ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР
- совокупность неск. отражающих элементов, образующих открытый резонатор
(в отличие от закрытых объёмных резонаторов
, применяемых в диапазоне
СВЧ). Для длин волн
< 0,1 см использование закрытых резонаторов, имеющих размеры d
~
затруднительно из-за малости d
и больших потерь энергии в стенках. Использование
же объёмных резонаторов с d >
также
невозможно из-за возбуждения в них большого числа собств. колебаний, близких
по частоте, в результате чего резонансные линии перекрываются и резонансные
свойства практически исчезают. В О. р. отражающие элементы не образуют замкнутой
полости, поэтому большая часть его собств. колебаний сильно затухает и лишь
малая часть их затухает слабо. В результате спектр образовавшегося О. р. сильно
разрежен.
О. р. - резонансная система
лазера
,определяющая
спектральный и модовый состав лазерного излучения, а также его направленность
и поляризацию. От О. р. зависит заполненность активной среды лазера полем
излучения и, следовательно, снимаемая с неё мощность излучения и кпд лазера.
Простейшим О. р. является
интерферометр
Фабри
- Перо
, состоящий из двух плоских параллельных зеркал.
Если между зеркалами, расположенными на расстоянии d
друг от друга,
нормально к ним распространяется плоская волна, то в результате отражения
её от зеркал в пространстве между ними образуются стоячие волны (собств.
колебания). Условие их образования
где q
- число полуволн, укладывающихся между зеркалами, наз. продольным
индексом колебания (обычно q
~ 10 4 - 10 6).
Собств. частоты О. р. образуют арифметич. прогрессию с разностью c/2d
(эквидистантный
спектр). В действительности из-за дифракции на краях зеркал поле колебаний
зависит и от поперечных координат, а колебания характеризуются также поперечными
индексами т
, п
, определяющими число обращений поля в 0 при
изменении поперечных координат. Чем больше т
и п
, тем выше
затухание колебаний, обусловленное излучением в пространство (вследствие
дифракции света на краях зеркал). Моды с т = п =
0 наз. продольными,
остальные - поперечными.
Т. к. коэф. затухания колебания растёт
с увеличением т
и п
быстрее, чем частотный интервал между
соседними колебаниями, то резонансные кривые, отвечающие большим
т
и п
, перекрываются и соответствующие колебания не проявляются. Коэф.
затухания зависит также от числа N
зон Френеля, видимых на зеркале
диам. R
из центра др. зеркала, находящегося от первого на расстоянии
d:
(см.
Френеля
зоны)
. При N ~
1 остаётся 1 - 2 колебания, сопутствующих осн.
колебанию (q =
1).
Двухзеркальные резонаторы
. О. р.
с плоскими зеркалами чувствительны к деформациям и перекосам зеркал, что
ограничивает их применение. Этого недостатка лишены О. р. со сферич. зеркалами
(рис. 1), в к-рых лучи, неоднократно отражаясь от вогнутых зеркал, не выходят
за пределы огибающей поверхности - каустики
. Поскольку волновое
поле быстро убывает вне каустики, излучение из сферич. О. р. с каустикой
гораздо меньше, чем излучение из плоского О. р.
Рис. 1. Двухзеркальный резонатор.
Разрежение спектра в этом случае реализуется благодаря тому, что размеры каустики растут с ростом т и n . Для колебаний с большими т и п каустика оказывается расположенной вблизи края зеркал или вовсе не формируется. Сферич. О. р. с каустикой наз. устойчивыми, т. к. параксиальный луч при отражении не уходит из приосевой области (рис. 2,а ). Устойчивые О. р. нечувствительны к небольшим смещениям и перекосам зеркал, они применяются с активными средами, обладающими небольшим усилением (10% на один проход). Для сред с большим усилением используются неустойчивые О. р., в к-рых каустика образоваться не может; луч, проходящий вблизи оси резонатора под малым углом к ней, после отражений неограниченно удаляется от оси. На рис. 2(б )дана диаграмма устойчивости О. р. при разл. соотношениях между радиусами R 1 и R 2 зеркал и расстоянием d между ними. Незаштрихованные области соответствуют наличию каустик, заштрихованные - их отсутствию. Точки, соответствующие резонатору с плоскими (П) и концентрическими (К) зеркалами, лежат на границе заштрихованных областей. На границе между устойчивыми и неустойчивыми О. р. расположен также конфокальный О. р. (R 1 = R 2 = d) . Из устойчивых О. р. наиб. часто используется полуконфокальный (R 1 = х R 2 = 2d ), из неустойчивых - телескопический О. р. (R 1 + R 2 = 2d ). Потери на излучение в неустойчивых О. р. для колебаний высших типов значительно больше, чем для осн. колебания. Это позволяет добиться одномодовой генерации лазера и связанной с ней высокой направленности излучения.
Рис. 2. Образование каустики (а )и диаграмма устойчивости двухзеркальных резонаторов (б ): знаком плюс отмечены области устойчивости; минусом - области неустойчивости; сплошные линии - границы этих областей; П - резонатор с плоскими зеркалами; Конф. - конфокальный резонатор; К - концентрический резонатор; пунктир - линия телескопических резонаторов.
