RU2133533C1 - Method of spectral filtration of optical signals and active quantum filter for its implementation - Google Patents
Method of spectral filtration of optical signals and active quantum filter for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2133533C1 RU2133533C1 RU97116321A RU97116321A RU2133533C1 RU 2133533 C1 RU2133533 C1 RU 2133533C1 RU 97116321 A RU97116321 A RU 97116321A RU 97116321 A RU97116321 A RU 97116321A RU 2133533 C1 RU2133533 C1 RU 2133533C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- magnetic field
- mirror
- signal
- unit
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области лазерной техники и оптоэлектроники и может быть использовано в лазерной локации и высокоточной физической измерительной аппаратуре для выделения, обнаружения и усиления слабых оптических сигналов на фоне сильной широкополосной оптической засветки. The invention relates to the field of laser technology and optoelectronics and can be used in laser location and high-precision physical measuring equipment to isolate, detect and amplify weak optical signals against a background of strong broadband optical illumination.
Известен способ фильтрации узкополосных оптических сигналов, осуществляемый с помощью узкополосных оптических пассивных фильтров [1]. A known method of filtering narrow-band optical signals, carried out using narrow-band passive optical filters [1].
Операция фильтрации, осуществляемая с помощью пассивных оптических фильтров, имеет широкую полосу пропускания 1 - 5 см-1 и большое ослабление сигнала, что не позволяет использовать данный способ фильтрации для приема слабых оптических сигналов в узкой спектральной полосе вследствие значительной потери чувствительности приемной системы.The filtering operation carried out using passive optical filters has a wide passband of 1-5 cm -1 and a large signal attenuation, which does not allow the use of this filtering method to receive weak optical signals in a narrow spectral band due to a significant loss of sensitivity of the receiving system.
Известен способ фильтрации оптических сигналов, заключающийся в возбуждении (накачке) активной лазерной среды и пропускаемого через нее фильтруемого оптического сигнала, основанный на использовании твердотельного квантового усилителя [2]. A known method of filtering optical signals, which consists in the excitation (pumping) of the active laser medium and the filtered optical signal passed through it, based on the use of a solid-state quantum amplifier [2].
К недостаткам данного способа фильтрации следует отнести большой уровень свободных спонтанных шумов и большую спектральную ширину линии усиления, достигающую ΔL = 100 см-1, отсутствие возможности уменьшения этой ширины линии усиления, для обеспечения оптимальной фильтрации узкополосных короткоимпульсных оптических сигналов.The disadvantages of this filtering method include a large level of free spontaneous noise and a large spectral gain line width reaching ΔL = 100 cm -1 , the inability to reduce this gain line width to ensure optimal filtering of narrow-band short-pulse optical signals.
Известен способ фильтрации оптических сигналов, заключающийся в возбуждении лазерной среды и пропускании через нее фильтруемого сигнала [3]. В качестве лазерной среды используется газовый CO2 лазер.A known method of filtering optical signals, which consists in exciting a laser medium and passing a filtered signal through it [3]. As a laser medium, a gas CO 2 laser is used.
К недостаткам данного способа следует отнести отсутствие возможности формирования узкой спектральной полосы приема (фильтрации) оптических сигналов, согласованной с параметрами фильтруемого оптического сигнала, наличие большого количества дополнительных спектральных линий усиления, приводящих к увеличению уровня шумов, снижающих эффективность фильтрации узкополосных сигналов на фоне широкополосной оптической засветки. The disadvantages of this method include the lack of the possibility of forming a narrow spectral band of reception (filtering) of optical signals that is consistent with the parameters of the filtered optical signal, the presence of a large number of additional spectral gain lines, leading to an increase in the noise level, reducing the filtering efficiency of narrow-band signals against the background of broadband optical illumination .
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ фильтрации оптических сигналов [4] , заключающийся в возбуждении лазерной газовой среды, пропускании через нее фильтруемого сигнала, формировании согласующей голограммы и пропускании через нее оптического сигнала. The closest in technical essence (prototype) is a method of filtering optical signals [4], which consists in exciting a laser gas medium, passing a filtered signal through it, forming a matching hologram and passing an optical signal through it.
К недостаткам данного способа фильтрации следует отнести невозможность формирования оптимальной по ширине спектральной полосы приема, согласованной по параметрам с характеристиками принимаемых оптических сигналов, что не позволяет использовать данный способ для фильтрации и высокочувствительного приема слабых оптических сигналов в узкой спектральной полосе на фоне широкополосной оптической помехи. The disadvantages of this filtering method include the impossibility of forming an optimal reception spectral bandwidth that is consistent in parameters with the characteristics of the received optical signals, which does not allow using this method for filtering and highly sensitive reception of weak optical signals in a narrow spectral band against a background of broadband optical interference.
Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является формирование и стабилизация оптимальной по ширине и форме спектральной полосы фильтрации (приема) импульсных оптических сигналов, повышение спектрального контраста полосы усиления, повышение чувствительности приема оптических импульсных сигналов, приближающейся к квантовому пределу. Achievable technical result of the present invention is the formation and stabilization of an optimal spectral bandwidth for filtering (receiving) pulsed optical signals, increasing the spectral contrast of the gain band, increasing the sensitivity of receiving optical pulsed signals approaching the quantum limit.
Новый технический результат достигается тем, что:
1. В известном способе, заключающемся в возбуждении лазерной среды и пропускании через нее фильтруемого оптического сигнала, в возбужденной среде формируют магнитное поле, направление вектора напряженности магнитного поля которого параллельно магнитному вектору электромагнитного поля фильтруемого оптического сигнала, формируют и пропускают через возбужденную среду контрольный оптический сигнал с длительностью импульса и длиной волны излучения, равными соответственно длительности импульса и длине волны излучения фильтруемого сигнала, измеряют амплитуду и длительность контрольного оптического сигнала до и после прохождения через возбужденную лазерную среду, осуществляют изменение величины напряженности магнитного поля в возбужденной лазерной среде до получения наибольшей амплитуды контрольного сигнала после прохождения через возбужденную лазерную среду относительно исходной амплитуды и длительности импульса контрольного сигнала после прохождения через лазерную среду, совпадающей с его исходной длительностью, и пропускают фильтруемый оптический сигнал через возбужденную лазерную среду.A new technical result is achieved by the fact that:
1. In the known method, which consists in exciting a laser medium and passing a filtered optical signal through it, a magnetic field is formed in the excited medium, the direction of the magnetic field vector of which is parallel to the magnetic vector of the electromagnetic field of the filtered optical signal, a control optical signal is generated and transmitted through the excited medium with a pulse duration and a radiation wavelength equal respectively to a pulse duration and a radiation wavelength of a filtered signal ala, measure the amplitude and duration of the control optical signal before and after passing through the excited laser medium, change the magnitude of the magnetic field in the excited laser medium to obtain the maximum amplitude of the control signal after passing through the excited laser medium relative to the original amplitude and pulse duration of the control signal after passing through the laser medium, which coincides with its initial duration, and the filtered optical signal h cut excited laser medium.
2. В известное устройство, содержащее входную диафрагму, кювету с активным веществом в газовой фазе, подсоединенной к баллону с рабочей газовой смесью и блоком поглощения отработанного вещества, импульсные лампы накачки, подключенные к блоку накачки, введены вогнутое зеркало, фотоприемник с блоком усиления, чувствительная приемная площадка которого установлена в фокусе вогнутого зеркала, установленные на оптической оси первой кюветы с активным веществом и последовательно расположенные первый нейтральный фильтр, поляризационное зеркало, блок вращения плоскости поляризации, первый поляризационный фильтр, вторая кювета с активным веществом, баллон с рабочей газовой смесью, блоком поглощения отработанного вещества, импульсными лампами накачки, блоком накачки, первое отражательное зеркало, а также лазерный светоизлучающий диод с последовательно установленными на его оптической оси, оптически связанными формирующей линзой, вторым поляризационным фильтром, интерференционным фильтром, полупрозрачным зеркалом и вторым нейтральным фильтром, оптический переключатель с отражательным зеркалом и блоком перемещения зеркала, последовательно установленными на оптической оси полупрозрачного зеркала, перпендикулярной оптической оси лазерного светоизлучающего диода, третий нейтральный фильтр, оптический прерыватель с заграждающей диафрагмой и блоком перемещения диафрагмы, второе отражательное зеркало, оптически связывающее выход лазерного светоизлучающего диода с оптическим входом фотоприемника, постоянные магниты, установленные вдоль первой и второй кювет параллельно их оси с двух противоположных сторон кювет, соленоиды, установленные в непосредственной близости с каждым из постоянных магнитов с зазором, подключенные к генератору тока, первый и второй датчики магнитного поля, установленные в зазоре между импульсными лампами и каждой из кювет, подключенные к первому и второму блокам сопряжения, аналого-цифровой преобразователь, блок анализа и управления, последовательно соединенные компаратор и блок определения длительности импульсов, выход которого подсоединен к блоку анализа и управления, генератор импульсных сигналов, выход которого подключен к лазерному светоизлучающему диоду, в управляющий вход к выходу блока анализа и управления, при этом входы аналого-цифрового преобразователя и компаратора подключены к выходу блока усиления фотоприемника, выход аналого-цифрового преобразователя подключен ко входу блока анализа и управления, выходы блока анализа и управления подключены к управляющим входам генератора тока, блока перемещения зеркала оптического переключателя, блока перемещения заграждающей диафрагмы и к блокам накачки, выходы первого и второго блоков сопряжения магнитных датчиков подсоединены ко входам блока анализа и управления, поляризационное зеркало установлено наклонно под углом к оптической оси первой кюветы и оптически связано с вогнутым зеркалом, оптический выход формирующей линзы через второй поляризационный фильтр, интерференционный фильтр, второй нейтральный фильтр и отражательное зеркало оптического переключателя связан с оптическим входом первой кюветы с активным веществом, при этом постоянные магниты и соленоиды, расположенные вокруг второй кюветы, установлены по отношению к постоянным магнитам и соленоидам, расположенным вокруг первой кюветы таким образом, что магнитная ось первых магнитов и соленоидов составляет с магнитной осью вторых угол в 45o.2. In a known device containing an inlet diaphragm, a cuvette with an active substance in the gas phase, connected to the cylinder with the working gas mixture and the absorption unit of the spent substance, the pulsed pump lamps connected to the pump unit, a concave mirror, a photodetector with an amplification unit, a sensitive the receiving platform which is installed in the focus of the concave mirror mounted on the optical axis of the first cell with the active substance and sequentially located the first neutral filter, polarizing mirror o, polarization plane rotation unit, first polarizing filter, second cuvette with the active substance, cylinder with the working gas mixture, the unit for absorbing the spent substance, flash lamps, a pump unit, the first reflective mirror, and a laser light-emitting diode with sequentially mounted on its optical axis optically coupled by a forming lens, a second polarizing filter, an interference filter, a translucent mirror and a second neutral filter, an optical switch with about a third mirror, an optical chopper with a blocking diaphragm and a block for moving the diaphragm, a second reflective mirror that optically connects the output of the laser light-emitting diode to the optical input of the photodetector , permanent magnets mounted along the first and second cuvettes parallel to their axis with two opposite hundred it is a cuvette, solenoids installed in close proximity to each of the permanent magnets with a gap, connected to a current generator, the first and second magnetic field sensors installed in the gap between flash lamps and each cuvette, connected to the first and second pairing units, analog a digital converter, an analysis and control unit, a comparator and a pulse duration determination unit connected in series, the output of which is connected to an analysis and control unit, a pulse signal generator, a cat output It is connected to a laser light-emitting diode, to the control input to the output of the analysis and control unit, while the inputs of the analog-to-digital converter and comparator are connected to the output of the photodetector amplification unit, the output of the analog-to-digital converter is connected to the input of the analysis and control unit, the outputs of the analysis and the controls are connected to the control inputs of the current generator, the block for moving the mirror of the optical switch, the block for moving the blocking diaphragm and to the pump blocks, the outputs of the first and second blocks with the voltages of the magnetic sensors are connected to the inputs of the analysis and control unit, the polarizing mirror is mounted obliquely at an angle to the optical axis of the first cuvette and is optically coupled to a concave mirror, the optical output of the forming lens through a second polarizing filter, an interference filter, a second neutral filter and a reflective mirror of the optical switch with an optical input of the first cell with the active substance, while the permanent magnets and solenoids located around the second cell are installed on relation to permanent magnets and solenoids located around the first cell in such a way that the magnetic axis of the first magnets and solenoids makes an angle of 45 o with the magnetic axis of the second.
