Система автоматической подстройки частоты рассредоточенных лазеров

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ РАССРЕДОТОЧЕННЫХ ЛАЗЕРОВ

Работа относится к области радиотехники и автоматики применительно к системам автоматической подстройки частоты излучения газовых лазеров непрерывного действия с улучшенными стабилизационными характеристиками и может быть использовано в космической технологии, в частности, для измерения «фиолетового смещения» частоты лазерного излучения в гравитационном поле Земли.

Известны системы автоматической подстройки частоты (АПЧ) связанных газовых лазеров непрерывного действия, взаимно когерентное излучение которых частично подаётся на фотосмеситель, на выходе которого формируется электрический сигнал с разностной частотой, который после его усиления в полосовом тракте воздействует на последовательно соединённые дискриминатор, интегратор и усилитель постоянного тока, выходом подключённый к пьезокорректору частоты излучения регулируемого по частоте лазера.

[1−7]. При этом частоты излучения двух связанных лазеров отличаются на среднюю частоту настройки дискриминатора. Указанный пьезокорректор включён в состав резонатора лазера, изменяя его длину, в связи с чем изменяется и частота лазерного излучения [8−9].

Действие таких систем АПЧ с маломощным высокостабильным лазером, колебания которого смешиваются с колебаниями мощного стабилизируемого лазера непрерывного действия и сравниваются с центральной частотой настройки дискриминатора, в результате чего возникает сигнал ошибки, фильтруемый интегратором и усиливаемый в усилителе постоянного тока, которым управляется частота излучений мощного лазера, в резонатор которого введён связанный с зеркалом резонатора пьезокорректор, с поддержанием постоянной во времени разности частот обоих лазеров на известную величину с высокой точностью.

Недостатком известных систем АПЧ является сложность автоподстройки частоты одного лазера под другой в случае значительного рассредоточения этих лазеров в пространстве, например, при установке одного их них на искусственном спутнике земли (ИСЗ), неподвижно расположенном относительно заданной точки земной поверхности (как в спутниках-ретрансляторах системы «Гланас»), а другого лазера — на земле.

Указанный недостаток устранён в заявляемом техническом решении.

Целью данной работы является обеспечение возможности измерения «фиолетового смещения» монохроматического излучения мощного лазера непрерывного действия, направленного на земную поверхность с искусственного спутника земли, неподвижно рас-положенного над данной точкой земной поверхности, обусловленного действием гравитационного поля Земли.

Указанная цель достигается в системе автоматической подстройки частоты рассредоточенных лазеров с непрерывным режимом излучения, содержащей несколько взаимно связанных цепей автоподстройки частоты, включающих каждая последовательно соединённые фотосмеситель, дискриминатор, интегратор и усилитель постоянного тока, подключённый к пьезокорректору частоты излучения соответствующего лазера непрерывного действия, отличающаяся тем, что одна система автоподстройки частоты из двух лазеров непрерывного действия — высокостабильного маломощного и мощного, снабжённого передающим телескопом, ориентированным на земную поверхность, размещена на неподвижном относительно земли искусственном спутнике земли, а две другие системы автоподстройки частоты расположены на земной поверхности, фотосмеситель первой из них связан через приёмный телескоп с излучением мощного лазера искусственного спутника земли, а его выход через малошумящий полосовой усилитель связан с перестраиваемым по частоте дискриминатором, дополнительный выход которого подсоединён к измерителю частоты настройки этого дискриминатора, а фотосмеситель второй земной системы автоподстройки частоты оптически связан с частью излучения лазера первой земной системы и второго лазера наземной системы, частота излучения которого подстраивается системой автоподстройки частоты, при этом выход усилителя постоянного тока подключён к пьезокорректору второго лазера наземной системы, а также передаётся в цифровом кодированном виде по радиоканалу на искусственный спутник земли через аналого-циф;

ровой наземный передатчик с СВЧ антенной и цифро-аналоговый приёмник с СВЧ антенной, установленной на искусственном спутнике земли и ориентированной на наземную СВЧ антенну.

Достижение поставленной цели объясняется увеличением энергии фотонов в поле тяготения земли при пробеге ими пространства от искусственного спутника земли (ИСЗ) до земной поверхности при положительном градиенте поля тяготения в направлении распространения фотонов оптической частоты и отрицательном градиенте поля тяготения для радиоизлучения, направленного на ИСЗ, частота которого на пять порядков ниже частоты лазерного излучения, что несущественно влияет на погрешность измерения «фиолетового сдвига» частоты за счёт поля тяготения земли. Выделение из совокупного частотного сдвига, обусловленного вариациями собственной частоты этого лазера из-за его нестабильности и «фиолетовым смещением» частоты в гравитационном поле земли, составляющей «фиолетового смещения» частоты осуществляется предварительными статистическими методами за достаточно большой промежуток времени усреднения дрейфа частоты лазерного излучения мощного лазера, установленного на ИСЗ при совместном действии всех трёх систем автоподстройки на земле, то есть в отсутствии приращения энергии фотонов под действием градиента поля тяготения.

