81272 ospo sciagi

Jeżeli (S/Sjwe » l to

Założeniem optyki geometrycznej jest, że światło rozchodzi się jako stłumiał promieni. Przyjmuje się też, źc promienie te biegną prostoliniowo od źródła światła do momentu w którym napotkają na przeszkodę, lub zmianę ośrodka Trzeba tu jednak od razu zaznaczyć, źe pojęcie promienia światła nie jest ścisłe i przy bliższej analizie okazuje się, że nieco mija się z rzeczywistością. Powody' są przynajmniej dwa: 1. Po pierwsze światło ma naturę kwantową - czyli jest jakby pokawałkowane ■w miniaturowe porcje, a nie jest ciągłym ciągłym „sznurkiem” ;

2. po drugie zaś - ulega ono dyfrakcji i interferencji w wyniku czego może ono nawet omijać przeszkody, jako że przecież światło ma naturę falową.

Zasada działania detekcji fazoczułej Detekcja fazoczuła jest jedną z metod pomiarowych, która znajduje zastosowanie tam, gdzie dokonujemy pomiaru słabych sygnałów w obecności szumu. Aby rozróżnić użyteczny sygnał od wszelkich zakłóceń i wyodrębnić go, dokonujemy najpierw modulacji sygnału z określoną częstością: polega to na modulowaniu (przerywaniu) wzbudzenia lub modulowaniu parametrów pomiarowych.

Jeżeli założymy, źe sygnał z generatora modulacji (sygnał odniesienia) ma zadaną częstość wmod i fazę qrcf, to obserwowany sygnał również będzie zawierał składową zmodulowaną o tęi samej częstości, choć może o innej fazie: Vsigsin(wntodt+qsig). Układ detektora fazoczułego wykonuje matematyczną operację mnożenia sygnału przez sygnał odniesienia: Vdel = Vrefsin(wmodH qrcf>

Vsigsin(wmodt+qsig). Wykorzystując związek trygonometryczny sina sinb = V4 cos (a+b) - V4 cos (a-b) dostajemy, źe sygnał po przemnożeniu ma postać Vdet = ^!óVrefVsig cc»sfqsig - qref] - V4VrefVsig cos[2wmod t + qsig ^ qref] i zawiera składową stałą. Wystarczy zatem przepuścić ten sygnał przez filtr odcinający składowe zmienne i otrzymamy wyłącznie pierwszy wyraz, który jest proporcjonalny do wielkości mierzonego sygnału. Proszę zwrócić uwagę, że jedynie sygnał o częstośc i dokładnie równej częstości modulacji da nam wkład do Vdet, szumy o wszystkich innych częstościach, różnych od częstości modulacji zostaną odcięte przez filtr i to nawet, gdy ich amplituda jest znacznie większa od amplitudy szukanego sygnału. Sygnał wyjściowy zależy od różnicy fazy między modulacją a rejestrowanym sygnałem, stąd nazwa detekcji fazoczułej. Regulując układ detektora fazoczułego musimy dokonać nastawy parametrów: czułości, stałej czasowej i fazy Czułość detektora to po prostu stopień wzmocnienia sygnału. Stała czasowa określa jak dobry jest filtr odcinający składowe zmienne, im dłuższa stała czasowa, tym mniej szumów, ale cały układ wolniej reaguje — należy zatem przeprowadzać pomiary bardzo wolno. Faza wreszcie ustala wartość (qsig -qref). a co za tym idzie wielkość (i znak) sygnału wyjściowego.

ZASADA DZIAŁANIA LASERA

Laser jest źródłem promieniowania elektromagnetycznego. Od klasycznego źródła światła różni się on zasadą działania i wynikającymi z niej właściwościami emitowanego p: omieniowania.

