Цифровая факсимильная аппаратура

Общие положения

Последнее десятилетие характеризуется интенсивным развитием цифровых способов передачи информации, так как они обладают следующими существенными преимуществами перед аналоговыми: возможностью регенерации сигнала на промежуточных пунктах или при перезаписи (при этом помехи не накапливаются и практически не влияют на сигнал, пока они не превышают некоторой величины); сокращением времени передачи путем использования статистического кодирования сигнала; универсальностью способа передачи, позволяющей передавать факсимильную информацию наряду с другими видами сообщений по единой цифровой системе связи; возможностью обработки цифровых изображений с помощью микропроцессоров.

Для представления изображений в цифровой форме необходимо осуществить дискретизацию сигнала по времени и по уровню. Дискретизация сигнала по времени производится путем стробирования аналогового сигнала через равные промежутки времени. Частота стробирования определяется требуемой разрешающей способностью по строке. В факсимильных аппаратах третьей группы частота стробирования выбирается такой, чтобы получить разрешающую способность восемь элементов на миллиметр, что для формата А4 соответствует 1728 элементам на строку.

Дискретизация (квантование) сигнала по уровню для передачи двухградационных (графических) изображений осуществляется просто, поскольку сигнал в принципе является двухуровневым. Для этого используется простейшее формирующее устройство, например, триггер. Если цифровой передаче подвергается полутоновое изображение, то сигнал квантуется по 64, 128 или 256 фиксированным уровням яркости.

Полученное в результате дискретизации факсимильное сообщение, как, впрочем, и аналоговый факсимильный сигнал, обладает большой избыточностью.

С прикладной точки зрения эту избыточность нетрудно оценить следующим образом. Предположим, что передается страница машинописного текста, содержащая 1800 знаков (30 строк по 60 знаков в строке). После ее кодирования, например кодом МТК-5, дискретное сообщение будет состоять примерно из 13 000 двоичных элементов, для передачи такого сообщения со скоростью 100 бит/с понадобится чуть более 2 мин. После дискретизацми для факсимильной передачи с разрешающей способностью по горизонтали (строке) 8 лин/мм и по вертикали 7,7 лин/мм дискретное сообщение будет содержать около 3,5 млн. двоичных элементов, т е. примерно в 250 раз больше, чем телеграфное. Время его передачи даже по каналу со скоростью 2400 бит/с составит более 20 мин. Дополнительная же информация, которая в нем содержится, практически исчерпывается характерными особенностями шрифта пишущей машинки, с помощью которой напечатано сообщение.

При меньшей разрешающей способности избыточность будет несколько ниже, но и качество воспроизведения машинописного текста существенно ухудшится.

Для текста избыточность факсимильного сообщения редко не превышает двух порядков. С целью сокращения избыточности дискретизированный факсимильный сигнал подвергается кодированию, в результате которого избыточность дискретного факсимильного сообщения сокращается от 5 до 15 раз. Естественно, что во столько же раз сокращается время его передачи по каналу связи.

Задание №2.

Аргоновый лазер

Упрощенная схема участвующих в генерации уровней энергии в аргоновом лазере приведена на рис.1 [3, стр.354]. Основное состояние иона Аr+ получается

Рис.1. Уровни энергии иона Аr+, соучаствующие в лазерной генерации.

путем удаления одного из шести 3р-электронов внешней оболочки аргона. Возбужденные состояния 4s и 4р возникают, когда один из оставшихся 3р-электронов забрасывается на уровни соответственно 4s и 4p. С учетом взаимодействия с остальными 3р-электронами оба уровня 4s и 4р, обозначенные на рис.1 как простые уровни, на самом деле состоят из нескольких уровней (соответственно 9 и 2). Возбуждение верхнего лазерного 4р-уровня происходит посредством двухступенчатого процесса, включающего в себя столкновения с двумя различными электронами. При первом столкновении аргон ионизируется, т.е. переходит в основное состояние иона Аr Находящийся в основном состоянии ион Аr+ испытывает второе столкновение с электроном, что может привести к следующим трем различным процессам: 1) непосредственное возбуждение иона Аr+ на 4р-уровень (процесс а на рис.1); 2) возбуждение в более высоко лежащие состояния с последующими каскадными излучательными переходами на уровень 4р (процесс b на рис.1); 3) возбуждение на метастабильные уровни с последующим третьим столкновением с электроном, приводящим к возбуждению на 4р-уровень (процесс с на рис.1). Поскольку процессы 1 и 2 включают в себя два этапа, связанных с столкновениями с электронами, следует ожидать, что скорость накачки в верхнее состояние будет пропорциональна квадрату плотности тока разряда. Действительно, скорость накачки верхнего состояния (dN₂/dt)_p должна иметь вид

