Способ спектральной фильтрации оптических сигналов и устройство для его осуществления - активный квантовый фильтр

 

Изобретение относится к области лазерной техники и оптоэлектроники и может быть использовано в лазерной локации и высокоточной физической измерительной аппаратуре для выделения, обнаружения и усиления предельно слабых оптических сигналов на фоне сильной широкополосной оптической засветки. Достигаемым техническим результатом изобретения является формирование и стабилизация оптимальной по ширине и форме спектральной полосы усиления (приема) оптических сигналов, повышение спектрального контраста полосы усиления, повышение чувствительности приема оптических сигналов, приближающейся к квантовому пределу, что достигается тем, что в возбужденной лазерной среде формируют магнитное поле, величину напряженности которого изменяют до получения наибольшей амплитуды контрольного сигнала с заданными параметрами, пропускаемого через возбужденную лазерную среду. Устройство, реализующее предлагаемый способ фильтрации - активный квантовый фильтр - представляет собой оптический квантовый усилитель и выполняет одновременно функции квантового усиления и фильтрации оптических сигналов в узкой спектральной полосе. 2 с.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области лазерной техники и оптоэлектроники и может быть использовано в лазерной локации и высокоточной физической измерительной аппаратуре для выделения, обнаружения и усиления слабых оптических сигналов на фоне сильной широкополосной оптической засветки.

Известен способ фильтрации узкополосных оптических сигналов, осуществляемый с помощью узкополосных оптических пассивных фильтров [1].

Операция фильтрации, осуществляемая с помощью пассивных оптических фильтров, имеет широкую полосу пропускания 1 - 5 см^-1 и большое ослабление сигнала, что не позволяет использовать данный способ фильтрации для приема слабых оптических сигналов в узкой спектральной полосе вследствие значительной потери чувствительности приемной системы.

Известен способ фильтрации оптических сигналов, заключающийся в возбуждении (накачке) активной лазерной среды и пропускаемого через нее фильтруемого оптического сигнала, основанный на использовании твердотельного квантового усилителя [2].

К недостаткам данного способа фильтрации следует отнести большой уровень свободных спонтанных шумов и большую спектральную ширину линии усиления, достигающую ΔL = 100 см^-1, отсутствие возможности уменьшения этой ширины линии усиления, для обеспечения оптимальной фильтрации узкополосных короткоимпульсных оптических сигналов.

Известен способ фильтрации оптических сигналов, заключающийся в возбуждении лазерной среды и пропускании через нее фильтруемого сигнала [3]. В качестве лазерной среды используется газовый CO₂ лазер.

К недостаткам данного способа следует отнести отсутствие возможности формирования узкой спектральной полосы приема (фильтрации) оптических сигналов, согласованной с параметрами фильтруемого оптического сигнала, наличие большого количества дополнительных спектральных линий усиления, приводящих к увеличению уровня шумов, снижающих эффективность фильтрации узкополосных сигналов на фоне широкополосной оптической засветки.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ фильтрации оптических сигналов [4] , заключающийся в возбуждении лазерной газовой среды, пропускании через нее фильтруемого сигнала, формировании согласующей голограммы и пропускании через нее оптического сигнала.

К недостаткам данного способа фильтрации следует отнести невозможность формирования оптимальной по ширине спектральной полосы приема, согласованной по параметрам с характеристиками принимаемых оптических сигналов, что не позволяет использовать данный способ для фильтрации и высокочувствительного приема слабых оптических сигналов в узкой спектральной полосе на фоне широкополосной оптической помехи.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является формирование и стабилизация оптимальной по ширине и форме спектральной полосы фильтрации (приема) импульсных оптических сигналов, повышение спектрального контраста полосы усиления, повышение чувствительности приема оптических импульсных сигналов, приближающейся к квантовому пределу.

Новый технический результат достигается тем, что: 1. В известном способе, заключающемся в возбуждении лазерной среды и пропускании через нее фильтруемого оптического сигнала, в возбужденной среде формируют магнитное поле, направление вектора напряженности магнитного поля которого параллельно магнитному вектору электромагнитного поля фильтруемого оптического сигнала, формируют и пропускают через возбужденную среду контрольный оптический сигнал с длительностью импульса и длиной волны излучения, равными соответственно длительности импульса и длине волны излучения фильтруемого сигнала, измеряют амплитуду и длительность контрольного оптического сигнала до и после прохождения через возбужденную лазерную среду, осуществляют изменение величины напряженности магнитного поля в возбужденной лазерной среде до получения наибольшей амплитуды контрольного сигнала после прохождения через возбужденную лазерную среду относительно исходной амплитуды и длительности импульса контрольного сигнала после прохождения через лазерную среду, совпадающей с его исходной длительностью, и пропускают фильтруемый оптический сигнал через возбужденную лазерную среду.

2. В известное устройство, содержащее входную диафрагму, кювету с активным веществом в газовой фазе, подсоединенной к баллону с рабочей газовой смесью и блоком поглощения отработанного вещества, импульсные лампы накачки, подключенные к блоку накачки, введены вогнутое зеркало, фотоприемник с блоком усиления, чувствительная приемная площадка которого установлена в фокусе вогнутого зеркала, установленные на оптической оси первой кюветы с активным веществом и последовательно расположенные первый нейтральный фильтр, поляризационное зеркало, блок вращения плоскости поляризации, первый поляризационный фильтр, вторая кювета с активным веществом, баллон с рабочей газовой смесью, блоком поглощения отработанного вещества, импульсными лампами накачки, блоком накачки, первое отражательное зеркало, а также лазерный светоизлучающий диод с последовательно установленными на его оптической оси, оптически связанными формирующей линзой, вторым поляризационным фильтром, интерференционным фильтром, полупрозрачным зеркалом и вторым нейтральным фильтром, оптический переключатель с отражательным зеркалом и блоком перемещения зеркала, последовательно установленными на оптической оси полупрозрачного зеркала, перпендикулярной оптической оси лазерного светоизлучающего диода, третий нейтральный фильтр, оптический прерыватель с заграждающей диафрагмой и блоком перемещения диафрагмы, второе отражательное зеркало, оптически связывающее выход лазерного светоизлучающего диода с оптическим входом фотоприемника, постоянные магниты, установленные вдоль первой и второй кювет параллельно их оси с двух противоположных сторон кювет, соленоиды, установленные в непосредственной близости с каждым из постоянных магнитов с зазором, подключенные к генератору тока, первый и второй датчики магнитного поля, установленные в зазоре между импульсными лампами и каждой из кювет, подключенные к первому и второму блокам сопряжения, аналого-цифровой преобразователь, блок анализа и управления, последовательно соединенные компаратор и блок определения длительности импульсов, выход которого подсоединен к блоку анализа и управления, генератор импульсных сигналов, выход которого подключен к лазерному светоизлучающему диоду, в управляющий вход к выходу блока анализа и управления, при этом входы аналого-цифрового преобразователя и компаратора подключены к выходу блока усиления фотоприемника, выход аналого-цифрового преобразователя подключен ко входу блока анализа и управления, выходы блока анализа и управления подключены к управляющим входам генератора тока, блока перемещения зеркала оптического переключателя, блока перемещения заграждающей диафрагмы и к блокам накачки, выходы первого и второго блоков сопряжения магнитных датчиков подсоединены ко входам блока анализа и управления, поляризационное зеркало установлено наклонно под углом к оптической оси первой кюветы и оптически связано с вогнутым зеркалом, оптический выход формирующей линзы через второй поляризационный фильтр, интерференционный фильтр, второй нейтральный фильтр и отражательное зеркало оптического переключателя связан с оптическим входом первой кюветы с активным веществом, при этом постоянные магниты и соленоиды, расположенные вокруг второй кюветы, установлены по отношению к постоянным магнитам и соленоидам, расположенным вокруг первой кюветы таким образом, что магнитная ось первых магнитов и соленоидов составляет с магнитной осью вторых угол в 45^o.