Теория. Распределение электрич. поля Е устойчивого О. р. в плоскости, перпендикулярной оси О. р. (z ), описывается выражением
Здесь Е 0 - коэф., определяющий амплитуду поля; Н т,п - полиномы Эрмита (см. Ортогональные полиномы) т -й и n -й степеней: Н 0 (х) = 1, Н 1 (x) = 2х, Н 2 (х) = 4x 2 - 2, Н 3 (х) = 8х 3 - 12x ; W - поперечный радиус продольной моды (на расстоянии от оси О. р., равном W , плотность энергии продольной моды уменьшается в е раз). Зависимость W(z )имеет вид
где а z отсчитывается от т. н. перетяжки продольной моды, т. е. от той точки на оси резонатора, где её радиус имеет наим. значение, равное W 0 (рис. 2,а ). Расстояние от перетяжки до зеркала R 1
радиус продольной моды в перетяжке
Частотный спектр двухзеркального О. р. задаётся условием
Распределение поля на зеркале показано на рис. 3. Т. к. частотный спектр двухзеркального О. р. вырожден (зависит лишь от суммы т + n , но не от каждого из индексов в отдельности), то Е(х,у )может отличаться от (1). Конкретный вид распределений зависит от слабых возмущающих действий со стороны диафрагм или др. объектов в области, занимаемой пучком. В частности, при осевой симметрии возможны распределения полей (рис. 4), описываемые в цилиндрич. координатах (r, , z )выражением
Здесь l, p - индексы колебания, определяющие число обращений поля в 0 при изменении r иW(z) - радиус продольной моды; - обобщённый полином Лагерра:
Спектр О. р. при осевой симметрии определяется соотношением (2), где (т + п + 1) следует заменить на (2р + l+ 1).
Рис. 3. Распределение поля на зеркале при прямоугольной симметрии.
Рис. 4. Распределение поля на зеркале при осевой симметрии; * соответствует распределению поля при сложении двух ортогонально поляризованных мод.
Составной резонатор. Кроме зеркал О. р. часто содержит т. н. активные элементы (пластинки, линзы и др.). Составной О. р. может работать в двух режимах в зависимости от того, используется или теряется излучение, отражённое от промежуточных поверхностей. Если отражённое излучение используется, то О. р. наз. согласованным. Каждая часть согласованного О. р., заключённая между двумя соседними поверхностями раздела, может рассматриваться как отд. резонатор, причём поперечные моды этих резонаторов подбирают так, чтобы они совпадали на границах раздела. Условие согласования (рис. 5) имеет вид
Согласованный О. р. обладает неэквидистантным
спектром и может быть использован для разрежения продольного спектра О.
р. (см. ниже).
Важной проблемой в случае составного О.
р. является эфф. заполнение активной среды лазера полем выбранной моды.
Если составной О. р. обладает осью или плоскостью симметрии, то продольная
мода (как и у двухзеркального О, р.) является гауссовым пучком (см. Квазиоптика
).Его
прохождение через оптич. элементы описывается матрицами этих элементов
(см. Матричные методы
в оптике), а прохождение через О. р. описывается
матрицей, являющейся произведением матриц составляющих его оптич. элементов.
При этом комплексный параметр гауссова пучка
q
определяется ур-нием
Cq 2 + (D - A)q - B = 0 .
Коэф. А, В, С, D образуют матрицу О. р. Это ур-ние, а также соотношения R = -l , = [kIm (1 /q )] -1 позволяют определить поперечный радпус пучка и радиус кривизны волнового фронта R в любом сечении резонатора.
Селекция продольных мод . Для разрежения (селекции) продольных мод, имеющих одинаковое поперечное распределение поля, но отличающихся частотой, используются резонаторы, содержащие дисперсионные элементы (призмы, дифракц. решётки, интерферометры и др.). В частности, в качестве дисперсионного элемента применяют дополнит. О. р., связанные с основным и образующие т. н. эквивалентное зеркало, коэф. отражения к-рого r зависит от частоты v . Для удаления из спектра одной из продольных мод наиб. пригоден линейный трёхзеркальный О. р. (рис. 6,а ), для выделения в спектре одной продольной моды - резонатор Фокса - Смита (рис. 6,б ) и Т-образный (рис. 6,в ). В нек-рых случаях удобен О. р. Майкельсона (рис. 6,г) .
Рис. 6. Различные типы связанных резонаторов (I) и зависимость коэффициента отражения эквивалентного зеркалаот частоты v (II).
В лазерах на красителях применяется комбинация дифракц. решётки и интерферометра Фабри - Перо (рис. 7). При этом интерферометр выделяет одну продольную моду, а решётка предотвращает генерацию на др. порядках интерферометра. Линзы Л 1 и Л 2 , образующие т. н. телескоп, согласуют узкий пучок, проходящий через активную среду А, с широким пучком, попадающим на интерферометр и решётку.Активная среда в таком О. р. играет также роль диафрагмы, выделяющей осн. поперечную моду. Такие О. р. позволили создать перестраиваемые в широком диапазоне одночастотные лазеры на красителях .
Рис. 7. Резонатор, содержащий дисперсионные элементы (используемый в лазерах на красителях). А - кювета с активной средой; З - непрозрачное или частично прозрачное зеркало; И - интерферометр Фабри - Перо; Д - дифракционная решётка.
Селекция поперечных мод основана на различии
в распределении полей поперечных мод с разными т
и п
. Т.
к. обычно требуется выделить осн. моду, к-рая имеет мин. угл, расходимость,
гауссово распределение и мин. протяжённость в поперечном направлении, то
применяется диафрагмирование пучка внутри О. р. Радиус диафрагмы ориентировочно
должен быть равен поперечному радиусу моды, следующей за основной. При
этом потери всех мод, кроме основной, сильно увеличиваются.
При селекции поперечных мод необходимо,
чтобы оставшаяся единств. мода эффективно заполняла активную среду. Поэтому
важны границы зон устойчивости (рис. 2,6
), где поперечные размеры
мод увеличиваются: 1) радиус моды увеличивается во всём объёме, если расстояние
d
между зеркалами постоянно, а радиусы крпвизны зеркал R l
и
R 2
(при
этом сильно увеличивается чувствительность резонатора к разъюстировкам);
2) радиус моды увеличивается на 1-м зеркале и уменьшается на 2-м, если
dR 1
(R 2
>R 1
); 3) радиус моды увеличивается на 2-м зеркале и уменьшается
на 1-м, если d
R 2 ;
4) радиус моды увеличивается на обоих зеркалах и уменьшается
в области их центров кривизны, если d
(R 1 + R
2).
При необходимости выделения к--л. высшей
моды на нулевой линии распределения поля этой моды помещают тонкую рассеивающую
нить, к-рая не оказывает влияния на избранную моду и подавляет др. моды,
не обращающиеся в 0 на этой линии.
