Субміліметрові лазери з резонатором на основі круглого металевого хвилеводу

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Ткаченко Володимир Михайлович

УДК 621.373.826

СУБМІЛІМЕТРОВІ ЛАЗЕРИ З РЕЗОНАТОРОМ НА ОСНОВІ КРУГЛОГО МЕТАЛЕВОГО ХВИЛЕВОДУ

01.04.03 - Радіофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків - 1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському державному університеті Міністерства освіти України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Свіч Василь Антонович, Харківський державний університет, ректор.

Офіційні опоненти: - доктор фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент НАН України Шульга Валерій Михайлович, Радіоастрономічний інститут НАН України, завідувач відділу;

- кандидат фізико-математичних наук, доцент Фесенко Леонід Дмитрович, Українська інженерно-педагогічна академія, завідувач кафедри теоретичної та загальної електротехніки.

Провідна установа: Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, кафедра фізичних основ електронної техніки, Міністерство освіти України, м. Харків.

Захист відбудеться “_11” __грудня_ 1998 р. о _12__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.64.051.02 Харківського державного університету за адресою: 310077, м. Харків, м. Свободи, 4, ауд. _3-9 .

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці ХДУ за адресою: 310077, м. Харків, м. Свободи, 4.

Автореферат розісланий “_22 ” _жовтня_ 1998 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Чеботарьов В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.

Молекулярні лазери з оптичним накачуванням (ЛОН) випромінюванням СО2-лазера і заміною робочого газу спроможні дискретно перестроюватися в широкому діапазоні субміліметрових (СММ) і частково інфрачервоних та міліметрових хвиль. Завдяки цьому, вони перспективні для таких застосувань, як спектроскопія, магнітополяриметрія та інших, де потрібні широкодіапазонні джерела випромінювання. Однак до цього часу при пере- строюванні була необхідна заміна резонатора СММ комірки або її елементів, що ускладнювало екплуатацію лазера.

В лазерах з відкритим резонатором не вдається досягти ефективного оптичного накачування і сталості втрат енергії на зв'язок в широкому діапазоні довжин хвиль (). Це викликано тим, що зі зміною змінюється об'єм резонаторної моди, а накачуваний об'єм і розмір отвору зв'язку для виводу СММ випромінювання залишаються незмінними. Зазначені недоліки вдається усунути, використовуючи резонатори на основі порожнистого діелектричного або металевого широких хвилеводів, теорію яких розроблено Маркатілі і Шмельтцером (1964). В таких резонаторах конфігурація поля моди задається переважно хвилеводом, що розміщується між відбивачами резонатора, і слабо залежить від довжини хвилі. В довгохвильовій частині СММ діапазону резонатори на основі порожнистого діелектричного хвилеводу, так само як і відкриті резонатори, мають великі поперечні розміри. Внаслідок цього лазери стають незручними в роботі, знижуються коефіцієнт підсилення і потужність випромінювання лазера.

У зв'язку з цим, створення малогабаритного лазера з резонатором, що перестроюється в широкому діапазоні СММ хвиль, є актуальною задачею. Найбільш перспективними для створення такого лазера нам здаються резонатори на основі круглого металевого хвилеводу. Вони відрізняються від вищеназваних мінімальними розмірами і слабкою залежністю хвилеводних втрат енергії від довжини хвилі. Ефективність оптичного накачування в них вище завдяки тому, що випромінювання, що накачує, не залишає резонатор, а поглинання його в стінках хвилеводу мале. Це є особливо важливе у випадку, коли випромінювання, уводиться в резонатор СММ комірки вздовж його осі крізь отвір в дзеркалі і неодноразово взаємодіє із стінками хвилеводу. Ще одна перевага металевого хвилеводу - ефективність охолодження активного газу, яке необхідне у випадку високої потужності накачування.

Проте металохвилеводні СММ лазери мають дві вади: багатомодовість та низький ступінь поляризації вихідного випромінювання, особливо виражені у короткохвильовій частині діапазону. У відомих нам роботах задача селекції поперечних мод в металохвилеводних лазерах вирішується в порівняно вузькій довгохвильовій частині діапазону ( 0,4 мм), питання підвищення ступеня поляризації випромінювання практично не висвітлене.

