МОДУЛЯЦИЯ ЧАСТОТЫ ТЕРАГЕРЦОВОГО ГАЗОРАЗРЯДНОГО ЛАЗЕРА

February 9, 2013 by admin Комментировать »

Киселев В. К., Радионов В. П.

ИРЭ им. А. Я. Усикова НАН Украины ул. Акад. Проскуры, 12, г. Харьков, 61085, Украина тел.: 380 57 7203335, e-mail: kiseliov @ire.kharkov.ua

Аннотация – Рассмотрена возможность модуляции частоты терагерцового газоразрядного лазера в пределах ширины спектральной линии активного вещества при модуляции тока накачки.

I.                                       Введение

Терагерцовые лазеры, как и любые другие источники излучения, могут использоваться в составе разнообразных приборов, в том числе связанных с передачей информации. Для работы таких приборов может понадобиться модуляция частоты терагерцового излучения. Терагерцовые лазеры обладают возможностью модуляции частоты в пределах ширины спектральной линии активного вещества, которая составляет около десяти МГц. Осуществлять такую модуляцию можно сравнительно простыми и достаточно эффективными для ряда приложений методами непосредственно в самом лазере.

II.                               Основная часть

Терагерцовые лазеры обычно работают в одночастотном режиме генерации. Изменять частоту генерации в пределах спектральной линии активного вещества возможно, например, путем механического перемещения одного из зеркал резонатора [1]. Контроль частоты при этом можно осуществлять простым методом [2, 3], обладающим точностью до долей мегагерца. Осуществлять сравнительно быструю механическую модуляцию зеркал возможно с помощью пьезоэлементов, установленных между зеркалом и юстировочным узлом. Однако такой способ модуляции, в силу его инерционности, не позволит осуществлять модуляцию с частотой свыше нескольких единиц килогерц.

Fig. 1. Dependence of change of resonant length L of the resonator on discharge pumping current I

Рис. 1. Зависимость изменения резонансной длины лазерного резонатора L от величины разрядного тока I.

Более предпочтительным является модуляция электрической длины резонатора. В газоразрядных терагерцовых лазерах при изменении тока накачки происходит изменение оптической плотности газовой среды, и, следовательно, электрической длины резонатора. На рис.1 приведена экспериментальная зависимость изменения резонансной длины резонатора, соответствующая генерации на центральной частоте спектральной линии, от тока накачки. Зависимость снята на HCN лазере с длиной резонатора 1,2м при накачке постоянным током.

Снятие этой зависимости осуществлялось путем изменения тока накачки с последующей подстройкой резонатора на максимум генерации, соответствующий центральной частоте спектральной линии. Изменение геометрической длины резонатора контролировалось с помощью микрометрической шкалы устройства перемещения зеркала, рбеспечивающей точность не хуже 1 мкм.

При изменении разрядного тока происходит изменение температуры и плотности активного вещества, и, следовательно, изменяется показатель преломления среды, что, в свою очередь, приводит к изменению скорости волны в резонаторе. В случае подстройки резонатора на центральную частоту, соответствующую максимуму мощности излучения, расчеты производятся без учета дисперсии. В этом случае изменение резонансной длины лазерного резонатора определяется выражением

где: Li, L2 – резонансные длины лазерного резонатора, соответствующие двум определенным значениям тока газового разряда;

Л)2 – резонансные длины волн, соответствующие этим значениям тока;

υ·\, U2- скорости распространения излучения центральной частоты при соответствующих значениях тока газового разряда;

/о -центральная частота спектральной линии излучения;

πι, П2 – абсолютные показатели преломления активного вещества при соответствующих значениях тока газового разряда для излучения центральной частоты,

М – число полуволн, укладывающихся на резонансной длине резонатора.

Поскольку изменение разрядного тока вызывает изменение электрической длины резонатора, то это, естественно, приводит к перестройке резонатора и, соответственно, к изменению частоты излучения в пределах спектральной линии активного вещества. Таким образом, модулируя разрядный ток возможно осуществлять частотную модуляцию лазерного излучения в газоразрядных терагерцовых лазерах в пределах ширины спектральной линии. При этом оказывается возможным свести к минимуму паразитную амплитудную модуляцию, связанную с тем, что контур спектральной линии излучения активного вещества имеет колоколообразную форму. Для этого необходимо только правильно выбрать соответствующий диапазон изменения разрядного тока.

На рис.2 приведена зависимость мощности лазерного излучения от тока накачки. Точкам, обведенным окружностями, соответствуют измерения, при которых проводилась подстройка длины резонатора на максимум излучения. Точкам, обведенным квадратами, соответствуют измерения, при которых подстройка резонатора на максимум излучения проводилась только при значении разрядного тока 0,4 А. Точкам, обведенным треугольниками, соответствуют измерения, при которых подстройка резонатора на максимум излучения проводилась только при значении тока 0,15 А.

