического базирования.
Поскольку такие лазерные средства применяются в основном для
работы по обитаемым объектам, то длина волны выбирается в
ближнем ИК –диапазоне: 0,9 мкм для полупроводниковых лазеров с
термостабилизацией,
1,06 мкм для лазера на АИГ и 1,54 мкм для «безопасного» лазера на
орбиевом стекле.
31

32. Лазерные передатчики для ЛТЛС среднего действия

Для систем среднего действия используются только твердотельные лазеры с
длительностью импульсов излучения 10 15нс, энергией импульса 50 -100 мДж,
частотой повторения до 50Гц.
В основном используются лазеры ближнего ИК-диапазона, иногда с удвоением
частоты, например, при работе над морской поверхностью, в дымке.
В лазерах с полупроводниковой накачкой с трудом удается получить энергию 50-70
мДж и обычно используются лазеры с ламповой накачкой и водяным
(этиленглюколь, спирт) охлаждением. Поскольку требования по динамикам у таких
станций ниже чем у станций ближнего действия , а оптика и мсама монтировка
массивней , то они позволяют располагать систему охлаждения на азимутальной
платформе и поворачивать ее в темпе слежения.
32

33. Типовая схема лазерного передатчика

33

34.

Для получения сверхкоротких импульсов, помещают внутри резонатора
оптический затвор. При закрытом затворе генерация невозможна, и энергия
накапливается в резонаторе в виде нарастающего количества возбуждённых
атомов. Если затем быстро открыть затвор, то вся запасённая энергия
возбуждения
Если для накачки твердотельного Л. используется лампа-вспышка с
длительностью импульса Dtn ~ 10-3 сек, то импульс генерации длится примерно
такое же время. Небольшое запаздывание начала генерации по сравнению с
лампой-вспышкой обусловлено тем, что для развития генерации необходимо
превысить некоторое пороговое значение инверсии населённостей, после чего
усиление за один проход рабочего объёма начинает превышать суммарные
потери энергии за счёт отражения луча от зеркал резонатора, паразитного
поглощения и рассеяния света.
Такой режим работы Л., когда длительность лазерного импульса Dtл " Dtн, наз.
режимом свободной генерации.
34

35. Режиим модулированной добротности

Для ряда применений важно сократить длительность импульса Dtл, т.к. при
заданной энергии импульса пиковая мощность Л. возрастает с уменьшением
его длительности. С этой целью разработан метод модулированной
добротности (модулируется добротность резонатора), состоящий в
следующем:, вся или большая её часть высвечивается в виде короткого
светового импульса. Длительность такого лазерного импульса Dtл определяется
или скоростью открывания затвора или, если эта скорость достаточно велика,
временем установления электромагнитного поля в резонаторе.
Применяются различные типы оптических затворов: механически
вращающиеся зеркала и призмы, Керра ячейки (см. Керра эффект) и Поккельса
(см. Поккельса эффект), управляемые электрическим сигналом, и т.п. С
помощью оптических затворов обычно получают импульсы длительностью Dtл ~
10-7 - 10-8 сек. Полная энергия импульса в режиме модулированной добротности
оказывается меньшей, нежели в режиме свободной генерации. Тем не менее,
выигрыш в мощности за счёт уменьшения Dtл достигает нескольких порядков.
35

36.

Если обеспечивается одномодовой режим генерации, то наблюдается единый, не
имеющий структуры гигантский импульс. В остальных случаях гигантские
импульсы имеют сложную структуру. Например, для неодимового Л. они
представляют собой последовательность значительно более коротких импульсов
длительностями ~ 10-11-10-12 сек. Происхождение этой структуры объясняется
следующим образом: спонтанное излучение атомов Nd в стекле характеризуется
довольно широким спектром Dn ~ 1012 гц (Dl ~ 100 ), т. е. представляет собой сумму
большого числа монохроматических колебаний с частотами в интервале Dn и
произвольными фазами. Оказалось, что с помощью введения в резонатор
нелинейного элемента, каким является просветляющийся фильтр, можно
сфазировать моды лазера. В идеальном случае, когда сфазированы все моды,
излучение лазера приобретает вид регулярной последовательности импульсов с
длительностью . Интервалы между импульсами определяются длиной
резонатора, т. е. равны периоду 2L/c. Подобный метод получения сверхкоротких и
исключительно мощных импульсов получил название метода самосинхронизации
мод.
36

37. Твердотельные лазеры производства НПО «Полюс»

37

38. Лазерные передатчики для ЛТЛС дальнего действия

Лазеры для систем дальнего действия только твердотельные (для импульсных
систем) с ламповой накачкой и жидкостной системой охлаждения.
Для систем дальнего действия используются лазеры с длительностью импульсов
излучения 0,5 1нс, энергией импульса 300 -1000 мДж, частотой повторения до
10Гц.
Поскольку получить такие мощности трудно в одном каскаде, то используются
обычно двух или даже трех каскадные лазеры. Первый каскад – задающий
генератор а последующие – квантовые усилители. Это те же лазеры, но в
режиме при котором не достигаются условия генерации. Как правило они
расположены неподвижно а выходная энергия поступает в передающий
объектив через специальную призму.
38