На фиг. 1A приведен пример осуществления предлагаемого способа фильтрации в виде упрощенной блок-схемы, на которой представлены лишь основные элементы, реализующие операции предлагаемого способа. Это позволяет более конкретно представить особенности предлагаемого способа фильтрации без второстепенных деталей, характерных для устройства, реализующего способ, развернутая схема которого приведена на фиг. 1.

На фиг. 1A приведены следующие обозначения: 1 - кювета с лазерной средой; 2 - блок возбуждения (накачки) лазерной среды; 3 - постоянный магнит; 4 - соленоид с источником тока; 6 - генератор контрольного сигнала; 7, 8 - регистрирующие фотоприемники; 9 - блок обработки информации; 10 - входной оптический сигнал;
11 - фотоприемник для регистрации отфильтрованного оптического сигнала;
12 - оптические зеркала;
13 - полупрозрачное стекло.

Спектральную фильтрацию входного сигнала 10 с длиной волны λ_c и длительностью импульса Δt_c осуществляют в кювете 1, заполненной лазерным (активным) веществом в газовой фазе, в качестве которого используется, например, перфторалкилиодид C₃F₇I. Возбуждение лазерной среды осуществляют по методу фотодиссоциации, инициированной, например, мощным ультрафиолетовым импульсом света λ_н, формируемым с помощью блока возбуждения 2, в качестве которого использованы импульсы лампы УФ-излучения.

В результате реакции фотодиссоциации образуется возбужденный атомарный иод I*, являющийся рабочим веществом лазерной среды:
C₃F₇I + hν_уф _→ C₃F₇ + I*.
Длина волны излучения λ_c фильтруемого оптического сигнала соответствует рабочей длине волны перехода λ_p возбужденного атомарного иода I*, используемого в качестве активной лазерной среды:
λ_c = λ_p.
Формирование контрольного оптического сигнала осуществляют с помощью генератора контрольного сигнала поз. 6 - лазерного излучающего диода. Длина волны и длительность контрольного оптического сигнала λ_к, ΔT_к соответствуют аналогичным параметрам входного фильтруемого оптического сигнала 10 λ_к = λ_c; Δt_к = Δt_c.
В лазерной возбужденной среде 1 формируют постоянное по времени магнитное поле H_м с помощью постоянного магнита 3 и соленоида 4, в котором возбуждается постоянный ток с помощью источника тока 5. Направление вектора магнитного поля H_м параллельно направлению магнитного вектора H_с электромагнитного поля входного фильтруемого оптического сигнала 10.

Контрольный сигнал с выхода генератора контрольного сигнала 6 пропускают через возбужденную среду 1. Осуществляют измерение амплитуды и длительности контрольного оптического сигнала до и после прохождения лазерной возбужденной среды с помощью фотоприемников-регистраторов 8, 7 и блока обработки информации 9. Осуществляют изменение величины напряженности магнитного поля H_м с помощью соленоида 4 путем изменения величины тока i от источника тока 5. Процесс изменения магнитного поля H_м в возбужденной лазерной среде 1 осуществляют под управлением блока обработки информации 9, который осуществляет контроль уровня амплитуды A_к контрольного сигнала до (A_{к о}) и после (A_{к вых}) прохождения лазерной среды 1, а также измерение и контроль длительности импульса Δt_к контрольного сигнала до (Δt_{к o}) и после (Δt_{к вых}) прохождения лазерной среды 1. Изменение величины магнитного поля H_м продолжают до получения наибольшей амплитуды прошедшего контрольного сигнала, относительно исходного (A_{к вых} /A_{к о})=max и до совпадения длительности импульса Δt_{к вых} прошедшего контрольного сигнала с исходной длительностью Δt_{к вых} = Δt_{к о}.
После этого фильтруемый входной сигнал 10 пропускают через возбужденную лазерную среду 1, которая в результате проведенных операций оптимально настроена на параметры входного оптического сигнала и обеспечивает наиболее эффективную спектральную фильтрацию проходящего оптического сигнала 10. Регистрацию отфильтрованного входного оптического сигнала 10 осуществляют фотоприемником 11.

Физическая сущность оптимальной настройки возбужденной лазерной среды 1 в соответствии с параметрами входного фильтруемого сигнала 10 заключается в том, что при формировании внутри лазерной среды магнитного поля H_м происходит увеличение спектральной величины (полосы) фильтрации и квантового усиления оптического сигнала в лазерной среде.

При первоначальном отсутствии магнитного поля ширина полосы усиления лазерной среды (атомарного иода) является весьма узкой и не согласована с параметрами принимаемых короткоимпульсных оптических сигналов, ширина спектра Δw которых превышает спектральную полосу усиления лазерной среды. После прохождения короткого импульса через возбужденную лазерную среду при H_м=0 его длительность увеличивается по сравнению с исходной Δt_к > Δt_o, так как усилению подвергается лишь часть широкого спектра импульса. При формировании внутри лазерной среды магнитного поля H_м и увеличении его напряженности происходит соответствующее увеличение ширины полосы усиления лазерной среды. При этом в некоторый момент ширина полосы усиления лазерной среды становится равной ширине полосы принимаемого оптического импульсного сигнала. В этом случае усилению при прохождении через возбужденную лазерную среду подвергается весь спектральный состав оптического импульсного сигнала, при котором амплитуда импульса после прохождения через лазерную возбужденную среду является наибольшей, а длительность импульсного сигнала уменьшается и становится равной исходной длительности импульсного оптического сигнала. Настройку и стабилизацию характеристик лазерной среды для фильтрации оптического сигнала с заданной длительностью импульса Δt_c осуществляют в предлагаемом способе путем фильтрации и определения характеристик контрольного оптического сигнала с параметрами, соответствующими параметрам фильтруемого оптического сигнала.

В предлагаемом способе фильтрации формирование оптимальной полосы усиления (фильтрации) оптических импульсных сигналов осуществляют путем последовательного увеличения ширины исходной весьма узкой спектральной полосы усиления возбужденной лазерной среды.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ фильтрации - активного квантового фильтра.