Резонаторы с анизотропными элементами.
Поляризация лазерного излучения определяется т. н. анизотропными элементами,
находящимися в О. р. Такими элементами являются двулучепреломляющие пластины,
поляризаторы
,вещества, обладающие оптической активностью
, и др., а также
пластины Брюстера и диэлектрич. зеркала при наклонном падении на них излучения.
Определение поляризации производится матричным методом Джонса. При этом
поляризац. матрица всего О. р. является произведением матриц входящих в
него элементов, расположенных в том порядке, в к-ром через эти элементы
проходит излучение начиная с того места, где требуется определить состояние
поляризации. Собств. векторы поляризац. матрицы являются векторами Джонса
Е
(Е х,Е у
) полей, генерируемых в О. р.
Степень поляризации е и направление гл. оси эллипса поляризации а определяются
соотношениями
где R = |Е х | / |Е у |,= arcig(E y /E x) .
Модули собств. значений матрицы Джонса определяют потери О. р., обусловленные поляризаторами, а фазы собств. значений - поляризац. поправки к частотам соответствующих мод. Подбирая анизотропные элементы, можно добиться требуемого состояния поляризации. Учитывая, что обычно анизотропные элементы обладают заметной дисперсией, можно использовать их также для разрежения продольного спектра.
Кольцевые резонаторы . Спектр собств. частот кольцевого О. р., образованного тремя одинаковыми сферич. зеркалами радиуса R , расположенными в вершинах равностороннего треугольника со стороной а (рис. 8), определяется соотношением
Рис. 8. Кольцевые оптические резонаторы.
Перетяжки мод находятся на серединах сторон треугольника; поперечные протяжённости мод в области перетяжки в плоскости осевого контура равны:
Если у резонатора лишь одно зеркало сферическое, а два плоских (рис. 8,6) , то его спектр определяется соотношением
Поперечные протяжённости мод в области перетяжки, к-рая находится на середине стороны треугольника, противолежащей сферич. зеркалу в плоскости резонатора, равны:
Оптич. система, образующая О. р. с неплоским контуром, напр. система из 4 зеркал, расположенных в вершинах тетраэдра (рис. 8,в ), характеризуется тем, что изображение того или иного предмета, построенное с помощью этой системы, повёрнуто относительно самого предмета на нек-рый свойственный этой системе угол. Для тетраэдра этот угол равен где - углы между соседними плоскостями падения лучей на зеркала (грани тетраэдра), к-рые отсчитываются так, что тетраэдр лежит внутри угла. Продольной модой О. р. с неплоским контуром является пучок, у к-рого гл. оси эллиптич. амплитудного распределения развёрнуты на нек-рый угол относительно гл. линий кривизны волнового фронта. Благодаря этому амплитудное распределение при распространении пучка в свободном пространстве испытывает поворот, к-рый компенсирует поворот, обусловленный объёмным расположением зеркал. Кольцевые О. р. с неплоским контуром применяются, напр., в лазерных гироскопах . Они позволяют, в частности, избавиться от анизотропии, свойственной кольцевым О. р. с плоским контуром.
Неустойчивые резонаторы
обладают
высокими потерями на излучение во внеш. пространство (см. выше). Потери
возрастают с увеличением т
и п
, благодаря этому неустойчивые
О. р. обеспечивают одномодовую (по т
и п
)генерацию. Достоинством
неустойчивых О. р. является большая поперечная протяжённость осн. моды,
вследствие чего они могут быть использованы с активными средами большого
поперечного сечения. Вывод энергии из неустойчивого О. р., как правило,
осуществляется не сквозь зеркала, как в устойчивых О. р., а за краями одного
из зеркал. В неустойчивых О. р. существенную (отрицат.) роль играет волна,
отражённая от края зеркала и сходящаяся к оси О. р. Для уменьшения такого
отражения применяют сглаживание края зеркала, к-рому придаётся звездообразная
форма, скругляются края и т. п.
Осн. мода неустойчивого О. р. образована
двумя сферич. волнами, распространяющимися между зеркалами навстречу друг
другу. В случае телескопич. неустойчивого О. р. (рис. 9) одна из волн может
быть плоской. Центр сферич. волны лежит на расстоянии
х = R
2 /2
за выпуклым зеркалом с радиусом кривизны R
2 . Вогнутое
зеркало должно обладать при этом радиусом кривизны |R 1 | =
R 2 + 2d (R
l < 0). При достаточно больших
поперечных размерах 1-го зеркала пучок излучения кольцевой формы выводится
в сторону выпуклого зеркала с волновым фронтом, близким к плоскому.
Неустойчивые О. р. с вращением поля образуются
де-фокусирующей системой зеркал, расположенных в вершинах неплоского многоугольника.
Однако наиб. важны О. р., образуемые двумя двугранными уголковыми отражателями
(рис. 10), рёбра к-рых развёрнуты друг относительно друга на угол.
Если одна или неск. граней отражателей являются выпуклыми, то О. р. неустойчив.
Рис. 9. Неустойчивый телескопический резонатор.
Рис. 10. Линейный резонатор с вращением поля, образованный уголковыми отражателями.
Поле при полном обходе такого резонатора
испытывает поворот на угол
Достоинством неустойчивого О. р. с вращением поля является возможность
вывода излучения в виде не кольцевого пучка, как в обычном неустойчивом
О. р., а односвязного компактного пучка (рис. 11).
Рис. 11. Вывод энергии в виде компактного односвязного пучка из неустойчивого резонатора с вращением поля наАС - ребро уголкового отражателя зеркала, вблизи которого выводится пучок излучения (заштрихован), НН" - обрез того же зеркала, GG" - ребро второго уголкового отражателя.
Лит.: Вайнштейн Л. А., Открытые резонаторы и открытые волноводы, М., 1966; Ананьев Ю. А., Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения, М., 1979; Справочник по лазерам, пер. с англ., под ред. А. М Прохорова, т. 2, М., 1978, гл. 22, 23; Карлов Н. В., Лекции по квантовой электронике, 2 изд., М., 1988.