Система блок-схемы системы АПЧ рассредоточенных в пространстве лазерных систем, которая включает следующие компоненты (рис. 1):

На искусственном спутнике земли:

• 1 — мощный лазер непрерывного действия,
• 2 — первый светоделительный кубик с большим коэффициентом отражения,
• 3 — передающий телескоп,
• 4 — высокостабильный маломощный лазер непрерывного действия,
• 5 — отражатель малой части излучения мощного лазера 1,
• 6 — второй светоделительный кубик,
• 7 — первый фотосмеситель,
• 8 — первый дискриминатор с фиксированной настройкой,
• 9 — первый интегратор,
• 10 — первый усилитель постоянного тока,
• 11 — приёмная СВЧ антенна,
• 12 — цифро-аналоговый приёмник (его выход соединён с пьезокорректором лазера 4).

На земной поверхности:

• 13 — приёмный телескоп,
• 14 — лазер первой наземной системы автоподстройки частоты,
• 15 — третий светоделительный кубик с большим коэффициентом пропускания,
• 16 — второй фотосмеситель,
• 17 — малошумящий полосовой усилитель,
• 18 — второй дискриминатор с перестройкой центральной частоты,
• 19 — второй интегратор,
• 20 — второй усилитель постоянного тока, подключённый к пьезокорректору лазера 14,
• 21 — измеритель частоты настройки второго дискриминатора 18,
• 22 — четвёртый светоделительный кубик,
• 23 — отражатель излучений лазера 14,
• 24 — пятый светоделительный кубик,
• 25 — третий фотосмеситель,
• 26 — лазер второй наземной системы автоподстройки частоты,
• 27 — отражатель излучения лазера 26,
• 28 — третий дискриминатор с фиксированной настройкой,
• 29 — третий интегратор,
• 30 — третий усилитель постоянного тока, включённый к пьезокорректору лазера 26 и к входу аналого-цифрового передатчика,
• 31 — аналого-цифровой передатчик сигнала управления лазером 4 на ИСЗ,
• 32 — передающая СВЧ антенна.

Структура аналого-цифрового передатчика и цифро-аналогового приёмника сигналов управления частотой маломощного высокостабильного лазера непрерывного действия 4, представленная следующими блоками (рис. 2):

• 33 — аналого-цифровой преобразователь,
• 34 — СВЧ модулятор,
• 35 — задающий СВЧ генератор,
• 36 — усилитель мощности,
• 37 — малошумящее входное СВЧ устройство,
• 38 — СВЧ смеситель,
• 39 — СВЧ гетеродин,
• 40 — усилитель промежуточной частоты,
• 41 — амплитудный детектор с ограничителем по минимуму,
• 42 — цифровой демодулятор,
• 43 — цифро-аналоговый преобразователь,
• 44 — усилитель постоянного тока с подстраиваемым начальным уровнем, подключённый к пьезокорректору лазера 4.

Рассмотрим действие заявляемой системы.

Вся система настраивается на земле. Пусть частота излучений мощного лазера непрерывного действия 1 равна н_О1, а частота высокостабильного маломощного лазера непрерывного действия 4 равна н_О2 и отличается от частоты н_О1 на разность? f₁ = н_О2 — н_О1, на которую настроена центральная частота F_O1 первого дискриминатора 8 с фиксированной настройкой, и сигнал этой частоты? f₁ выделяется на выходе первого фотосмесителя 7 от сложения колебаний лазеров 1 и 4. При неравенстве? f₁? F_O1 на выходе первого дискриминатора 8 возникает ненулевой сигнал того или иного знака в зависимости от расстройки этого дискриминатора относительно частоты? f₁, Выходной сигнал дискриминатора 8 ин-тегрируется в первом интеграторе 9 с постоянной времени ф_И1 >> 1 / ?f₁, и после его усиления в первом усилителе постоянного тока 10 подаётся на пьезокорректор мощного лазера 1, выравнивая его частоту до получения равенства? f₁ = F_O1., при соблюдении которого всегда поддерживается в лазере 1 частота н_О1 = н_О2 — F_O1 в установившемся процессе.