Устройство содержит следующие элементы:
Входная диафрагма - 59;
Первая кювета с активным веществом - поз. 1;
Баллон с рабочей газовой смесью - 2 с входящим в его состав запорным вентилем - 55;
Блок поглощения отработанного вещества - 3 с входящим в его состав запорным вентилем 56;
Импульсные лампы накачки - 4, 5;
Лампы накачки снабжены зеркальными отражателями, которые на фиг. 1 не показаны;
Первый блок накачки - 6;
Первый нейтральный фильтр - 7;
Поляризационное зеркало - 8;
Блок вращения плоскости поляризации - 9;
Первый поляризационный фильтр - 10;
Вторая кювета с активным веществом - 11;
Второй баллон с рабочей газовой смесью - 12 с входящим в его состав запорным вентилем - 57;
Второй блок поглощения отработанного вещества - 13 с входящим в его состав запорным вентилем - 58;
Импульсные лампы накачки - 14, 15;
Лампы накачки снабжены зеркальными отражателями, которые на фиг. 1 не показаны;
Второй блок накачки - 16;
Вогнутое зеркало - 17;
Фотоприемник - 18;
Блок усиления - 19;
Первое отражательное зеркало - 20;
Лазерный светоизлучающий диод - 21;
Формирующая лампа - 22;
Второй поляризационный фильтр - 23;
Интерференционный фильтр - 24;
Полупрозрачное зеркало - 25;
Второй нейтральный фильтр - 26;
Оптический переключатель - 27;
Зеркало - 28;
Блок перемещения - 29;
Третий нейтральный фильтр - 30;
Оптический прерыватель - 31;
Заграждающая диафрагма - 32;
Блок перемещения - 33;
Второе отражательное зеркало - 34;
Постоянные магниты - 36, 37, 38, 39;
Соленоиды - 40, 41, 42, 43;
Генератор тока - 44;
Компаратор - 45;
Блок определения длительности импульсов - 46;
Аналого-цифровой преобразователь - 47;
Блок анализа и управления - 48;
Первый датчик магнитного поля - 49;
Второй датчик магнитного поля - 50;
Первый и второй блоки сопряжения - 51, 52;
Фоточувствительная площадка фотоприемника - 53;
Генератор импульсных сигналов - 54;
На фиг. 2 показано сечение первой кюветы с активным веществом 1, перпендикулярное оптической оси О-О'. Показано расположение вокруг кюветы 1 системы постоянных магнитов 36, 37 и соленоидов 40, 41.

На фиг. 3 показаны аналогичное перпендикулярное оси О-О' сечение второй кюветы 11 и расположение системы постоянных магнитов 38, 39 и соленоидов 42, 43 вокруг кюветы 11.

Система постоянных магнитов 38, 39 и соленоидов 42, 43, расположенных вокруг второй кюветы 11 на фиг. 3, повернута на 45^o вокруг оси О-О' относительно положения системы постоянных магнитов 36, 37 и соленоидов 40, 41, расположенных вокруг первой кюветы 1 на фиг. 2.

Устройство представляет собой узкополосный оптический квантовый усилитель с большим коэффициентом усиления в узкой спектральной полосе, т.е. активный квантовый фильтр. Активный квантовый фильтр (АКФ) содержит два каскада усиления импульсных оптических сигналов. Первый каскад усиления реализован на основе первой кюветы с активным веществом (поз. 1 на фиг. 1), работающим в однопроходном режиме усиления. Второй каскад усиления реализован на основе второй кюветы с активным веществом 11, которая работает в режиме двухпроходного усиления оптических импульсов.

Оптическим входом устройства является входная диафрагма 59, которая ограничивает поступающий на вход устройства световой поток.

Усиливаемые оптические импульсные сигналы распространяются вдоль оптической оси О-О' слева направо, поступают на оптический вход устройства 59 и далее поступают на оптический вход первой кюветы 1. Усиление оптических сигналов происходит в процессе их прохождения через первую и вторую кюветы 1, 11, заполненные активным веществом в газовой фазе, в качестве которого в предлагаемом устройстве используется атомарный возбужденный иод. Последний образуется в результате фотодиссоциации перфторалкилиодидов, находящихся в газовой фазе в рабочей газовой смеси в кюветах 1, 11 и в баллонах 2, 12. Фотодиссоциация осуществляется под воздействием светового импульса накачки, формируемого импульсными лампами накачки 4, 5; 14, 15. Особенностью атомарного возбужденного иода как активного вещества квантового усилителя является большое время жизни в возбужденном состоянии и высокий коэффициент усиления, достигающий в предлагаемом АКФ величин ~K = 10³÷10⁴ После действия импульса ламп накачки 4; 15; 5; 14 активное вещество в первой и второй кюветах (возбужденный иод) остается в возбужденном состоянии в течение >200 - 1000 мкс. Все это время АКФ находится в режиме приема и способен эффективно и с высоким коэффициентом усиления усиливать слабые оптические импульсы, приходящие на оптический вход АКФ.

Регистрация усиленных в АКФ оптических импульсов осуществляется фотоприемником 18. АКФ способен работать как в однократном режиме усиления оптических импульсов, так и в частотно-периодическом режиме. В последнем случае импульсы оптической накачки, формируемые лампами накачки 4; 5; 14; 15 повторяются периодически.

Усилению в АКФ подвергаются импульсные оптические сигналы с линейной поляризацией. Чувствительность АКФ в целом определяется собственными шумами первой кюветы 1, приведенными к входу кюветы.

Коэффициент усиления сигнала в первой кювете выбран небольшим, например, K₁≈200, достаточным для компенсации потерь в оптических элементах, расположенных между первой и второй кюветами, и для превышения в несколько раз уровня полезного сигнала, поступающего на вход второй кюветы 11, над собственными шумами второй кюветы 11, приведенными к ее оптическому входу.

Следует отметить, что уровень собственных спонтанных шумов кювет 1, 11, приведенных ко входу весьма мал и составляет порядок 1 - 2 шумовых фотона в дифракционном угле разрешения за время действия входного оптического импульсного сигнала τ_имп ≈ 5 нс. Это обусловлено характеристиками возбужденного атомарного иода, используемого в качестве активного вещества. Поэтому небольшого уровня усиления сигнала в первой кювете поз. 1 достаточно для значительного превышения усиливаемого сигнала над собственными шумами во второй кювете 11. Между первой и второй кюветами установлен первый нейтральный фильтр 7, обеспечивающий ослабление всех проходящих сигналов в n₁ раз, где n₁<K. Это позволяет сильно снизить уровень паразитных фоновых засветок, поступающих на оптический вход АКФ и лежащих вне узкой полосы усиления первой кюветы 1 и всего АКФ, которые не подвергаются усилению в первой кювете. При этом чувствительность всего АКФ к полезному сигналу, лежащему внутри узкой полосы усиления АКФ ΔL, не ухудшается, так как коэффициент усиления K₁ в первой кювете выбран, как было указано выше, таким, чтобы компенсировать потери полезного сигнала во всех оптических элементах, расположенных между первой и второй кюветами. Первый нейтральный фильтр 7 позволяет таким образом повысить спектральный контраст полосы усиления АКФ вследствие ослабления уровня фоновых шумов вне узкой спектральной полосы усиления АКФ ΔL.
Увеличивая коэффициент усиления сигналов в первой кювете K₁ и одновременно увеличивая ослабление сигналов n₁ в первом нейтральном фильтре 7 путем уменьшения его пропускания, можно увеличить спектральный контраст усиления оптических сигналов в АКФ до требуемой величины.

Усиливаемый оптический сигнал после усиления в первой кювете 1 и прохождения через первый нейтральный фильтр 7 последовательно проходит через зеркальный поляризатор 8, оптический блок вращения плоскости поляризации 9, первый поляризационный фильтр 10 и поступает на оптический вход второй кюветы 11 для дальнейшего усиления. Зеркальный поляризатор 8 представляет собой стеклянную подложку с напыленным на нее многослойным диэлектрическим покрытием. Световой поток, проходящий слева от зеркального поляризатора 8, проходит через него свободно без изменения своих параметров. В обратном ходе световой поток, имеющий поляризацию, совпадающую с плоскостью зеркального поляризатора 8, через него не происходит, а отражается по направлению к вогнутому зеркалу 17. Зеркальный поляризатор 8 совместно с блоком вращения плоскости поляризации 9 выполняют функцию оптического изолятора между первой и второй кюветами.