определяется сравнением диаграмм направленности реальной антенны и ее непрерывного аналога в интересующем нас диапазоне углов.
В статье описан новый вариант интегральной фазированной антенной решетки - щелевая ИФАР. Данная антенна является дуальным аналогом предложенной ранее сотрудниками кафедры радиофизики СПбГПУ дипольной ИФАР.
В щелевой ИФАР, в отличие от дипольной, используется закрытый феррит-диэлектрический волновод, что дает данной антенне некоторые преимущества. На базе непрерывной модели найдены основные параметры антенны: коэффициент усиления, КПД, диаграмма направленности. Показано, что для практически интересных случаев непрерывная модель данной антенны дает точные результаты
список литературы
1. Zaitsev, E.F. MM-wave Integrated Phased Arrays with Ferrite Control [Текст] /E.F. Zaitsev, Yu.P. Yavon, Yu.A. Komarov // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. -March, 1994. -Vol. 42. -№ 3. -P. 1362-1368.
2. Зайцев, Э.Ф. Новые электрически сканирующие антенны миллиметрового диапазона волн [Текст] / Э.Ф. Зайцев, А.Б. Гуськов, А.С. Черепанов // Изв. вузов России. Сер. Радиоэлектроника. -2003. -№ 4. -С. 3-12.
3. Зайцев, Э.Ф. Анализ антенн с последовательным возбуждением раскрыва и электрическим сканированием на основе управляемых магнитогиротроп-ных структур [Текст] / Э.Ф. Зайцев, А.Н. Федотов, Ю.П. Явон // Деп в ВИНИТИ, №1120-В88.
4. Черепанов, А.С. Элементарная теория интегральных фазированных антенных решеток [Текст] / А.С. Черепанов, Э.Ф. Зайцев, А.Б. Гуськов. -СПб.: СПбГТУ, 1999 // Деп. в ВИНИТИ, №3849-В99.
Д.В. Дикий, А.С. Черепанов, В.К.Нужин
двухдиапазонная антенна на кольцевых резонаторах
бегущей волны
В ряде случаев на СВЧ удобно использовать кольцевую антенну бегущей волны . Это объясняется повышенным интересом многих областей радиотехники (радиолокации, радиотелеметрии, радиоуправления, космической радиосвязи и др.) к антеннам с эллиптической или вращающейся поляризацией.
Если в проводящем кольце (резонаторе бегущей волны - РБВ), длина которого кратна длине
волны Х (диаметр Б =-, где ш = 1, 2, 3, ...),
возбудить ток, меняющийся по закону бегущей волны с неизменной амплитудой 10, т. е. определяемый уравнением 1 = 10е-к5, где 10 - ток в начальной точке на кольце, имеющей координаты х = Я, у = 0, г = 0; 5 - длина дуги от начальной
точки до элемента М; 5 = Я<р"; к =- (рис. 1),
то создаваемое электрическое поле будет иметь две составляющие: меридиональную Е9 и азимутальную Еф. Причем обе составляющие сдвинуты
относительно друг друга по фазе на 90 °. Следовательно, получаем поле вращающейся (эллиптической) поляризации.
При этом в плоскости кольца (9 = 90 °) меридиональная составляющая поля Е9 обращается в нуль и остается лишь азимутальная составляющая Еф, т. е. получается линейно поляризованное поле. Под острым углом к оси кольца поле имеет эллиптическую поляризацию. Если по длине
кольца укладывается одна волна (ш =-= 1),
вдоль оси кольца получается поле, поляризованное по кругу. При длине кольца, равной двум, трем и т. д. волнам (ш = 2, 3, ...), излучение вдоль оси кольца отсутствует.
Конструкция антенны на РБВ
Применение кольцевых элементов в качестве элементарных вибраторов обеспечивает ряд эксплуатационных и конструктивных преимуществ по сравнению с линейными вибраторами: наличие
Рис. 1. Кольцевой излучатель - резонатор бегущей волны
эллиптической поляризации при использовании минимального числа вибраторов, возможность реализации в микрополосковом исполнении.
Кольцевой резонатор бегущей волны представляет собой свернутую в кольцо длинную линию. Возбуждение резонатора осуществляется с помощью направленного ответвителя на связанных линиях (рис. 2).
Для идеального симметричного направленного ответвителя матрица рассеяния имеет следующий вид:
ш^S12 = ш^ 5 +-.
Для нормированных волн, обозначенных на рис. 1, имеют место следующие соотношения:
а2 = Ь4е-(а+т)"", Ъ3 = ^ + 5,2 а4, Ъ1 = 512 а2 + 512 а3, Ъ4 = 513а2 + 512 а3, (3) Ъ2 = а1 + 513а4, а4 = Ъ2еАа-+т)1", где (а + ут) - постоянная распространения волны в кольце (т = -); I" - длина свободного X
участка кольца; X - длина волны.
При наличии согласованной нагрузки на выходе а3 = 0 , и из первых двух уравнений следует:
а2 = а2 513е-(а+^у.
Так как 813е-(а+м)1" * 0, то а2 = 0, и с учетом (3):
Ъ = а2 = Ъ 4 = 0.
1 - 513е-<а+м)1"
Рис. 2. Схема питания кольцевого излучателя
Анализ уравнений (4), (5) показывает, что на частоте, определяемой из равенства
Arg S13 + ml" = 2nn, n - целое (6)
и при условии, что затухание в кольце подчиняется соотношению
в системе имеет место кольцевой резонанс. При этом амплитуда волны Ъ2 в кольце усилена по сравнению с ах и составляет
Для ответвителя учетом унитарности матрицы S выполняется |S13| + |S121 = 1, и условие (7) переходит в равенство
1 - e~2al" = |S12|2. (9)
Тогда |b2| = Щ/|S12|, согласно (5) с учетом (2) b3 = 0, то есть вся мощность поглощается в кольце.