Фотоны этой частоты н_О1, распространяющиеся от ИСЗ с высоты Н от земной поверхности получают при этом добавочную энергию за счёт их движения в поле тяготения земли с положительным градиентом. Как нетрудно показать, добавка этой энергии в каждом из фотонов, воспринимаемых наземной аппаратурой, составляет:

?W = h? н_Ф = г М (h н_О1 / с²) Н / R (R + H).

= g_O (h н_О1 / с²) Н R / (R + H), (1).

где h = 6,62.10 — ³⁴ Дж. сек — постоянная Планка, М — масса Земли, с = 3.10 ⁸ м/с — электродинамическая постоянная (скорость света в пустоте), R — радиус Земли (м), g_O = 9,81 м/с²— ускорение силы тяжести на поверхности Земли.

Если принять во внимание, что радиус Земли много больше высоты ИСЗ, то есть R >> H, то уравнение (1) можно переписать к виду h? н_Ф? g_O (h н_О1 / с²) Н, откуда получим для величины «фиолетового смещения» частоты фотонов под действием гравитационного поля с положительным градиентом:

?н_Ф = g_O н_О1 Н R / с² (R + H)? g_O н_О1 Н / с². (2).

Таким образом, приходящие к земной поверхности оптические колебания будут иметь частоту.

н_О* = н_О1 +?н_Ф = н_О2 — F_O1 + g_O н_О1 Н R / с² (R + H), (3).

которую воспринимает приёмный телескоп 13, и колебания этой частоты поступают на второй фотосмеситель 16 вместе с оптическими колебаниями от лазера 14 первой наземной системы автоподстройки частоты, частота которого н_О3 отличается от частоты н_О* на частоту второго дискриминатора 18 с перестраиваемой центральной частотой настройки F_O2 и при этом имеем соотношение:

н_О3 = н_О* + F_O2 = н_О2 — F_O1 + g_O н_О1 Н R / с² (R + H) — F_O2, (4).

где частота F_O2 второго дискриминатора 18 может перестраиваться, что индицируется измерителем частоты 21.

Колебания оптической частоты н_О3 поступают на вход третьего фотосмесителя 25 и смешиваются в нём с оптическими колебаниями лазера 26 второй наземной системы автоподстройки частоты, частота которого равна н_О4 = н_О3 + F_O3. При выборе F_O1 = F_O3 получим, что частота колебаний н_О4 в лазере 26 будет поддерживаться равной:

н_О4 = н_О2 + g_O н_О1 Н R / с² (R + H) — F_O2, (5).

что вытекает из (4) подстановкой условия FO1 = FO3, которое всегда легко выполнимо.

Тогда при условии подстройки второго дискриминатора 18 с перестраиваемой центральной частотой так, что выполняется равенство.

g_O н_О1 Н R / с² (R + H) = F_O2,.

окончательно будем иметь равенство вида н_О4 = н_О2, Иначе говоря, при соответствующем выборе начального уровня сигнала с выхода первого усилителя постоянного тока 10 в системе на ИСЗ частота его высокостабильного лазера 4 будет в точности равна частоте колебаний в лазере 14 первой земной системы автоподстройки частоты, что и требовалось соблюсти в связанной системе лазеров, рассредоточенных в пространстве.

При этом настройкой второго дискриминатора 18 обеспечиваем измерение искомой величины «фиолетового смещения» частоты, которое равно:

?н_Ф = F_O2 = g_O н_О1 Н R / с² (R + H)? g_O н_О1 Н / с². (6).

Если в качестве лазеров непрерывного действия использовать Xe Clлазеры с длиной волны 0,308 нм и соответственно частотой н_О1 = 3.10⁸ / 0,308.10 — ⁶ = 0,974.10 ¹⁵ Гц, то при Н = 4.10 ⁵ м и R = 3,65.10 ⁶ м получим частотный сдвиг.

• ?н_Ф = 9,81_* 0,974.10 ¹⁵ _* 4.10 ⁵ _*
• * 3,65.10 ⁶ / 9.10 ¹⁶_* 4,05.10 ⁶ = 3,827 10 ⁴ Гц = 38,27 кГц.

На эту частоту должен быть настроен второй дискриминатор 18, и его настройка фиксируется измерителем частоты настройки 21. Другие дискриминаторы — первый 8 и третий 28 имеют фиксированные настройки, например, на частоте F_O1 = F_O3 = 50 кГц.