Nazwa LASER jest akronimem zdania w języku angielskim Ligt‘t Amplificalion by Slimidation Emision ojRadiatkm, czyli wzmocnienie światła wskutek zjawiska emisji wymuszonej Emisja wymuszona jest jednym z trzech procesów odiłzu*ływ7*ua #wij»t^ła‘ź materią, w wyniku ktoyek zmienia sk stan kwantowy atomu, jonu czy cząsteczki. Dwa pozostałe procesy to absorpcja i emisja spontaniczna. Wszystkie te procesy są schematycznie przedstawione na lys. 1.

Rysi

Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią, reprezentowaną przez atom dwupoziomowy: a) absorpcja promieniowania, b) emisja spontaniczna i c) emisja wymuszona

W wyniku absorpcji fotonu (rys. 1 a) o częstości y spełniającej

równanie    ^ -    (1) w którym i?? oznacza energię

stanu wzbudzonego atomu, E_x - energię jego stanu podstawowego, a h- stałą Plancka, atom przechodzi ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego. W procesie emisji spontanicznej (rys. 1 b) atom emituje foton o częstości v spełniające) równanie (1) i przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego. W procesie emisji wymuszonej (rys.l c) foton o częstości v spełniającej równanie (1) nie ulega absorpcji (atom już jest w stanie wzbudzonym), lecz wymusza emisję fotonu. Wymuszony foton jest spójny z fotonem wymuszającym Oznacza to, że mają one tę samą częstość, fazę ' 1 kierunek rozchodzenia się. W wyniku emisji wymuszonej atom przechodzi do stanu podstawowego.

Laser składa się z trzech zasadniczych elementów, którymi są:

1)    Ośrodek aktywny, czyli zespól atomów, jonów czy cząsteczek.

2)    Rezonator, czyli układ optyczny, który sprzęga promieniowanie charakterystyczne dla danego ośrodka z tym ośrodkiem. W najprostszym przypadku rezonator stanowią 2 płaskie, doskonale odbijające zwierciadła, które są ustawione

idealnie równolegle do siebie w odległości jest liczbą całkowitą, 7 jest długością fali światła laserowego) umożliwiającej powstanie w nim fal stojących. Częstości tych fal są częstościami modów podłużnych lasera Liczba modów

zależy od szerokości dopplcrowskięj    linii witfenowęj,

dla której zachodzi przejście laserowe w ośrodku aktywnym Odległość w skali częstości między sąsiednimi modami wynosi

^ ^    L~ gdzje c jest prędkością światła w próżni.

Zatem wzmocnieniu mogą ulec tylko te mody (drgania o określonej częstości), które mieszczą się w profilu linii

emisyjnej - jest ich tyle, ile wynika z podzielenia

ł.v

3) Układ pompujący, czyli układ, który wytwarza inwersję obsadzeń między stanami zaangażowanymi w przejście laserowe. Inwersja obsadzeń tych stanów jest warunkiem koniecznym do uzyskania wzmocnienia promieniowania Budowa łasera hełowo-neonowego W laserze He-Ne ośroAiem Atywnym jest neon, który wraz z helem znajduje się w szklanej rurze z elektrodani. Całkowite ciśnienie gazu w rurze wynosi 1 Torr. Proporcje helu do neonu są jak 10:1. Rura z dwóch stron jest zakończona tak zwanymi okienkami Brewstera (rys.2). Są to szklane okienka nachylone pod kątem

Brewstcra do osi rury, co pozwala zminimalizować straty światła wskutek odbicia, a ponadto opuszczająca laser wiązka światła jest spolaryzowana liniowo.