Рис. 2. Зависимость мощности лазерного излучения Р от разрядного тока I.

Fig. 2. Dependence of laser radiation power P on a charge current I Из приведенных зависимостей следует, что можно, например, выбрать рабочий диапазон изменения тока, соответствующий участку возрастания мощности излучения (рис.2) и при этом настроить резонатор при значении тока, близкому к минимальному из этого диапазона. В этом случае на мощность излучения влияют два фактора, которые частично компенсируют друг друга. Во первых, мощность должна возрастать с ростом тока накачки (кривая рис.2 с точками, обведенными кружками), что и происходит если частота лазера не изменяется. Однако, поскольку одновременно с этим должна происходить отстройка резонатора лазера от центральной частоты, мощность должна уменьшаться в соответствии с контуром спектральной линии. В результате совместного действия обоих указанных факторов действительное изменение мощности излучения происходит в соответствии с кривой, обозначенной треугольниками (рис.2). Из этого следует, что можно максимально сгладить паразитную амплитудную модуляцию, возникающую при осуществлении частотной модуляции лазера путем модуляции тока накачки.

III.                                   Заключение

Таким образом, возможно осуществлять частотную модуляцию терагерцового газоразрядного лазера в пределах ширины спектральной линии активного вещества путем модуляции разрядного тока. При этом оказывается возможным частично компенсировать паразитную амплитудную модуляцию, если правильно выбрать рабочий диапазон изменения тока.

IV.                            Список литературы

[1 ] в. А. Бондарев, Р. А. Валитов, М. Е. Жаботинский,

А. Я. Лейкин, Н. С. Соловьев, Б. В. Телегин. Измерение частоты ОКГ на НСМ.//Измерит. техника,№11,1970г. с.5-8.

[2]  Киселев В. К., Радионов В. П. Резонансный метод экс- пресс-оценки ширины полосы активного вещества субмиллиметрового лазера //Материалы Междунар. Крымской конф. «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо’2004) с. 640-641.

V. Р. RadlonovA simple mode of frequency tuning of the submillimeter laser. International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling LFNM 2004 69 September, 2004, Kharkiv, Ukraine p. 82-84.

FREQUENCY MODULATION OF TERAHERTZ GAS-DISCHARGE LASER RADIATION

V.                           K. Kiseliov, V. P. Radionov IRE NAS of Ukraine 12 Ac. Proskura St., Kharkov, 61085, Ukraine Ph.: 380 57 7203335, e-mail: kiseliov@ire.kharkov.ua

Abstract – A possibility of frequency modulation of terahertz gas-discharge laser within the limits of the width of active substance spectral line when modulating the pumping current has been considered.

I.                                         Introduction

Terahertz lasers, as well as any other sources of radiation, can be used in structure of various devices, including ones related to transferring information. Modulation of frequency of radiation can be necessary for work of such devices. Terahertz lasers can modulate frequency within the limits of the width of spectral line of active substance which is about ten MHz.

II.                                        Main Part

Terahertz lasers usually operate at a fixed-frequency mode of oscillating. Frequency of radiation can be changed within the limits of the width of spectral line of active substance. It can be carried out, for example, moving a mirror of the resonator [1]. The frequency monitoring can be fulfilled by a simple method [2,3,4]. It is more preferable to carry out modulation of frequency by an electric way. In terahertz gas-discharge laser, change of the pumping current value results in the variation of the active medium refractive index which, in its turn, results in the variation of the optical length of the resonator. It results in the resonator turning and radiation frequency change. Dependence of resonant length on pumping current is shown in Fig. 1 (It is shown for the laser with resonator length 1.2 m). Thus, it is possible to carry out frequency modulation of the terahertz gas- discharge laser within the limits of the width of spectral line of active substance by modulation of a discharge current. At the same time it is possible to compensate partially parasitic amplitude modulation, which is related to the fact that the contour of a spectral line of radiation of active substance is bell-shaped. For this purpose it is necessary to choose an operating range of current change correctly. The dependence of laser radiation power on pumping current is shown in Fig.2. As follows from shown dependences it is possible to choose an operating range of the current change corresponding to a region of increase in radiation power. At that the resonator length should be optimized with regard to minimal current from this range. In such a case two factors influence radiation power and compensate each other partially.

Firstly power should grow when pumping current increases. However, simultaneously with this process retuning the resonator of the laser from the central frequency occurs and power decreases in accordance with the spectral line contour which is bell-shaped. As a result, power radiation change occurs according to curve marked by triangles (Fig. 2).

III.                                       Conclusion

Thus, it is possible to realize frequency modulation of the terahertz gas-discharge laser within the limits of the width of spectral line of active substance by modulation of discharge current. At the same time it is possible to compensate parasitic amplitude modulation partially if operating range of current change is chosen properly.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты