книги / Многоканальные системы передачи оптического диапазона

8.4.Антенные устройства оптического диапазона

8.4.1.Назначение и особенности

Антенны оптического диапазона выполняют функции преобразования волны (светового пучка) и простран­ ственной фильтрации.. Обычно их называют телеско­ пами.

Передающая антенна (рис. 8.4) преобразует расхо­ дящийся из точечного источника / в широком секторе

об

2 ъ ^ r~T~ldjs

Рис. 8.4.

(рис. 8.4,а) либо коллимированный, или параллельный (рис. 8.4, б), пучок малого диаметра d в коллимированный световой пучок большого диаметра D ^ d , распро­ страняющийся в свободном пространстве и обладающий в дальней зоне весьма малой расходимостью, близкой к дифракционному пределу Х/D (антенны, преобразующие коллимированные пучки, носят название афокальных).

Приемная антенна выполняет обратное преобразова­ ние — преобразует падающий на нее пространственный световой пучок большого диаметра D в сходящийся (сфокусированный на фотоприемнике) либо коллими­ рованный пучок малого диаметра d<gD, канализиро­ ванный в приемном устройстве.

В настоящее время в качестве антенн оптического ди­ апазона могут использоваться антенны апертурного типа (линзовые и зеркальные). В перспективе намечены воз­ можности использования фазированных антенных решеток из слабонаправленных излучателей.

На космических линиях связи, где требуются предельно узкие пучки, обладающие малой массой, высокими проч­ ностью и надежностью, а также радиационной стойкостью, применение линзовых антенн и решеток в настоящее время малоэффективно, и предпочтение отдается зеркальным антенным устройствам. Вместе с тем быстрое совершен­ ствование элементов оптоэлектроники позволяет полагать, что в ближайшем будущем перспективными станутактивные фазированные решетки из полупроводниковых лазеров и фотоприемников.

8.4.2. Типы зеркальн!

Для создания коллимированного светового пучка большого сечения в качестве передающих антенн опти­ ческого диапазона могут быть использованы осесим­ метричные одно- и многозеркальные антенны. На осно­ вании принципа обратимости аналогичные антенные си­ стемы используются в качестве приемных антенн, что позволяет в ряде случаев применять.одну и ту же антенну в режимах приема и передачи. Для упрощения изло­ жения ограничимся рассмотрением работы антенны на передачу.

В однозеркальных антеннах используется зеркало параболического профиля — параболоид вращения (рис. 8.5,а). Облучатель зеркала должен иметь точечный фазо-

а5

вый центр, совмещаемый с фокусом параболического зеркала. Серьезным недостатком однозеркальной схемы антенны является необходимость размещения перед зер­ калом облучателя (включая коллимирующую линзу и подводящие устойства, зеркала, призмы или волоконную линию), вызывающего рассеяние и искажение ДН. Кроме того, высокое качество ДН может быть обеспечено только для длиннофокусных антенн (f/Z o> 1, где / — фокусное расстояние; Z„ — глубина зеркала), поэтому однозер­ кальный телескоп (или двухзеркальный телескоп с малым плоским зеркалом по схеме Ньютона — рис. 8.5, б) имеет большие продольные размеры.

Значительно лучшими параметрами обладают много­ зеркальные (обычно двухзеркальные) или зеркально­ линзовые антенны, получившие наибольшее распростра­ нение. У них больший коэффициент эффективности, меньший уровень бокового излучения и гораздо мень­ шие продольные размеры.

1 6 2

8.5.ОСНОВНЫЕЭЛЕМЕНТЫОПТИЧЕСКОГОТРАКТА

8.5.1.Устройства дпя изменения направления пучка

Для изменения направления и разделения световых пучков в оптических трактах приемопередающих лазерных устройств используются плоские зеркала и призмы.

Плоские зеркала изготовляются обычно из стекол с отражающим металлическим покрытием с внешней или внутренней стороны либо из металла с тонким диэлек­ трическим покрытием. Расчет требуемого положения зер­

(отсчет от нормали). При нанесении покрытия с внут­ ренней стороны (рис. 8.6)

где n — коэффициент преломления стекла.

Для наиболее ответственных узлов высокоточных при­ боров используется кварцевое стекло (я = 1,45 — 1,46 для видимого света), мало чувствительное к измене­ ниям температуры; в менее ответственных случаях — стекла марок К8 или ЛК5.

Весьма важен выбор отражающего покрытия зеркала. В зависимости от назначения покрытие должно либо максимально отражать энергию падающего луча, либо делить эту энергию в некотором отношении между от­ раженным. и преломленным лучами.