Зменшення габаритів СММ лазера може бути досягнено застосуванням складаного резонатора, хвилевід якого розділено на декілька секцій, розташованих поряд та оптично зв'язаних системою поворотних дзеркал (СПД). Описані в літературі СПД не здійснюють зв'язок з малими втратами енергії у широкому діапазоні довжин хвиль.

Для підвищення ефективності СММ ЛОН необхідне створення оптимального просторового розподілу випромінювання, що накачує, в СММ комірці. СО2-лазер, вочевидь, повинен бути малогабаритним та при цьому задовільняти усім вимогам, які висуваються до джерел накачування.

Таким чином, при дослідженнях СММ ЛОН є необхідним комплексний підхід, охоплюючий питання формування мод у лазерному резонаторі та впливу на генерацію характеристик випромінювання, що накачує.

Мета та задачі роботи.

У роботі подано результати досліджень СММ ЛОН з резонатором на основі круглого металевого хвилеводу, проведених з метою створення широкодіапазонного малогабаритного лазера.

Для досягнення цієї мети вирішувалися такі задачі:

- дослідження мод резонаторів на основі круглого металевого хвилеводу та розробка методики розрахунку хвилеводних резонаторів з нецентральними отворами зв'язку у відбивачах;

- селекція поперечних мод генерації та підвищення ступеня поляризації вихідного випромінювання СММ ЛОН;

- створення малогабаритного СО2-лазера для ефективного оптичного накачування;

- створення на основі складаного хвилеводного резонатора малогабаритного ЛОН, що перестроюється у всьому СММ діапазоні;

- застосування розробленого ЛОН для магнітополяриметрії напівпровідників.

Зв'язок роботи з науковими програмами.

Результати цієї роботи одержано при виконанні науково-дослідних робіт у Харківському державному університеті в рамках міжвузівської програми “Лазери-2”, програми “Лазерні системи” (Наказ ДКНО №678 від 21.08.89) та координаційного плану Міністерства освіти України “Взаємодія електромагнітного випромінювання та потоків заряджених частинок з речовиною”.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше експериментально досліджено залежність втрат нижчих мод металохвилеводних СММ резонаторів від взаємного розташування хвилеводу та однорідних відбивачів.

2. Запропоновано металохвилеводний резонатор СММ лазера із зміщенним від осі вихідним отвором зв'язку, розвинено методику розрахунку його мод, теоретично і експериментально досліджено ефект збільшення ступеня поляризації вихідного випромінювання.

3. Запропоновано нову конструкцію складаного малогабаритного резонатора, на базі якого створено малогабаритний СММ ЛОН, працюючий у діапазоні довжин хвиль від 0,07 до 1 мм.

4. Вперше експериментально досліджено режим генерації зустрічних хвиль та затягування частот у кільцевому СН3ОН-лазері із двоспрямованим оптичним накачуванням.

5. Запропоновано та реалізовано нову конструкцію щілинного хвилеводного СО2-лазера з високочастотним розрядом.

6. Вперше створено лазерний СММ магнітополяриметр для вимірювання параметрів напівпровідників та продемонстровано його працездатність в діапазоні довжин хвиль від 0,07 до 0,16 мм.

Достовірність результатів.

Достовірність отримання наукових результатів визначається застосуванням апробованих раніше експериментальних та теоретичних методів розв'язання задач, проведенням експериментальних досліджень на перевіреній апаратурі з аналізом похибки вимірювання та порівнянням результатів експерименту з результатами розрахунків, виконаних нами або іншими авторами.

Практична цінність роботи.

1. Створено призначений до застосування у наукових дослідженнях широкодіапазонний малогабаритний СММ лазер.

2. Малогабаритний СО2-лазер може бути використований як для оптичного накачування, так і для інших цілей.

