Лазер и свет

Лазер и свет

Когда появились первые пригодные к эксплуатаций лазеры, стало очевидным, что свет предстал в новом качестве — когерентное электромагнитное колебание на несколько порядков раздвинуло границы применяемого в технике связи диапазона частот. Оптимистические расчеты едва или можно было опровергнуть: длины волн около 1 мкм соответствуют частоте Гц. Если приняты лишь 1% этого значения в качестве ширины полосы сигнала, которыми можно модулировать данное колебание, то получим значение 3000 Ггц. Это соответствовало бы приблизительно миллиарду телефонных разговоров или миллиону телевизионных программ, которые можно было бы передать одним единственным световым лучом! Известно, что самый лучший и самый дорогой коаксиальный кабель с медными проводниками обладает едва ли одной тысячной долей этой пропускной способности и что в будущем крайне необходимо будет передавать информацию очень большого объема. Число телефонных абонентов в мировой телефонной сети постоянно и неудержимо растет, а растущие хозяйственные и промышленные отношения между странами и континентами требуют все больше качественных каналов связи. Когда же в сферу рассмотрения перспективных проектов включили возможность использования видеотелефона (а передача одного-единственного изображения требует почти тысячекратной пропускной способности по равнению с телефонным сигналом), то стало необходимым считаться с сильно возросшей потребностью в каналах передачи информации.

Горизонтально натянутая струна соответствующим возбуждением на одном конце приводится в колебательное состояние. Волна распространяется вдоль струны и может быть зарегистрирована на другом конце. Такая механическая волна может быть понята как модель световой волны, которая движется от источника света к приемнику. Горизонтально натянутая струна может быть возбуждена по-разному — отклонение струны может происходить или в вертикальной, или в горизонтальной плоскости. Когда речь идет о световой волне (или о радиоволне, излучаемой антенной), говорят в первом случае о вертикальной, а во втором случае – о горизонтальной поляризации волны. Если горизонтальная и вертикальная компоненты появляются в определенной временной последовательности, то это приводит к круговой поляризации электромагнитных колебаний. Для приемника колебаний на другом конце линии это тонкое различие в свойствах светового потока не существенно. Так же как и человеческий глаз, он не реагирует на плоскость поляризации света и регистрирует только мощность света (в модели — степень отклонения струны); он не различает горизонтальную и вертикальную поляризацию света. Однако имеются оптические элементы, которые реагируют на поляризацию света. Их называют поляризационными фильтрами. Будучи поставлены в определенном положении относительно направления распространения луча, они становятся светопроницаемыми для определенного вида поляризации, для света же с направлением поляризации, повернутым на , они, напротив, почти полностью непроницаемы. Только когда сам фильтр поворачивают на такой же угол (вокруг оси направления распространения света), он пропускает свет второго вида поляризации, преграждая при этом путь первому.

Этот эффект применяется для модуляции световых лучей, когда имеется возможность изменять плоскость поляризации света желаемым образом, в соответствии с изменением модулирующего (передаваемого) сигнала. Осуществить такую модуляцию можно с использованием известного электрооптического эффекта: если послать луч света через кристалл определенного состава и к нему перпендикулярно направлению распространения света приложить электрическое поле, то плоскость поляризации света тем больше поворачивается в зоне действия поля, чем выше его напряженность, т. е. чем выше приложенное для создания поля напряжение. Для этой цели подходят монокристаллы дигидрофосфат аммония и дигидрофосфат калия , коротко они обозначаются как ADP или KDP кристаллы. Описанным эффектом объясняется механизм действия электрооптического модулятора. Свет, покидающий газовый лазер, попутно может быть поляризован устройством в разрядной трубке оптического окна, расположенного под углом Брюстера. Поляризация может быть осуществлена также и с помощью поляризационного фильтра.

Линейная модуляция прежде всего преобразуется в круговую модуляцию с помощью так называемой четвертьволновой пластинки. В кристалле ADP эта модуляция в зависимости от сигнала становится более или менее эллиптической. На выходе поляризационного фильтра затем получается свет, модулированный по интенсивности. Если к электродам кристалла не приложено напряжение, то направление поляризации в кристалле не меняется и ориентация подключенного поляризационного фильтра соответствует плоскости поляризации света, выходящего из лазера (или после модулятора), причем свет проходит через все устройство практически неослабленным. Но если напряжение на электрооптическом кристалле повышается и при этом увеличивается угол поляризации выходящего света, то через поляризационный фильтр проходит уменьшающаяся часть света. При изменении поляризации на второй фильтр полностью поглощает излучение и на выходе устройства образуется темнота.
Подобные модуляторы подходят также для очень быстрых изменений прилагаемого модулирующего напряжения. Они преобразуют передаваемый сигнал в полосе выше 1 ГГц, гораздо большей, чем это было возможно электрическими методами.