1 6 3

Для непрозрачных зеркал лучшие оптические характе­ ристики дает алюминирование или серебрение поверх­ ности (с нанесением различных дополнительных защитных покрытий), дающее отражение 90—95 % падающей энергии. Для покрытия светоделительных зеркал с задан­ ным отношением интенсивностей отраженного и прохо­ дящего лучей используют серебрение (потери 15—30 %), алюминирование (потери 25—35 %), покрытие сплавами серебра с медью (потери 15—20% ).

Взеркалах, входящих в состав управляющих эле­ ментов (дефлекторов), перемещение светового пучка по поверхности зеркала требует некоторого увеличения раз­ мера зеркала 4-

Вслучаях, когда требуется разделение световых пучков

взависимости от их направления, поляризации, частоты, используется известное в кристаллооптике явление дихро­ изма. Сильно выраженным дихроизмом обладает, напри­ мер, турмалин. Дихроичные зеркала применяются, в част­ ности, для разделения трактов приема и передачи, канала маяка и информационного канала и т. п.

Призмы используются для тех же целей, что и зеркала. В ряде случаев применение призм более целесообразно вследствие определенных преимуществ: постоянства углов между гранями, значительно меньших потерь при полном внутреннем отражении, отсутствия покрытий, которые могут ухудшаться с течением времени, и др. Некоторые призмы вообще не имеют зеркальных аналогов (например, призма Дове). Призмы широко используются в поляри­ зационных приборах (двойные призмы Николя, Глана — Томсона, Волластона и др.).

Построение хода луча в призме основано на законе

преломления Снелля — Декарта: падающий и преломлен­ ный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к грани призмы, причем если луч входит из воздушной среды (Л| ~ 1) в призму, то (рис. 8.7)

где £| — угол падения; г\ — угол преломления; п — коэф­ фициент преломления материала призмы.

Для уменьшения потерь на отражение могут исполь­ зоваться различные просветляющие (согласующие) по­ крытия граней призмы. Хорошие результаты дает полу­ волновая пленка Nb и Si, уменьшающая отражение до 0,04 %.

164

полное внутреннее отражение на границе с воздушной средой, если е> е„р, где sine„p= 1 /п. Поэтому при исполь­ зовании прямоугольной призмы (а = л/4) отклонение лучей пучка от нормали к внешней грани не должно превышать некоторого предельного значения: (ei)np = = arcsin(«sin(a — епр)).

Одним из широко применяемых в оптических трактах типов призм является оптический клин — призма, ограни­ ченная двумя преломляющими плоскостями с малым углом между ними (менее 6°). Клинья приме­ няются главным образом для юстировки приборов, сведения оптических осей, измерения углов и т. п.

Для малой величины угла при вершине клина б, используя в формуле (8.2) приближение sin6 ~ б, находим угол отклонения е2 (рис. 8.9): е2~ ( я — 1)6.

При отклонении пучка про­ исходит его сжатие, причем ко­ эффициент трансформирования

А= D /D '= cos6/cos(6 + t2).

8.5.2.Устройства для изменения фазы и поляризации

светового пучка

В ряде случаев, в оптическом тракте необходимо изме­ нить фазу всего светового пучка либо одной из его состав­ ляющих (например, для изменения поляризации, компен­ сации фазового сдвига в других оптических элементах

165

поляризациями отклоняются в разные стороны, причем величина угла расхождения может составлять'несколько градусов.

Поляризаторы (анализаторы) пропускают без суще­ ственных потерь световой луч, горизонтально поляризо­ ванный вдоль оптической оси, и сильно поглощают луч вертикальной поляризации. Они могут применяться, в частности, для линейной поляризации неполяризованного света. В качестве поляризаторов используются поляроидные пленки (кристаллы апатита, введенные в пластик) и двойные призмы Николя (рис. 8.12), изготовляемые

1

Рис. 8.12.

из двух кальцитовых или кварцевых призм, склеенных прозрачным клеем, с коэффициентом преломления пк, причем по < пк< я/ (обычно используется так называемый канадский бальзам).

Неполяризованный луч 1 расщепляется на «обыкновен­ ный» и «необыкновенный» лучи с ортогональными по­ ляризациями, причем «обыкновенный» луч 3, поляризован­ ный параллельно границе раздела с клеевым слоем, падает на нее под углом, величина которого больше критического, испытывает полное внутреннее отражение и выходит на поглощающую грань призмы. «Необыкновен­ ный» луч 2 падает на границу раздела под меньшим углом и проходит через призму с незначительными по­ терями.

