фокусе двух линз, а размер отверстия выбирается равным фокальному пятну продольного типа. Поперечные типы «не проходят» через отверстие и поэтому не возбуждаются.

Дифракционные потери мод открытого резонатора зависят только от поперечных индексов га и т. Продольные типы, отличающиеся лишь индексом q, имеют совершенно идентичную поперечную структуру поля и, следовательно, одинаковые потери. Поэтому при пространственной селекции в ОКГ может существовать несколько продольных типов. Число их в каждом конкретном случае определяется свойствами активного вещества и степенью его возбуждения.

-8 -В

Рис. 3. Диграмма направленности газового ОКГ

Частотная селекция осуществляется путем внесения в резонатор элементов с избирательной частотной характеристикой (интерферометры) или использования зеркал с избирательным отражением. Настраивая их так, чтобы полоса пропускания интерферометра или соответственно максимум отражения зеркала совпали с резонансной частотой какого-либо продольного типа, мы создаем для него лучшие условия возбуждения по сравнению со .всеми остальными, которые тем самым подавляются. Частотная селекция позволяет выделить один продольный тип, но за это приходится платить сложностью резонатора.

Заметим, что селективные элементы должны располагаться внутри резонатора. При этом мощность, распределенная ранее между многими модами, «перекачивается» в продольные. Расположив фильтры вне резонатора, мы просто потеряем мощность, заключенную в поперечных типах.

Но получение требуемых характеристик резонатора - это еще не все. Необходимо постоянство их в процессе работы ОКГ. Так как зеркала разнесены на расстояние до 1 ж, тепловые, механические

и другие причины вызывают небольшие смещения элементов резонатора.

Однако выходные характеристики при этом меняться не должны. Другими словами, резонаторы должны быть некритичными к смещениям и наклонам элементов. Большинство же предлагаемых схем селекции этим свойством не обладает.

Ш1инственное исключение составляет, пожалуй, так называемый квазиполуконцентрический резонатор [3] (рис. 6), состоящий из плоского и сферического зеркал. Удачный выбор радиусов зеркал и расстояния между ними позволил получить некритичный резонатор, который в сочетании с газовой активной средой длины волн 0,63 и 1,15 М.К) образует одномодовый генератор, имеющий на выходе диаграмму направленности шириной 45-50". При

длине резонатора 1000 мм. наклоны зеркал на + 2 приводят к уменьшению мощности наполовину. Для сравнения укажем, что в резонаторе из двух сферических зеркал очень большого радиуса (несколько десятков метров), идентичном описанному по селективным свойствам, наклон зеркал на несколько секунд (1) приводит к срыву генерации.

Рис. 4. Диаграмма направленности рубинового ОКГ

Рис. 5. Схема пространственной еелекции мод

Рис. 6. Некритичный одиомодовый резонатор для газовых ОКГ

Уменьшение критичности резонаторов можно получить, используя двух- и трехгранные призмы [4] (рис. 7, а, б), совершенно некритичные к поворотам вокруг ребра или угла. Исследования показывают, что можно получить постоянство характеристик ОКГ при наклонах зеркал на несколько минут, а призм - на несколько градусов!

13 Заказ JVt 1461

Рис. 7. Схемы некритичных уголковых резонаторов

Таким образом, можно сказать, что к настоящему времени сделаны только первые попытки, и предстоит еще много работы по созданию некритичных одномодовых резонаторов для различных типов активных сред.

Передающие антенны

Требования, предъявляемые к передающей оптической антенне в целом (резонатор плюс внешняя формирующая система), примерно такие же, как и в радиодиапазоне. Наиболее общие из них заключаются в формировании диаграмм заданного вида, управлении ими и создании равносигнальной зоны.

Как уже говорилось, одно из преимуществ оптического диапазона по сравнению с радиочастотным заключается в возможности

Рис. 8. Передающая телескопическая Рис. 9. Измерение диаграммы направ-антенна ленности методом фокального пятна

формирования очень узких (секундных) диаграмм антеннами с небольшими раскрывами. Оптические антенны в настоящее время представляют собой почти исключительно зеркально-линзовые или просто линзовые системы. Поскольку они должны формировать очень узкие диаграммы, их разрешающая способность должна быть предельной. В оптике такие системы хорошо известны - это астрономические объективы. Слово астрономический вовсе не синоним слов - сложность и вес. Объектив диаметром 80 мм, формирующий диаграмму шириной 2" (по уровню 0,5), - простая двух-линзовая система весом - 2 кг.

Довольно широкий круг антенных задач может быть решен с помощью широко известной и распространенной телескопической системы (рис. 8). При совмещении фокальных плоскостей объектива и окуляра друг с другом (сфокусированная с стема)

амплитудно-фазовое распределение на выходе объектива подобно входному, но растянуто, в Г раз, где Г = /об / /ок - увеличение системы. Диаграмма направленности растянутого распределения в Г раз уже диаграммы, соответствующей распределению на выходе ОКГ.

Иногда для быстрого вхождения в связь или пеленгации объекта необходимо расширение диаграммы. В телескопической системе это осуществляется продольным перемещением окуляра. При этом фазовый фронт на выходе объектива становится сферическим, что соответствует расширению диаграммы.

Особенностью оптических антенн является их громадный электрический размер (количество длин волн, укладывающихся в диаметре), приводящий к тому, что дальняя зона, где излучение любой антенны описывается сферической волной и где, собственно, имеет смысл говорить о диаграмме направленности, находится, как правило, на расстояниях от нескольких сот метров до нескольких километров.