Важно отметить, что передавая сигнал подстройки высокостабильного маломощного лазера 4 по радиоканалу на СВЧ колебаниях, например, на частоте f_O = 10 ГГц (длина волны л_СВЧ = 3 см), который распространяется с Земли на ИСЗ, то есть при отрицательном градиенте земного тяготения, «красное смещение» частоты радиосигнала в приёмной СВЧ антенне 11 будет столь малым по величине, в частности, равным.

лазер спутник фиолетовое смещение.

?н_СВЧ = ?н_Ф f_O / н_О1 =.

= 38,27 _* 10 ¹⁰ / 0,974.10 ¹⁵ = 39,29.10 — ⁵ кГц? 0,4 Гц,.

что этой погрешностью изменения частоты «фиолетового смещения» частоты (38,27 кГц) можно пренебречь.

Таким образом, кроме создания стабилизированной системы связанных и существенно рассредоточенных в пространстве лазеров непрерывного излучения, с помощью такой системы, часть из которой устанавливается на ИСЗ, можно измерить эффект «фиолетового смещения» частоты оптических колебаний в дополнение к известному «красному смещению». Можно поэтому считать, что при изгибании луча света вблизи сильно гравитирующих масс, например, Солнца, связанном с тяготением, возникающее «красное смещение» обусловлено именно фактором искривления хода луча, его отклонением от прямолинейного движения фотонов, а получаемая фотоном энергия при приближении к гравитирующему объекту в точности равна отдаваемой им энергии этому объекту при удалении фотона от него. Из этого делается важный физический вывод о том, что всякое вынужденное искривление траектории луча света (вообще электромагнитной волны в широком спектре) связано с потерей фотонами энергии на вторичное излучение, в связи с чем возникает «красное смещение». Это — новый физический феномен. Аналогично этому эффекту ранее автором была заявлена закономерность сохранения поляризации электромагнитных волн [10], при которой всякое вынужденное изменение поляризации электромагнитной волны средой, в которой она распространяется (например, нестационарно анизотропной), приводит к «красному смещению» частоты, то есть к потере энергии и появлению вторичного излучения [11−14].

• 1. Меньших О. Ф., Устройство автоматической подстройки частоты, Авт.свид. СССР № 360 125, опубл. в бюлл. № 26 от 09.09.1972;
• 2. Меньших О. Ф., Устройство АПЧ, Авт.свид. СССР № 322 131, ДСП, приор. от 02.03.1970
• 3. Меньших О. Ф., Устройство АПЧ, Авт.свид. СССР № 329 929, ДСП, приор. от 16.04.1970
• 4. Меньших О. Ф., Устройство для частотной модуляции излучения газового лазера, Авт.свид. СССР № 1 373 188, ДСП, приор. от 16.12.1985;
• 5. Меньших О. Ф., Способ измерения кратковременной стабильности частоты излучения газового лазера, Авт.свид. СССР № 1 554 719, ДСП, приор. 06.11.1987;
• 6. Меньших О. Ф., Устройство для измерения кратковременной стабилизации частоты излучения газовых лазеров, Авт.свид. СССР № 1 556 291, ДСП, приор. от 11.04.1988;
• 7. Меньших О. Ф., Устройство АПЧ лазерного доплеровского локатора, Авт.свид. СССР № 1 591 675, ДСП, приор. от 24.08.1988;
• 8. Сёмин В. Е. и др., Монолитные кварцевые частотные дискриминаторы, «Электронная техника», сер.5, Радиодетали и радиокомпоненты, 1975, вып.5, с.119−121;
• 9. Васильев А. А. и др., Пространственные модуляторы света, под ред. Компанейца И. Н., М., Радио и связь, 1987, с.59−71;
• 10. Меньших О. Ф., Закон сохранения поляризации электромагнитных волн, Заявка на открытие, М., МААНО, Справка № ВВ-155 от 17.11.2003;
• 11. Меньших О. Ф., «Генерирование микроволн в анизотропных средах действием оптической ударной волны», доклад на У Всесоюзном семинаре по оптоэлектронике, Институт проблем управления АН СССР, 22.04.1975 г., Москва;
• 12. Меньших О. Ф., «Способ генерирования электрических колебаний и устройство для его реализации», Авт. свид. СССР № 1 380 476 на пионерское изобретение, ДСП, Москва;
• 13. Меньших О. Ф., «Устройство для обнаружения эффекта резонанса „красного смещения“ электромагнитных волн в анизотропных средах», Патент РФ № 2 276 394, бюлл. № 13 от 10.05.2006;
• 14. Меньших О. Ф., «Устройство для измерения „красного смещения“ плоско поляризо-ванного когерентного излучения», Патент РФ №.2 276 347, бюлл. № 13 от 10.05.2006.