На фиг. 1A приведен пример осуществления предлагаемого способа фильтрации в виде упрощенной блок-схемы, на которой представлены лишь основные элементы, реализующие операции предлагаемого способа. Это позволяет более конкретно представить особенности предлагаемого способа фильтрации без второстепенных деталей, характерных для устройства, реализующего способ, развернутая схема которого приведена на фиг. 1. In FIG. 1A shows an example implementation of the proposed filtering method in the form of a simplified block diagram, which shows only the basic elements that implement the operations of the proposed method. This allows you to more specifically present the features of the proposed filtering method without minor details characteristic of a device that implements the method, a detailed diagram of which is shown in FIG. 1.
На фиг. 1A приведены следующие обозначения:
1 - кювета с лазерной средой;
2 - блок возбуждения (накачки) лазерной среды;
3 - постоянный магнит;
4 - соленоид с источником тока;
6 - генератор контрольного сигнала;
7, 8 - регистрирующие фотоприемники;
9 - блок обработки информации;
10 - входной оптический сигнал;
11 - фотоприемник для регистрации отфильтрованного оптического сигнала;
12 - оптические зеркала;
13 - полупрозрачное стекло.In FIG. 1A, the following notation is given:
1 - a cuvette with a laser medium;
2 - block excitation (pumping) of the laser medium;
3 - permanent magnet;
4 - a solenoid with a current source;
6 - control signal generator;
7, 8 - recording photodetectors;
9 - information processing unit;
10 - input optical signal;
11 - photodetector for recording the filtered optical signal;
12 - optical mirrors;
13 - translucent glass.
Спектральную фильтрацию входного сигнала 10 с длиной волны λc и длительностью импульса Δtc осуществляют в кювете 1, заполненной лазерным (активным) веществом в газовой фазе, в качестве которого используется, например, перфторалкилиодид C3F7I. Возбуждение лазерной среды осуществляют по методу фотодиссоциации, инициированной, например, мощным ультрафиолетовым импульсом света λн, формируемым с помощью блока возбуждения 2, в качестве которого использованы импульсы лампы УФ-излучения.Spectral filtering of the input signal 10 with a wavelength λ c and a pulse duration Δt c is carried out in cuvette 1 filled with a laser (active) substance in the gas phase, for example, perfluoroalkyl iodide C 3 F 7 I. The laser medium is excited by the method photodissociation, initiated, for example, by a powerful ultraviolet light pulse λ n , formed using the
В результате реакции фотодиссоциации образуется возбужденный атомарный иод I*, являющийся рабочим веществом лазерной среды:
C3F7I + hνуф _→ C3F7 + I*.
Длина волны излучения λc фильтруемого оптического сигнала соответствует рабочей длине волны перехода λp возбужденного атомарного иода I*, используемого в качестве активной лазерной среды:
λc = λp.
Формирование контрольного оптического сигнала осуществляют с помощью генератора контрольного сигнала поз. 6 - лазерного излучающего диода. Длина волны и длительность контрольного оптического сигнала λк, ΔTк соответствуют аналогичным параметрам входного фильтруемого оптического сигнала 10 λк = λc; Δtк = Δtc.
В лазерной возбужденной среде 1 формируют постоянное по времени магнитное поле Hм с помощью постоянного магнита 3 и соленоида 4, в котором возбуждается постоянный ток с помощью источника тока 5. Направление вектора магнитного поля Hм параллельно направлению магнитного вектора Hс электромагнитного поля входного фильтруемого оптического сигнала 10.As a result of the photodissociation reaction, an excited atomic iodine I * is formed, which is the working substance of the laser medium:
C 3 F 7 I + hν uv _ → C 3 F 7 + I *.
The radiation wavelength λ c of the filtered optical signal corresponds to the working wavelength of the transition λ p of the excited atomic iodine I * used as an active laser medium:
λ c = λ p .
The formation of the control optical signal is carried out using the control signal generator pos. 6 - laser emitting diode. The wavelength and duration of the control optical signal λ k , ΔT k correspond to similar parameters of the input filtered optical signal 10 λ k = λ c ; Δt k = Δt c .
In a laser excited medium 1, a magnetic field constant in time H m is formed using a
Контрольный сигнал с выхода генератора контрольного сигнала 6 пропускают через возбужденную среду 1. Осуществляют измерение амплитуды и длительности контрольного оптического сигнала до и после прохождения лазерной возбужденной среды с помощью фотоприемников-регистраторов 8, 7 и блока обработки информации 9. Осуществляют изменение величины напряженности магнитного поля Hм с помощью соленоида 4 путем изменения величины тока i от источника тока 5. Процесс изменения магнитного поля Hм в возбужденной лазерной среде 1 осуществляют под управлением блока обработки информации 9, который осуществляет контроль уровня амплитуды Aк контрольного сигнала до (Aк о) и после (Aк вых) прохождения лазерной среды 1, а также измерение и контроль длительности импульса Δtк контрольного сигнала до (Δtк o) и после (Δtк вых) прохождения лазерной среды 1. Изменение величины магнитного поля Hм продолжают до получения наибольшей амплитуды прошедшего контрольного сигнала, относительно исходного (Aк вых /Aк о)=max и до совпадения длительности импульса Δtк вых прошедшего контрольного сигнала с исходной длительностью Δtк вых = Δtк о.
После этого фильтруемый входной сигнал 10 пропускают через возбужденную лазерную среду 1, которая в результате проведенных операций оптимально настроена на параметры входного оптического сигнала и обеспечивает наиболее эффективную спектральную фильтрацию проходящего оптического сигнала 10. Регистрацию отфильтрованного входного оптического сигнала 10 осуществляют фотоприемником 11.The control signal from the output of the control signal generator 6 is passed through the excited medium 1. The amplitude and duration of the control optical signal are measured before and after the passage of the laser excited medium using photodetectors-recorders 8, 7 and the information processing unit 9. The magnetic field H is changed m using a
After that, the filtered input signal 10 is passed through an excited laser medium 1, which, as a result of the operations performed, is optimally tuned to the parameters of the input optical signal and provides the most effective spectral filtering of the transmitted optical signal 10. The filtered input optical signal 10 is registered with a photodetector 11.
Физическая сущность оптимальной настройки возбужденной лазерной среды 1 в соответствии с параметрами входного фильтруемого сигнала 10 заключается в том, что при формировании внутри лазерной среды магнитного поля Hм происходит увеличение спектральной величины (полосы) фильтрации и квантового усиления оптического сигнала в лазерной среде.The physical essence of the optimal tuning of the excited laser medium 1 in accordance with the parameters of the input filtered signal 10 is that when the magnetic field H m is formed inside the laser medium, the spectral value (band) of the filtering and the quantum gain of the optical signal in the laser medium increase.
При первоначальном отсутствии магнитного поля ширина полосы усиления лазерной среды (атомарного иода) является весьма узкой и не согласована с параметрами принимаемых короткоимпульсных оптических сигналов, ширина спектра Δw которых превышает спектральную полосу усиления лазерной среды. После прохождения короткого импульса через возбужденную лазерную среду при Hм=0 его длительность увеличивается по сравнению с исходной Δtк > Δto, так как усилению подвергается лишь часть широкого спектра импульса. При формировании внутри лазерной среды магнитного поля Hм и увеличении его напряженности происходит соответствующее увеличение ширины полосы усиления лазерной среды. При этом в некоторый момент ширина полосы усиления лазерной среды становится равной ширине полосы принимаемого оптического импульсного сигнала. В этом случае усилению при прохождении через возбужденную лазерную среду подвергается весь спектральный состав оптического импульсного сигнала, при котором амплитуда импульса после прохождения через лазерную возбужденную среду является наибольшей, а длительность импульсного сигнала уменьшается и становится равной исходной длительности импульсного оптического сигнала. Настройку и стабилизацию характеристик лазерной среды для фильтрации оптического сигнала с заданной длительностью импульса Δtc осуществляют в предлагаемом способе путем фильтрации и определения характеристик контрольного оптического сигнала с параметрами, соответствующими параметрам фильтруемого оптического сигнала.In the initial absence of a magnetic field, the gain bandwidth of the laser medium (atomic iodine) is very narrow and is not consistent with the parameters of the received short-pulse optical signals, the spectral width Δw of which exceeds the spectral gain band of the laser medium. After the passage of a short pulse through an excited laser medium at H m = 0, its duration increases in comparison with the initial Δt to > Δt o , since only part of the wide spectrum of the pulse is amplified. When a magnetic field H m is formed inside the laser medium and its intensity is increased, a corresponding increase in the gain bandwidth of the laser medium occurs. In this case, at some moment, the gain bandwidth of the laser medium becomes equal to the bandwidth of the received optical pulse signal. In this case, the entire spectral composition of the optical pulse signal is subjected to amplification when passing through an excited laser medium, in which the amplitude of the pulse after passing through the laser excited medium is the largest, and the duration of the pulse signal decreases and becomes equal to the initial duration of the pulsed optical signal. The adjustment and stabilization of the characteristics of the laser medium for filtering an optical signal with a given pulse duration Δt c is carried out in the proposed method by filtering and determining the characteristics of the control optical signal with parameters corresponding to the parameters of the filtered optical signal.
В предлагаемом способе фильтрации формирование оптимальной полосы усиления (фильтрации) оптических импульсных сигналов осуществляют путем последовательного увеличения ширины исходной весьма узкой спектральной полосы усиления возбужденной лазерной среды. In the proposed filtering method, the formation of the optimal amplification (filtering) band of optical pulsed signals is carried out by successively increasing the width of the initial very narrow spectral gain band of the excited laser medium.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ фильтрации - активного квантового фильтра. In FIG. 1 shows a block diagram of a device that implements the proposed filtering method is an active quantum filter.
