Рис. 4.14. Лазерный гетеродин фирмы Hughes

ращиванпя монокристаллов значительных размеров с приемлемым порогом разрушения. В то же время генерационные свойства неодимового стеклл позволяют надеяться, что и в дальнейшем для этого типа лазеров будет наблюдаться увеличение энергии излучения.

Твердотельные лгзсры, рассмстрепные выше, имеют достаточно большой ди2п.::зоц изменения вы,\одных параметров, что объясняет столь широкое использоиание их при решении целого ряда задач современной лазерной локации. Однако было бы ошибочно в таком важном деле, каким является лазерная локация, рассматривать твердотельные лазеры и лазеры на СОа как едпнствепно возможный источник излучения. Тем более, что в ряде конкретных случаев ни один из них не может в полной мере удовлетворить всему комплексу требований, предъявляемых к системам п.лучения лазерных локаторов. В связи с этим предпринимаются попытки создания лазерных источников для целей локации и па других типах лазеров. Из наиболее перспективных, способных в ближайшие годы составить конкуренцию традиционным лазерам на твердом теле, отметим йодные фотодиссоционные лазеры ближнего ИК-Диапазона (Я= 1,315 мкм). Эти лазеры, уступая твердотельным в удельной мощности излучения, обладают рядом преимуществ по сравнению с последними. Так, в силу газообразности рабочего вещества, расходимость в подобных системах составляет 10"* рад, прокачкара-

Рис. 4.15. Потенциальные кривые основного и возбужденного электронных состояний молекулы

бочего вещества позволяет реализовать практически любую частоту следования импульсов генерации, определяемую лишь скоростью прокачки и возможностью оптической накачки. Следует отметить также малую спектральную ширину линии генерации, составляющую IQ- см-.

В основе йодного атомарного лазера лежит явление фотодиссоциации молекул. Рассмотрим для простоты двухатомную молекулу АВ, схема энергетических уровней которой представлена на рис. 4.15. При поглощении фотона с частотой v>vo происходит диссоциация молекулы и один из атомов, например А, может оказаться в возбужденном состоянии. Если создадутся условия, при которых N2g2>N\lgi, где N и g-- соответственно заселенности и статистические веса соответствующих уровней, то между уровнями 2 и 1 атома А образуется инверсная заселенность. Принципиальная особенность этого .метода заключается в том, что поглощение света молекулой происходит в широкой области спектра (10 см-), как и в твердотельном лазере, а ширина атомной линии излучения мала (0,01 ...0,1 СМ"), как в газовом лазере. Это позволяет с большой эффективностью использовать источники оптического излучения при относительно большом коэффициенте усиления.

В типичном случае генерация наблюдается при фотодиссоциации CFsJ в процессе возбуждения по схеме

CFJi-bn - СРз-Ь J* (2Pl/2) J (2Рз/2) -f/1V2;

(н)тах=0,27 мкм, V2=1,315mKM.

в настоящее время лазерная генерация на переходе i/2-> Ф3/2 атома йода получена при фотодиссоциации следующих веществ: CH3J, CF3J, C2H5J-C3H7J, C2H5J и других.

Кинетика процессов, протекающих в йодных лазерах, довольно сложна. Не останавливаясь на этом вопросе и отсылая читателя к литературе [45J, рассмотрим лишь особенности конструктивного оформления и параметры излучения наиболее мощных фотодиссо-ционных лазеров.

Конструкция йодного фотодиссоционного лазера с накачкой импульсными лампами аналогична конструкции лазера на неоди-.мовом стекле или на рубине. Различие состоит в том, что в осветителе стержень из стекла или рубина заменен кварцевой трубкой, наполненной рабочей смесью, имеется также система откачки, смешения газов и напуска.

Как и твердотельные, йодные лазеры могут работать во всех временных режимах излучения, причем принципы построения лазерных излучателей и элементная база, в основном, аналогичны принятым в технике твердотельных лазеров. В настоящее время

системы излучения на основе фотодиссоционных лазеров позволяют практически реализовать энергию в сотни джоулей при длительности импульса порядка 1 не и КПД 0,08% [45].