И, естественно, поэтому, что измерение диаграмм в дальней зоне, широко распространенное в радиодиапазоне, здесь практически неприемлемо. Измерение основного и нескольких соседних лепестков оптических антенн возможно с помощью так называемого метода фокального пятна (рис. 9). Соосно с передающей антенной располагается коллиматорный (что означает высококачественный) объектив несколько большего диаметра. При этом поле в фокальной плоскости х объектива, представленное как функция от 6 = x/f, в некоторых угловых пределах подобно диаграмме направленности передающей антенны.

Управление сверхузкими лучами

Для управления секундными лучами нужны устройства, точность перемещения луча которых в несколько раз меньше ширины диаграммы направленности. Лучшие механические приводы вращения антенны имеют ошибки порядка нескольких минут и, естественно, не могут быть использованы для управления оптической антенной. Нужны устройства, в которых большим перемещениям элементов соответствовали бы малые отклонения луча. В оптике они известны - это компенсаторы, хотя для антенных применений их правильнее было бы называть оптическими редукторами. Несколько схем их показано на рис. 10: а - плоскопараллельная пластинка в сходящемся пучке лучей, б - комбинация из двух линз, в - пара клиньев, вращающихся в разные стороны и отклоняющих луч в одной плоскости.

Рассмотрим подробнее работу клинового редуктора. Отклонение прошедшего через клинья луча связано с коэффициентом п преломления стекла, углом а при вершине клина и углом поворо-

та его ф следующим соотношением:

0 = 2а(/1- l)sinfp = QoSinq),

где % - максимальное отклонение луча. Дифференциальный коэффициент редукции г (ф), определяемый как г (ф) = ф/сЮ, при 9о = 1° на линейном участке (ф = 0) равен 50. При точности приводов 5 управление лучом можно осуществить с погрешностью не более б".

Однако подобные оптические редукторы имеют ограниченное быстродействие, зачастую недостаточное для обеспечения качания луча с требуемой быстротой. Принципиально отличный способ

Рис. 10. Схемы оптических редукторов

Рис. 11. Ультразвуковая ячейка для отклонения луча

[5] состоит в отклонении луча при прохождении им кюветы с жидкостью (рис. И), в которой возбуждены ультразвуковые стоячие волны. Плотность, а следовательно, и коэффициент преломления жидкости постоянны в узлах и колеблются с ультразвуковой частотой в пучностях стоячей волны. Поэтому для пучка лучей, размер поперечного сечения которого в несколько раз меньше ультразвуковой полуволны, ячейка представляет собой призму с углом отклонения, меняющимся во времени с ультразвуковой частотой.

Наиболее заманчивым представляется использование управляемых сред,, коэффициент преломления которых меняется при наложении электрических или магнитных полей. Тогда, создавая неоднородное управляющее поле, можно получить отклонение прошедшего через среду луча, зависящее от величины поля. В настоящее время ведется поиск и исследование таких сред для целей модуляции излучения ОКГ. Но активность их пока невика. Будучи достаточной для целей модуляции, она мала для применений в системах отклонения луча.

Рис. 12. Антенна с площадным фотоприемником

Приемные антенны

При фиксированной мощности генератора интенсивность принимаемого сигнала в системе связи определяется, собственно, двумя факторами: направленностью передающей антенны и размером приемной. Кроме того, к приемной антенне <как и к передающей) предъявляются определенные требования относительно ширины диаграммы направленности, или, что то же самое, разрешающей способности. В оптическом диапазоне требуемая разрешающая способность достигается на небольших антеннах, размеры которых недостаточны для получения заданной величины принимаемого сигнала. При больших диаметрах получаются слишком узкие диаграммы, неудобные для управления. Расширение их (или, как говорят оптики, увеличение поля зрения) обычно осуществляется установкой в фокальной плоскости объектива площадного фотоприемника 5 (рис. 12), осуществляющего детектирование принятого сигнала. Фотоприемник 5 можно рассматривать как многоканальную систему элементарных детекторов, соединенных по низкой частоте. Каждому элементарному детектору соответствует парциальная Диаграмма, суммированием которых по мощности можно найти результирующую диаграмму направленности. Она имеет столообразную форму, и ширина ее определяется отношением размера фотоприемника к фокусному расстоянию объектива. Но крутизна склонов и уровень боковых лепестков существенно зависят от диаметра объектива и его качества.

" Одним из параметров, характеризующих приемную антенну, является коэффициент использования к, представляющий отноше-ниеХмощности, передаваемой из антенны в нагрузку, к мощности, прошедшей через раскрыв антенны.

В радиодиапазоне антенны работают, как правило, с «точечными» приемниками (это означает, что размеры приемника порядка длины волны). Чем тщательнее сделана антенна, тем лучше фокусирует она падающую на нее энергию в приемник, тем выше и. У лучших антенЦ радиодиапазон и равен 0,5-0,6. При ухудшении качества антенны снижаются ее фокусирующие свойства, в приемник попадает меньше энергии, коэффициент использования уменьшается. Диаграмма направленности при этом расширяется, и снижается величина ее максимума.

Иначе обстоит дело в оптическом диапазоне. Размеры фотопри-емника много больше дифракционного пятна, в которое концентрируется прошедшая через раскрыв антенны энергия, поэтому вся она перехватывается фотоприемником. Отсюда следует, что коэф-