Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов
..pdf
2
Г.Г. Кущ, Ж.М. Соколова, Л.И. Шангина
ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА
ОПТИЧЕСКОГО И СВЧ
ДИАПАЗОНОВ
Учебное пособие
.
Рекомендовано Сибирским региональным отделением
учебно-методического объединения высших учебных заведений РФ по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации
для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся
по направлению подготовки 654200 «Радиотехника » и 654400 «Телекомунмкации»
2012
3
Министерство образования Российской Федерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Г.Г. Кущ, Ж.М. Соколова, Л.И. Шангина
ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА ОПТИЧЕСКОГО И СВЧ ДИАПАЗОНОВ
Учебное пособие
Томск 2012
4
УДК 621.371(075.8) + 537.8(075.8)
Рецензенты:
А.А. Тихомиров институт оптического мониторинга Томского СОРАН, зам. директора, профессор д-р. тех. наук А.П. Коханенко д-р физ.-мат. наук, проф. каф. квантовой
электроники и оптоинформатики Томск. гос. ун-та:
А.Е. Мудров, проф., зав. каф. электроники Томск. гос. ун-та:
Кущ Г.Г., Соколова Ж.М., Шангина Л.И.
Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов Учебное пособие. − Томск: Томск. Гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2012. - 414 с.
В учебном пособии рассматриваются принципы работы, схемы устройств электровакуумных, полупроводниковых, квантовых приборов СВЧ и оптического диапазонов, общие вопросы оптоволоконных и диэлектрических волноводов. Значительное внимание в книге уделено: физике рассматриваемых явлений в оптоэлектронных и СВЧ устройствах; изучению зависимости и оптимизации параметров и характеристик приборов и устройств от геометрии и режима работы.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 654200 (210300) «Радиотехника » и 654400 (210400) «Телекомуникации» по дисциплинам «Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства», «Устройства СВЧ и антенны».
©Кущ Г.Г., Соколова Ж.М., Шангина Л.И., 2012
©Томск. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2012
5
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Предисловие..................................................................................................... |
10 |
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ |
|
Электронные приборы СВЧ |
|
Глава1. Физические основы электронных приборов СВЧ………… |
11 |
1.1. Характеристики и особенности электровакуумных приборов … |
12 |
1.2. Основные уравнения и параметры электронных приборов |
|
СВЧ.................................................................................................... |
12 |
1.3. Электродинамические системы приборов СВЧ………………. |
20 |
1.3.1. Резонаторы …………………………………………………. |
21 |
1.3.2.Замедляющие системы, их параметры и характеристики… |
26 |
1.3.3. Разновидности замедляющих систем……………………... |
33 |
1.4. Принципы модуляции электронного потока…………………... |
39 |
1.5. Отбор энергии от электронного потока ........................................ |
44 |
1.6. Волны в электронных потоках........................................................ |
46 |
1.7. Фазовые и амплитудные условия усиления и генерации сигна- |
|
лов…………………………………………………………… |
48 |
Глава 2. Электровакуумные приборы СВЧ............................................ |
51 |
2.1.Пролетные усилительные клистроны ............................................. |
51 |
2.2. Отражательные клистроны ............................................................. |
63 |
2.3. Лампы бегущей и обратной волны О – типа…………………… |
64 |
2.3.1.Элементы линейной теории ЛБВ ………………………….. |
65 |
2.3.2 Лампы бегущей волны типа О ……………………………. |
67 |
2.3.3 Лампы обратной волны типа О …………………………… |
68 |
2.4. Электронные приборы со скрещенными полями ……………. |
71 |
2.4.1 Движение электронов в скрещенных полях ………………. |
71 |
2.4.2 Многорезонаторные магнетроны............................................. |