Устройство содержит следующие элементы:
Входная диафрагма - 59;
Первая кювета с активным веществом - поз. 1;
Баллон с рабочей газовой смесью - 2 с входящим в его состав запорным вентилем - 55;
Блок поглощения отработанного вещества - 3 с входящим в его состав запорным вентилем 56;
Импульсные лампы накачки - 4, 5;
Лампы накачки снабжены зеркальными отражателями, которые на фиг. 1 не показаны;
Первый блок накачки - 6;
Первый нейтральный фильтр - 7;
Поляризационное зеркало - 8;
Блок вращения плоскости поляризации - 9;
Первый поляризационный фильтр - 10;
Вторая кювета с активным веществом - 11;
Второй баллон с рабочей газовой смесью - 12 с входящим в его состав запорным вентилем - 57;
Второй блок поглощения отработанного вещества - 13 с входящим в его состав запорным вентилем - 58;
Импульсные лампы накачки - 14, 15;
Лампы накачки снабжены зеркальными отражателями, которые на фиг. 1 не показаны;
Второй блок накачки - 16;
Вогнутое зеркало - 17;
Фотоприемник - 18;
Блок усиления - 19;
Первое отражательное зеркало - 20;
Лазерный светоизлучающий диод - 21;
Формирующая лампа - 22;
Второй поляризационный фильтр - 23;
Интерференционный фильтр - 24;
Полупрозрачное зеркало - 25;
Второй нейтральный фильтр - 26;
Оптический переключатель - 27;
Зеркало - 28;
Блок перемещения - 29;
Третий нейтральный фильтр - 30;
Оптический прерыватель - 31;
Заграждающая диафрагма - 32;
Блок перемещения - 33;
Второе отражательное зеркало - 34;
Постоянные магниты - 36, 37, 38, 39;
Соленоиды - 40, 41, 42, 43;
Генератор тока - 44;
Компаратор - 45;
Блок определения длительности импульсов - 46;
Аналого-цифровой преобразователь - 47;
Блок анализа и управления - 48;
Первый датчик магнитного поля - 49;
Второй датчик магнитного поля - 50;
Первый и второй блоки сопряжения - 51, 52;
Фоточувствительная площадка фотоприемника - 53;
Генератор импульсных сигналов - 54;
На фиг. 2 показано сечение первой кюветы с активным веществом 1, перпендикулярное оптической оси О-О'. Показано расположение вокруг кюветы 1 системы постоянных магнитов 36, 37 и соленоидов 40, 41.The device contains the following elements:
Input aperture - 59;
The first cell with the active substance is pos. 1;
A cylinder with a working gas mixture - 2 with a shut-off valve included in its composition - 55;
The block of absorption of the spent substance - 3 with its shut-off valve 56;
Pulsed pump lamps - 4, 5;
The pump lamps are provided with mirror reflectors, which in FIG. 1 not shown;
The first pumping unit is 6;
The first neutral filter is 7;
Polarizing mirror - 8;
Block of rotation of the plane of polarization - 9;
The first polarizing filter is 10;
The second cell with the active substance is 11;
The second cylinder with a working gas mixture - 12 with its shut-off valve - 57;
The second block of absorption of the spent substance - 13 with its shut-off valve - 58;
Pulsed pump lamps - 14, 15;
The pump lamps are provided with mirror reflectors, which in FIG. 1 not shown;
The second pumping unit is 16;
Concave mirror - 17;
Photodetector - 18;
Amplification block - 19;
The first reflective mirror is 20;
Laser light emitting diode - 21;
Forming lamp - 22;
The second polarizing filter is 23;
The interference filter - 24;
Translucent mirror - 25;
The second neutral filter is 26;
Optical switch - 27;
Mirror - 28;
The block of movement - 29;
The third neutral filter is 30;
Optical chopper - 31;
The blocking diaphragm - 32;
The block of movement - 33;
The second reflective mirror - 34;
Permanent magnets - 36, 37, 38, 39;
Solenoids - 40, 41, 42, 43;
Current generator - 44;
Comparator - 45;
The unit for determining the duration of the pulses is 46;
Analog-to-digital converter - 47;
Analysis and control unit - 48;
The first magnetic field sensor is 49;
The second magnetic field sensor is 50;
The first and second blocks of pairing - 51, 52;
Photosensitive area of the photodetector - 53;
Pulse signal generator - 54;
In FIG. 2 shows a cross section of the first cell with the active substance 1, perpendicular to the optical axis O-O '. The arrangement around the cuvette 1 of the system of
На фиг. 3 показаны аналогичное перпендикулярное оси О-О' сечение второй кюветы 11 и расположение системы постоянных магнитов 38, 39 и соленоидов 42, 43 вокруг кюветы 11. In FIG. 3 shows a cross section of the second cuvette 11, similar to the perpendicular axis O-O ', and the arrangement of the system of
Система постоянных магнитов 38, 39 и соленоидов 42, 43, расположенных вокруг второй кюветы 11 на фиг. 3, повернута на 45o вокруг оси О-О' относительно положения системы постоянных магнитов 36, 37 и соленоидов 40, 41, расположенных вокруг первой кюветы 1 на фиг. 2.The system of
Устройство представляет собой узкополосный оптический квантовый усилитель с большим коэффициентом усиления в узкой спектральной полосе, т.е. активный квантовый фильтр. Активный квантовый фильтр (АКФ) содержит два каскада усиления импульсных оптических сигналов. Первый каскад усиления реализован на основе первой кюветы с активным веществом (поз. 1 на фиг. 1), работающим в однопроходном режиме усиления. Второй каскад усиления реализован на основе второй кюветы с активным веществом 11, которая работает в режиме двухпроходного усиления оптических импульсов. The device is a narrow-band optical quantum amplifier with a large gain in a narrow spectral band, i.e. active quantum filter. An active quantum filter (ACF) contains two amplification stages of pulsed optical signals. The first amplification stage is based on the first cell with the active substance (pos. 1 in Fig. 1) operating in a single-pass amplification mode. The second amplification stage is implemented on the basis of the second cell with the active substance 11, which operates in the two-pass amplification of optical pulses.
Оптическим входом устройства является входная диафрагма 59, которая ограничивает поступающий на вход устройства световой поток. The optical input of the device is the input diaphragm 59, which restricts the light flux entering the input of the device.
Усиливаемые оптические импульсные сигналы распространяются вдоль оптической оси О-О' слева направо, поступают на оптический вход устройства 59 и далее поступают на оптический вход первой кюветы 1. Усиление оптических сигналов происходит в процессе их прохождения через первую и вторую кюветы 1, 11, заполненные активным веществом в газовой фазе, в качестве которого в предлагаемом устройстве используется атомарный возбужденный иод. Последний образуется в результате фотодиссоциации перфторалкилиодидов, находящихся в газовой фазе в рабочей газовой смеси в кюветах 1, 11 и в баллонах 2, 12. Фотодиссоциация осуществляется под воздействием светового импульса накачки, формируемого импульсными лампами накачки 4, 5; 14, 15. Особенностью атомарного возбужденного иода как активного вещества квантового усилителя является большое время жизни в возбужденном состоянии и высокий коэффициент усиления, достигающий в предлагаемом АКФ величин ~K = 103÷104 После действия импульса ламп накачки 4; 15; 5; 14 активное вещество в первой и второй кюветах (возбужденный иод) остается в возбужденном состоянии в течение >200 - 1000 мкс. Все это время АКФ находится в режиме приема и способен эффективно и с высоким коэффициентом усиления усиливать слабые оптические импульсы, приходящие на оптический вход АКФ.The amplified optical pulsed signals propagate along the optical axis O-O 'from left to right, go to the optical input of the device 59, and then go to the optical input of the first cell 1. The amplification of the optical signals occurs during their passage through the first and second cells 1, 11, filled with active substance in the gas phase, in which the proposed device uses atomic excited iodine. The latter is formed as a result of the photodissociation of perfluoroalkyl iodides in the gas phase in the working gas mixture in cuvettes 1, 11 and in
Регистрация усиленных в АКФ оптических импульсов осуществляется фотоприемником 18. АКФ способен работать как в однократном режиме усиления оптических импульсов, так и в частотно-периодическом режиме. В последнем случае импульсы оптической накачки, формируемые лампами накачки 4; 5; 14; 15 повторяются периодически. Registration of optical pulses amplified in the ACF is performed by the photodetector 18. The ACF is capable of operating both in a single mode of amplification of optical pulses and in a frequency-periodic mode. In the latter case, optical pump pulses generated by
Усилению в АКФ подвергаются импульсные оптические сигналы с линейной поляризацией. Чувствительность АКФ в целом определяется собственными шумами первой кюветы 1, приведенными к входу кюветы. The amplification in the ACF is subjected to pulsed optical signals with linear polarization. The sensitivity of the ACF as a whole is determined by the intrinsic noise of the first cell 1, reduced to the input of the cell.
Коэффициент усиления сигнала в первой кювете выбран небольшим, например, K1≈200, достаточным для компенсации потерь в оптических элементах, расположенных между первой и второй кюветами, и для превышения в несколько раз уровня полезного сигнала, поступающего на вход второй кюветы 11, над собственными шумами второй кюветы 11, приведенными к ее оптическому входу.The signal gain in the first cuvette is chosen small, for example, K 1 ≈200, sufficient to compensate for losses in the optical elements located between the first and second cuvettes, and to exceed the useful signal received at the input of the second cuvette 11 several times over its own the noise of the second cell 11, brought to its optical input.
Следует отметить, что уровень собственных спонтанных шумов кювет 1, 11, приведенных ко входу весьма мал и составляет порядок 1 - 2 шумовых фотона в дифракционном угле разрешения за время действия входного оптического импульсного сигнала τимп ≈ 5 нс. Это обусловлено характеристиками возбужденного атомарного иода, используемого в качестве активного вещества. Поэтому небольшого уровня усиления сигнала в первой кювете поз. 1 достаточно для значительного превышения усиливаемого сигнала над собственными шумами во второй кювете 11. Между первой и второй кюветами установлен первый нейтральный фильтр 7, обеспечивающий ослабление всех проходящих сигналов в n1 раз, где n1<K1. Это позволяет сильно снизить уровень паразитных фоновых засветок, поступающих на оптический вход АКФ и лежащих вне узкой полосы усиления первой кюветы 1 и всего АКФ, которые не подвергаются усилению в первой кювете. При этом чувствительность всего АКФ к полезному сигналу, лежащему внутри узкой полосы усиления АКФ ΔL, не ухудшается, так как коэффициент усиления K1 в первой кювете выбран, как было указано выше, таким, чтобы компенсировать потери полезного сигнала во всех оптических элементах, расположенных между первой и второй кюветами. Первый нейтральный фильтр 7 позволяет таким образом повысить спектральный контраст полосы усиления АКФ вследствие ослабления уровня фоновых шумов вне узкой спектральной полосы усиления АКФ ΔL.
Увеличивая коэффициент усиления сигналов в первой кювете K1 и одновременно увеличивая ослабление сигналов n1 в первом нейтральном фильтре 7 путем уменьшения его пропускания, можно увеличить спектральный контраст усиления оптических сигналов в АКФ до требуемой величины.It should be noted that the level of intrinsic spontaneous noise of cuvettes 1, 11 reduced to the input is very small and amounts to about 1 - 2 noise photons in the diffraction resolution angle during the duration of the input optical pulse signal, τ imp ≈ 5 ns. This is due to the characteristics of the excited atomic iodine used as an active substance. Therefore, a small level of signal amplification in the first cuvette pos. 1 is sufficient to significantly exceed the amplified signal over its own noise in the second cuvette 11. Between the first and second cuvettes, a first neutral filter 7 is installed, which attenuates all transmitted signals by n 1 times, where n 1 <K 1 . This allows you to greatly reduce the level of spurious background illumination entering the optical input of the ACF and lying outside the narrow gain band of the first cell 1 and the entire ACF, which are not amplified in the first cell. In this case, the sensitivity of the entire ACF to the useful signal lying inside the narrow ACF gain band ΔL does not deteriorate, since the gain K 1 in the first cuvette is selected, as indicated above, so as to compensate for the loss of the useful signal in all optical elements located between first and second ditches. The first neutral filter 7 thus makes it possible to increase the spectral contrast of the ACF gain band due to attenuation of the background noise level outside the narrow ACF gain spectral band ΔL.
By increasing the signal gain in the first cuvette K 1 and at the same time increasing the attenuation of signals n 1 in the first neutral filter 7 by reducing its transmission, the spectral contrast of the amplification of the optical signals in the ACF can be increased to the desired value.