Наиболее распространенными элементами оптических трактов для изменения расходимости (фокусировки и коллимации оптических пучков) являются лин­ зы. Линзы используют­ ся также в качестве антенн небольшого диа­ метра. Ограничивая ши­ рину коллимированного

пучка D, апертурная диафрагма определяет поперечный размер сфо­ кусированного пучка в фокальной плоскости

167

идеальной линзы (рис. 8.13). Предельное значение ширины пучка в фокальной плоскости dr, определяемое дифракцией на краях диафрагмы, d F~ (1,2—1,27) X X {h/Db). Обычно dF одного порядка с длиной волны фо­ кусируемого излучения.

8.5.3.Оптические фильтры

Воптических трактах приемопередающих комплексов лазерной связи наиболее широко используются фильтры, предназначенные для пропускания рабочей части частот­

ного спектра. Обычно они представляют элемент с па­ раллельными гранями (пластину), расположенными пер­ пендикулярно к направлению луча. Для уменьшения потерь на отражение на грани могут наноситься просвет­ ляющие (согласующие) покрытия с коэффициентом пре­ ломления пс— уПф (Пф— коэффициент преломления ма­ териала фильтра). Полосовые пропускающие фильтры

характеризуются максимальным значением коэффициента пропускания т тах в области прозрачности, соответствую­ щей длиной волны kmax шириной полосы пропускания Av (на уровне 0,5ттах), контрастностью r | T ma*/Tm in ( т „ ш , — коэффициент пропускания вне полосы прозрачности). Отрезающие фильтры характеризуются величиной т тах в области прозрачности, граничной длиной волны А,гр (на

образных) веществ, интенсивно поглощающих падающую волну в определенных участках спектра, к которым относится большое количество кристаллических веществ (галогениды и оксиды металлов, некоторые полупроводни­ ковые материалы — Si, Ge, кристаллы группы A mBv), различные стекла, керамические материалы, пластмас­ совые пленки и др. Большинство поглощающих фильтров характеризуется сравнительно невысокой контрастностью и широкими полосами пропускания. Наиболее высокая контрастность достигается у фильтров на основе соедине­ ний AmBv (GaAs, AlSb, InP и т. п.), стекол и пластмасс. Ширина полосы пропускания Av полосовых поглощающих фильтров в ближнем ИК диапазоне — порядка нескольких микрометров.

Рассеивающие (дисперсионные) фильтры изготовля­

1 6 8

ются из порошков оптически прозрачных материалов, взвешенных в прозрачной твердой или жидкой среде. Коэффициент преломления материала порошка п„ и среды пс должны совпадать (лп= л с) на средней длине волны полосы пропускания Я0. В этом случае система порошок — среда образует полосовой фильтр, так как вблизи ко смесь является оптически однородной и прозрачной, а при

Х0 коэффициенты преломления не совпадают (п„ Ф ф Пс), излучение рассеивается на частицах порошка и по­ глощается. В рассеивающих фильтрах используются по­ рошки галогенидов щелочных металлов (NaF, KI и др.Ьа в качестве жидкой среды — CS2, ССЦ и др., в твердых рассеивающих фильтрах — сочетания тех же соединений с окислами металлов, соединения группы AmBv в сочета­ нии с полиэтиленом и т. п. Рассеивающие фильтры позво­ ляют получить полосу пропускания в большей части ИК диапазона, причем ширина полосы зависит как от показа­ телей преломления материалов, так и от размеров частиц и толщины фильтра. Удается получить ширину полосы пропускания Av< 1 мкм.

Поляризационные фильтры строятся в виде слоистой конструкции (рис. 8.14,а) из поляризаторов и кристал­

лических фазовых пластин с двойным лучепреломлением, вносящих фазовые сдвиги между «обыкновенным» и «необыкновенным» лучами (фильтр Лайота). Поскольку пластины вносят фазовые сдвиги, пропорциональные h/k, следует выбирать толщину пластины h такой, чтобы на средней длине волны полосы пропускания А.0 фазовый сдвиг между лучами Д<р=2л'л. При Д<р = (2m-' -f 1)л (л, т — целые числа) вследствие интерференции происхо­ дит полное подавление луча. Толщина пластин выбирается таким образом, чтобы h\ = (1/2)Ло = (1/4 )/г3 = (1/8)/г». В результате ширина полосы пропускания определяется самой толстой пластиной (рис. 8.14,6). В поляризацион-