Если резонатор бегущей волны (РБВ) выполнить на открытой линии типа полосковой, то потери на излучение будут полезными, и таким образом получим антенну эллиптической поляризации.
В случае высокодобротного резонатора (аl" << 1, |S121« 11), когда |b21 « |aj , излучением из области петли связи можно пренебречь, и с учетом слабого затухания волны b2 по кольцу поляризация излученного в осевом направлении поля будет практически круговой. В случае слабой связи - arg S13 = ml" , где Г - длина участка
связи. Таким образом, в соответствии с (6) полная длина кольца I = V + Г на частоте резонанса составляет 2пп / т = пХ.
Интересующими параметрами облучателя на РБВ являются:
1) уровень мощности, прошедший из плеча 1 в плечо 3 НО, определяющий режекцию;
2) КПД, который в отсутствии омических потерь в элементах облучателя есть разность между падающей мощностью в плечо 1, отраженной от плеча 1 и прошедшей в плечо 3. Он совпадает с излученной облучателем мощностью, отнесенной к падающей.
Качественный вид АЧХ системы по КПД Р
П = -- (Р - излученная мощность) и по режек-Р
потерями с Р
потерями с ции У = показан на рис. 3 б, кривая 3. Как и
в любой резонансной системе, ширина резонансной кривой тем больше, чем больше потери в нем (в данном случае - это потери на излучение).
Расширение полосы требует увеличения затухания в кольце (что может быть достигнуто за счет увеличения ширины кольца и его высоты над экраном) и, соответственно, увеличения коэффициента связи 512 направленного ответвителя. То и другое влечет за собой ухудшение симметрии диаграммы направленности и ухудшает качество круговой поляризации. Поэтому хороших электродинамических (в частности, поляризационных) характеристик в такой конструкции излучающей структуры на РБВ удается достигнуть лишь при сравнительно узкой полосе частот.
Однако если несколько кольцевых РБВ связать каскадно направленными ответвителями (рис. 3 а), то в такой системе (как и в любой мно-горезонаторной) может быть получен эффект рас-
Рис. 3. Многорезонаторная система на РБВ (а) и примерный вид АЧХ по режекции у и КПД п (б)
ширения полосы пропускания и улучшение пря-моугольности АЧХ (рис. 3 б)
При этом в зависимости от величин коэффициентов связи 512 направленных ответвителей может быть реализована как многогорбая (кривая 1), например чебышевская, так и максимально плоская форма АЧХ (Баттерворта, кривая 2). Полоса режекции при достаточно жестко заданном допуске на ее качество оказывается большей, чем в случае однозвенного фильтра. Заметим, что излучающим является только верхнее кольцо, два других являются холостыми, не имеют потерь и не принимают участия в формировании поля излучения структуры.
Однако многорезонаторность как таковая не влияет на поле излучения конструкции. Для его улучшения (в основном качество поляризации) необходимо распределить связь излучающего кольца, причем таким образом, чтобы кольцо при этом оставалось излучающим.
Если две электродинамически не связанные линии соединить между собой несколькими слабо возмущающими поле в линиях элементами связи, размещенными с некоторым интервалом, то в некоторой полосе частот может возникнуть эффект направленной связи между линиями, даже при отсутствии направленности самих элементов связи, за счет интерференции падающих и отраженных волн. Наилучший эффект (в смысле широкопо-лосности) достигается при интервале между элементами связи в Направленность сов -нясяся
также и при другом интервале, важно лишь, чтобы он не был кратен половине длины волны.
Диаграмма направленности кольца (рис. 4) с бегущей волной тока постоянной амплитуды в дальней зоне имеет вид: , ni
H = [ Л-1 (n sin 9) - Jn+l (n sin 0)], 4r
К | = -JL[ Jn-1 (n sin 0) + Jn+1 (n sin 0)] cos 0, 4r°
где I° - амплитуда тока; r° - расстояние из фазового центра в точку наблюдения; Jn l ,Jn+l -функции Бесселя соответствующих порядков; H0, Hф - сферические компоненты вектора магнитного поля.
Фазовый сдвиг между H0 и Нф при любых п
n и 0 составляет -. Анализ выражений (1°) показывает, что резонансное кольцо излучает в осевом направлении 0 = ° лишь при п = 1 (I = X).