Однако для реального использования фотодиссоционных йодных тазеров в локационных комплексах необходимо решить целый ряд научно-технических проблем, связанных с разработкой высокоэффективных импульсно-периодических источников оптической накачки в УФ-области спектра, разработкой систем газообеспечения и регенерации и других.

4.2. Фотоприемники лазерных локаторов

1. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Для регистрации сигналов в видимой области спектра 0,4 ... 0,7 мкм наибольшее применение в лазерной локации находят ФЭУ. Принцип работы ФЭУ поясняется на рис. 4.16. Принимаемое излучение проходит через прозрачный материал (стекло) входного окна 1 и выбивает фотоэлектроны из фотокатода 2, нанесенного в виде тонкой прозрачной пленки на внутреннюю поверхность окна. Траектории фотоэлектронов фокусируются экраном 3 и диафрагмой 4 на поверхность первого динода. Этот динод находится под положительным потенциалом относительно фотокатода, поэтому при своем движении фотоэлектроны ускоряются, приобретая дополнительную энергию, и при ударе о поверхность динода выбивают дополнительные электроны, которые, попадая на следующий динод, выбивают еще большее число электронов и т. д. Происходит так называемый процесс «размножения» электронов. Например, для современных ФЭУ с двенадцатью динодами (каскадами умножения) общий коэффициент умножения .достигает 10... 10 при отрицательном напряжении Lk на фотокатоде около 1,5 кВ.

Главным ис1оч!!И;{ом шума ФЭУ является темновой ток, происхождение KOTopOiO связано с термоэлектронной эмиссией фотока-тода и автоэл?хтрониой эмиссией с поверхности фотокатода и ди-нодов. Охлаждение фотокатода может дачь значительное снижение уровня темнового тока [40, 46]).

Рис. 4.16. Условная схема ФЭУ:

/ - входное окно; 2 - фотокатод; 3 - экран; -диафрагма; 5 - диноды; S -аиод; 7 -ре-

;!Исторы делителя напряжения

Рис. 4.17. Схема фотокатода ФЭУ с одним из вариантов призмы полного внутреннего отражения:

у - призма полного внутреннего входное окно; 3 - фотокатод

отражения; 2 -

Фотокатоды ФЭУ могут работать как «на просвет», так и «на отражение». В первом случае значительная часть световой энергии теряется из-за неполного поглощения в материале фотокатода. Для уменьшения этих потерь часто применяются различные варианты призм полного внутреннего отражения (рис. 4.17). За счет многократного отражения от полированных поверхностей входного окна эффективность использования принимаемого излучения возрастает.

Чувствительность ФЭУ в значительной степени определяется квантовой эффективностью фотокатода. В диапазоне 0,4... 0,9 мкм хорошей квантовой эффективностью обладают фотокатоды типов S-1, S-17, S-20, S-25, а также фотокатоды на основе GaAs:P, GaAs : СзгО, InAsPCs20 и ряд других. Спектральная чувствительность некоторых фотокатодов представлена на рис. 4.18 [89]. Кодовое наименование фотоэмиссионных материалов и их химический состав даны в табл. 4.7.

Иногда пороговую чувствительность ФЭУ определяют как такой световой поток на его входе, который в полосе 1 Гц дает на выходе среднее значение тока, равное средним квадратичным флуктуациям шумового тока. Соответствующая этому определению пороговая чувствительность для большинства существующих приборов лежит в диапазоне 10"" ... 10- лм/Гц/.

Частотная характеристика ФЭУ ограничивается разбросом времени пролета электронов через динодную систему. Этот разброс приводит к тому, что выходной электрический сигнал, обусловлен-

Кианто5ая Эфрентидиость 10%

1.0 А,икн

Рис. 4.18. Спектральная чувствительность некоторых фотокатодов:

- фотокатод типа S-1; 2 -S-17; 3 - S-25; 4 - S-20; S - GaAs : CsjO: - InAs : PCs,0-- GaAs;P

Химический состав фотоэмиссионных матедиалов некоторых фотокатодов

Таблица 4.7 ный дельтаобразным световым импульсом на входе, оказывается растянутым во времени. Современные ФЭУ имеют импульсную характеристику, постоянная времени которой не превышает 20 не.

