Связь оптоэлектроники с радиотехникой

Успешному развитию радиовещания во многом способствовало постановление СНК СССР от 28 июля 1924 г. Этим постановлением, известным под названием «Закона о свободе эфира», предоставлялось частным организациям и лицам право устройства и эксплуатации приемных радиостанций. «Закон о свободе эфира» положил начало массовому радиолюбительству и внедрению радио в быт советского народа.

Первая пятилетка создала базу для дальнейшего технического прогресса нашей страны. Наряду с развертыванием радиостроительства создавалась сеть научно-исследовательских учреждений. Завершение первой пятилетки было ознаменовано пуском мощной радиостанции имени Коминтерна (мощностью около 500 кет).

В последующие десятилетия число и мощность радиостанций в Советском Союзе были во много раз увеличены.

Наряду с развертыванием сети радиовещания и развитием техники радиосвязи в нашей стране совершенствуется и внедряется в повседневную жизнь другая отрасль радиотехники — телевидение. Телевизионные центры созданы и успешно работают в Москве, Ленинграде, Киеве и многих других городах Советского Союза. Телевидение внедряется также в различные области техники.

Большую роль сыграли радиотехнические средства в Великой Отечественной войне. Наша радиопромышленность обеспечила оснащение Вооруженных Сил Советского Союза специальными радиостанциями многих типов.

Великая Отечественная война характеризовалась, в частности, разносторонним применением радиолокационных средств обнаружения и противодействия. Эти средства были созданы советскими радиоспециалистами на базе отечественной техники.

В послевоенные годы радиотехнические методы и средства нашли широкое распространение во многих отраслях народного хозяйства. Решения Коммунистической партии о развитии ультракоротковолновой техники и радиорелейной связи ставят перед советской радиотехникой и электровакуумной техникой большие и ответственные научные и технические задачи. Значение техники ультракоротких волн для народного хозяйства и Вооруженных Сил СССР исключительно велико. Области применения УКВ непрерывно расширяются. Ультракороткие волны применяются не только как средство связи, они используются в промышленности, медицине и т. п. Техника УКВ может и должна сыграть большую роль в укреплении обороны нашей Родины. УКВ — техническая основа радиолокации, многих областей радионавигации и радиотелеуправления.

Большое внимание в последние годы уделяется разработке и усовершенствованию новых приборов, пригодных для различных преобразований электрических сигналов. Широкие перспективы имеют полупроводниковые приборы, замена которыми электронных ламп позволяет резко сократить вес и объем аппаратуры и одновременно повысить ее надежность. Используя полупроводниковые приборы, оказалось возможным создать такие сложные электронные агрегаты, как быстродействующие счетные машины. На полупроводниковых приборах были выполнены, в частности, все радиоприемники, установленные на борту космического корабля-спутника «Восток-2». Применение полупроводниковых приборов и других малогабаритных надежных в эксплуатации деталей, несомненно, будет способствовать дальнейшему прогрессу радиотехники, автоматики, телемеханики и смежных областей.

Особое внимание привлекают радиотехнические методы и средства в связи с проблемой овладения космосом. Большим техническим достижением было получение фотоснимка невидимой с Земли стороны Луны и передача его с борта третьей космической ракеты на Землю. Триумфом советской науки и техники явились беспримерные полеты в космос первых летчиков-космонавтов Ю. А. Гагарина (12 апреля 1961 г.) и Г. С. Титова (6 августа 1961 г.). При выполнении этих выдающихся полетов радиотехнические средства были использованы не только для управления кораблями-спутниками «Восток-1» и «Восток-2», но и для телевизионной и двусторонней радиотелефонной связи, а также для передачи показаний телеметрических датчиков. Дальнейшее завоевание космоса также немыслимо без самого широкого использования радиотехнических методов и средств.

Связь оптоэлектроники и радиотехники рассмотрим на примере оптических усилителей.