3. Створено лазерний магнітополяриметр, який використовується для вимірювання концентрації вільних носіїв заряду у напівпровідниках.

Результати цієї роботи увійшли до науково-технічних звітів по НДР і використані в Інституті атомної енергії ім. І.В.Курчатова (м.Москва) та Харківському фізико-технічному інституті НАН України.

Особистий внесок здобувача.

- участь у постановці задач досліджень;

- проектування і участь у складенні та налагодженні експериментальних установок, проведення вимірювань;

- теоретичне обгрунтування та проведення розрахунків впливу зміщення отвору зв'язку на характеристики мод хвилеводного резонатора;

- аналіз одержаних результатів вимірювань та розрахунків;

- написання наукових праць за темою дисертації.

Апробація результатів та публікації.

Результати дисертації доповідались на Всесоюзній конференції “Питання стабілізації частоти” (м.Горький, 1985), 6-й Всесоюзній конференції “Метрологічне забезпечення вимірювань частотних та спектральних характеристик випромінювання лазерів (м.Харків, 1990), Міжнародному симпозіумі “Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves” (м.Харків, 1994), Міжнародній конференції CLEO/Europe - EQEC'96 (Hamburg, Germany, 1996).

Основні положення дисертації викладено у 7 публікаціях, серед яких 4 статті у наукових журналах і 3 - у збірниках наукових праць.

Основні положення, які виносяться на захист.

1. Малогабаритний СММ ЛОН з резонатором на основі круглого металевого хвилевода та плоских дзеркал з отворами зв'язку працює у широкому діапазоні довжин хвиль (0,1-1 мм) без зміни елементів резонатора.

Встановлено, що в такому лазері:

- мода TE01q має максимальну потужність генерації і найстійкіша при змінах геометрії резонатора, її селекція здійснюється запровадженням ділянки вільного простору між відбивачем і хвилеводом;

- необхідний ступінь поляризації вихідного випромінювання досягається зміщенням отвору зв'язку від осі резонатора;

- складаний хвилеводний резонатор з запропонованою системою поворотних дзеркал є ефективний у широкому діапазоні довжин хвиль і дозволяє значно зменшити габаритні розміри СММ комірки.

2. Коаксіальний хвилеводний СО2-лазер має оптимальну форму вихідного пучка для оптичного накачування металохвилеводного СММ лазера при малих габаритних розмірах.

3. В кільцевому СММ лазері з двоспрямованим оптичним накачуванням різниця частот зустрічних хвиль генерації пропорційна віддалі частоти накачування від центра контура поглинання і зростає із збільшенням різниці потужностей пучків накачування. Відбувається плавний перерозподіл потужності генерації між зустрічними хвилями при перестроюванні частоти резонатора поблизу центра контура підсилення на відміну від стрибкоподібного при односпрямованому накачуванні.

4. Магнітополяриметр на основі широкодіапазонного металохвилеводного СММ ЛОН дозволяє вимірювати концентрацію вільних носіїв заряду в напівпровідниках у межах від 1012 до 1016 см-3.

Структура и обсяг дисертації.

Дисертація складається з передмови, 3 розділів, висновків та списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації складає 153 сторінки. Вона містить 37 рисунків (на 31 стор.), 9 таблиць (в тексті), 138 найменувань в списку використаних джерел (на 13 стор.).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У передмові наведено короткий огляд літератури, що розкриває стан наукової проблеми СММ ЛОН з резонатором на основі круглого металевого хвилеводу. Поставлено задачі, які необхідно розв'язати для створення широкодіапазонного і малогабаритного лазера. Подано загальну харак- теристику дисертації.

В першому розділі на основі огляду літератури вибрано методи експериментального та теоретичного досліджень резонаторів з круглим металевим хвилеводом, уведено основні поняття, що використовуються при розгляданні резонаторних мод, подано результати досліджень пасивних резонаторів, проведених з метою селекції моди TE01q і підвищення ступеня поляризації випромінювання, що виходить з резонатора.

Описана експериментальна установка для досліджень мод металохвилеводного резонатора з однорідними відбивачами, що був включений “на прохід” і збуджений випромінюванням з = 0,4326 мм. Ідентифікацію мод проведено шляхом порівняння результатів вимірювань з результатами розрахунку поперечного розподілу інтенсивності і ступеня поляризації випромінювання, що виходило з резонатора, а також міжмодових частотних інтервалів. На основі розрахунку вибрано параметри хвилеводів резонаторів, що досліджувалися, при яких можлива надійна ідентифікація мод: для мідних хвилеводів - внутрішній діаметр 2а = 19,80; 9,86 мм, для сталевого - 2а = 4,93 мм при довжині 465 мм. Моди, що збуджувалися в резонаторі, ідентифіковано як TEmnq, що формуються власними хвилями круглого металевого хвилеводу типу TEmn. Втрати енергії мод за круговий обхід резонатора визначалися шляхом вимірювання ширини резонансної кривої. З них виділялися хвилеводні втрати і додаткові втрати, що залежать від взаємного розташування елементів резонатора.

Хвилеводні втрати мод TE1nq и TE01q перевищують їх теоретичні значення, відповідно, в 1,1 1,3 и 2 рази. Додаткові втрати, що породжуються малим перекосом відбивача (до 4 мрад) і дифракцією на відкритій ділянці довжиною h між відбивачем і хвилеводом (при h > а), мають найменшу величину для моди TE01q порівняно з іншими модами. Залежність втрат енергії від h використована для селекції моди TE01q.

Для підвищення ступеня поляризації вихідного випромінювання на моді TE01q нами запропоновано зміщати отвір зв'язку від осі резонатора. Вирішено задачу про знаходження характеристик мод резонатора зі зміщенним отвором зв'язку матричним методом, в якому поле моди шукається у вигляді суперпозиції полів власних хвиль хвилеводу класу TEon. Чисельним методом знайдено розподіл поля мод на вихідному дзеркалі, сумарні втрати енергії і фазові зсуви за круговий обхід резонатора, втрати на зв'язок і ступінь поляризації випромінювання, що виходить в отвір зв'язку.

За допомогою розрахунку показано, що фазовий зсув моди, яка сформована переважно хвилею TE01, слабо залежить від діаметра і зміщення отвору, що змінюються в межах від 0 до а, навіть якщо внесок в енергію моди хвилі TE01 зменшується до 78 %. Отвір слабо збурює розподіл інтенсивності моди так, що потік енергії на отворі зменшується. Ступінь поляризації вихідного випромінювання збільшується зі зростанням відношення величини зміщення до величини радіуса отвору, прямуючи до 100 %.

Другий розділ містить результати досліджень мод генерації металохвилеводного ЛОН в короткохвильовій частині СММ діапазону, малогабаритного коаксіального щілинного СО2-лазера, а також особливостей генерації СММ лазера в умовах накачування двома зустрічними пучками.

Експериментальні дослідження мод генерації проведено в лазері, що працює на лінії генерації молекули СН3ОН з = 0,1188 мм при накачуванні випромінюванням СО2-лазера на переході 9Р36 ( = 9,69 мкм). Наведено отримані залежності вихідної потужності на різних модах генерації від відстані h між вихідним дзеркалом і хвилеводом. Із збільшенням h до 9а при 2а = 19,92 мм потужність моди TE01q знижується на 15 %, тимчасом як потужність мод TE0nq и TE1nq - в 2 і більше разів. Це підтверджує ефективність селекції мод вибором величини h.