Если кольцо расположено над плоским проводящим экраном больших размеров, то с учетом зеркального изображения для l = X диаграмма направленности будет выглядеть следующим образом:
Н0 Jn-,(n sin 0) -
Jn+l(n sin 0)]sin I 2п - cos 0
H 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Ртах Рис. 4. Диаграмма направленности облучателя на РБВ по основной и кросс поляризациям где Ь - высота излучающего кольца над экраном. Рассчитанная диаграмма направленности антенны на РБВ по основной и кросс поляризациям при высоте кольца над экраном 0,01 X показана на рис. 4. Конструктивные особенности двухдиапазонного облучателя на РБВ Антенна на РБВ обладает тем полезным свойством, что позволяет совмещать антенны разных диапазонов, просто вставляя их друг в друга. В настоящей работе исследовалась двухдиапазон-ная антенна, предназначенная для использования в качестве облучателя радиотелескопа. Двухдиа-пазонный облучатель на РБВ представляет собой два облучателя на РБВ, вставленных один в другой на диапазон 3,5 и 13 см. Средний диаметр излучающего кольца диапазона 3,5 см - 1,1 см, а для диапазона 13 см -4,1 см. При таких соотношениях диаметров колец проблем, связанных с совмещением двух облучателей, не возникает. Необходимые полосы пропускания для диапазонов 3,5 и 13 см составляют 10 и 15 % соответственно. Такие полосы достигаются только в многорезонаторной конструкции при числе резонаторов не менее двух и при использовании четвертьволновой связи между резонаторами. В этом случае линейный размер облучателей составит около 3,5/4-2 = 2 см 13/4-2 = 8 см соответственно. При этом необходимо дополнительно учесть длину питающих кабелей, высоту излучающего кольца и обтекателя наиболее длинноволнового облучателя. Предварительно можно оценить вы- Рис. 5. Фотография модели антенны соту двухдиапазонного облучателя как 13-15 см. Максимальный диаметр составит 1,5-2 длины волны наиболее длинноволнового облучателя. Проведены экспериментальные исследования макета антенны. Фотография исследуемой антенны приведена на рис. 5. Измерение шумовой температуры антенны Для измерения шумовой температуры применялась следующая методика. В качестве измерительного устройства использовался высокочувствительный приемник сантиметрового диапазона (конвертер), имеющий собственную шумовую температуру 17К. На выходе приемника с помощью измерительного прибора контролировалась интенсивность шумового сигнала. На вход приемного устройства первоначально помещалась эталонная антенна (гофрированный рупор). 1) калибровочное измерение эталонной антенны при комнатной температуре антенны (Т = 300 К) и при температуре жидкого азота (К = 77 К); 2) два измерения интенсивности шума при ориентации антенны на небо в зенит (Тнеба= 0 К, дополнительный шум за счет попадания излучения земли через боковые лепестки оценивался в 33 °К) и при ориентации антенны на землю (Т = 300 К); 3) эталонная антенна замещалась исследуемой и производились измерения интенсивности шума при ориентации антенны на небо и на землю. По результатам данных измерений была получена оценка шумовой температуры исследуемой антенны, которая оказалась равной примерно 40 °К. На рис. 6 приведены экспериментально снятые коэффициенты |531| (коэффициент передачи с входа 1 антенны на вход 3 - рис. 2) для обоих диапазонов. Малое значение |531| означает интенсивное излучение в пространство. Видно, что удалось получить эффективное излучение энергии в заданных диапазонах частот. Антенны круговой поляризации, построенные на основе кольцевого резонатора бегущей волны, обладают целым рядом достоинств, таких, как простота и изящность конструкции, компактность, высокое значение коэффициента усиления при малой высоте подвеса (низкосилуэтность); возможность совмещения нескольких резона- Частота, ГГц 7,5 8 8,5 Частота, ГГц Рис. 6. Режекция энергии в модели двухдиапазонной антенны в диапазоне 13,5 см (а) и 3,5 см (б) торов в виде концентрических колец; простое разделение полей право- и левовин-товой поляризации по двум независимым каналам, что весьма ценно, например, в радиоастрономической аппаратуре, где подобное разделение необходимо для определения магнитного поля источника. Недостаток описанной выше конструкции антенны на РБВ - трудность реализации широкой полосы при сохранении хороших характеристик излучения. Некоторым ограничением конструкции на РБВ является также неравномерное экранирующее действие петли связи, что приводит к ухудшению характеристик излучения. список литературы 1. Богод, В.М. Многоволновой облучатель на резонаторах бегущей волны с единым фазовым центром для применения в радиоастрономии [Текст] / В.М. Богод, В.Н. Дикий, Я.В. Корольков [и др.] // Изв. САО. -1980. -Т. 17. -С. 124-130 2. Дикий, Д.В. Способ возбуждения бегущей волны тока в кольцевой рамке [Текст] / Д.В. Дикий. -СПб.: СПбГПУ, 2004. -Деп в ВИНИТИ 11.03.2004. -№ 426-В2004. 3. Дикий, Д.В. Увеличение направленности об- лучателя на резонаторах бегущей волны путем сегментирования излучающего элемента [Текст] / Д.В. Дикий. -СПб.: СПбГПУ, 2004. -Деп. в ВИНИТИ 11.03.2004. -№ 425-В2004. 4. Дикий, Д.В. Криостатируемый многочастотный облучатель на резонаторах бегущей волны [Текст] / Д.В. Дикий, В.К. Нужин, А.С.Черепанов // Всерос. радиоастрономическая конф. Радиотелескопы, аппаратура и методы радиоастрономии. -СПб., 17-21 окт. 2011. -С. 74-75. УДК 621.396.663 Г.С. Шарыгин, Д.В. Дубинин оптимизация структуры кольцевой антенной решетки, используемой для определения углов прихода плоских электромагнитных волн фазовым методом Определение углов прихода (пеленгование) - локационного наблюдения. В большинстве слу-одна из центральных задач при создании систем чаев задача пеленгования решается с помощью радионавигации, активного и пассивного радио- направленных антенн. Однако различные методы Изобретение относится к лазерной технике и предназначено для использования преимущественно в газовом лазере. Техническим результатом изобретения является создание оптического резонатора, позволяющее минимизировать массогабаритные характеристики газовых лазеров, и повышение технологичности их изготовления. Кольцевой оптический резонатор содержит систему зеркал, образующих оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии. Зеркала системы установлены вдоль поверхностей кольцевой полости, образованной цилиндрическими коаксиальными поверхностями. При этом зеркала расположены друг относительно друга так, что образуют в сечении, перпендикулярном оси коаксиальных цилиндрических поверхностей, оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, отрезки которой пересекают кольцевую полость. 