Оптические усилители Основой оптического усилителя является активная среда, содержащая атомы вещества (ионы или молекулы), находящаяся в возбужденном состоянии. Переход атомов в возбужденное состояние происходит за счет передачи им энергии источника электрической, оптической или химической накачки. Возбужденные атомы могут спонтанно и независимо друг от друга переходить на более низкие энергетические уровни. При этом свет, излучаемый группой атомов, некогерентен. В оптическом усилителе переход атомов на более низкий энергетический уровень происходит под действием кванта падающего света. При этом излучается фотон той же частоты, фазы и поляризации, что и падающий. Такой процесс индуцированного испускания образует лавину фотонов когерентного излучения.

Процесс усиления оптического излучения возможен тогда, когда число индуцированных переходов с испусканием фотонов больше числа переходов с поглощением той же частоты. Для этого необходимо, чтобы число атомов на верхнем энергетическом уровне было больше числа атомов на нижнем. Такое состояние совокупности атомов называют состоянием с инверсной заселенностью, а среду, в которой оно существует, — активной. Активная среда выполняет роль усилителя, спонтанное излучение является шумом. Свойство активной среды усиливать оптическое излучение можно характеризовать отрицательным коэффициентом поглощения по аналогии с сосредоточенным дифференциальным сопротивлением у активных двухполюсников.

При рассмотрении свойств активной среды необходимо учитывать конечную ширину энергетических уровней, между которыми осуществляются переходы. Ее определяет взаимодействие между атомами или молекулами среды, аналогично тому, как взаимодействуют связанные колебательные контуры. Центральная частота перехода для каждого атома зависит от его скорости и условий окружения (от внутрикристаллических полей, полей заряженных частиц в газовом разряде, их столкновений и т. д.). Под влиянием этих факторов частотный диапазон, в котором активная среда может обладать усилением, становится шире, чем для изолированного атома.

Для получения состояния с инверсной заселенностью используют различные методы, ориентированные на различные среды. Наиболее универсальным является метод оптической накачки, применимый для твердых тел, жидкостей и газов.

Рассмотрим кристалл с примесными атомами, обладающими тремя энергетическими уровнями (рис. 6.22). Роль накачки состоит в возбуждении атомов из основного состояния 1 на уровень 3, после чего атомы быстро переходят в состояние 2. Вероятность спонтанного перехода 2 — 1 должна быть гораздо меньше вероятности перехода 3 — 2. При достаточно мощной накачке число атомов на уровне 2 превосходит их число на уровне 1, т. е. возникает неравновесное состояние инверсной заселенности. Ввиду того, что источник накачки обладает широким спектром излучения, эффективность данного метода оказывается низкой (~ 0,1%).

Рис. 1−3. Энергетическая диаграмма трехуровневой системы В полупроводниковых оптических усилителях инверсная заселенность достигается пропусканием тока через р—п-переход. В результате этого вблизи р—n-перехода возникает состояние с инверсной заселенностью. Усилители такого типа называют инжекционными. При рекомбинации электронов зоны проводимости с дырками валентной зоны излучается фотон, энергия которого приблизительно равна ширине запрещенной зоны полупроводникового материала. Коэффициент полезного действия полупроводниковых оптических усилителей достигает 70%.

В газовых лазерах возбуждение атомов осуществляется высокочастотным разрядом.

Заключение

Связь радиотехники и оптоэлектроники ярко представлена в повседневных устройствах: телевизоры, лазерные указки и т. д. Становление оптоэлектроники началось после достаточного развития радиотехники, т. е. одно без другого не будет существовать. Развитие оптоэлектроники находится в самом начале и у нее есть неплохое будущее.

1 Белокопытов Г. В., Ржевкин К. С. Основы радиофизики, Москва, 2000

2 Власов В. Ф. Курс радиотехники, Москва, 2000

3 Высоков С. М. Зудков П.И. Золотинкина Л. И. Творцы российской радиотехники: Жизнь и вклад в мировую науку, Москва, 2005

4 Розеншер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника — М. Техносфера, 2004

5 Юрчук С. Ю., Диденко С. И., Кольцов Г. И., Мартынов В. Н. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы — М.: Учеба, 2004

Соч., т. 35, стр. 372

Соч., т. 33, стр. 324