Emitowane z katody elektrony są przyspieszane na drodze do anody przez różnicę potencjałów, jaka panuje między tymi elektrodami. W niesprężystych zderzeniach z atomami elektrony oddają im taką część swojej energii kinetycznej, która jest wystarczająca, by wzbudzić atomy do wyższych stanów energetycznych. W tai sposób atomy helu zostają wzbudzone do stanów metatrwałych 2³S i 2^!S, z których promienisty powrót do stanu podstawowego jest wzbroniony przez reguły wyboru.

j    * He-w

Rys.2 Budowa typowego lasera helowo-neonowego Elektrony zderzają się także z atomami neonu, wzbudzając je do stanów, z których przejścia do niższych stanów energetycznych nic są wzbronione. Dlatego sposób uzyskania inwersji obsadzeń na tej *odze nie jest skuteczny Ponieważ helu jest 10 razy więcej od neonu, więc zderzenia atomów helu z atomami neonu są bardzo prawdopodobne. Są to zderzenia niesprężyste. w których atomy helu przekazują swoją energię wzbudzenia atomom neonu i powracają do stanu podstawowego Prawdopodobieństwo przekazu energii wzbudzenia w tych zdeizetiiach jest bardzo duże, ponieważ energie zaangażowanych w tym procesie poziomów aiergetycznych obu atomów bardzo mało się różnią Dzięki temu atomy neonu gromadzą się w górnych stanach wzbudzonych 3s i 2s (są to grupy stanów, których liczba nie odpowiada temu, co pokazano na rys. 3). Powstaje inwersja obsadzeń. Jak to pokazano na rys. 3 emisja z obsadzanych poziomów może zajść na trzech drogach, w wyniku czego może być wysłane promieniowanie o długościach fali 3.39 pm. 1.152 pm i 632.8 nm

Najczęściej stosowana metoda uzyskania wzmocniaiia promieniowania o jeckiej z tych długości fal polega na użyciu selektywnych zwierciadeł. Rezonator sprzęga promieniowanie 7 ośrodkiem aktywnym. Jeżeli zdolność odbijająca zwierciadeł jest bliska 100% dla światła o długości fali 632.8 tnn, a dla promieniowania podczerwonego wynosi zaledwie kilkanaście %, to laser emituje światło czerwone, a nie podczerwone. Odbijane przez zwierciadła fotony' wielokrotnie przebiegają przez ośrodek aktywny, wymuszając kolejne pizejścia, przez co zwiększają natężenie emitowanego promieniowania Kiedy wzmocnienie przewyższa 'straty, wtedy z jednej strony, przez zwierciadło o nieco mniejszej zdolności odbijającej, z lasera wychodzi wąska wiązka światła spójnego. Polaryzacja tego światła jest naizucona przez okienka Brewstera.

_    , Rys. 3 Uproszczony

schemat poziomów “    energetycznych

atomów helu i neonu

Włelomodowość

Każdy z modów ma nie tylko różny rozkład

pola elektromagnetycznego, ale także propaguje z różną prędkością. Stąd przy pracy widomodowej jeden impuls światła wysłany z nadajnika dociera do odbiornika w postaci kilku impulsów - tylu, ile jest modów w światłowodzie Praca włełomodowa to transmisja z dużą mocą wprowadzaną do wejścia, lecz niestety' związana ona jest z dużym rozszerzaniem się impulsów. Dlatego nie jest zalecana dla systemów transmisyjnych pracujących z dużymi przepływnościami.

W rzeczywistości sumowanie się fal odbitych występuje tylko wtedy, gdy rozsunięcie jest równe wielokrotności potowy długości fali. Stwarza to możliwość powstania sytuacji, gdy np. pod wpływem wstrząsów lub przy zmianach długości fali sygnału może się mocno zmieniać poziom mocy odbijanej w stronę nadajnika optycznego. Lasery półprzewodnikowe, szczególnie przeznaczone do pracy w systemach o dużych przepływności ach, są wrażliwe na

poziom mocy odbijanej Stąd zmieniające się odbicie, zwane reflcktancją, może powodować stratę potencjału transmisyjnego.

Zmiana długości fali pod wpływem zmiany prądu zasilania jest równoważna zwiększeniu szerokości widma lasera modulowanego amplitudowo w stosunku do szerokości widma przy zasilaniu prądem stałym Rozkład amplitudy prążków w widmie laserów MIM (ang. Mułti-Longitudinal Modę - łasa wzdłużnie wiełomodowy) nie jest stacjonarny w czasie, zmienia się od impulsu do impulsu. Jest to najgroźniejszy efekt zmniejszający czułość odbioru systemów optotelekomunikacyjnych.