73 |
2.4.3 Лампы бегущей и обратной волны типа М............................ |
90 |
Глава 3. Полупроводниковые приборы СВЧ......................................... |
93 |
3.1.Элементы зонной теории твердого тела………………………… |
93 |
3.2. Лавинно-пролетные диоды ............................................................. |
104 |
3.3. Диоды Ганна ..................................................................................... |
115 |
Глава 4. Применение и регистрация СВЧ энергии............................... |
124 |
4.1. Нагрев СВЧ энергией ……………………………………….. |
124 |
4.1.1. Поведение диэлектриков в электромагнитных полях….. |
124 |
4.1.2. Электродинамические системы нагрева диэлектриков |
|
полями бегущих волн…………………………………………… |
128 |
4.1.3.Нагрев в поле стоячей волны………………………………. |
135 |
4.2. Измерение СВЧ энергии ………………………………………. |
146 |
4.2.1. Калориметрические методы……………………………….. |
146 |
4.2.2. Болометрические методы …………………………………. |
148 |
4.2.3. Термоэлектрические методы ……………………………… |
152 |
6 |
|
|
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ |
|
|
Квантовые приборы СВЧ и оптического диапазона |
|
157 |
Введение……………………………………………………………….. |
|
|
Глава 5. Взаимодействие электромагнитного излучения с вещест- |
159 |
|
вом………………………………………………………………… |
|
|
5.1. Принцип квантового усиления ………………………………….. |
|
159 |
5.2. Типы квантовых переходов. Коэффициенты Эйнштейна……. |
......... 162 |
|
5.2.1. Спонтанные переходы и их вероятность……………………. |
|
163 |
5.2.2. Индуцированные переходы и их вероятность……………… |
... |
165 |
5.2.3. Безызлучательные переходы и их вероятность……………… |
|
172 |
5.3. Уширение спектральных линий……………………………….. |
|
174 |
5.3.1. Естественная ширина спектральной линии……………… |
|
174 |
5.3.2.Ширина полосы пропускания резонатора Фабри-Перо…. |
|
174 |
5.3.3. Причины уширения спектральной линии…………………. |
|
175 |
5.4. Общие уравнения баланса …………………………………………. |
|
176 |
5.4.1. Взаимодействие монохроматического поля с двухуров- |
178 |
|
невой квантовой системой……………………………………. |
|
|
5.4.2. Мощность поглощения как функция частоты и амплиту- |
179 |
|
ды поля. Эффект насыщения …………………………. |
|
|
Глава 6. Усиление и генерация электромагнитного излучения….. |
|
181 |
6.1. Принцип работы квантовых усилителей и генераторов и поро- |
183 |
|
говые условия генерации…………………………………………….. |
|
183 |
6.2. Методы получения инверсной населенности в квантовых гене- |
183 |
|
раторах и усилителях……………………………………………… |
|
184 |
6.2.1. Двухуровневая схема……………………………………. |
|
184 |
6.2.2. Трехуровневая схема……………………………………….. |
|
185 |
6.2.3. Четырехуровневая схема…………………………………… |
|
187 |
Глава 7. Двухуровневые квантовые генераторы и усилители…… |
|
190 |
7.1. Квантовые стандарты частоты…………………………………… |
|
190 |
7.1.1. Принцип действия молекулярного квантового генератора.. |
190 |
|
7.1.2. Условие самовозбуждения генератора……………………. |
|
192 |
7.2. Квантовые парамагнитные усилители СВЧ (КПУ)……………… |
|
196 |
7.2.1. Парамагнетизм в кристаллах……………………………… |
|
196 |
7.2.2. Энергетические уровни парамагнитных ионов…………... |
|
197 |
7.2.3. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)…………… |
|
198 |
7.2.4. Устройство квантового парамагнитного усилителя……. |
|
200 |
7.2.5.Особенности квантового парамагнитного усилителя и об- |
204 |
|
ласти применения……………………………………………… |
|
206 |
Глава 8. Общие вопросы построения оптических квантовых гене- |
207 |
|
раторов и усилителей………………………………… |
|
|
8.1. Диапазон оптических волн и его особенности………………….. |
|
207 |
8.2. Классификация, используемых в оптико-электронных приборах |
209 |
|
7 |
|
лазеров…………………………………………………………………….. |
209 |
8.3. Структурная схема оптико-электронного квантового прибора…. |
209 |
8.4. Оптические резонаторы………………………………………….. |
211 |
8.5. Свойства лазерного излучения. Характеристики излучения ла- |
|
зеров……………………………………………………………… |