Усиливаемый оптический сигнал после усиления в первой кювете 1 и прохождения через первый нейтральный фильтр 7 последовательно проходит через зеркальный поляризатор 8, оптический блок вращения плоскости поляризации 9, первый поляризационный фильтр 10 и поступает на оптический вход второй кюветы 11 для дальнейшего усиления. Зеркальный поляризатор 8 представляет собой стеклянную подложку с напыленным на нее многослойным диэлектрическим покрытием. Световой поток, проходящий слева от зеркального поляризатора 8, проходит через него свободно без изменения своих параметров. В обратном ходе световой поток, имеющий поляризацию, совпадающую с плоскостью зеркального поляризатора 8, через него не происходит, а отражается по направлению к вогнутому зеркалу 17. Зеркальный поляризатор 8 совместно с блоком вращения плоскости поляризации 9 выполняют функцию оптического изолятора между первой и второй кюветами. The amplified optical signal after amplification in the first cuvette 1 and passing through the first neutral filter 7 passes sequentially through the mirror polarizer 8, the optical unit of rotation of the plane of polarization 9, the first polarizing filter 10 and is fed to the optical input of the second cuvette 11 for further amplification. Mirror polarizer 8 is a glass substrate sprayed onto it with a multilayer dielectric coating. The luminous flux passing to the left of the mirror polarizer 8 passes through it freely without changing its parameters. In the reverse direction, the luminous flux having a polarization coinciding with the plane of the mirror polarizer 8 does not occur through it, but is reflected towards the concave mirror 17. The mirror polarizer 8, together with the rotation block of the plane of polarization 9, perform the function of an optical insulator between the first and second cells.
Усиливаемый оптический сигнал с выхода первой кюветы имеет линейную поляризацию E в плоскости рисунка (см. чертеж фиг. 1 
На выходе из блока вращения 9 (слева) перед падением на зеркальный поляризатор 8 усиленный световой поток получает вращение плоскости поляризации на 90o и имеет поляризацию, параллельную плоскости зеркального поляризатора 8 (см. фиг. 1 ⊕E). В этом случае усиленный световой поток не проходит назад в первую кювету 1, а отражается от зеркального поляризатора 8 и направляется на плоскость вогнутого зеркала 17, в фокусе которого установлен фотоприемник 18 с чувствительной площадкой 53. Поляризационное зеркало 8 установлено наклонно по отношению к оптической оси О-О' и оптически связано с вогнутым зеркалом 17. При этом световой поток, идущий в обратном ходе через блок вращения поляризации 9, отражается от поляризационного зеркала 8, поступает на вогнутое зеркало 17 и далее фокусируется на фазочувствительной площадке 53 фотоприемника 18. Фотоприемник 18 регистрирует усиленный оптический сигнал, преобразует его в электрический импульс, который по форме подобен оптическому импульсу. Электрический импульс усиливается усилителем 19, и далее поступает для дальнейшего анализа на входы компаратора 45 и аналого-цифрового преобразователя 47. Аналого-цифровой преобразователь 47 осуществляет оцифровку импульса, зарегистрированного фотоприемником 18 и усиленного усилителем 19 с фиксированным коэффициентом усиления. Компаратор 45 осуществляет сравнение импульса с выхода усилителя 19 с заданным фиксированным пороговым уровнем и формирует на своем выходе импульс превышения над порогом, длительность которого равна величине импульса с выхода усилителя на уровне данного порога. Далее блок измерения длительности импульса 46 осуществляет измерение длительности импульса, сформированного компаратором 45. Информация о длительности импульса в цифровой форме поступает на вход блока анализа и управления 48, на другой вход которого в цифровой форме поступает информация об амплитуде импульса. Эта информация соответствует величинам амплитуды и длительности оптического импульсного сигнала, усиленного активным квантовым фильтром и зарегистрированного фотоприемником 18.At the exit of the rotation unit 9 (left), before falling onto the mirror polarizer 8, the amplified light flux receives 90 ° rotation of the plane of polarization and has a polarization parallel to the plane of the mirror polarizer 8 (see Fig. 1 ⊕E). In this case, the amplified light flux does not pass back into the first cuvette 1, but is reflected from the mirror polarizer 8 and directed to the plane of the concave mirror 17, in the focus of which a photodetector 18 with a sensitive area 53 is mounted. The polarizing mirror 8 is installed obliquely with respect to the optical axis O -O 'and is optically connected with a concave mirror 17. In this case, the light flux going in the reverse direction through the polarization rotation unit 9 is reflected from the polarization mirror 8, arrives at the concave mirror 17, and then focuses on phase-sensitive area 53 of the photodetector 18. Photodetector 18 registers the amplified optical signal, converts it into an electrical pulse, which in shape is similar to an optical pulse. The electric pulse is amplified by an amplifier 19, and then fed for further analysis to the inputs of the comparator 45 and the analog-to-digital converter 47. The analog-to-digital converter 47 digitizes the pulse detected by the photodetector 18 and amplified by the amplifier 19 with a fixed gain. The comparator 45 compares the pulse from the output of the amplifier 19 with a given fixed threshold level and generates an output pulse exceeding the threshold, the duration of which is equal to the value of the pulse from the output of the amplifier at the level of this threshold. Next, the pulse duration measuring unit 46 measures the duration of the pulse generated by the comparator 45. Information about the pulse duration is digitally supplied to the input of the analysis and control unit 48, and the pulse amplitude information is received digitally to its other input. This information corresponds to the magnitudes of the amplitude and duration of the optical pulse signal amplified by an active quantum filter and recorded by the photodetector 18.
Управление шириной и формой спектральной полосы усиления АКФ осуществляется с помощью системы из постоянных магнитов поз. 36, 37, 38, 39 и соленоидов поз. 40, 41, 42, 43, которые расположены вокруг каждой из кювет 1, 11 параллельно оси О-О', как показано на фиг. 1, 2, 3. Постоянные магниты и соленоиды создают внутри первой и второй кювет 1, 11 постоянное магнитное поле H с некоторым фиксированным значением напряженности магнитного поля. Направление вектора магнитного поля H перпендикулярно оптической оси О-О', как показано на фиг. 1 - 3. Магнитное поле H воздействует на активное вещество в кюветах 1, 11 и приводит к изменению ширины и формы спектральной линии усиления АКФ. Постоянные магниты 36 - 39 формируют постоянную составляющую поля H в кюветах. Соленоиды 40 - 43 формируют изменяемую составляющую поля H в кюветах. Для изменения величины магнитного поля H в кюветах 1, 11 служит генератор тока 44, управляющий вход которого подключен к выходу блока анализа и управления 48. Изменение величины магнитного поля H в кюветах 1, 11 осуществляется путем изменения тока в соленоидах 40 - 43, подсоединенных к генератору тока 44. В генераторе тока 44 по управляющим сигналам, вырабатываемым блоком анализа и управления 48, формируется различная величина постоянного тока, питающего соленоиды 40 - 43, что и приводит к изменению величины напряженности магнитного поля в кюветах 1, 11 и соответственно к изменению ширины и формы спектральной линии усиления АКФ. Уровень величины магнитного поля 4 в кюветах измеряется с помощью датчиков магнитного поля 49 - 50, расположенных между каждой из кювет и лампами накачки. Сигналы от датчиков магнитного поля 49, 50 через блоки сопряжения 51, 52 поступают на входы блока анализа и управления 48. Таким образом, образуется цепь обратной связи по управлению величиной магнитного поля в кюветах 1, 11 с помощью системы постоянных магнитов и соленоидов и блока анализа и управления 48. The width and shape of the spectral gain band of the ACF is controlled by a system of permanent magnets pos. 36, 37, 38, 39 and solenoids pos. 40, 41, 42, 43, which are located around each of the cuvettes 1, 11 parallel to the axis O-O ', as shown in FIG. 1, 2, 3. Permanent magnets and solenoids create a constant magnetic field H inside the first and second cuvettes 1, 11 with some fixed value of the magnetic field strength. The direction of the magnetic field vector H is perpendicular to the optical axis O-O ', as shown in FIG. 1 - 3. The magnetic field H acts on the active substance in cuvettes 1, 11 and leads to a change in the width and shape of the spectral line of amplification of the ACF. Permanent magnets 36 - 39 form a constant component of the field H in the cells. Solenoids 40 - 43 form a variable component of the field H in the cells. To change the magnitude of the magnetic field H in the cuvettes 1, 11, a current generator 44 is used, the control input of which is connected to the output of the analysis and control unit 48. The magnetic field H in the cuvettes 1, 11 is changed by changing the current in the solenoids 40 - 43 connected to current generator 44. In the current generator 44, according to the control signals generated by the analysis and control unit 48, a different value of the direct current supplying the solenoids 40 - 43 is formed, which leads to a change in the magnitude of the magnetic field in cells 1, 11 and responsibly to change the width and shape of the spectral gain line ACF. The level of the
Установление оптимальной величины ширины полосы усиления АКФ осуществляется путем усиления в кюветах 1 и 11 контрольного оптического сигнала, формируемого лазерным светодиодом 21, и определения параметров этого сигнала после прохождения через кюветы 1, 11 и регистрации фотоприемником 18. Импульсный генератор 54 осуществляет формирование импульсов накачки лазерного светодиода 21 по управляющим сигналам с выхода блока анализа и управления 48. Формирующая линза 22, светофильтры 23, 24, второй нейтральный фильтр 26 осуществляют формирование светового потока с соответствующими оптическими характеристиками, поступающего на вход первой кюветы 1. При этом интерференционный 24 и поляризационный 23 фильтры осуществляют выделение требуемой спектральной полосы из излучения лазерного светоизлучающего диода 21 и поляризации (вертикальной), которая подвергается усилению в АКФ. Нейтральный фильтр 26 обеспечивает необходимое ослабление сигнала с выхода лазерного диода 21 до уровня, соответствующего высокой чувствительности АКФ. Оптический переключатель 27 обеспечивает при перемещении зеркала 28 в положение 2 переключение оптического входа первой кюветы 1 на прием оптических приемных сигналов, излучаемых лазерным светодиодом 21. The optimal magnitude of the ACF gain bandwidth is established by amplifying the control optical signal generated by the laser LED 21 in the cells 1 and 11 and determining the parameters of this signal after passing through the cells 1, 11 and registering with the photodetector 18. The pulse generator 54 generates pump pulses of the laser LED 21 according to the control signals from the output of the analysis and control unit 48. The forming lens 22, the filters 23, 24, the second neutral filter 26 generate light of flow with the respective optical characteristics, input to the first input of the cell 1. In this case, the interference 24 and polarizing filters 23 carried allocation desired spectral band of the emission laser light emitting diode 21 and a polarization (vertical), which is amplified in the ACF. The neutral filter 26 provides the necessary attenuation of the signal from the output of the laser diode 21 to a level corresponding to the high sensitivity of the ACF. The optical switch 27 provides when moving the mirror 28 to
Формирующая линза 22 формирует параллельный световой поток с выхода лазерного светоизлучающего диода. Оптический канал, содержащий полупрозрачное зеркало 25, третий нейтральный фильтр 30 и отражательное зеркало 34, обеспечивает передачу части контрольного светового потока (импульсных сигналов) непосредственно на вход фотоприемника 18 для независимого определения параметров сигналов, формируемых лазерным светоизлучающим диодом 21. Определение параметров оптических импульсных сигналов, как непосредственно сформированных лазерным светодиодом 21, так и прошедших через кюветы 1, 11, осуществляется с помощью АЦП 47, компаратора 45 и блока определения длительности импульсов 46. Полученная информация в цифровой форме поступает в блок анализа и управления 48, который осуществляет анализ (сравнение) измеренных параметров импульсных сигналов и на основе этого анализа принимает решение и вырабатывает управляющие импульсы, поступающие на вход генератора 44, для увеличения или уменьшения величины напряженности магнитного поля 44, для увеличения или уменьшения величины напряженности магнитного поля H в кюветах 1, 11 с целью уменьшения оптимальной ширины спектральной линии усиления АКФ. The forming lens 22 forms a parallel light flux from the output of the laser light emitting diode. An optical channel containing a translucent mirror 25, a third neutral filter 30 and a reflective mirror 34, provides a part of the control light flux (pulse signals) directly to the input of the photodetector 18 for independent determination of the parameters of the signals generated by the laser light emitting diode 21. Determination of the parameters of the optical pulse signals, both directly formed by the laser LED 21, and passed through the cuvettes 1, 11, is carried out using the ADC 47, the comparator 45 and the block the duration of the pulses 46. The obtained information is digitally transmitted to the analysis and control unit 48, which analyzes (compares) the measured parameters of the pulse signals and, based on this analysis, makes a decision and generates control pulses supplied to the input of the generator 44 to increase or decrease the magnitude of the magnetic field 44, to increase or decrease the magnitude of the magnetic field H in the cells 1, 11 in order to reduce the optimal width of the spectral line of amplification of the ACF.