Виміряно залежності потужності і ступеня поляризації вихідного випромінювання на моді генерації TE01q від параметрів отвору зв'язку. Із збільшенням зміщення отвору від осі резонатора ступінь поляризації зростає, а вихідна потужність, як правило, проходить через максимум. Експериментальні залежності порівнються з результатами розрахунку. Ступінь поляризації розраховано за методикою, що розвинута в першому розділі для порожнього резонатора. У розрахунку вихідної потужності використано знайдені характеристики мод порожнього резонатора, розрахована величина насичувальної інтенсивності та виміряна - ненасиченого коефіцієнта підсилення активного середовища СММ лазера. Розраховані залежності збігаються з виміряними за винятком випадків малих зміщень та діаметрів отвору. Це пояснюється деформацією поля моди породженою неідеальністю резонатора (особливо перекосом дзеркал) і участю в формуванні моди хвиль з ненулевим полем на осі резонатора. Отже, розвинута методика розрахунку може бути корисною при виборі оптимальних для будь-якого конкретного лазера параметрів отвору зв'язку, відповідних до максимальної вихідної потужності при заданому ступені поляризації випромінювання. Для застосованого в експериментах лазера оптимальним був отвір діаметром 5 мм, зміщений від осі резонатора на 2 мм.

Наведено порівняльний аналіз відомих конструкцій безперервних електророзрядних СО2-лазерів з дифузійним охолодженням активного середовища з точки зору їх відповідності вимогам, що ставляться до джерела накачування малогабаритного СММ лазера. Вибрано щілинну конструкцію з високочастотним розрядом. З метою зменшення габаритів і формування вихідного пучка, у якого розподіл інтенсивності подібний розподілу моди металохвилеводного СММ лазера, нами запропоновано коаксіальний щілинний СО2-лазер. Відстань між стінками розрядної камери є характерною для капілярних лазерів, тому стінки утворюють коаксіальний металооптичний хвилевід, вперше досліджений В.А.Пружановським (1970). Моди лазера формуються власними хвилями коаксіального хвилеводу типу HEmn.

Внутрішній циліндр коаксіального хвилеводу СО2-лазера закріплено на двох стержнях, що розміщуються в торцях хвилеводу по діаметру його поперечного перерізу. Найбільшу вихідну потужність лазер має на моді HE11q, для якої стержні опиняються у вузлах поля. Поперечний розподіл інтенсивності пучка вихідного випромінювання на відстані від лазера до 2 м подібний розподілу моди TE01q металохвилеводного СММ лазера (наведено термовідбитки пучка СО2-лазера). На робочій суміші газів He : CO2 : N2 : Xe, взятих у співвідношенні 4 : 1 : 1 : 0,25 при сумарному тиску 40 мм. рт.ст., отримано вихідну потужність лазера 14 Вт при довжині розряду 35 см і потужності, що надана в розряд, 420 Вт. Частота збудження розряду дорівнює 30 МГц. Залежність вихідної потужності від наданої в розряд не досягає насичення, оскільки густина потужності накачування значно менша, ніж гранична для капілярного лазера, еквівалентного даному по тепловому режиму розряду. Граничну вихідну потужність, що отримується з одиниці довжини розряду, можна значно підвищити шляхом збільшення радіусів коаксіальності розрядної камери, мало змінюючи при цьому габарити лазера.

Смуга безперервного перестроювання частоти коаксіального СО2-лазера в межах одного коливально-обертального переходу складає 270 МГц по нульовому рівню вихідної потужності, що в 3-4 рази більше, ніж у лазерів з відкритим резонатором. Вона може бути збільшена шляхом зменшення відстані між електродами. Це дозволяє збільшити кількість робочих ліній генерації СММ лазера за рахунок тих, що належать молекулам, у яких лінії поглинання є далеко віддалені від центрів переходів СО2-лазера.

Для стабілізації частоти СО2-лазера в будь-якій точці смуги безперервного перестроювання застосована система автоматичного підстроювання частоти (АПЧ) по опорному резонатору. Термостатування опорного резонатора у рідкому азоті дозволило максимально наблизити охолоджуваний детектор на основі кристалу Ge/Au до вихідного дзеркала резонатора і за рахунок цього зменшити втрати випромінювання в системі. Перестроювання і модуляція частоти резонатора здійснюється за допомогою п'єзокераміки. Система АПЧ дозволяє стабілізувати частоту лазера в смузі, яка на 15 МГц вужче смуги безперервного перестроювання по нульовому рівню вихідної потужності. В режимі стабілізації найбільший відхил вихідної потужності лазера від середнього значення не перевищує 5 %.