Усиливаемый оптический сигнал с выхода первой кюветы имеет линейную поляризацию E в плоскости рисунка (см. чертеж фиг. 1 . После прохождения через блок вращения 9 плоскость поляризации светового импульса поворачивается на угол ϕ₁ = 45^o по часовой стрелке вокруг оптической оси О-О'. Поляризационный фильтр 10 повернут на 45^o вокруг оси О-О' своей осью поляризации и служит для пропускания полезного сигнала и фильтрации возможных паразитных составляющих с другими поляризациями. Далее световой поток дважды в прямом и обратном направлениях проходит через вторую кювету 11, отразившись от зеркала 20. Эффективная длина второй кюветы 11 возрастает, таким образом, в два раза. Вследствие этого коэффициент усиления K₂ второй кюветы 11 имеет значительно большую величину, чем усиление в первой кювете 1 при одинаковых характеристиках рабочей газовой смеси. Плоскость поляризации фотонов при этом сохраняется. В обратном ходе усиленный световой поток проходит через поляризатор 10, где отсекаются возможные составляющие с другой поляризацией. Далее при прохождении в обратном ходе через блок вращения плоскости поляризации 9 световой поток получает дополнительный поворот плоскости поляризации на +45^o в том же направлении, что и при первом прохождении в прямом направлении. Принцип действия блока вращения поляризации 9 заключается в том, что световой поток получает поворот плоскости поляризации на +45^o за каждый проход, причем плоскость поляризации вращается в одну и ту же сторону независимо от направления распространения света.

На выходе из блока вращения 9 (слева) перед падением на зеркальный поляризатор 8 усиленный световой поток получает вращение плоскости поляризации на 90^o и имеет поляризацию, параллельную плоскости зеркального поляризатора 8 (см. фиг. 1 ⊕E). В этом случае усиленный световой поток не проходит назад в первую кювету 1, а отражается от зеркального поляризатора 8 и направляется на плоскость вогнутого зеркала 17, в фокусе которого установлен фотоприемник 18 с чувствительной площадкой 53. Поляризационное зеркало 8 установлено наклонно по отношению к оптической оси О-О' и оптически связано с вогнутым зеркалом 17. При этом световой поток, идущий в обратном ходе через блок вращения поляризации 9, отражается от поляризационного зеркала 8, поступает на вогнутое зеркало 17 и далее фокусируется на фазочувствительной площадке 53 фотоприемника 18. Фотоприемник 18 регистрирует усиленный оптический сигнал, преобразует его в электрический импульс, который по форме подобен оптическому импульсу. Электрический импульс усиливается усилителем 19, и далее поступает для дальнейшего анализа на входы компаратора 45 и аналого-цифрового преобразователя 47. Аналого-цифровой преобразователь 47 осуществляет оцифровку импульса, зарегистрированного фотоприемником 18 и усиленного усилителем 19 с фиксированным коэффициентом усиления. Компаратор 45 осуществляет сравнение импульса с выхода усилителя 19 с заданным фиксированным пороговым уровнем и формирует на своем выходе импульс превышения над порогом, длительность которого равна величине импульса с выхода усилителя на уровне данного порога. Далее блок измерения длительности импульса 46 осуществляет измерение длительности импульса, сформированного компаратором 45. Информация о длительности импульса в цифровой форме поступает на вход блока анализа и управления 48, на другой вход которого в цифровой форме поступает информация об амплитуде импульса. Эта информация соответствует величинам амплитуды и длительности оптического импульсного сигнала, усиленного активным квантовым фильтром и зарегистрированного фотоприемником 18.

Управление шириной и формой спектральной полосы усиления АКФ осуществляется с помощью системы из постоянных магнитов поз. 36, 37, 38, 39 и соленоидов поз. 40, 41, 42, 43, которые расположены вокруг каждой из кювет 1, 11 параллельно оси О-О', как показано на фиг. 1, 2, 3. Постоянные магниты и соленоиды создают внутри первой и второй кювет 1, 11 постоянное магнитное поле H с некоторым фиксированным значением напряженности магнитного поля. Направление вектора магнитного поля H перпендикулярно оптической оси О-О', как показано на фиг. 1 - 3. Магнитное поле H воздействует на активное вещество в кюветах 1, 11 и приводит к изменению ширины и формы спектральной линии усиления АКФ. Постоянные магниты 36 - 39 формируют постоянную составляющую поля H в кюветах. Соленоиды 40 - 43 формируют изменяемую составляющую поля H в кюветах. Для изменения величины магнитного поля H в кюветах 1, 11 служит генератор тока 44, управляющий вход которого подключен к выходу блока анализа и управления 48. Изменение величины магнитного поля H в кюветах 1, 11 осуществляется путем изменения тока в соленоидах 40 - 43, подсоединенных к генератору тока 44. В генераторе тока 44 по управляющим сигналам, вырабатываемым блоком анализа и управления 48, формируется различная величина постоянного тока, питающего соленоиды 40 - 43, что и приводит к изменению величины напряженности магнитного поля в кюветах 1, 11 и соответственно к изменению ширины и формы спектральной линии усиления АКФ. Уровень величины магнитного поля 4 в кюветах измеряется с помощью датчиков магнитного поля 49 - 50, расположенных между каждой из кювет и лампами накачки. Сигналы от датчиков магнитного поля 49, 50 через блоки сопряжения 51, 52 поступают на входы блока анализа и управления 48. Таким образом, образуется цепь обратной связи по управлению величиной магнитного поля в кюветах 1, 11 с помощью системы постоянных магнитов и соленоидов и блока анализа и управления 48.

Установление оптимальной величины ширины полосы усиления АКФ осуществляется путем усиления в кюветах 1 и 11 контрольного оптического сигнала, формируемого лазерным светодиодом 21, и определения параметров этого сигнала после прохождения через кюветы 1, 11 и регистрации фотоприемником 18. Импульсный генератор 54 осуществляет формирование импульсов накачки лазерного светодиода 21 по управляющим сигналам с выхода блока анализа и управления 48. Формирующая линза 22, светофильтры 23, 24, второй нейтральный фильтр 26 осуществляют формирование светового потока с соответствующими оптическими характеристиками, поступающего на вход первой кюветы 1. При этом интерференционный 24 и поляризационный 23 фильтры осуществляют выделение требуемой спектральной полосы из излучения лазерного светоизлучающего диода 21 и поляризации (вертикальной), которая подвергается усилению в АКФ. Нейтральный фильтр 26 обеспечивает необходимое ослабление сигнала с выхода лазерного диода 21 до уровня, соответствующего высокой чувствительности АКФ. Оптический переключатель 27 обеспечивает при перемещении зеркала 28 в положение 2 переключение оптического входа первой кюветы 1 на прием оптических приемных сигналов, излучаемых лазерным светодиодом 21.