Оптический преобразователь 31 осуществляет прерывание светового потока (в поз. 2 на фиг. 1) в случае, когда контрольный сигнал поступает от лазерного светоизлучающего диода на вход первой кюветы 1. При анализе характеристик собственно контрольного сигнала, формируемого лазерным светоизлучающим диодом 21, оптический прерыватель 31 переключается в положение 1, при котором сигнал лазерного светоизлучающего диода 21 поступает непосредственно на фазочувствительную подложку фотоприемника 18. При этом зеркало 28 оптического переключателя 27 находится в верхнем положении 1, при котором сигнал с выхода лазерного светоизлучающего диода 21 на оптический вход кюветы 1 не поступает. Предполагается также, что в этом случае на вход кюветы 1 никаких посторонних сигналов не поступает. В этот момент времени на лампы накачки импульсы накачки не поступают, т.е. усиления сигналов в кюветах 1, 11 не происходит. Нейтральный светофильтр 30 обеспечивает ослабление контрольного сигнала до уровня, соответствующего чувствительности фотоприемника 18. The optical converter 31 interrupts the light flux (in pos. 2 in Fig. 1) in the case when the control signal comes from the laser light-emitting diode to the input of the first cell 1. When analyzing the characteristics of the actual control signal generated by the laser light-emitting diode 21, the optical chopper 31 switches to position 1, in which the signal of the laser light-emitting diode 21 goes directly to the phase-sensitive substrate of the photodetector 18. In this case, the mirror 28 of the optical switch 27 finds I in the upper position 1 at which the signal output from the laser light emitting diode 21 to the optical input of the cell 1 does not act. It is also assumed that in this case no extraneous signals are input to the cell 1. At this point in time, pump pulses do not arrive at the pump lamps, i.e. amplification of signals in cells 1, 11 does not occur. The neutral filter 30 provides a weakening of the control signal to a level corresponding to the sensitivity of the photodetector 18.
Рассмотрим более подробно принцип квантового усиления в устройстве, реализующем предлагаемый способ. Let us consider in more detail the principle of quantum gain in a device that implements the proposed method.
Как было отмечено, в предлагаемом устройстве в качестве активного вещества в кюветах 1, 11 используется возбужденный атомарный иод, образующийся в результате реакции фотодиссоциации перфторалкилиодидов под воздействием оптической накачки, осуществляемой импульсными лампами 4, 5, 14, 15. Рабочей газовой смесью является следующая смесь газов:
1. Перфторалкилиодид C3F7I; 2. Аргон Ar.As was noted, in the proposed device as the active substance in cuvettes 1, 11, excited atomic iodine is used, which is formed as a result of the photodissociation of perfluoroalkyl iodides under the influence of optical pumping by
1. Perfluoroalkyl iodide C 3 F 7 I; 2. Argon Ar.
Первый компонент является источником атомарного возбужденного иода I, образующегося под действием оптической накачки. Второй компонент является инертным газом для поглощения избыточной энергии диссоциации и предотвращения пиролиза рабочего вещества C3F7I. Возможно использование других веществ из класса перфторалкилиодидов и других нейтральных газов и компонентов.The first component is a source of atomic excited iodine I formed under the action of optical pumping. The second component is an inert gas to absorb excess dissociation energy and prevent the pyrolysis of the working substance C 3 F 7 I. Other substances from the class of perfluoroalkyl iodides and other neutral gases and components can be used.
Предлагаемый активный квантовый фильтр обладает весьма малой шириной полосы квантового усиления ΔL, что обусловлено использованием в качестве активного вещества возбужденных атомов иода. Рабочий лазерный переход в атоме иода является магнитодипольным переходом между уровнями 2P3/2 и 2P1/2.The proposed active quantum filter has a very small quantum gain bandwidth ΔL, which is due to the use of excited iodine atoms as the active substance. The working laser transition in the iodine atom is a magnetic dipole transition between the 2 P 3/2 and 2 P 1/2 levels.
Верхний возбужденный уровень 2P1/2 имеет большое радиационное время жизни τ = 0,124 сек.
Это обуславливает предельно узкую полосу квантового усиления АКФ равную ΔL ≈ 0,01 см-1, ограниченную допплеровским и столкновительным уширениями. Собственные шумы иодного фотодиссоционного квантованного усиления также очень малы и ограничены квантовым пределом вследствие того, что населенность нижнего уровня 2P3/2 практически равна нулю. Нижним уровнем здесь является основное состояние иода (атомарного), однако, иод в этом состоянии не накапливается, так как существует реакция рекомбинации атомов иода с радикалами в исходную молекулу C3F7I. Эта реакция быстро очищает быстрое состояние и практически не обедняет верхнее состояние, т.к. возбужденные атомы иода менее реакционно способны.The upper excited level 2 P 1/2 has a large radiation lifetime τ = 0.124 sec.
This leads to an extremely narrow band of quantum gain of the ACF equal to ΔL ≈ 0.01 cm -1 , limited by Doppler and collisional broadening. The intrinsic noise of the iodine photodissociation quantized amplification is also very small and limited by the quantum limit due to the fact that the population of the lower level 2 P 3/2 is practically zero. The lower level here is the ground state of iodine (atomic), however, iodine in this state does not accumulate, since there is a reaction of recombination of iodine atoms with radicals in the original C 3 F 7 I. This reaction quickly clears the fast state and practically does not deplete the upper state because excited iodine atoms are less reactive.
Большое время жизни верхнего возбужденного уровня обуславливает возможность сохранения высокого коэффициента усиления АКФ K = 103-104 и более на время порядка ≈1 мсек, что значительно превышает время действия оптической накачки лампами 4, 5, 14, 15, составляющее ≈0,1 мсек.The long lifetime of the upper excited level makes it possible to maintain a high gain of the ACF K = 10 3 -10 4 or more for a time of the order of ≈1 ms, which significantly exceeds the time of the optical pumping of
Вследствие реализации очень узкой спектральной полосы усиления основной практической проблемой в АКФ является задача формирования и стабилизации оптимальной ширины полосы усиления, согласованной с шириной спектра принимаемого оптического импульсного сигнала с короткой длительностью, достигающей порядка единиц наносекунд (τимп ≈ 5 нсек). Оптимальная ширина полосы усиления в предлагаемом АКФ реализуется путем воздействия на активное вещество - возбужденный атомарный иод - магнитным полем с определенной напряженностью поля H и направлением магнитного вектора.Due to the implementation of a very narrow spectral gain band, the main practical problem in ACF is the formation and stabilization of the optimal gain bandwidth, consistent with the spectrum width of the received optical pulse signal with a short duration reaching several nanoseconds (τ imp ≈ 5 nsec). The optimal gain bandwidth in the proposed ACF is realized by exposing the active substance — the excited atomic iodine — to a magnetic field with a certain field strength H and the direction of the magnetic vector.
Магнитное поле, воздействующее на активное вещество в кювете, формируется с помощью постоянных магнитов 36, 37, 38, 39 и соленоидов 40, 41, 42, 43, подключенных к генератору тока 44. Постоянные магниты 36 - 39 обеспечивают постоянную величину магнитного поля с напряженностью порядка 150 - 250 Э. Соленоиды 40 - 43 обеспечивают небольшую дополнительную составляющую H порядка ±50 Э, которая определяется величиной тока, формируемого генератором тока 44, и позволяет осуществить точную автоматическую настройку оптимального режима работы АКФ. Создаваемое внутри кювет постоянными магнитами и соленоидами магнитное поле имеет направление магнитного вектора H перпендикулярно оптической оси О-О' и параллельно магнитной составляющей Hэмп электромагнитного поля, усиливаемого в кювете оптического импульсного сигнала, который имеет линейную поляризацию. Поля других направлений поляризации усиливаются в АКФ значительно слабее, вследствие чего рабочая среда действует еще и как активный поляризационный фильтр, эффективно усиливающий поле только одной фиксированной поляризации.The magnetic field acting on the active substance in the cuvette is formed using
На фиг. 1 направление магнитного поля H в первой кювете показано условно. Истинное направление магнитного поля H в первой кювете 1 перпендикулярно плоскости чертежа фиг. 1 и перпендикулярно направлению электрического поля E в приходящей световой волне. При этом магнитное поле H направлено от магнита 37 и соленоида 41 к магниту 36 и соленоиду 40. По условиям плоскостного изображения на чертеже фиг. 1 система постоянных магнитов 36, 37 и соленоидов 40, 41 условно показана в одной плоскости с направлением вектора E электрического поля в приходящей световой волне. In FIG. 1, the direction of the magnetic field H in the first cuvette is shown conditionally. The true direction of the magnetic field H in the first cuvette 1 is perpendicular to the plane of the drawing of FIG. 1 and perpendicular to the direction of the electric field E in the incoming light wave. In this case, the magnetic field H is directed from the
Блок вращения поляризации 9 обеспечивает вращение плоскости поляризации проходящего электромагнитного поля на 45o. Поэтому для обеспечения эффективного усиления во 2-й кювете 11 в ней система постоянных магнитов 38, 39 и соленоидов 42, 43 повернута на 45o вокруг оси О-О' относительно положения магнитов в первой кювете 1, как это показано на фиг. 2 и 3.The polarization rotation unit 9 provides rotation of the plane of polarization of the transmitted electromagnetic field by 45 o . Therefore, to ensure effective amplification in the 2nd cuvette 11 therein, the system of
Действие сформированного магнитного поля на активное вещество заключается в следующем. Рабочий лазерный переход в атоме иода между верхним уровнем 2P1/2 и нижним уровнем 2P3/2 является магнитно-дипольным переходом и имеет сверхтонкую спектральную структуру, обусловленную магнитным моментом I = 5/2 единственного стабильного изотопа иода J125. Верхний уровень j = 1/2 расщеплен на два сверхтонких подуровня. Нижний уровень j = 3/2 расщеплен на четыре сверхтонких подуровня. При воздействии на атом иода магнитного поля происходит расщепление шести указанных уровней сверхтонкой структуры на 36 уровней, в соответствии с вырождением уровней сверхтонкой структуры в магнитном поле. При этом компоненты сверхтонкой структуры спектра под действием магнитного поля раздвигаются, и общая суммарная полоса квантового усилия расширяется пропорционально напряженности воздействующего магнитного поля H. При воздействии магнитного поля полоса усиления расширяется и принимает П-образную форму, показанную на фиг. 5. Для сравнения на фиг. 4 показана спектральная форма полосы усиления АКФ без воздействия магнитного поля H = 0.The action of the generated magnetic field on the active substance is as follows. The working laser transition in the iodine atom between the upper level 2 P 1/2 and the lower level 2 P 3/2 is a magnetic dipole transition and has an ultrathin spectral structure due to the magnetic moment I = 5/2 of the only stable isotope J 125 . The upper level j = 1/2 is split into two ultrathin sublevels. The lower level j = 3/2 is split into four ultrathin sublevels. When a magnetic field is applied to an iodine atom, the six indicated levels of the hyperfine structure are split into 36 levels, in accordance with the degeneracy of the levels of the hyperfine structure in the magnetic field. In this case, the components of the hyperfine structure of the spectrum move apart under the influence of a magnetic field, and the total total band of the quantum force expands in proportion to the intensity of the acting magnetic field H. When exposed to a magnetic field, the gain band expands and takes the U-shaped shape shown in FIG. 5. For comparison, in FIG. Figure 4 shows the spectral shape of the ACF gain band without the influence of a magnetic field H = 0.
Расширение полосы усиления под воздействием магнитного поля позволяет оперативно управлять шириной полосы путем изменения напряженности магнитного поля, формируемого соленоидами 40 - 43. Управление осуществляется путем изменения величины тока, протекающего через соленоид, с помощью генератора тока 44, на вход которого поступает управляющий сигнал с выхода блока анализа и управления 48. The expansion of the gain band under the influence of a magnetic field allows you to quickly control the bandwidth by changing the magnetic field generated by the solenoids 40 - 43. The control is carried out by changing the magnitude of the current flowing through the solenoid using a current generator 44, the input of which receives a control signal from the output of the unit analysis and management 48.
Оперативное управление шириной полосы усиления активного квантового фильтра позволяет сформировать оптимальную по ширине и форме спектральную полосу усиления, согласованную с шириной спектра принимаемых оптических импульсных сигналов. Суммарная напряженность магнитного поля H в кюветах с рабочим веществом 1, 11, создаваемая совместным действием постоянных магнитов 36 - 39 и соленоидов 40 - 43 изменяется в пределах 150 - 250 Э. Это позволяет оперативно изменять спектральную ширину полосы усиления АКФ в пределах ~ 0,01 - 0,03 см-1. При этом при приеме более коротких оптических импульсов требуется более широкая полоса приема и соответственно большая напряженность магнитного поля H, воздействующего на рабочее вещество - возбужденный атом иода. Соответственно при приеме более длинных оптических импульсов, спектральная ширина импульса Δf = 1/τимп имеет меньшую величину, поэтому необходима меньшая ширина полосы усиления АКФ и меньшая величина магнитного поля Hм в кюветах, обеспечивая формирование такой спектральной полосы усиления. В предлагаемом устройстве осуществляется автоматический контроль за шириной полосы усиления АКФ и автоматическое управление шириной полосы усиления путем воздействия на рабочее вещество - атомарный иод - магнитным полем с фиксированной напряженностью, величина которой определяется управляющими сигналами.On-line control of the gain bandwidth of the active quantum filter allows one to form an optimal spectral gain bandwidth that is consistent with the width of the spectrum of the received optical pulsed signals. The total magnetic field strength H in the cells with the working medium 1, 11, created by the combined action of permanent magnets 36 - 39 and solenoids 40 - 43 varies within 150 - 250 Oe. This allows you to quickly change the spectral width of the ACF gain band within ~ 0.01 - 0.03 cm -1 . In this case, when receiving shorter optical pulses, a wider reception band and, correspondingly, a greater magnetic field H, acting on the working substance — the excited iodine atom — are required. Accordingly, when receiving longer optical pulses, the spectral pulse width Δf = 1 / τ imp has a smaller value, therefore, a smaller ACF gain bandwidth and a smaller magnetic field H m in cuvettes are required, providing the formation of such a spectral gain band. In the proposed device, automatic control of the gain bandwidth of the ACF and automatic control of the gain bandwidth by exposing the working substance — atomic iodine — to a magnetic field with a fixed strength, the magnitude of which is determined by the control signals, are carried out automatically.
Контроль и управление шириной полосы квантового усиления АКФ осуществляется следующим образом. The control and management of the quantum gain bandwidth of the ACF is as follows.
В предлагаемом устройстве с помощью лазерного светоизлучающего диода 21 генерируется оптический импульсный сигнал, который используется в качестве контрольного тест-сигнала для измерения ширины полосы усиления АКФ и установления оптимальной ширины полосы. Светоизлучающий диод (полупроводниковый лазер) 21 вырабатывает короткие световые импульсы под воздействием импульсной электрической накачки, осуществляемой генератором импульсных сигналов 54. Генератор импульсных сигналов 54 вырабатывает короткие импульсы для накачки лазерного светоизлучающего диода 21 при наличии управляющих импульсов, поступающих на него с выхода блока анализа и управления 48. При этом длительность световых импульсов, генерируемых лазерным светоизлучающим диодом 21, определяется длительностью импульсов электрической накачки и может регулироваться. Формирующая линза 22 формирует параллельный световой поток с выхода лазерного светодиода 21. Лазерный светоизлучающий диод 21 излучает короткие световые импульсы на длине волны, соответствующей длине волны λ рабочего перехода возбужденного атомарного иода. Специальная подстройка генерируемой лазерным светодиодом длины волны может быть осуществлена изменением режима его питающих напряжений. Поляризационный 23 и интерференционный 24 фильтры выделяют строго линейную поляризацию светового потока и отсекают возможные паразитные спектральные составляющие. In the proposed device using a laser light emitting diode 21, an optical pulse signal is generated, which is used as a control test signal for measuring the ACF gain bandwidth and establishing the optimal bandwidth. The light emitting diode (semiconductor laser) 21 generates short light pulses under the influence of pulsed electric pumping by a pulse signal generator 54. The pulse signal generator 54 generates short pulses for pumping a laser light emitting diode 21 in the presence of control pulses supplied to it from the output of the analysis and control unit 48. In this case, the duration of the light pulses generated by the laser light emitting diode 21 is determined by the duration of the pulses electrically pump and can be adjusted. The forming lens 22 forms a parallel light flux from the output of the laser LED 21. The laser light emitting diode 21 emits short light pulses at a wavelength corresponding to a wavelength λ of the working transition of the excited atomic iodine. A special adjustment of the wavelength generated by the laser LED can be carried out by changing the mode of its supply voltage. Polarizing 23 and interference 24 filters emit a strictly linear polarization of the light flux and cut off possible spurious spectral components.
Далее сформированный световой пучок направляется вначале непосредственно на вход фотоприемника 18, минуя кюветы 1 и 11, для предварительного измерения исходных параметров сформированного оптического контрольного импульсного сигнала. При этом оптический переключатель 29 находится в верхнем положении 1, оптический прерыватель 31 находится в открытом положении 1, а на лампы накачки 4, 5, 14, 15 не подается импульсный сигнал запуска. Next, the generated light beam is first directed directly to the input of the photodetector 18, bypassing cuvettes 1 and 11, for preliminary measurement of the initial parameters of the generated optical control pulse signal. At the same time, the optical switch 29 is in the upper position 1, the optical chopper 31 is in the open position 1, and a pulse trigger signal is not supplied to the
Сформированный лазерным светоизлучающим диодом 21 сигнал отражается от полупрозрачного зеркала 25, проходит через третий нейтральный фильтр 30 и попадает на светочувствительную площадку 53 фотоприемника 18 после отражений от зеркала 34. The signal generated by the laser light-emitting diode 21 is reflected from the translucent mirror 25, passes through the third neutral filter 30, and enters the photosensitive area 53 of the photodetector 18 after reflections from the mirror 34.
Фотоприемник регистрирует импульсный оптический сигнал, который после усиления блоком усиления 19, в форме короткого электрического импульса поступает на входы аналого-цифрового преобразователя 47 (АЦП) и компаратора 45. АЦП 47 осуществляет оцифровку амплитуды импульса. В результате действия компаратора 45 и блока определения длительности 46 на вход блока анализа и управления 48 поступает информация о длительности сформированного оптического контрольного импульса на некотором заданном компаратором 45 уровне. АЦП передает в блок анализа 48 информацию об амплитуде сформированного импульса. Полученная информация в цифровой форме запоминается в блоке анализа 44 на специальных регистрах памяти. The photodetector registers a pulsed optical signal, which, after amplification by the amplification unit 19, in the form of a short electric pulse is supplied to the inputs of an analog-to-digital converter 47 (ADC) and comparator 45. The ADC 47 digitizes the amplitude of the pulse. As a result of the action of the comparator 45 and the unit for determining the duration 46, information about the duration of the generated optical control pulse at a certain level specified by the comparator 45 is received at the input of the analysis and control unit 48. The ADC transmits to the analysis unit 48 information about the amplitude of the generated pulse. The received information in digital form is stored in the analysis unit 44 on special memory registers.