2. Фотодиоды для ближней инфракрасной области спектра. Данные, представленные на рис. 4.18, говорят о том, что использовать ФЭУ в области длин волн, больших 0,9 мкм, нецелесообразно из-за резкого уменьшения квантовой эффективности фотокатода. В диапазоне 0,9...3 мкм наибольшее применение находят твердотельные фотодиоды: кремниевые р/п-диоды, МОП-диоды, лавинные фотодиоды, а также фотодиоды на основе тройных соединений. На рис. 4.19 представлена спектральная зависимость квантовой чувствительности указанных типов фотодиодов [80]. Принцип действия фотодиодов основан на генерации свободных носителей заряда в обратносмешенно i рп-переходе [19]. Основные характеристики существующих фотодиодов представлены в табл. 4.8 [80]. Их сравнение показывает, что одновременно наибольшей чувствительностью и быстродействие:vi в спектральной области 0,6...1,2 мкм обладают лавинные фотодетекторы, представляющие собой твердотельный аналог ФЭУ. Высокая чувствительность лавинных фотодиодов объясняется наличием внутреннего усиления вследствие лавинообразного размножения свободных носителей в обедненной зоне рп-перехода под действием электрического поля высокой напряженности. По сравнению с ФЭУ прикладываемое к лавинному фотодиоду напряжение обратного смещения не велико (порядка 100 В), однако малые размеры обедненной зоны создают высокие напряженности эле;-(трического поля, обеспечивающие внутреннее усиление порядка 10 и более.

Эквивалентная мощность шума для р/п-диодов определяется, главным образом, шумовыми характеристиками последующего усилительного тракта. Эквивалентная мощность шума для лавинного фотодиода также в значительной степени зависит от уровня шума внешнего усилителя, но благодаря внутреннему усилению она оказывается в 10...20 раз меньше, чем для рт-диода.

g т -

Рис. 4.19. Спектральная зависимость квантовой .эффективности

основных типов фотодиодов: 1 - МОП-диод; 2 - pin-диод: - фотодиоды на основе тройных соедииуний; 4 - арсенидгаллнеаыП фотодиод

о,г 0,5 1,0 /,«

1,в Ц

Таблица 4.8

Сравнительные характеристики различных типов фотодиодов

Вместе с тем лавинным фотодиодам присущи такие недостатки, как малая площадь чувствительной площадки, сравнительно большое время восстановления, а также необходимость очень точной стабилизации питающего напряжения и температуры фотодиода.

3. Фотодиоды для средней инфракрасной области спектра. Существующий прогресс в деле создания лазерных локационных средств в диапазоне 10 мкм в значительной степени связан с разработкой высокочувствительных и быстродействующих фотодиодов на основе тройных соединений HgCdTe и PbSnTe. Эти фотодиоды работают при охлаждении жидким азотом (Г = 77 К) и имеют квантовую эффективность, близкую к единице. Характерные значения некоторых их параметров даны в табл. 4.9 [83]. К настоящему времени наибольшее распространение получили приборы на основе HgCdTe, так как технология их изготовления лучше отработана, а быстродействие выше, чем для приборов из PbSnTe.

Особое значение фотодетекторы из HgCdTe приобрели в последнее время благодаря их способности работать в качестве эффективных гетеродинных смесителей на длине волны СОг-лазеров (10,6 мкм). Эквивалентная мощность шума фотодиодов из HgCdTe в гетеродинном режиме близка к теоретическому пределу, определяемому квантовыми флуктуациями принимаемого излучения и равному 2-10-20 Вт/Гц.

Таблица 4.9

Для автоматического слежения за целью выпускаются четырехплощадочные (квадрантные) фотодетекторы из HgCdTe, имеющие верхнюю граничную частоту около 1 ГГц и эквивалентную мощность шума в гетеродинном режиме ЫО-з Вт/Гц [90] (рис. 4.20). В работе корпус, показанный на рис. 4.20, а, охлаждается жидким азотом.

Некоторые параметры фотодиодов на HgCdTe и PbSnTe (длина волны излучения 10,6 мкм)