Формирующая линза 22 формирует параллельный световой поток с выхода лазерного светоизлучающего диода. Оптический канал, содержащий полупрозрачное зеркало 25, третий нейтральный фильтр 30 и отражательное зеркало 34, обеспечивает передачу части контрольного светового потока (импульсных сигналов) непосредственно на вход фотоприемника 18 для независимого определения параметров сигналов, формируемых лазерным светоизлучающим диодом 21. Определение параметров оптических импульсных сигналов, как непосредственно сформированных лазерным светодиодом 21, так и прошедших через кюветы 1, 11, осуществляется с помощью АЦП 47, компаратора 45 и блока определения длительности импульсов 46. Полученная информация в цифровой форме поступает в блок анализа и управления 48, который осуществляет анализ (сравнение) измеренных параметров импульсных сигналов и на основе этого анализа принимает решение и вырабатывает управляющие импульсы, поступающие на вход генератора 44, для увеличения или уменьшения величины напряженности магнитного поля 44, для увеличения или уменьшения величины напряженности магнитного поля H в кюветах 1, 11 с целью уменьшения оптимальной ширины спектральной линии усиления АКФ.

Оптический преобразователь 31 осуществляет прерывание светового потока (в поз. 2 на фиг. 1) в случае, когда контрольный сигнал поступает от лазерного светоизлучающего диода на вход первой кюветы 1. При анализе характеристик собственно контрольного сигнала, формируемого лазерным светоизлучающим диодом 21, оптический прерыватель 31 переключается в положение 1, при котором сигнал лазерного светоизлучающего диода 21 поступает непосредственно на фазочувствительную подложку фотоприемника 18. При этом зеркало 28 оптического переключателя 27 находится в верхнем положении 1, при котором сигнал с выхода лазерного светоизлучающего диода 21 на оптический вход кюветы 1 не поступает. Предполагается также, что в этом случае на вход кюветы 1 никаких посторонних сигналов не поступает. В этот момент времени на лампы накачки импульсы накачки не поступают, т.е. усиления сигналов в кюветах 1, 11 не происходит. Нейтральный светофильтр 30 обеспечивает ослабление контрольного сигнала до уровня, соответствующего чувствительности фотоприемника 18.

Рассмотрим более подробно принцип квантового усиления в устройстве, реализующем предлагаемый способ.

Как было отмечено, в предлагаемом устройстве в качестве активного вещества в кюветах 1, 11 используется возбужденный атомарный иод, образующийся в результате реакции фотодиссоциации перфторалкилиодидов под воздействием оптической накачки, осуществляемой импульсными лампами 4, 5, 14, 15. Рабочей газовой смесью является следующая смесь газов:
1. Перфторалкилиодид C₃F₇I; 2. Аргон Ar.

Первый компонент является источником атомарного возбужденного иода I, образующегося под действием оптической накачки. Второй компонент является инертным газом для поглощения избыточной энергии диссоциации и предотвращения пиролиза рабочего вещества C₃F₇I. Возможно использование других веществ из класса перфторалкилиодидов и других нейтральных газов и компонентов.

Предлагаемый активный квантовый фильтр обладает весьма малой шириной полосы квантового усиления ΔL, что обусловлено использованием в качестве активного вещества возбужденных атомов иода. Рабочий лазерный переход в атоме иода является магнитодипольным переходом между уровнями ²P_3/2 и ²P_1/2.

Верхний возбужденный уровень ²P_1/2 имеет большое радиационное время жизни τ = 0,124 сек.
Это обуславливает предельно узкую полосу квантового усиления АКФ равную ΔL ≈ 0,01 см^-1, ограниченную допплеровским и столкновительным уширениями. Собственные шумы иодного фотодиссоционного квантованного усиления также очень малы и ограничены квантовым пределом вследствие того, что населенность нижнего уровня ²P_3/2 практически равна нулю. Нижним уровнем здесь является основное состояние иода (атомарного), однако, иод в этом состоянии не накапливается, так как существует реакция рекомбинации атомов иода с радикалами в исходную молекулу C₃F₇I. Эта реакция быстро очищает быстрое состояние и практически не обедняет верхнее состояние, т.к. возбужденные атомы иода менее реакционно способны.

Большое время жизни верхнего возбужденного уровня обуславливает возможность сохранения высокого коэффициента усиления АКФ K = 10³-10⁴ и более на время порядка ≈1 мсек, что значительно превышает время действия оптической накачки лампами 4, 5, 14, 15, составляющее ≈0,1 мсек.

Вследствие реализации очень узкой спектральной полосы усиления основной практической проблемой в АКФ является задача формирования и стабилизации оптимальной ширины полосы усиления, согласованной с шириной спектра принимаемого оптического импульсного сигнала с короткой длительностью, достигающей порядка единиц наносекунд (τ_имп ≈ 5 нсек). Оптимальная ширина полосы усиления в предлагаемом АКФ реализуется путем воздействия на активное вещество - возбужденный атомарный иод - магнитным полем с определенной напряженностью поля H и направлением магнитного вектора.

Магнитное поле, воздействующее на активное вещество в кювете, формируется с помощью постоянных магнитов 36, 37, 38, 39 и соленоидов 40, 41, 42, 43, подключенных к генератору тока 44. Постоянные магниты 36 - 39 обеспечивают постоянную величину магнитного поля с напряженностью порядка 150 - 250 Э. Соленоиды 40 - 43 обеспечивают небольшую дополнительную составляющую H порядка ±50 Э, которая определяется величиной тока, формируемого генератором тока 44, и позволяет осуществить точную автоматическую настройку оптимального режима работы АКФ. Создаваемое внутри кювет постоянными магнитами и соленоидами магнитное поле имеет направление магнитного вектора H перпендикулярно оптической оси О-О' и параллельно магнитной составляющей H_эмп электромагнитного поля, усиливаемого в кювете оптического импульсного сигнала, который имеет линейную поляризацию. Поля других направлений поляризации усиливаются в АКФ значительно слабее, вследствие чего рабочая среда действует еще и как активный поляризационный фильтр, эффективно усиливающий поле только одной фиксированной поляризации.

На фиг. 1 направление магнитного поля H в первой кювете показано условно. Истинное направление магнитного поля H в первой кювете 1 перпендикулярно плоскости чертежа фиг. 1 и перпендикулярно направлению электрического поля E в приходящей световой волне. При этом магнитное поле H направлено от магнита 37 и соленоида 41 к магниту 36 и соленоиду 40. По условиям плоскостного изображения на чертеже фиг. 1 система постоянных магнитов 36, 37 и соленоидов 40, 41 условно показана в одной плоскости с направлением вектора E электрического поля в приходящей световой волне.

Блок вращения поляризации 9 обеспечивает вращение плоскости поляризации проходящего электромагнитного поля на 45^o. Поэтому для обеспечения эффективного усиления во 2-й кювете 11 в ней система постоянных магнитов 38, 39 и соленоидов 42, 43 повернута на 45^o вокруг оси О-О' относительно положения магнитов в первой кювете 1, как это показано на фиг. 2 и 3.

Действие сформированного магнитного поля на активное вещество заключается в следующем. Рабочий лазерный переход в атоме иода между верхним уровнем ²P_1/2 и нижним уровнем ²P_3/2 является магнитно-дипольным переходом и имеет сверхтонкую спектральную структуру, обусловленную магнитным моментом I = 5/2 единственного стабильного изотопа иода J¹²⁵. Верхний уровень j = 1/2 расщеплен на два сверхтонких подуровня. Нижний уровень j = 3/2 расщеплен на четыре сверхтонких подуровня. При воздействии на атом иода магнитного поля происходит расщепление шести указанных уровней сверхтонкой структуры на 36 уровней, в соответствии с вырождением уровней сверхтонкой структуры в магнитном поле. При этом компоненты сверхтонкой структуры спектра под действием магнитного поля раздвигаются, и общая суммарная полоса квантового усилия расширяется пропорционально напряженности воздействующего магнитного поля H. При воздействии магнитного поля полоса усиления расширяется и принимает П-образную форму, показанную на фиг. 5. Для сравнения на фиг. 4 показана спектральная форма полосы усиления АКФ без воздействия магнитного поля H = 0.