Далее усиление сформированного лазерным светодиодом контрольного оптического импульсного сигнала осуществляется в кюветах 1 и 11. Сформированный лазерным светоизлучающим диодом 21 оптический сигнал направляется на оптический вход первой кюветы 1. При этом оптический переключатель 27 находится в нижнем положении 2. Оптический прерыватель 31 находится в закрытом состоянии 2. Световой поток с выхода лазерного светоизлучающего диода 21 поступает на оптический вход первой кюветы 1 через полупрозрачное зеркало 25, фильтры 23, 24, 26 и после отражения от зеркала 28, прерывающего в этот момент входной световой поток в положении 2. Импульсный световой сигнал имеет при этом оптимальную для усиления в АКФ поляризацию, выделенную поляризационным фильтром 23. Усиление контрольного импульсного светового потока от лазерного светоизлучающего диода 21 происходит в кювете 1, 11 таким же образом, как это было рассмотрено выше. Лампы накачки 4, 5, 14, 15 осуществляют накачку активного вещества синхронно с поступлением входного импульсного оптического сигнала по управляющему накачкой сигналу, поступающему на входы блоков накачки 6, 16 с выхода блока анализа и управления 48. Усиленный в первой и второй кюветах 1, 11 импульсный оптический сигнал фокусируется вогнутым зеркалом 17 на фоточувствительной площадке 53 фотоприемника 18. После регистрации и усиления импульсный электрический сигнал поступает на входы АЦП 47 и компаратора 45. Далее на входы блока анализа и управления 48 поступает в цифровой форме информация об амплитуде и длительности усиленного в АКФ импульсного контрольного оптического сигнала. Further, the control optical pulse signal generated by the laser LED is amplified in cuvettes 1 and 11. The optical signal generated by the laser light emitting diode 21 is directed to the optical input of the first cuvette 1. In this case, the optical switch 27 is in the
Полученная информация сравнивается с ранее измеренными значениями амплитуды и длительности контрольного импульса, сформированного непосредственно лазерным светоизлучающим диодом 21, запомненными в регистрах памяти блока анализа и управления 48. На основании сравнения блок анализа 48 вырабатывает решение об увеличении или уменьшении напряженности магнитного поля H внутри первой и второй кювет. Соответствующий управляющий сигнал поступает на вход генератора тока 44. При этом для увеличения напряженности H поля генератор тока 44 обеспечивает увеличение тока в соленоидах 40 - 43. Для уменьшения напряженности магнитного поля H, действующего в кюветах, генератор тока 44 осуществляет изменение направления тока в соленоидах. В этом случае формируемое соленоидами магнитное поле H имеет противоположное направление в кюветах и вычитается из поля Hn, формируемого постоянными магнитами 36 - 39. Общая суммарная напряженность магнитного поля Hτ, действующего в кюветах, уменьшается. При малой величине напряженности магнитного поля H, действующего в кюветах (или при H = 0), полоса квантового усиления оптических сигналов в кюветах 1 и 11 является очень узкой ~≈ порядка ΔVпр = 0,01 см-1. При малой величине длительности оптических импульсов, генерируемых лазерным светоизлучающим диодом 21, их спектральная ширина полосы будет превосходить по величине полосу приема ΔVимп > ΔVпр. В этом случае часть спектра оптического импульса не будет усиливаться в кюветах 1 и 11. Это приведет к уменьшению амплитуды оптического импульса, регистрируемого после усиления в кюветах фотоприемником 18, и увеличению длительности этого импульса (расплавлению по временной оси) за счет снижения спектральной ширины усиленного импульса, по сравнению с исходным импульсом, генерируемым лазерным светоизлучающим диодом 21. Этот результат увеличения длительности оптического импульса после усиления в кюветах 1, 11 анализируется в блоке анализа 48, которые вырабатывает сигнал для увеличения надежности поля H, формируемого в кюветах. Управляющий сигнал поступает на вход генератора тока 44. К следующему циклу генерации лазерным светоизлучающим диодом 21 оптического импульса в кюветах устанавливается более высокая величина напряженности H магнитного поля. Этим обеспечивается увеличение полосы усиления ΔVпр в кюветах 1, 11 на некоторую фиксированную величину. При этом усилению в кюветах подвергается большая величина спектра оптического импульса, формируемого лазерным светоизлучающим диодом 21. За счет расширения спектра усиленного в кюветах оптического импульса, регистрируемого фотоприемником 18, длительность этого импульса уменьшается, а амплитуда увеличивается. Эта информация об изменении параметров усиленного в кюветах оптического импульса регистрируется и анализируется в блоке анализа и управления 48. На основе данной информации в блоке анализа 48 принимается решение о дальнейшем изменении величины магнитного поля H, действующего в кюветах, или о фиксации и стабилизации некоторого установленного значения магнитного поля. После нескольких пробных изменений величины напряженности магнитного поля H блок анализа 48 выбирает такое значение магнитного поля H, при котором величина длительности оптического импульса, усиленного в кюветах, является минимальной, а амплитуда его максимальна из серии зарегистрированных значений.The obtained information is compared with the previously measured values of the amplitude and duration of the control pulse generated directly by the laser light emitting diode 21, stored in the memory registers of the analysis and control unit 48. Based on the comparison, the analysis unit 48 develops a decision on increasing or decreasing the magnetic field H inside the first and second ditch. The corresponding control signal is supplied to the input of the current generator 44. In this case, to increase the field strength H, the current generator 44 provides an increase in the current in the solenoids 40 - 43. To reduce the magnetic field H acting in the cuvettes, the current generator 44 changes the direction of the current in the solenoids. In this case, the magnetic field H generated by the solenoids has the opposite direction in the cells and is subtracted from the field H n formed by the permanent magnets 36 - 39. The total total magnetic field strength Hτ acting in the cells decreases. At a low value of magnetic field intensity H, the current in cells (or at H = 0), the band quantum amplification of optical signals in cells 1 and 11 is very narrow ~ ≈ ΔV order np = 0.01 cm -1. When the duration of the optical pulses generated by the laser light emitting diode 21 is small, their spectral bandwidth will exceed the reception bandwidth ΔV imp > ΔV, etc. In this case, part of the spectrum of the optical pulse will not be amplified in cuvettes 1 and 11. This will lead to a decrease in the amplitude of the optical pulse recorded after amplification in the cuvettes by the photodetector 18 and to an increase in the duration of this pulse (melting along the time axis) due to a decrease in the spectral width of the amplified pulse , compared with the initial pulse generated by the laser light-emitting diode 21. This result of increasing the duration of the optical pulse after amplification in cuvettes 1, 11 is analyzed in analysis block 48, which generates a signal to increase the reliability of the field H formed in the cells. The control signal is fed to the input of the current generator 44. For the next cycle of generation of the optical pulse by the laser light-emitting diode diode 21, a higher value of the magnetic field strength H is set in the cuvettes. This ensures an increase in the gain band ΔV etc. in cells 1, 11 by a certain fixed amount. In this case, a large spectrum of the optical pulse generated by the laser light-emitting diode 21 is amplified in the cuvettes. Due to the expansion of the spectrum of the optical pulse amplified in the cuvettes detected by the photodetector 18, the duration of this pulse decreases, and the amplitude increases. This information about changing the parameters of the amplified optical pulse in the cuvettes is recorded and analyzed in the analysis and control unit 48. Based on this information, in the analysis unit 48, a decision is made on further changing the magnitude of the magnetic field H acting in the cuvettes, or on fixing and stabilizing a certain set value magnetic field. After several test changes in the magnitude of the magnetic field strength H, the analysis unit 48 selects a value of the magnetic field H at which the duration of the optical pulse amplified in the cuvettes is minimal, and its amplitude is maximum from a series of recorded values.
После этого блок анализа 48 переходит в режим автоматической стабилизации установленного (найденного) значения величины магнитного поля H в кюветах. After that, the analysis unit 48 goes into automatic stabilization mode of the set (found) value of the magnetic field H in the cells.
При этом режим усиления оптических импульсов в кюветах является оптимальным по ширине квантового усиления и согласованным с шириной спектра входного импульсного оптического сигнала, генерируемого лазерным светоизлучающим диодом 21 на стадии контрольной настройки и установления режима работы АКФ. In this case, the amplification mode of the optical pulses in the cuvettes is optimal in terms of the width of the quantum gain and is consistent with the spectral width of the input pulsed optical signal generated by the laser light-emitting diode 21 at the stage of control tuning and establishing the operation mode of the ACF.
Режим стабилизации заключается в фиксировании и поддержании в кюветах 1, 11 такого уровня напряженности магнитного поля H, которое соответствует найденной оптимальной величине ширины полосы усиления ΔVпр. Для этого осуществляется непрерывное измерение величины магнитного поля в кюветах 1, 11, осуществляемое датчиками магнитного поля 49 и 50. Информация о величинах магнитного поля в обеих кюветах поступает через блоки сопряжения 51, 52 в блок анализа и управления 48, где осуществляется запоминание величин напряженности магнитного поля H для каждой кюветы 1, 11 и для каждого цикла усиления и измерения параметров контрольного или усиленного оптических сигналов. При этом величина магнитного поля H измеряется непосредственно в момент прохождения оптического сигнала через кюветы, когда действие импульсных ламп накачки 4, 5, 14, 15 прекращено, т.е. эти лампы не оказывают помехового влияния на величину магнитного поля в кюветах. Найденная оптимальная величина магнитного поля Hопт в кюветах, соответствующая оптимальной величине полосы усиления Vпр АКФ, запоминается в блоке анализа 48 и далее поддерживается автоматически по управляющим сигналам, поступающим из блока анализа 48 на вход генератора 44.The stabilization mode consists in fixing and maintaining in cuvettes 1, 11 such a level of magnetic field strength H, which corresponds to the found optimal value of the gain bandwidth ΔV, etc. For this, a continuous measurement of the magnetic field in the cuvettes 1, 11 is carried out by magnetic field sensors 49 and 50. Information about the magnetic field in both cuvettes is transmitted through the pairing units 51, 52 to the analysis and control unit 48, where the magnetic field strength is stored field H for each cuvette 1, 11 and for each amplification and measurement cycle of the control or amplified optical signals. In this case, the magnitude of the magnetic field H is measured directly at the moment the optical signal passes through the cuvettes, when the action of the
Блок анализа и управления 48 осуществляет, таким образом, непрерывный контроль величин магнитного поля H1,2 в первой и второй кюветах, сравнение этих величин с оптимальными значениями Hопт 1,2, определенными и фиксированными ранее на стадии контрольных измерений и настройки режима работы АКФ и стабилизации оптимального уровня магнитного поля H в кюветах. Этим обеспечивается автоматическая стабилизация ширины полосы усиления ΔVпр в АКФ. В качестве датчиков магнитного поля могут быть использованы, например, малогабаритные измерители магнитного поля на эффекте Холла. Датчики магнитного поля располагаются, как показано на фиг. 1, между системой постоянных магнитов и соленоидов с соответствующей кюветой.Thus, the analysis and control unit 48 carries out continuous monitoring of the magnetic field values H 1,2 in the first and second cuvettes, comparing these values with the optimal values of H opt 1,2 determined and fixed earlier at the stage of control measurements and setting the operating mode of the ACF and stabilization of the optimal level of the magnetic field H in the cells. This provides automatic stabilization gain bandwidth ΔV forth in ACF. As magnetic field sensors, for example, small-sized Hall effect magnetic field meters can be used. The magnetic field sensors are arranged as shown in FIG. 1, between a system of permanent magnets and solenoids with a corresponding cuvette.
Далее для перехода в режим приема и усиления внешних сигналов оптический переключатель 27 переводится в верхнее открытое положение 1, при котором на вход первой кюветы поступают оптические импульсы непосредственно с оптического входа устройства, распространившееся вдоль оптической оси О-О'. Further, to switch to the mode of receiving and amplifying external signals, the optical switch 27 is transferred to the upper open position 1, at which the optical pulses directly from the optical input of the device propagate along the optical axis O-O 'to the input of the first cell.
Лазерный светоизлучающий диод 21 при этом выключается. Усиленные в кюветах 1, 11 оптические импульсные сигналы от внешних источников поступают на вход фотоприемника 18 и далее на входы АЦП 47 и компаратора 45 в электрической форме. После осуществления оцифровки и определения длительности импульсов информация поступает в блок анализа и управления 48. На этом заканчивается цикл работы АКФ по квантовому усилению и регистрации коротких оптических импульсных сигналов от внешних наблюдаемых источников и устройств. The laser light emitting diode 21 is turned off. The optical pulse signals amplified in cuvettes 1, 11 are supplied to the input of the photodetector 18 and then to the inputs of the ADC 47 and the comparator 45 in electrical form. After digitizing and determining the duration of the pulses, the information enters the analysis and control unit 48. This completes the ACF cycle of work on quantum amplification and registration of short optical pulsed signals from external observable sources and devices.
В предлагаемом устройстве совместное действие магнитного поля в кюветах 1 и 11 и оптических элементов 7 - 10, расположенных между первой и второй кюветами, изменяет ширину и форму спектральной линии усиления активного квантового фильтра. При этом увеличивается спектральный контраст линии усиления АКФ, а ширина линии устанавливается оптимальной, согласованной с параметрами усиливаемого внешнего оптического импульсного сигнала. Таким образом реализуется достигаемый технический результат. In the proposed device, the combined action of a magnetic field in cuvettes 1 and 11 and optical elements 7-10 located between the first and second cuvettes changes the width and shape of the spectral gain line of the active quantum filter. This increases the spectral contrast of the amplification line of the ACF, and the line width is set optimal, consistent with the parameters of the amplified external optical pulse signal. Thus, the achieved technical result is realized.
Применение предлагаемых способа и устройства для его осуществления - активного квантового фильтра - в системах обнаружения и регистрации слабых оптических сигналов позволяет:
Реализовать оптимальную по ширине и форме спектральную полосу усиления, согласованную со спектром принимаемого оптического импульса.Application of the proposed method and device for its implementation - an active quantum filter - in the detection and registration of weak optical signals allows you to:
Realize a spectral gain band that is optimal in width and shape, consistent with the spectrum of the received optical pulse.
Обеспечить повышение спектрального контраста полосы усиления АКФ и реализовать этим высокий уровень подавления паразитных фоновых сигналов, лежащих вне узкой спектральной полосы усиления. To provide an increase in the spectral contrast of the ACF gain band and thereby realize a high level of suppression of spurious background signals lying outside the narrow spectral gain band.