Модуляция интенсивности лазерного излучения без модуляции направления поляризации несомненно представляла бы собой технически более изящное решение. Кроме описанного конструктивного принципа (так называемой внешней модуляции лазера) можно реализовать другие варианты. Кристалл можно было бы, например встроить в корпус резонатора газового лазера и обойтись значительно меньшей мощностью модулирующего сигнала (внутренняя модуляция). Тем самым устранялся бы существенный недостаток кристаллических модуляторов, обладавших в целом хорошими модуляционными характеристиками: потребность в больших напряженностях управляющего поля и соответственно высоких управляющих напряжениях (до нескольких сотен вольт).
В результате развития лазерной техники выяснилось, что для инженера простая модулируемость имеет преимущество перед когерентностью. Недостатки газового лазера, включая сложную модуляцию его излучения, уравновесили в системах связи потери в приемнике прямого усиления. Поэтому газовый лазер в основном исчез с рабочих столов инженеров по оптической технике связи и освободил место инжекционным лазерам и светоизлучающим диодам, даже с учетом ряда их недостатков, которые можно было устранить только в процессе последовательной неустанной работы по их совершенствованию.

Когда задача быстрой модуляции излучения газового лазера не была еще как следует решена, все же была ясна ее принципиальная возможность. Однако в 60-е годы еще нельзя было твердо сказать о решении важной проблемы — проблемы передачи модулированного света от одного места к другому. Только в космосе передача представляется сравнительно простой, поскольку свет в нем распространяется без ослабления. Когда удается очень сильно сфокусировать свет, т. е. получить пучок света толщиной с иглу (а это возможно для когерентного света), то можно в полном смысле слова перекрыть астрономические расстояния. (Правда, мы не говорим о скрытой стороне этого положения. Необходимо послать необычайно узкий световой луч и достигнуть далеко отстоящий пункт с максимально возможной световой мощностью, поэтому требуется очень высокая стабильность расположения передатчика, и положение приемника должно быть точно известно.)

Что касается свойств атмосферы как передающего канала для модулированных световых лучей, то она является, очевидно, ненадежной средой с сильно изменяющимся и значительным ослаблением. Несмотря на эту не совсем ободряющую ситуацию приблизительно с 1965 по 1970 г. были испытаны все средства при рассмотрении возможностей техники оптической связи в атмосфере. Были созданы довольно простые и дешевые размером с портфель приборы, которые позволили осуществить передачу через атмосферу телевизионного изображения.

Если сравнить средние значения по многим измерениям, то можно установить: атмосферная оптическая связь рационально применима только в специальных редких случаях и только для очень коротких расстояний при весьма незначительных количествах передаваемой информации. Если речь идет только о единственном телефонном канале, то можно перекрыть несколько километров с надежностью линии передачи, равной 95 %. (Никакое управление связи и никакие телефонные абоненты не смирились бы с этим!) Приблизительно в 5% времени такая линия связи прерывается из-за погоды. Высокая надежность оптической связи в атмосфере может быть достигнута только в результате сильного уменьшения длины участка.
Следующей была мысль о вакуумированной или наполненной инертным газом трубе, которую хотели прямолинейно проложить на большие расстояния и в которой луч света должен был распространяться, не ослабляясь в газах и из-за твердых частиц. Оптимисты говорили даже о «совместном использовании протяженных газопроводов».
Эта идея также не смогла выдержать сурового испытания. Строго прямолинейная прокладка была утопией.

Дальнейшее усовершенствование привело к так называемым линзовым световодам. Если в трубе на расстоянии приблизительно 100 м применить стеклянные линзы диаметром около 10 см с определенным показателем преломления, то можно доказать, что световой луч, входящий в трубу даже при не строго параллельном относительно оси пробеге, постоянно будет возвращаться к середине трубы (к оптической оси) и не покинет систему линз. С помощью такой конструкции можно также добиться искривления хода луча. Этот проект был исследован и экспериментально испытан. Но оказался довольно сложным т. к. даже сложных устройств, которые автоматически управляли положением отдельных линз, оказалось недостаточно, чтобы компенсировать отклонения луча, вызванные температурными колебаниями и движением земной коры. Варианты этой идеи исследовались долгие годы. Лаборатории фирмы Bell в США заменили механически регулируемые стеклянные линзы газовыми линзами. Это короткие отрезки газонаполненной трубки с внешним электрическим нагревом, в которых за счет перестраиваемых радиальных температурных градиентов можно было достигнуть требуемой фокусировки луча по центру трубы. Но эти работы также не привели к успеху.

Краткая история исследований и разработок. В истории волоконно-оптических датчиков трудно зафиксировать какой-либо начальный момент, в отличие от истории волоконно-оптических линий связи. Первые публикации о проектах и экспериментах с измерительной техникой, в которой использовалось бы оптическое волокно, начали появляться с 1973 г., а во второй половине 1970-х годов их число значительно увеличилось. В 1978 году Нэмото Тосио предложил общую классификацию волоконно-оптических датчиков, которая мало отличается от современной. С наступлением 1980-х годов история развития волоконно-оптических датчиков обрастает значительными подробностями.