2 ил. Изобретение относится к лазерной технике и предназначено для использования преимущественно в газовом лазере. Широкое применение в конструкциях технологических лазеров получили линейные оптические резонаторы с расположением зеркал на одной прямой, являющейся общей оптической осью зеркал (ось резонатора) (Тарасов Л.В. Лазеры и их применение. "Радио и связь", 1983). Недостатком упомянутых резонаторов являются повышенные значения массогабаритных характеристик лазерных установок, выполненных на их основе. Вызвано это тем, что проточные каналы лазера, предназначенные для прокачки газовой активной среды, имеют коробчатую форму с прямоугольным поперечным сечением. Технологичность подобной конструкции низкая, так как для высокоточной обработки каналов прямоугольной формы необходимо специальное оборудование. Известные кольцевые оптические резонаторы обеспечивают циркуляцию светового потока по некоторому замкнутому контуру. Этого достигают, используя систему из трех (или более) зеркал, соответствующим образом расположенных друг относительно друга. (Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983, стр.500). Недостатком известных кольцевых резонаторов является то, что при их применении не достигается необходимое снижение параметров массогабаритных характеристик лазерной установки. Задачей изобретения является устранение недостатков известного кольцевого оптического резонатора и создание кольцевого резонатора, позволяющего минимизировать массогабаритные характеристики газовых лазеров, повысить технологичность их изготовления. Поставленная задача достигается тем, что в предложенном кольцевом оптическом резонаторе, содержащем систему зеркал, образующих оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, зеркала системы установлены вдоль поверхностей кольцевой полости, образованной цилиндрическими коаксиальными поверхностями, при этом зеркала расположены друг относительно друга так, что образуют в сечении, перпендикулярном оси коаксиальных цилиндрических поверхностей, оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, отрезки которой пересекают кольцевую полость. Улучшить эксплуатационные свойства лазерной установки за счет минимизации ее массогабаритных характеристик; Снизить стоимость изготовления лазерной установки за счет повышения ее технологичности. Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1, фиг.2, где приведены проекции конструктивной схемы кольцевого оптического резонатора (далее по тексту - "резонатор"). На фиг.1 приведено продольное сечение Б-Б с изображением конструктивных элементов резонатора. На фиг.2 приведено (в увеличенном масштабе) поперечное сечение А-А с изображением конструктивных элементов резонатора. Позициями обозначены: 1 - зеркало, расположенное вдоль наружной цилиндрической поверхности; 2 - зеркало, расположенное вдоль внутренней цилиндрической поверхности; 3 - система зеркал 1, 2; 4 - оптическая ось системы зеркал; 5, 6 - коаксиальные цилиндрические поверхности - наружная и внутренняя; 7 - кольцевая полость; 8 - ось коаксиальных цилиндрический поверхностей; 9 - выходное окно светового пучка лазера; 10 - излучающее отверстие (отверстия); 11 - отрезок оптической оси - направление начального возбуждения активной среды; 12 - отверстие для ввода фотонов начального возбуждения активной среды. Стрелками "Вход", "Выход" на фиг.1 показано направление течения активной среды через кольцевую полость 7 резонатора. Резонатор, фиг.1, 2, является составной частью лазера и предназначен для возбуждения электромагнитных волн оптического диапазона (остальные части лазера на фиг.1, 2 не изображены). Резонатор представляет собой систему (совокупность) 3 зеркал 1, 2, расположенных вдоль поверхностей кольцевой полости 7, образованной коаксиальными цилиндрическими поверхностями 5 и 6. Зеркала 1, 2 системы 3 расположены друг относительно друга так, что образуют в сечениях А (фиг.2), перпендикулярных оси 8 коаксиальных цилиндров 5 и 6, оптическую ось 4 в виде замкнутой ломаной линии, отрезки которой пересекают кольцевую полость 7. В реальной конструкции газового лазера вдоль поверхностей кольцевой полости 7 расположены стенки корпуса лазера, образующие канал. В канале установлена система зеркал 3, вдоль которых прокачивается газ, являющийся активной средой с достигнутым состоянием инверсии (устройство для достижения состояния инверсии активной среды здесь не рассматривается). Резонатор работает следующим образом. Для включения резонатора в режим стационарной генерации в активной среде создается начальное возбуждение (толчок), например, в виде фотонов, испущенных через отверстие 12 вдоль отрезка 11 оптической оси резонатора (устройство для формирования начального возбуждения активной среды здесь не рассматривается). Упомянутые фотоны, многократно отражаясь зеркалами 1, 2 системы 3, вновь и вновь проходят через активную среду по замкнутой ломаной линии оптической оси 4, вызывая нарастающую лавину актов вынужденного излучения. Процесс сопровождается потерями энергии. Потери складываются из внутренних потерь (например, из-за поглощения и рассеяния света в активной среде, зеркалах и других элементах лазера) и потерь излучения энергии через выходное окно 9. Выходное окно выполняется в виде полупрозрачного зеркала или в виде зеркала с излучающим отверстием (отверстиями) 10. При непрерывной генерации лавинообразное нарастание мощности вынужденного излучения ограничивается нелинейными процессами в активной среде и мощностью источника накачки. В результате этих ограничений рост интенсивности волны прекращается. Работа резонатора (обеспечивающая излучение лазера) продолжается в течение времени поддержания накачки активной среды от внешнего источника энергии. Зеркала системы 3 могут быть выполнены или в виде набора отдельных элементов 1 (фиг.2), или в виде цельной детали - кольца, грани которого образуют зеркала 2 (фиг.2). При необходимости изменения пространственных характеристик лазерного пучка используются известные технические средства, которые здесь не рассматриваются. Предлагаемая конструкция резонатора может быть использована и в твердотельных лазерах. Совокупность перечисленных выше существенных признаков при осуществлении предлагаемого изобретения позволяет получить следующие технические результаты: Уменьшить массогабаритные характеристики газового лазера за счет выполнения его проточной части осесимметричной формы вместо коробчатой. Снижение массогабаритных характеристик особенно важно для лазеров, предназначенных для размещения на транспортных средствах; Снизить стоимость изготовления лазера за счет повышения его технологичности путем замены корпусных деталей резонатора коробчатой формы на осесимметричные. Кольцевой оптический резонатор, содержащий систему зеркал, образующих оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, отличающийся тем, что зеркала системы установлены вдоль поверхностей кольцевой полости, образованной цилиндрическими коаксиальными поверхностями, при этом зеркала расположены относительно друг друга так, что образуют в сечении, перпендикулярном оси коаксиальных цилиндрических поверхностей, оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, отрезки которой пересекают кольцевую полость. Кольцево́й резона́тор