Реализовать чувствительность АКФ, приближающуюся к теоретическому квантовому пределу. Realize ACF sensitivity approaching the theoretical quantum limit.
Проведенные исследования и испытания экспериментального образца предлагаемого АКФ показали совпадение с теоретическими расчетами характеристик АКФ. The studies and tests of the experimental sample of the proposed ACF showed agreement with the theoretical calculations of the characteristics of the ACF.
Мощность спонтанного шума АКФ, приведенная ко входному торцу первой кюветы, излучаемая в дифракционном угле, равна
где c - скорость света;
h - постоянная Планка;
V - частота рабочего перехода;
Δ Vг - ширина Гауссова контура линии усиления (см., например, [5]).The ACF spontaneous noise power reduced to the input end face of the first cell emitted in the diffraction angle is
where c is the speed of light;
h is Planck's constant;
V is the frequency of the working transition;
Δ V g is the width of the Gaussian contour of the gain line (see, for example, [5]).
Энергия спонтанного шума, которой будет излучаться в дифракционный угол за интервал времени длительностью τ = (cΔVг)-1, равна nсп = 0,7 фотонов.The energy of spontaneous noise, which will be emitted into the diffraction angle for a time interval of duration τ = (cΔV g ) -1 , is equal to n sp = 0.7 photons.
Указанный малый уровень собственных шумов и высокий коэффициент усиления АКФ K ≈ 103 - 104 и более подтверждены при исследовании экспериментального образца АКФ.The indicated low level of intrinsic noise and a high gain of the ACF K ≈ 10 3 - 10 4 or more were confirmed in the study of the experimental ACF sample.
Предложенное устройство выполнено на основе ряда известных оптических, электронных блоков и физических элементов. The proposed device is made on the basis of a number of known optical, electronic units and physical elements.
В качестве блока анализа и управления 48 использована стандартная персональная ЭВМ, осуществляющая по специально разработанной программе анализ характеристик поступающих импульсных сигналов и формирование управляющих сигналов для управления работой всех элементов АКФ. Ввод информации в ПЭВМ - блок анализа 48 - осуществляется с помощью стандартных блоков сопряжения. Стандартными блоками являются АЦП 47 и компаратор 45, представляющий собой пороговое устройство, вырабатывающее на входе импульс в моменты превышения заданного порога входным импульсом. Блок определения длительности импульса 46 осуществляет определение длительности импульса, например, методом определения величины заряда емкости, нормированным измеряемым входным импульсом, или частотным методом, путем подсчета числа коротких импульсов, суммарная длительность которых равна длительности измеряемого импульса. В качестве лазерного светоизлучающего диода 21 может быть использован любой малогабаритный и маломощный источник лазерного излучения на соответствующую длину волны, например, полупроводниковый лазер. As a unit of analysis and control 48, a standard personal computer was used, which, according to a specially developed program, analyzes the characteristics of incoming pulse signals and generates control signals to control the operation of all elements of the ACF. The input of information into the PC — analysis unit 48 — is carried out using standard interface units. The standard units are the ADC 47 and the comparator 45, which is a threshold device that generates a pulse at the input when the input pulse exceeds a predetermined threshold. The pulse duration determination unit 46 determines the pulse duration, for example, by determining the value of the capacitance charge, normalized by the measured input pulse, or by the frequency method, by counting the number of short pulses, the total duration of which is equal to the duration of the measured pulse. As the laser light-emitting diode 21, any small-sized and low-power source of laser radiation at an appropriate wavelength, for example, a semiconductor laser, can be used.
Блок вращения плоскости поляризации 9 основан на магнитооптическом эффекте Фарадея, заключающемся во вращении плоскости поляризации проходящего в среде линейно-поляризованного света над действием внешнего продольного магнитного поля H. Угол поворота плоскости поляризации равен = VHlcos γ, где V - постоянная Верде; H - напряженность магнитного поля; l - длина оптического пути; γ - угол между H и распространением света. The rotation unit of the polarization plane 9 is based on the Faraday magneto-optical effect, which consists in rotating the plane of polarization of linearly polarized light passing in the medium over the action of an external longitudinal magnetic field H. The angle of rotation of the plane of polarization is = VHlcos γ, where V is the Verdet constant; H is the magnetic field strength; l is the optical path length; γ is the angle between H and the propagation of light.
Блок вращения поляризации света 9 представляет собой оптический элемент, прозрачный к используемой длине волны света, помещенный в продольное магнитное поле, создаваемое, например, соленоидом, подключенным к источнику постоянного тока (на фиг. 1 данный соленоид с источником тока не показан). Оптический элемент может быть выполнен из специального стекла, сероуглерода, а также ряда кристаллических материалов, например халькогенидов. The light polarization rotation unit 9 is an optical element transparent to the wavelength of light used, placed in a longitudinal magnetic field created, for example, by a solenoid connected to a constant current source (in Fig. 1 this solenoid with a current source is not shown). The optical element can be made of special glass, carbon disulfide, as well as a number of crystalline materials, such as chalcogenides.
Генератор тока 44 представляет собой специализированный стабилизированный источник постоянного тока, выполненный на основе управляемых элементов, например тиристорах. The current generator 44 is a specialized stabilized DC source made on the basis of controlled elements, such as thyristors.
В качестве датчиков напряженности магнитного поля 50, 51 использованы датчики магнитного поля на эффекте Холла. В качестве системы постоянных магнитов 36 - 39 и соленоидов 40 - 43 могут быть использованы любые системы, создающие в кюветах магнитное поле, перпендикулярное оптической оси кювет О-О', и допускающие управление напряженностью магнитного поля внешними управляющими сигналами, формируемыми ПЭВМ. As sensors of the magnetic field strength 50, 51, Hall effect magnetic field sensors were used. As a system of permanent magnets 36 - 39 and solenoids 40 - 43, any system can be used that create a magnetic field in the cuvettes perpendicular to the optical axis of the O-O 'cuvette and allow the magnetic field to be controlled by external control signals generated by the PC.
В качестве блока поглощения отработанного вещества 3, 13 используется, например, охлаждаемый жидким азотом сосуд или блок абсорбентов. Возможно использование вентилятора для выброса отработанных газов в атмосферу. As the absorption unit of the spent
Источники информации, принятые во внимание. Sources of information taken into account.
1. Справочник конструктора оптико-механических приборов, под ред. Панова В.А. Л.: Машиностроение, 1980 г., стр. 207. 1. Handbook of the designer of optical-mechanical devices, ed. Panova V.A. L .: Engineering, 1980, p. 207.
2. Авторское свидетельство СССР N 711978, опубл. 7.08.1981, БИ N 29, МКИ H 01 S 3/06. 2. Copyright certificate of the USSR N 711978, publ. 08/07/1981, BI N 29, MKI H 01
3. Патент СССР N 360801. Приоритет 23.07.1969 г. N 160311 Франция. Опубл. 28.11.1972, БИ N 36, МКИ H 01 S 3/02. 3. USSR patent N 360801. Priority 07.23.1969, N 160311 France. Publ. 11/28/1972,
4. Прототип. Авторское свидетельство СССР N 766500. Заявл. 22.11.1978, а.з. 2687417/18-28, опубл. 15.01.82, БИ N 2, МКИ H 01 S 3/10. 4. The prototype. USSR copyright certificate N 766500. Decl. 11/22/1978, A.Z. 2687417 / 18-28, publ. 01/15/82,
5. Басов Н. Г., Грасюк Ф.З., Зубарев И.Г., Жевелев Л.В. Регенеративные оптические квантовые усилители. Труды ФИАН 1965, т. 31, стр. 74 - 95. 5. Basov N. G., Grasyuk F.Z., Zubarev I.G., Zhelev L.V. Regenerative optical quantum amplifiers. Proceedings of the LPI 1965, v. 31, pp. 74 - 95.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97116321A RU2133533C1 (en) | 1997-09-30 | 1997-09-30 | Method of spectral filtration of optical signals and active quantum filter for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97116321A RU2133533C1 (en) | 1997-09-30 | 1997-09-30 | Method of spectral filtration of optical signals and active quantum filter for its implementation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU97116321A RU97116321A (en) | 1999-07-10 |
| RU2133533C1 true RU2133533C1 (en) | 1999-07-20 |
Family
ID=20197637
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU97116321A RU2133533C1 (en) | 1997-09-30 | 1997-09-30 | Method of spectral filtration of optical signals and active quantum filter for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2133533C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2506547C1 (en) * | 2012-09-21 | 2014-02-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Pulsed optical signal receiver |
| RU2511069C1 (en) * | 2012-09-21 | 2014-04-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Pulsed optical radiation receiver |
| RU2648014C1 (en) * | 2017-01-18 | 2018-03-21 | Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" | Polarimeter for measuring verdet constant of transparent substances |
| RU214632U1 (en) * | 2022-06-01 | 2022-11-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук | Diode laser frequency stabilization device |
-
1997
- 1997-09-30 RU RU97116321A patent/RU2133533C1/en active
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2506547C1 (en) * | 2012-09-21 | 2014-02-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Pulsed optical signal receiver |
| RU2511069C1 (en) * | 2012-09-21 | 2014-04-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Pulsed optical radiation receiver |
| RU2648014C1 (en) * | 2017-01-18 | 2018-03-21 | Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" | Polarimeter for measuring verdet constant of transparent substances |
| RU214632U1 (en) * | 2022-06-01 | 2022-11-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук | Diode laser frequency stabilization device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5596401A (en) | Particle analyzing apparatus using a coherence lowering device | |
| JP3950818B2 (en) | Reflective terahertz spectrometer and measurement method | |
| US5815277A (en) | Deflecting light into resonant cavities for spectroscopy | |
| US6466322B1 (en) | Swept continuous wave cavity ring-down spectroscopy | |
| EP1075651B1 (en) | Method for exciting an optical cavity for detecting gas traces | |
| KR20160135790A (en) | System and method for reducing the bandwidth of a laser and an inspection system and method using a laser | |
| US7688443B2 (en) | Multipulse agile laser source for real time spark spectrochemical hazard analysis | |
| JP3598375B2 (en) | Terahertz electromagnetic wave time-resolved spectrometer | |
| Garcia et al. | Fiber-pigtailed optical tweezer for single-atom trapping and single-photon generation | |
| RU2133533C1 (en) | Method of spectral filtration of optical signals and active quantum filter for its implementation | |
| US4227082A (en) | Detector for detecting ionizing radiation | |
| Benson et al. | REVIEW OF RECENT EXPERIMENTAL RESULTS FROM THE STANFORD 3µm FREE ELECTRON LASER | |
| Tabosa et al. | Nonlinear spectroscopy and optical phase conjugation in cold cesium atoms | |
| RU2540451C1 (en) | Laser location system | |
| Hindrikus et al. | Laser doppler device for air pollution detection | |
| Wojtas et al. | Cavity enhanced spectroscopy for NO2 detection | |
| KR20210075402A (en) | Diamond nitrogen vacancy center magnetic field sensor | |
| Edighoffer et al. | Free electron laser small signal gain measurement at 10.6 µm | |
| CN219496161U (en) | Remote time-gating displacement differential Raman spectrum measuring device | |
| JP2005101401A (en) | Terahertz electromagnetic wave generating device | |
| RU2152056C1 (en) | Method for laser direction finding and device which implements said method | |
| JPH10149795A (en) | Mass spectrometer | |
| Riehle et al. | Calcium optical frequency standard | |
| Oszetzky et al. | Designing a special light source with a pre-determined number of photons | |
| Kronfeldt | Piezo-enhanced multireflection cells applied for in-situ measurements of trace-gas concentrations |