Расширение полосы усиления под воздействием магнитного поля позволяет оперативно управлять шириной полосы путем изменения напряженности магнитного поля, формируемого соленоидами 40 - 43. Управление осуществляется путем изменения величины тока, протекающего через соленоид, с помощью генератора тока 44, на вход которого поступает управляющий сигнал с выхода блока анализа и управления 48.

Оперативное управление шириной полосы усиления активного квантового фильтра позволяет сформировать оптимальную по ширине и форме спектральную полосу усиления, согласованную с шириной спектра принимаемых оптических импульсных сигналов. Суммарная напряженность магнитного поля H в кюветах с рабочим веществом 1, 11, создаваемая совместным действием постоянных магнитов 36 - 39 и соленоидов 40 - 43 изменяется в пределах 150 - 250 Э. Это позволяет оперативно изменять спектральную ширину полосы усиления АКФ в пределах ~ 0,01 - 0,03 см^-1. При этом при приеме более коротких оптических импульсов требуется более широкая полоса приема и соответственно большая напряженность магнитного поля H, воздействующего на рабочее вещество - возбужденный атом иода. Соответственно при приеме более длинных оптических импульсов, спектральная ширина импульса Δf = 1/τ_имп имеет меньшую величину, поэтому необходима меньшая ширина полосы усиления АКФ и меньшая величина магнитного поля H_м в кюветах, обеспечивая формирование такой спектральной полосы усиления. В предлагаемом устройстве осуществляется автоматический контроль за шириной полосы усиления АКФ и автоматическое управление шириной полосы усиления путем воздействия на рабочее вещество - атомарный иод - магнитным полем с фиксированной напряженностью, величина которой определяется управляющими сигналами.

Контроль и управление шириной полосы квантового усиления АКФ осуществляется следующим образом.

В предлагаемом устройстве с помощью лазерного светоизлучающего диода 21 генерируется оптический импульсный сигнал, который используется в качестве контрольного тест-сигнала для измерения ширины полосы усиления АКФ и установления оптимальной ширины полосы. Светоизлучающий диод (полупроводниковый лазер) 21 вырабатывает короткие световые импульсы под воздействием импульсной электрической накачки, осуществляемой генератором импульсных сигналов 54. Генератор импульсных сигналов 54 вырабатывает короткие импульсы для накачки лазерного светоизлучающего диода 21 при наличии управляющих импульсов, поступающих на него с выхода блока анализа и управления 48. При этом длительность световых импульсов, генерируемых лазерным светоизлучающим диодом 21, определяется длительностью импульсов электрической накачки и может регулироваться. Формирующая линза 22 формирует параллельный световой поток с выхода лазерного светодиода 21. Лазерный светоизлучающий диод 21 излучает короткие световые импульсы на длине волны, соответствующей длине волны λ рабочего перехода возбужденного атомарного иода. Специальная подстройка генерируемой лазерным светодиодом длины волны может быть осуществлена изменением режима его питающих напряжений. Поляризационный 23 и интерференционный 24 фильтры выделяют строго линейную поляризацию светового потока и отсекают возможные паразитные спектральные составляющие.

Далее сформированный световой пучок направляется вначале непосредственно на вход фотоприемника 18, минуя кюветы 1 и 11, для предварительного измерения исходных параметров сформированного оптического контрольного импульсного сигнала. При этом оптический переключатель 29 находится в верхнем положении 1, оптический прерыватель 31 находится в открытом положении 1, а на лампы накачки 4, 5, 14, 15 не подается импульсный сигнал запуска.

Сформированный лазерным светоизлучающим диодом 21 сигнал отражается от полупрозрачного зеркала 25, проходит через третий нейтральный фильтр 30 и попадает на светочувствительную площадку 53 фотоприемника 18 после отражений от зеркала 34.

Фотоприемник регистрирует импульсный оптический сигнал, который после усиления блоком усиления 19, в форме короткого электрического импульса поступает на входы аналого-цифрового преобразователя 47 (АЦП) и компаратора 45. АЦП 47 осуществляет оцифровку амплитуды импульса. В результате действия компаратора 45 и блока определения длительности 46 на вход блока анализа и управления 48 поступает информация о длительности сформированного оптического контрольного импульса на некотором заданном компаратором 45 уровне. АЦП передает в блок анализа 48 информацию об амплитуде сформированного импульса. Полученная информация в цифровой форме запоминается в блоке анализа 44 на специальных регистрах памяти.

Далее усиление сформированного лазерным светодиодом контрольного оптического импульсного сигнала осуществляется в кюветах 1 и 11. Сформированный лазерным светоизлучающим диодом 21 оптический сигнал направляется на оптический вход первой кюветы 1. При этом оптический переключатель 27 находится в нижнем положении 2. Оптический прерыватель 31 находится в закрытом состоянии 2. Световой поток с выхода лазерного светоизлучающего диода 21 поступает на оптический вход первой кюветы 1 через полупрозрачное зеркало 25, фильтры 23, 24, 26 и после отражения от зеркала 28, прерывающего в этот момент входной световой поток в положении 2. Импульсный световой сигнал имеет при этом оптимальную для усиления в АКФ поляризацию, выделенную поляризационным фильтром 23. Усиление контрольного импульсного светового потока от лазерного светоизлучающего диода 21 происходит в кювете 1, 11 таким же образом, как это было рассмотрено выше. Лампы накачки 4, 5, 14, 15 осуществляют накачку активного вещества синхронно с поступлением входного импульсного оптического сигнала по управляющему накачкой сигналу, поступающему на входы блоков накачки 6, 16 с выхода блока анализа и управления 48. Усиленный в первой и второй кюветах 1, 11 импульсный оптический сигнал фокусируется вогнутым зеркалом 17 на фоточувствительной площадке 53 фотоприемника 18. После регистрации и усиления импульсный электрический сигнал поступает на входы АЦП 47 и компаратора 45. Далее на входы блока анализа и управления 48 поступает в цифровой форме информация об амплитуде и длительности усиленного в АКФ импульсного контрольного оптического сигнала.