225 |
Глава 9. Оптические квантовые генераторы на твердом теле…… |
233 |
9.1. Устройство твердотельных генераторов…………………………. |
233 |
9.2.Генераторы на рубине……………………………………………… |
236 |
9.3. Неодимовые лазеры ………………………………………………. |
237 |
9.4. Режимы работы твердотельных лазеров. Основные уравнения. |
238 |
9.4.1. Режим непрерывной генерации твердотельного лазера…. |
240 |
9.4.2. Пички и режим свободной генерации……………………. |
241 |
9.4.3. Лазер с модуляцией добротности………………………… |
245 |
9.4.4. Синхронизация мод в твердотельном лазере и генерация |
|
ультракоротких импульсов (УКИ)……………………………………… |
247 |
9.4.5. Спектроскопические и угловые характеристики твердо- |
|
тельных лазеров…………………………………………………… |
249 |
Глава 10. Газовые лазеры……………………………………………… |
251 |
10.1. Особенности газов как активного вещества для лазеров……… |
251 |
10.2.Механизмы возбуждения………………………………………… |
251 |
10.3. Гелий-неоновый лазер…………………………………………. |
253 |
10.4. Ионный аргоновый лазер………………………………………… |
256 |
10.5. Молекулярный лазер на углекислом газе………………………. |
258 |
Глава 11. Жидкостные лазеры………………………………………… |
263 |
11.1.Общая характеристика и особенности жидкостных лазеров…. |
263 |
11.2.Жидкостные лазеры на органических красите- |
|
лях…………….. |
264 |
11.2.1. Способы накачки лазеров на основе красителей……… |
267 |
11.3.Спектральные характеристики и управление спектром лазера на |
|
основе красителей……………………………………………….. |
272 |
Глава 12. Полупроводниковые излучатели света…………………… |
275 |
12.1. Полупроводниковые лазеры……………………………………. |
275 |
12.1.1. Рекомбинация электронов и дырок…………………… |
278 |
12.1.2. Условия и методы получения инверсии населенности в |
|
полупроводниках ………………………………………… |
279 |
12.1.3.Инжекционные полупроводниковые лазеры……………. |
283 |
12.1.4. Оптические и электрические свойства полупроводни- |
|
ковых лазеров……………………………………. |
291 |
12.2. Светоизлучающие диоды…………………………………………… |
297 |
12.2.1.Устройство СИД на гомо- и гетеропереходах…………… |
298 |
12.2.2.Типы конструкций СИД и их особенности……………… |
300 |
Глава 13. Приборы управления лазерным излучением……………. |
303 |
8 |
|
13.1. Методы модуляции. Классификация…………………………….. |
304 |
13.2. Электрооптические модуляторы света………………………….. |
305 |
13.2.1. Электрооптический эффект Поккельса………………… |
307 |
13.2.2. Параметры и характеристики модуляторов света……. |
314 |
13.3. Акустооптические методы управления параметрами |
|
лазерного излучения………………………………………………… |
314 |
13.3.1. Дифракция Рамана— Ната………………………………… |
316 |
13.3.2. Брегговская дифракция……………………………………. |
317 |
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ |
|
Прием и передача излучения в оптоэлек- |
|
тронике |
|
Глава 14. Приемники оптического излучения ……………………... |
322 |
14.1. Физические принципы приема оптического излучения………. |
322 |
14.1.1. Поглощение света в твердых телах……………………… |
323 |
14.1.2. Явление фотоэффекта …………………………………… |
325 |
14.1.3. Фотомагнитоэлектрический и фотогальванический |
327 |
эффект……………………………………………………………….. |
|
14.2. Параметры фотоприемников …………………………………….. |
331 |
14.3. Типы фотоприемников……………………………………………. |
333 |
14.3.1 Полупроводниковые фотоприемники…………………… |
340 |
14.3.2. Фотоэлектронные приборы……………………………… |
347 |
Глава 15. Средства передачи оптического излучения …………….. |
352 |
15.1.Диэлектрические световоды…………………………………… |
352 |
15.1.1. Распространение волн в световодах……………………….. |
352 |
15.1.2. Типы световодов, их характеристики……………………... |
354 |
15.1.3 Элементы связи…………………………………………..... |
357 |
15.2. Волоконно – оптические световоды………………………….. |
360 |
15.2.1. Свойства оптического волокна…………………………….. |
362 |
15.2.2. Параметры характеристики оптических волокон ……… |
364 |
15.2.3. Ввод и вывод излучения…………………………………… |
369 |
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ |
|
Опто-электронные системы и их применения |
|