- оптический резонатор , в котором свет распространяется по замкнутой траектории в одном направлении. Объемные кольцевые резонаторы состоят из трёх или более зеркал , ориентированных так, что свет последовательно отражается от каждого из них совершая полный оборот. Кольцевые резонаторы находят широкое применение в лазерных гироскопах и лазерах . В волоконных лазерах применяют специальные конструкции волоконных кольцевых резонаторов, обычно имеющих вид замкнутого в кольцо оптического волокна с WDM-ответвителями для ввода излучения накачки и вывода генерируемого излучения. Чрезвычайно важным видом лазерных резонаторов является кольцевой резонатор, в котором оптический путь лучей имеет кольцевую (рис. 5.4а) или более сложную траекторию, как, например, показанная на рис. 5.46 «сложенная» (англ. folded) траектория. В обоих случаях резонансные частоты кольцевого резонатора можно определить, если наложить условие, что полное изменение фазы вдоль кольцевой траектории на рис. 5.4а или вдоль замкнутой траектории на рис. 5.46 (показаны сплошными линиями) должно быть кратно величине 2л. При этом легко получить соотношение для резонансных частот: Оптический диод Где Ьр - периметр кольца или длина замкнутой траектории на рис. 5.46, а п - целое число. Отметим, что стрелки, показывающие направления лучей на рис. 5.4, могут, вообще говоря, быть развернуты в обратную сторону. Это означает, что, например, на рис. 5.4а излучение может распространяться как по часовой стрелке, так против нее. Таким образом, в общем случае в кольцевом резонаторе образуется стоячая волна. Однако можно использовать некоторое устройство, обеспечивающее однонаправленное распространение излучения, например только справа налево на рис. 5.4а (оптический диод, более подробно см. в разделе 7.8.2.2). Тогда в резонаторе будет существовать только волна, бегущая по часовой стрелке. Таким образом, понятия моды резонатора и резонансной частоты связаны не только со стоячими волнами. Отметим, что кольцевые резонаторы также могут иметь либо устойчивую (как на рис. 5.4), либо неустойчивую конфигурации. Пример 5.1. Число мод в замкнутом и открытом резонаторах. Рассмотрим Не-Ые лазер, генерирующий на длине волны X = 633 нм, с допплеровским контуром линии усиления шириной Ау5=1,7 109Гц. Положим длину резонатора равной Ь = 50 см и рассмотрим вначале открытый резонатор. В соответствии с (5.1.3) число продольных мод, попадающих в контур усиления, равно Ыореп = 2ЬАц /с = 6. Предположим теперь, что резонатор ограничен цилиндрической боковой поверхностью диаметром 2а = 3 мм. В соответствии с (2.2.16) число мод такого закрытого резонатора, попадающих в контур усиления шириной Ауо, равно МСІ08Є(І = 87іу2^Ауо / с3, где V = с/Х - частота лазера, а V = па2Ь - объем резонатора. Используя приведенные выражения и выбранные значения параметров, легко получить, что Ыс1теа = (2па / X)2 Ыореп г 1,2 109 мод. Гравировка по металлу проводится на профессиональном оборудовании. Гравировка с высокой детализацией применяется для оформления подарков, памятных вещей. В данном разделе приводится краткое описание когерентных свойств света, который излучается обычной лампой (лампой накаливания или газонаполненной лампой). Поскольку свет в этом случае обусловлен спонтанным излучением многих атомов, по существу … В результате соударений частиц с электронами в объеме электрического разряда происходит постоянное образование электронов и ионов. Ударная ионизация осуществляется присутствующими в разряде горячими электронами, т. е. теми, энергия которых больше …Рисунки к патенту РФ 2388123
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
См. также
Напишите отзыв о статье "Кольцевой резонатор"
Литература
Ссылки
Отрывок, характеризующий Кольцевой резонатор
– Да, хорошенький кошелек… Да… да… – сказал он и вдруг побледнел. – Посмотрите, юноша, – прибавил он.
Ростов взял в руки кошелек и посмотрел и на него, и на деньги, которые были в нем, и на Телянина. Поручик оглядывался кругом, по своей привычке и, казалось, вдруг стал очень весел.
– Коли будем в Вене, всё там оставлю, а теперь и девать некуда в этих дрянных городишках, – сказал он. – Ну, давайте, юноша, я пойду.
Ростов молчал.
– А вы что ж? тоже позавтракать? Порядочно кормят, – продолжал Телянин. – Давайте же.
Он протянул руку и взялся за кошелек. Ростов выпустил его. Телянин взял кошелек и стал опускать его в карман рейтуз, и брови его небрежно поднялись, а рот слегка раскрылся, как будто он говорил: «да, да, кладу в карман свой кошелек, и это очень просто, и никому до этого дела нет».
– Ну, что, юноша? – сказал он, вздохнув и из под приподнятых бровей взглянув в глаза Ростова. Какой то свет глаз с быстротою электрической искры перебежал из глаз Телянина в глаза Ростова и обратно, обратно и обратно, всё в одно мгновение.
– Подите сюда, – проговорил Ростов, хватая Телянина за руку. Он почти притащил его к окну. – Это деньги Денисова, вы их взяли… – прошептал он ему над ухом.
– Что?… Что?… Как вы смеете? Что?… – проговорил Телянин.
Но эти слова звучали жалобным, отчаянным криком и мольбой о прощении. Как только Ростов услыхал этот звук голоса, с души его свалился огромный камень сомнения. Он почувствовал радость и в то же мгновение ему стало жалко несчастного, стоявшего перед ним человека; но надо было до конца довести начатое дело.
– Здесь люди Бог знает что могут подумать, – бормотал Телянин, схватывая фуражку и направляясь в небольшую пустую комнату, – надо объясниться…
– Я это знаю, и я это докажу, – сказал Ростов.
– Я…
Испуганное, бледное лицо Телянина начало дрожать всеми мускулами; глаза всё так же бегали, но где то внизу, не поднимаясь до лица Ростова, и послышались всхлипыванья.
– Граф!… не губите молодого человека… вот эти несчастные деньги, возьмите их… – Он бросил их на стол. – У меня отец старик, мать!…
Ростов взял деньги, избегая взгляда Телянина, и, не говоря ни слова, пошел из комнаты. Но у двери он остановился и вернулся назад. – Боже мой, – сказал он со слезами на глазах, – как вы могли это сделать?