(dN₂/dt)_p~N_eN_t~N²_e, [3, стр.355]

где N_e и Nt – плотности электронов и ионов в плазме (N_e ≈ Ni в плазме положительного столба). Так как электрическое поле в разряде не зависит от разрядного тока, плотность электронов N_e пропорциональна плотности разрядного тока и из предыдущего выражения следует, что (dN₂/dt)_p ~ J². Можно показать, что при высоких плотностях тока рассмотренный выше процесс 3 также приводит к тому, что скорость накачки пропорциональна J². Таким образом, накачка резко возрастает с увеличением плотности тока и для того, чтобы рассмотренный выше малоэффективный двухступенчатый процесс позволил закачать достаточно ионов в верхнее состояние, необходимы высокие плотности тока (~ 1 кА/см²). Этим можно объяснить, почему первый запуск Аr+-лазера произошел спустя около 3-х лет после запуска Не-Ne-лазера. Ион Аr+, будучи заброшен на верхний лазерный уровень 4р, может релаксировать на уровень 4s посредством быстрой (~ 10^-8с) излучательной релаксации. Однако следует заметить, что релаксация из нижнего лазерного 4s-уровня в основное состояние Аr⁺происходит за время, которое примерно в 10 раз короче. Таким образом, условие непрерывной генерации выполняется.

Из сказанного выше следует, что генерацию в аргоновом лазере следует ожидать на переходе 4p→4s. Так как оба уровня 4s и 4р на самом деле состоят из многих подуровней, аргоновый лазер может генерировать на многих линиях, среди которых наиболее интенсивными являются зеленая (λ = 514,5 нм) и синяя (λ = 488 нм). Из измерений спектра спонтанного излучения было найдено, что доплеровская ширина линии Δυ*₀, например зеленого перехода, составляет около 3500 МГц. Это означает, что температура ионов, определяемая в соответствии с выражением (2.78), равна Т≈ 3000 К. Иными словами, ионы являются очень горячими благодаря их ускорению в электрическом поле разряда. Относительно широкая доплеровская ширина линии также приводит к тому, что в режиме синхронизации мод в аргоновом лазере наблюдаются сравнительно короткие импульсы (~ 150 пс).

На рис.2 приведена схема устройства современного мощного (≥1 Вт) аргонового лазера. Заметим, что как плазменный ток, так и лазерный пучок ограничиваются металлическими (вольфрамовыми) дисками, помещенными в керамическую (ВеО) трубку большего диаметра. Использование такой теплопроводной и изолирующей металлокерамической комбинации необходимо для того, чтобы обеспечить хорошую теплопроводность трубки и в то же время ослабить проблемы, связанные с эрозией вследствие высокой температуры ионов. Диаметр центральных отверстий в дисках делается небольшим (~ 2 мм),

Рис.2. Схематическое изображение мощной аргоновой лазерной трубки с водяным охлаждением. [3, стр.356]

чтобы сосредоточить генерацию в ТЕМ₀₀-моде (для резонатора обычно применяются вогнутые зеркала с большим радиусом кривизны) и чтобы уменьшить необходимое значение полного тока. В аргоновых лазерах приходится решать проблему катафореза атомов аргона. В самом деле, вследствие высокой плотности тока наблюдается значительная миграция ионов Аr+ в сторону катода. Вблизи катода ионы нейтрализуются электронами, эмиттированными с поверхности электрода, инейтральные атомы стремятся скапливаться в прикатодной области. Для преодоления этой трудности в дисках делают дополнительные смещенные от центра отверстия, чтобы обеспечить за счет диффузии путь для возвращения атомов от катода к аноду. Отверстия проделываются таким образом, чтобы через возвратные отверстия не шел ток за счет того, что длина образующихся путей больше, чем длина пути через центральные отверстия. Внутренняя керамическая трубка охлаждается водой для отвода большого количества тепла, которое неизбежно выделяется в трубке (несколько кВт/м). Заметим также, что в области разряда параллельно оси к трубке прикладывается постоянное магнитное поле. В такой конфигурации сила Лоренца уменьшает скорость диффузии электронов к стенкам. В результате этого число свободных электронов в центре трубки увеличивается и, следовательно, возрастает скорость накачки. Это позволяет объяснить наблюдаемое увеличение выходной мощности в случае, когда прикладывается внешнее магнитное поле. Удерживая разряд вблизи оси трубки, магнитное поле также уменьшает разрушение стенок. Заметим, что в мощных лазерах (≥ 1 Вт) зеркала монтируются снаружи трубки, чтобы ослабить деградацию зеркального покрытия под воздействием вакуумного УФ-излучения, испускаемого плазмой. У маломощных лазеров (< 1 Вт) трубка обычно изготавливается из керамического (ВеО) блока, в котором для разряда просверливается центральное отверстие. В этом случае магнитное поле отсутствует, трубка охлаждается воздухом, а зеркала, как и в Не—Ne-лазере, впаиваются в концы трубки.