Włelomodowość Mod - stabilny rozkład pola elektrycznego Rozkład modów zależy od rezonatora i luster - ich kształtu Rezonator płasko stabilny jest niestabilny. Najbardziej stabilny

jest rezonator sterujący.    pojawiają się

dodatkowe mody - mody skośne, poprzeczne. Ograniczenie liczby modów można zrobić przez wstawienie w rezonator diafragny (wyciąć koło - duża strata). Brak modów poprzecznych nie daje często podstaw do przyjęcia lasera do interferometrii. Praca wielomodowa będzie pogarszać kontrastowość - interferencja destruktywna. Najlepszy byłby łasa jednomodowy - jednocz ęst ot] i wościo wy. Można zwiększyć straty lub skrócić rezonator. c/2L - odległość

modów. c/2L> 1,5GHz.    ' Praca jednomodowa

nie jest stała bo mogą się rozszerzać pod wpływem temp. zwierciadła. - prążki będą się przesuwać w zależności od zmian temp. Dlatego należy stosować stabilizację termiczną, a zwiaciadła z materiałów o małej wsp. rozszerzalności termicznej. Lasery należy dobierać pod kątem czystości widma. W gazowym jest duża zależność od temperatury. Modów jest kilka lub kilkanaście - są odległe od siebie ze względu na długi rezonator ale są też mody poprzeczne Należy wiec stabilizować temperaturowo. Inaczej będzie przeskalowanie modów. Wiązka jest emitowana w b. szerokim kącie widmowym - elipsa jest w przekroju, różne osie w przekrojach. Bez dodatkowych zabiegów nie otrzymamy wiązki kołowej przez układ optyczny (drogie rozwiązanie) Wzrost temperatury może spowodować spalenie złącza, a spadek temp. spowoduje przejście w LED. Należy stabilizować więc moc optyczną.str32

Detektory fotonowe

absorpcja fotonów - zmiana ilości nośników genaowanych wskutek absorbeji promieniowania. Zliczanie nośników wygenerowanych pod wpływem absorpcji padającego promieniowania Ten detektor nie będzie pracował dobrze dla każdej dł. fali - w zależności od przerwy zabronionej. hV>Ep, hc/lam>Ep, lamar<hc/Ep. t'Ji\ fotonow wykorzystuj? graniczną dł fali - próg falowy - ot fi* i powyżej której detektor nic jest zależny od rejestracji promieniowania (jest to największa ich wada). Praca detektorów kończy się na rojedyńczym urn.

.■>dnoparametrowa nłefazoc,-.ubi Selektywny spos. pomiaru sygnału przy pomocy detektora reagującego na jeden parametr - zawsze będzie powodował pojawienie się wyprostowanego szumu na wyjściu. Przyjmuje się, źe met. jednoparametr detekcji stosuje się dla S/N(we>6dB = 'A. Moc sygnału musi być co najmniej 4 krotnie większe niż moc szumu. Średnio 3-4 razy wart chwilowa przekracza wartość skuteczną.

WĄ ■

^ . ty • ; J" ' ....

s(t) — calmcosomt,

n(t) - szum biały, u(t) = s(t) +n(t). x(t) = s(t) riromcgaU l-szum wąskopasmowy,

n_a(t) = A(t) COS[<2)1 + @(t)] • A-ctwilowa

amplituda zmieniająca się losowo, ostatnie - losowa funkcja fazy. Szum Rayleigłta szum na wyjściu

«„=W«[l + 2(-)l

proporcjonalności.

(S/N)wy = kl/2*(S/N)we, dla (S/N)we «1, (S/N)wy = kl (S/N)^A2we w kwadracie pogorszymy stosunek sygnału do

szumu.    Należy więc stosować inne

metody pomiarowe np. pomiar dwuparartetrowy — detekcja ^fazoczuła.