Важным моментом в развитии оптоэлектроники является создание оптических волокон. Особенно интенсивными исследования стали в конце 1960-x годов, а разработка в 1970 г. американской фирмой "Корнинг" кварцевого волокна с малым затуханием (20 дБ/км) явилась эпохальным событием и послужила стимулом для увеличения темпов исследований и разработок на все 1970-е годы. Изначальной и главной целью разработки оптических волокон было обеспечение ими оптических систем связи. Тем не менее в 1970-е годы, когда в технике оптических волокон применительно к оптическим системам связи были достигнуты уже значительные успехи, влияние волокон на развитие волоконно-оптических датчиков оказалось несколько неожиданным.

Все вышеперечисленные этапы развития были пройдены, хотя простой способ передачи света был давно известен: передача луча по обыкновенному стеклянному стержню, который окружен средой с малым показателем преломления (например, воздухом). Световые лучи, проходящие внутри стеклянного стержня под небольшим углом к его оси, покидают его; они полностью отражаются от стенок стержня и зигзагообразно (или винтообразно) распространяются вдоль него, пока, наконец, не выйдут на конце даже в том случае, когда стеклянный стержень не прямолинеен, а изогнут. Это явление было использовано для того, чтобы подвести через многократно изогнутый стеклянный или пластмассовый стержень свет лампы накаливания внутрь оптических приборов, в труднодоступные места с целью освещения или индикации. Интересный вариант применения имеется в медицине: светопроводящий волоконный жгут, состоящий из множества волосяных световодов, благодаря чему достигнута такая гибкость, при которой жгут может быть введен в полости человеческого тела. Удалось даже изготовить так называемые упорядоченные жгуты: каждое отдельное светопроводящее волокно на конце жгута находилось точно на том же месте поперечного сечения, как и на противоположном конце жгута. Эти упорядоченные жгуты делают возможным передачу изображения при условии его освещения.

Световодное волокно существовало уже в начале 60-х годов, упорядоченные и неупорядоченные жгуты были изготовлены многими ведущими оптическими фирмами и внедрены в технику и медицину. Но у них имелся существенный недостаток, который делал их с самого начала не применимыми для передачи сообщений. Их пропускная способность была слишком мала для применения в ряде технических областей. Простой расчет указывает на это. Обычное оптическое стекло обладает ослаблением света приблизительно от 3 до 5 дБ/м (при измерении в соответствующем диапазоне волн). Отношение мощностей измеряется в технике связи в децибелах (дБ). Коэффициент ослабления в децибелах равен. Ослабление светового сигнала в 20 дБ означает уменьшение световой мощности в 100 раз, ослабление в 3 дБ — уменьшение мощности вдвое. Среди отобранных для технических целей стекол можно найти образцы с несколько лучшими значениям ослабления (от 0,4 до 0,8 дБ/м), а для кварцевых стекол можно достигнуть 0,2 – 0,3 дБ/м. Но даже при использовании кварцевых стекол на каждых 100 м длины световода подведенная световая мощность падает на 30 дБ, т. е. в 100 – 1000 раз. Основная часть света поглотилась бы световодом, превратилась бы в теплоту или была рассеяна через боковую поверхность световода.

Хотя ослабление в медных проводниках не многим меньше, они перекрывают расстояния (в зависимости от конструкции и вида передаваемой информации) в несколько километров, пока сигнал не ослабнет настолько, что окажется необходимым включить промежуточный усилитель (повторитель), который усиливает сигнал и заново подает его в кабель. Много таких усилителей располагают, как правило, между устройствами двух телефонных абонентов, однако в оптической линии связи расстояние между двумя соседними усилителями, называемое также длиной усилительного участка, составляет менее 1 км, а для указанных выше значений ослабление достигает 100 м. С технико-экономической точки зрения такая линия передачи не приемлема. Для применения в технике связи необходимо было уменьшить ослабление в световоде. При этом можно было бы удовлетвориться значением 30 дБ/км вместо 500 для имеющихся оптических стекол. Этого было бы достаточно для перекрытия расстояния в 1 км. Специалисты в области производства стекла еще в середине 60-х годов считали такое требование абсолютной утопией и указывали на высокий уровень технологии оптических стекол, который едва ли можно было улучшить. Разработки начались с дорогостоящих и продолжительных работ над световодами со стеклянными и газовыми линзами.

К счастью, как это уже неоднократно бывало в истории техники, оптимисты опять не поверили оценкам экспертов. Они начали работать над улучшением "неулучшаемых” оптических стекол. В 1970 г. в результате достижения высокой чистоты исходного материала американской фирме Corning Glass удалось выплавить стекло с ослаблением около 30 дБ/км. Для этой цели необходимо было снизить относительное содержание металлических компонентов в исходном материале стекла до и менее. Двадцать лет назад возникновение полупроводниковой техники поставило технологию материалов перед совершенно новыми проблемами, то же произошло и при разработке технологии получения стекла. С этого момента все другие решения были забыты. Целью стал максимально прозрачный световод. Достигнутые в лаборатории, а вскоре и в опытном производстве значения ослабления заметно снизились, и пятью годами позже были получены образцы с ослаблением 5 дБ/км, т. е. гораздо меньше, чем надеялись. Открылись новые пути: в определенны областях длин волн ослабление измерялось значениями, гораздо меньшими 1 дБ/км; длины усилительных участков, о которых в области электрической кабельной связи приходилось только мечтать, в системах оптической связи стали предметом обсуждения.