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

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

Реферат

 

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 L = 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 _c и длительностью импульса t_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 _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 + h_уф _ C₃F₇ + I*. Длина волны излучения _c фильтруемого оптического сигнала соответствует рабочей длине волны перехода _p возбужденного атомарного иода I*, используемого в качестве активной лазерной среды: _c = _p. Формирование контрольного оптического сигнала осуществляют с помощью генератора контрольного сигнала поз. 6 - лазерного излучающего диода. Длина волны и длительность контрольного оптического сигнала _к, T_к соответствуют аналогичным параметрам входного фильтруемого оптического сигнала 10 _к = _c; t_к = t_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 t_к контрольного сигнала до (t_{к o}) и после (t_{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 t_{к вых} прошедшего контрольного сигнала с исходной длительностью t_{к вых} = t_{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 w 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 t_к > t_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 t_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 = 10³10⁴ 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, K₁200, 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 _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 L, 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 L. 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 ₁ = 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 L, 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 = 0,124 сек. Это обуславливает предельно узкую полосу квантового усиления АКФ равную L 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 з