Полученная информация сравнивается с ранее измеренными значениями амплитуды и длительности контрольного импульса, сформированного непосредственно лазерным светоизлучающим диодом 21, запомненными в регистрах памяти блока анализа и управления 48. На основании сравнения блок анализа 48 вырабатывает решение об увеличении или уменьшении напряженности магнитного поля H внутри первой и второй кювет. Соответствующий управляющий сигнал поступает на вход генератора тока 44. При этом для увеличения напряженности H поля генератор тока 44 обеспечивает увеличение тока в соленоидах 40 - 43. Для уменьшения напряженности магнитного поля H, действующего в кюветах, генератор тока 44 осуществляет изменение направления тока в соленоидах. В этом случае формируемое соленоидами магнитное поле H имеет противоположное направление в кюветах и вычитается из поля H_n, формируемого постоянными магнитами 36 - 39. Общая суммарная напряженность магнитного поля Hτ, действующего в кюветах, уменьшается. При малой величине напряженности магнитного поля H, действующего в кюветах (или при H = 0), полоса квантового усиления оптических сигналов в кюветах 1 и 11 является очень узкой ~≈ порядка ΔV_пр = 0,01 см^-1. При малой величине длительности оптических импульсов, генерируемых лазерным светоизлучающим диодом 21, их спектральная ширина полосы будет превосходить по величине полосу приема ΔV_имп > ΔV_пр. В этом случае часть спектра оптического импульса не будет усиливаться в кюветах 1 и 11. Это приведет к уменьшению амплитуды оптического импульса, регистрируемого после усиления в кюветах фотоприемником 18, и увеличению длительности этого импульса (расплавлению по временной оси) за счет снижения спектральной ширины усиленного импульса, по сравнению с исходным импульсом, генерируемым лазерным светоизлучающим диодом 21. Этот результат увеличения длительности оптического импульса после усиления в кюветах 1, 11 анализируется в блоке анализа 48, которые вырабатывает сигнал для увеличения надежности поля H, формируемого в кюветах. Управляющий сигнал поступает на вход генератора тока 44. К следующему циклу генерации лазерным светоизлучающим диодом 21 оптического импульса в кюветах устанавливается более высокая величина напряженности H магнитного поля. Этим обеспечивается увеличение полосы усиления ΔV_пр в кюветах 1, 11 на некоторую фиксированную величину. При этом усилению в кюветах подвергается большая величина спектра оптического импульса, формируемого лазерным светоизлучающим диодом 21. За счет расширения спектра усиленного в кюветах оптического импульса, регистрируемого фотоприемником 18, длительность этого импульса уменьшается, а амплитуда увеличивается. Эта информация об изменении параметров усиленного в кюветах оптического импульса регистрируется и анализируется в блоке анализа и управления 48. На основе данной информации в блоке анализа 48 принимается решение о дальнейшем изменении величины магнитного поля H, действующего в кюветах, или о фиксации и стабилизации некоторого установленного значения магнитного поля. После нескольких пробных изменений величины напряженности магнитного поля H блок анализа 48 выбирает такое значение магнитного поля H, при котором величина длительности оптического импульса, усиленного в кюветах, является минимальной, а амплитуда его максимальна из серии зарегистрированных значений.

После этого блок анализа 48 переходит в режим автоматической стабилизации установленного (найденного) значения величины магнитного поля H в кюветах.

При этом режим усиления оптических импульсов в кюветах является оптимальным по ширине квантового усиления и согласованным с шириной спектра входного импульсного оптического сигнала, генерируемого лазерным светоизлучающим диодом 21 на стадии контрольной настройки и установления режима работы АКФ.

Режим стабилизации заключается в фиксировании и поддержании в кюветах 1, 11 такого уровня напряженности магнитного поля H, которое соответствует найденной оптимальной величине ширины полосы усиления ΔV_пр. Для этого осуществляется непрерывное измерение величины магнитного поля в кюветах 1, 11, осуществляемое датчиками магнитного поля 49 и 50. Информация о величинах магнитного поля в обеих кюветах поступает через блоки сопряжения 51, 52 в блок анализа и управления 48, где осуществляется запоминание величин напряженности магнитного поля H для каждой кюветы 1, 11 и для каждого цикла усиления и измерения параметров контрольного или усиленного оптических сигналов. При этом величина магнитного поля H измеряется непосредственно в момент прохождения оптического сигнала через кюветы, когда действие импульсных ламп накачки 4, 5, 14, 15 прекращено, т.е. эти лампы не оказывают помехового влияния на величину магнитного поля в кюветах. Найденная оптимальная величина магнитного поля H_опт в кюветах, соответствующая оптимальной величине полосы усиления V_пр АКФ, запоминается в блоке анализа 48 и далее поддерживается автоматически по управляющим сигналам, поступающим из блока анализа 48 на вход генератора 44.

Блок анализа и управления 48 осуществляет, таким образом, непрерывный контроль величин магнитного поля H_1,2 в первой и второй кюветах, сравнение этих величин с оптимальными значениями H_{опт 1,2}, определенными и фиксированными ранее на стадии контрольных измерений и настройки режима работы АКФ и стабилизации оптимального уровня магнитного поля H в кюветах. Этим обеспечивается автоматическая стабилизация ширины полосы усиления ΔV_пр в АКФ. В качестве датчиков магнитного поля могут быть использованы, например, малогабаритные измерители магнитного поля на эффекте Холла. Датчики магнитного поля располагаются, как показано на фиг. 1, между системой постоянных магнитов и соленоидов с соответствующей кюветой.

Далее для перехода в режим приема и усиления внешних сигналов оптический переключатель 27 переводится в верхнее открытое положение 1, при котором на вход первой кюветы поступают оптические импульсы непосредственно с оптического входа устройства, распространившееся вдоль оптической оси О-О'.

Лазерный светоизлучающий диод 21 при этом выключается. Усиленные в кюветах 1, 11 оптические импульсные сигналы от внешних источников поступают на вход фотоприемника 18 и далее на входы АЦП 47 и компаратора 45 в электрической форме. После осуществления оцифровки и определения длительности импульсов информация поступает в блок анализа и управления 48. На этом заканчивается цикл работы АКФ по квантовому усилению и регистрации коротких оптических импульсных сигналов от внешних наблюдаемых источников и устройств.

В предлагаемом устройстве совместное действие магнитного поля в кюветах 1 и 11 и оптических элементов 7 - 10, расположенных между первой и второй кюветами, изменяет ширину и форму спектральной линии усиления активного квантового фильтра. При этом увеличивается спектральный контраст линии усиления АКФ, а ширина линии устанавливается оптимальной, согласованной с параметрами усиливаемого внешнего оптического импульсного сигнала. Таким образом реализуется достигаемый технический результат.

Применение предлагаемых способа и устройства для его осуществления - активного квантового фильтра - в системах обнаружения и регистрации слабых оптических сигналов позволяет:
Реализовать оптимальную по ширине и форме спектральную полосу усиления, согласованную со спектром принимаемого оптического импульса.

Обеспечить повышение спектрального контраста полосы усиления АКФ и реализовать этим высокий уровень подавления паразитных фоновых сигналов, лежащих вне узкой спектральной полосы усиления.

Реализовать чувствительность АКФ, приближающуюся к теоретическому квантовому пределу.

Проведенные исследования и испытания экспериментального образца предлагаемого АКФ показали совпадение с теоретическими расчетами характеристик АКФ.

Мощность спонтанного шума АКФ, приведенная ко входному торцу первой кюветы, излучаемая в дифракционном угле, равна

где c - скорость света;
h - постоянная Планка;
V - частота рабочего перехода;
Δ V_г - ширина Гауссова контура линии усиления (см., например, [5]).

Энергия спонтанного шума, которой будет излучаться в дифракционный угол за интервал времени длительностью τ = (cΔV_г)^-1, равна n_сп = 0,7 фотонов.

Указанный малый уровень собственных шумов и высокий коэффициент усиления АКФ K ≈ 10³ - 10⁴ и более подтверждены при исследовании экспериментального образца АКФ.

Предложенное устройство выполнено на основе ряда известных оптических, электронных блоков и физических элементов.