Промышленностью изготавливаются аргоновые лазеры с водяным охлаждением мощностью 1—20 Вт, генерирующие на синем и зеленом переходах одновременно или только на одной линии при использовании конфигурации. Также выпускаются маломощные (<1 Вт) аргоновые лазеры с воздушным охлаждением. В обоих случаях выходная мощность над порогом резко увеличивается с ростом плотности тока (~ J²), так как в аргоновом лазере, в противоположность тому, что происходит в Не—Ne-лазере, нет процессов, приводящих к насыщению инверсии. Однако КПД лазера очень мал (< 10^-3), поскольку мала квантовая эффективность (~ 7,5 %; см. рис.1) и возбуждение электронным ударом происходит на множестве уровней, которые не связаны эффективным образом с верхним лазерным уровнем. Аргоновые лазеры широко используются для накачки непрерывных лазеров на красителях, для множества научных применений (взаимодействие излучения с веществом), в лазерных принтерах, в лазерной хирургии и в техническом оснащении развлекательных программ.

В заключение данного раздела упомянем Кr⁺-лазер, который получил наиболее широкое распространение среди множества остальных ионных лазеров. Он также генерирует на многих длинах волн, среди которых наиболее интенсивной является красная (647,1 нм).

Задача № 8

Оценить величины Δυ_g, Δυ_m, Δυ_n при λ=1 мкм, l=1 м, 2а=1 см, m=n=0 (ТЕМ₀₀-?), m=n=1 (ТЕМ₁₁-?).

Дано.

λ = 1 мкм

l = 1 м

2а = 1 м

ТЕМ₀₀ -? (m = n = 0)

ТЕМ₁₁ -? (m = n = 1)

Решение

Если m = n = const, то [5, стр.28].

с=2.9^.10⁸ м/с

[5, стр.28]

Ответ: Δυ_g=1.45^.10⁸с^-1, Δυ_m= Δυ_n=2.1^.10¹⁶с².

Задача № 48

Цилиндрический стержень из Nd: YAG (итрий - алюминиевый гранат) диаметром 6.3мм и длиной 7.5 см накачивается мощной импульсной лампой. Значение сечения лазерного перехода в максимуме линии с длиной волны 1.06 мкм равно σ = 3.5^.10^-19 см², а показатель преломления равен n = 1.82. Найти критическую инверсию населенностей, соответствующую началу процесса усиления спонтанного излучения (УСИ) (предполагается, что на оба торца лазерного стержня нанесены идеальные просветляющие покрытия, т.е. они не отражают свет). Кроме того, вычислить максимальное количество энергии, которая может быть запасена в этом стержне, если необходимо избежать возникновения процесса УСИ.

Дано.

d = 6.3 мм = 6.3^.10^-3 м

L = 7.5 см = 7.5^.10^-2 м

λ = 1.06 мкм = 1.06^.10^-6 м

σ = 3.5^.10^-19 см² = 3.5^.10^-21 м²

n = 1.82

Решение

Так как покрытие лазерного стержня прозрачны R₁=R₂=L

[3, стр.15]

Ответ:

Задача № 72

Для Ar⁺ лазера с параметрами: λ = 488 нм, L = 1 м, а = 1 см, Δυ = 3.5 ГГц рассчитать диаметр пятна на зеркале и на расстоянии 1 м от зеркала, а также угловое расхождение пучка.

Дано.

λ = 488 нм = 488^.10^-9 м

L = 1 м

а = 1 см = 0.01 м

Δυ = 3.5 ГГц = 3.5^.10⁹ Гц

R = 1 м

Решение

[5, стр.35]