Глава 16. Системы обработки и хранения информации…………….. |
371 |
16.1. Структура системы оптической обработки сигналов…………. |
371 |
16.1.1. Принцип аналоговой оптической обработки информации |
374 |
с помощью когерентных световых полей………............................ |
|
16.2. Способы выполнения математических операций оптическими |
376 |
системами………………………………………………………………. |
|
16.2.1. Вычисление корреляционных функций…………………... |
379 |
9 |
|
16.2.2. Преобразование Фурье в оптической системе…………… |
379 |
16.2.3. Пространственная фильтрация……………………………. |
384 |
16.2.4. Согласованная фильтрация………………………………... |
387 |
16.2.5. Распознавание образов…………………………………….. |
392 |
Глава 17. Различные применения оптико-электронных |
|
квантовых приборов и систем……………………………………. |
393 |
17.1. Применение твердотельных лазеров………………………….. |
394 |
17.2. Применение газовых лазеров…………………………………. |
395 |
17.3. Области применения полупроводниковых источников из- |
|
лучения……………………………………………………….. |
398 |
17.4 Акусто – оптические системы обработки радиосигна- |
|
лов…………………………………………………….. |
399 |
17.4.1. Классический акустооптический спектроанализатор……. |
400 |
17.4.2. Акустооптические процессоры …………………………... |
404 |
17. 4.3.Перспективы развития акустооптических систем……….. |
406 |
Список осокращений и обозначений параметров…………………….. |
408 |
Список рекомендованной литературы………………………….. |
411 |
10
ПРЕДИСЛОВИЕ
Характерной чертой непрерывного прогресса в области электронных и квантовых приборов является создание более мощных генераторов, более чувствительных приемников и освоение более короткого диапазона волн. С освоением коротковолновой части СВЧ - диапазона значительно расширилась информационная емкость каналов связи, а непрерывный рост объема передаваемой информации стимулирует освоение более высоких частот. Основная цель данного методического пособия − дать представление о фундаментальных физических процессах, лежащих в основе современной электроники и оптоэлектроники и, тем самым, определить её возможности и пути её дальнейшего развития, рассмотреть принципы действия, особенности конструкций, технических характеристик СВЧ приборов и устройств оптоэлектроники, подготовить специалистов к технически грамотному их применению.
Настоящее пособие делится на четыре раздела. В первом разделе дается изложение общих вопросов, лежащих в основе электронных приборов СВЧ – диапазона (вакуумных и твердотельных). При изложении материала, обращено внимание на работу наиболее распространенных приборов, таких как: клистроны, лампы бегущей и обратной волн, магнетроны, генераторы и усилители на диодах Ганна и на лавинно-пролетных диодах. Приведены их основные характеристики и параметры. Проводится сравнительный анализ приборов и делается заключение об их применении в том или ином частотном диапазоне, или величине передаваемой мощности с точки зрения применения их в бытовой радиоэлектронной аппаратуре.
Во втором разделе кратко излагаются вопросы, лежащие в основе квантовых устройств. Описываются конкретные квантовые устройства.
Расширению областей применения приборов оптической электроники способствовало создание волоконно-оптических элементов, на основе которых совершенствуются системы ближней и дальней связи. Поэтому, в третьем разделе описываются приемники и средства передачи оптического излучения.
В четвертом разделе рассмотрены основы обработки и хранения информации и различные применения оптико-электронных и квантовых приборов и систем.
Пособие включает лишь самый необходимый материал для дальнейшего изучения конкретных приборов. При этом рассмотрение строится так, чтобы эти вопросы можно было легко понять. Некоторая часть теоретических вопросов опущена и для углубленного изучения курса приводится список рекомендуемой литературы.
Введение, раздел 1 написаны Шангиной Л.И., Соколовой Ж.М.; раздел 2 и 4− Кущ Г.Г и Шангиной Л.И.; раздел 3- Шангиной Л.И.