В качестве блока анализа и управления 48 использована стандартная персональная ЭВМ, осуществляющая по специально разработанной программе анализ характеристик поступающих импульсных сигналов и формирование управляющих сигналов для управления работой всех элементов АКФ. Ввод информации в ПЭВМ - блок анализа 48 - осуществляется с помощью стандартных блоков сопряжения. Стандартными блоками являются АЦП 47 и компаратор 45, представляющий собой пороговое устройство, вырабатывающее на входе импульс в моменты превышения заданного порога входным импульсом. Блок определения длительности импульса 46 осуществляет определение длительности импульса, например, методом определения величины заряда емкости, нормированным измеряемым входным импульсом, или частотным методом, путем подсчета числа коротких импульсов, суммарная длительность которых равна длительности измеряемого импульса. В качестве лазерного светоизлучающего диода 21 может быть использован любой малогабаритный и маломощный источник лазерного излучения на соответствующую длину волны, например, полупроводниковый лазер.

Блок вращения плоскости поляризации 9 основан на магнитооптическом эффекте Фарадея, заключающемся во вращении плоскости поляризации проходящего в среде линейно-поляризованного света над действием внешнего продольного магнитного поля H. Угол поворота плоскости поляризации равен = VHlcos γ, где V - постоянная Верде; H - напряженность магнитного поля; l - длина оптического пути; γ - угол между H и распространением света.

Блок вращения поляризации света 9 представляет собой оптический элемент, прозрачный к используемой длине волны света, помещенный в продольное магнитное поле, создаваемое, например, соленоидом, подключенным к источнику постоянного тока (на фиг. 1 данный соленоид с источником тока не показан). Оптический элемент может быть выполнен из специального стекла, сероуглерода, а также ряда кристаллических материалов, например халькогенидов.

Генератор тока 44 представляет собой специализированный стабилизированный источник постоянного тока, выполненный на основе управляемых элементов, например тиристорах.

В качестве датчиков напряженности магнитного поля 50, 51 использованы датчики магнитного поля на эффекте Холла. В качестве системы постоянных магнитов 36 - 39 и соленоидов 40 - 43 могут быть использованы любые системы, создающие в кюветах магнитное поле, перпендикулярное оптической оси кювет О-О', и допускающие управление напряженностью магнитного поля внешними управляющими сигналами, формируемыми ПЭВМ.

В качестве блока поглощения отработанного вещества 3, 13 используется, например, охлаждаемый жидким азотом сосуд или блок абсорбентов. Возможно использование вентилятора для выброса отработанных газов в атмосферу.

Источники информации, принятые во внимание.

1. Справочник конструктора оптико-механических приборов, под ред. Панова В.А. Л.: Машиностроение, 1980 г., стр. 207.

2. Авторское свидетельство СССР N 711978, опубл. 7.08.1981, БИ N 29, МКИ H 01 S 3/06.

3. Патент СССР N 360801. Приоритет 23.07.1969 г. N 160311 Франция. Опубл. 28.11.1972, БИ N 36, МКИ H 01 S 3/02.

4. Прототип. Авторское свидетельство СССР N 766500. Заявл. 22.11.1978, а.з. 2687417/18-28, опубл. 15.01.82, БИ N 2, МКИ H 01 S 3/10.

5. Басов Н. Г., Грасюк Ф.З., Зубарев И.Г., Жевелев Л.В. Регенеративные оптические квантовые усилители. Труды ФИАН 1965, т. 31, стр. 74 - 95.

Формула изобретения

1. Способ спектральной фильтрации оптических сигналов, заключающийся в возбуждении лазерной среды и пропускании через нее фильтруемого оптического сигнала, отличающийся тем, что в возбужденной лазерной среде формируют магнитное поле, направление вектора напряженности магнитного поля которого параллельно магнитному вектору электромагнитного поля фильтруемого оптического сигнала, формируют и пропускают через возбужденную лазерную среду контрольный оптический сигнал с длительностью импульса и длиной волны излучения равными соответственно длительности импульса и длине волны излучения фильтруемого оптического сигнала, измеряют амплитуду и длительность контрольного оптического сигнала до и после прохождения через возбужденную лазерную среду, осуществляют изменение величины напряженности магнитного поля в возбужденной лазерной среде до получения наибольшей амплитуды контрольного сигнала после прохождения через возбужденную лазерную среду относительно исходной амплитуды и длительности импульса контрольного сигнала после прохождения через лазерную среду, совпадающей с его исходной длительностью, и пропускают фильтруемый оптический сигнал через возбужденную лазерную среду.

2. Устройство для спектральной фильтрации оптических сигналов - активный квантовый фильтр, содержащий входную диафрагму, кювету с активным веществом в газовой фазе, подсоединенную к баллону с рабочей газовой смесью и блоком поглощения отработанного вещества, импульсные лампы накачки, подключенные к блоку накачки, отличающееся тем, что в него введены вогнутое зеркало, фотоприемник с блоком усиления, чувствительная приемная площадка которого установлена в фокусе вогнутого зеркала, установленные на оптической оси первой кюветы с активным веществом и последовательно расположенные первый нейтральный фильтр, поляризационное зеркало, блок вращения плоскости поляризации, первый поляризационный фильтр, вторая кювета с активным веществом, баллоном с рабочей газовой смесью, блоком поглощения отработанного вещества, импульсными лампами накачки, блоком накачки, первое отражательное зеркало, а также лазерный светоизлучающий диод с последовательно установленными на его оптической оси оптически связанными формирующей линзой, вторым поляризационным фильтром, интерференционным фильтром, полупрозрачным зеркалом и вторым нейтральным фильтром, оптический переключатель с отражательным зеркалом и блоком перемещения зеркала, последовательно установленными на оптической оси полупрозрачного зеркала, перпендикулярной оптической оси лазерного светоизлучающего диода, третий нейтральный фильтр, оптический прерыватель с заграждающей диафрагмой и блоком перемещения диафрагмы, второе отражательное зеркало, оптически связывающее выход лазерного светоизлучающего диода с оптическим входом фотоприемника, постоянные магниты, установленные вдоль первой и второй кювет параллельно их оси с двух противоположных сторон кювет, соленоиды, установленные в непосредственной близости с каждым из постоянных магнитов с зазором, подключенные к генератору тока, первый и второй датчики магнитного поля, установленные в зазоре между импульсными лампами и каждой из кювет, подключенные к первому и второму блокам сопряжения, аналого-цифровой преобразователь, блок анализа и управления, последовательно соединенные компаратор и блок определения длительности импульсов, выход которого подсоединен к блоку анализа и управления, генератор импульсных сигналов, выход которого подключен к лазерному светоизлучающему диоду, а управляющий вход - к выходу блока анализа и управления, при этом входы аналого-цифрового преобразователя и компаратора подключены к выходу блока усиления фотоприемника, выход аналого-цифрового преобразователя подключен ко входу блока анализа и управления, выходы блока анализа и управления подключены к управляющим входам генератора тока, блока перемещения зеркала оптического переключателя, блока перемещения заграждающей диафрагмы и к блокам накачки, выходы первого и второго блоков сопряжения магнитных датчиков подсоединены ко входам блока анализа и управления, поляризационное зеркало установлено наклонно под углом к оптической оси первой кюветы и оптически связано с вогнутым зеркалом, оптический выход формирующей линзы через второй поляризационный фильтр, интерференционный фильтр, второй нейтральный фильтр и отражательное зеркало оптического переключателя связан с оптическим входом первой кюветы с активным веществом, при этом постоянные магниты и соленоиды, расположенные вокруг второй кюветы, установлены по отношению к постоянным магнитам и соленоидам, расположенным вокруг первой кюветы таким образом, что магнитная ось первых магнитов и соленоидов составляет с магнитной осью вторых угол в 45^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6