Оптичне накачування СММ лазера двома зустрічними пучками випромінювання призводить до того, що кожний з контурів підсилення хвиль генерації, що поширюються в резонаторі у протилежних напрямках, складається з двох однорідно розширених ліній. Внаслідок ефекта Доплера частотний інтервал між лініями описується формулою:

= 2(н / г) н, (1)

Де н, г - довжини хвиль накачування і генерації, відповідно;

н - віддаль частоти накачування від центру поглинального переходу.

В загальному випадку коефіцієнти підсилення на центрах однорідно розширених ліній різні внаслідок неоднаковості потужностей зустрічних пучків накачування і перевищення підсилення прямої хвилі (що біжить в тому ж напрямку, що й хвиля накачування) над підсиленням зворотної. Потужність генерації лазера, резонатор якого настроєно на задану точку контура, визна- чається сумарним підсиленням ліній, а частота - їх сумарним затягуванням.

В лінійному лазері зустрічні хвилі генерації є складові єдиної стоячої хвилі і контур підсилення складається з чотирьох ліній. Нами експериментально спостерігалися два максимуми контура підсилення лінійного СН3ОН-лазера, отримано задовільний збіг результатів вимірювань і розрахунку за формулою (1). На основі цих результатів оптимізовано віддаль частоти накачування у гетеродинному лазерному інтерферометрі, що працює на довжині хвилі 0,1188 мм. Для отримання проміжної частоти 1 МГц вимірювальний і гетеродинний СММ лазери інтерферометра настроюються на різні максимуми контура підсилення. При н = 6,5 МГц досягнуто збільшення сумарної потужності лазерів на 20 % і зростання стабільності потужності порівняно з випадком н = 0.

В кільцевому лазері з двоспрямованим накачуванням вперше експериментально досліджено залежності різниці частот зустрічних хвиль генерації від параметрів накачування і настроювання резонатора. Дано пояснення отриманих результатів на основі ефекта затягування частот контурами підсилення.

Встановлено, що різницева частота наближується до нуля при рівних потужностях зустрічних хвиль накачування Рн1, Рн2 та н = 0 і збільшується із зростанням (Рн1 - Рн2) та н. Отримано різницеву частоту 200 кГц без застосування невзаємних елементів в резонаторі. Досліджено конкуренцію зустрічних хвиль генерації поблизу центра контура підсилення. Виявлено плавний перерозподіл потужності генерації між зустрічними хвилями при перестроюванні резонатора на відміну від стрибкоподібного у випадку односпрямованого накачування.

В третьому розділі надано результати досліджень характеристик мета- лохвилеводного СММ ЛОН в діапазоні довжин хвиль від 0,07 до 0,93 мм. З метою зменшення габаритів лазера запропоновано нову конструкцію складаного хвилеводного резонатора. Описано створений нами малогабаритний широкодіапазонний СММ ЛОН і доведено доцільність його використання для вимірювання параметрів напівпровідників магнітополяриметричним методом.

В складаному резонаторі застосовано широкодіапазонну СПД, що містить два сферичних і одно плоске дзеркало. Завдяки останньому досягається необхідний для зменшення аберацій малий кут падіння хвильового пучка на сферичні дзеркала при паралельному розміщенні хвилеводів, що зв'язуються. Дана СПД здійснює неспотворену передачу поперечного розподілу поля хвильового пучка від одного хвилевода до іншого з точністю до масштабного множника К = 3/4, де 3, 4 - фокусні відстані сферичних дзеркал. Наведено необхідні для цього умови, що зв'язують параметри елементів системи і відстані між ними з межами робочого діапазону довжин хвиль. Співвідношення виходять з розв'язку задачі о поширенні хвильового пучка у наближенні хвильової оптики.

СПД з 3 = 4 = 80 мм випробовано в середній частині СММ діапазона на = 0,5706 мм. Енергетичні втрати, що вносяться СПД у хвилеводний тракт з двох мідних хвилеводів (2а = 19,8 мм), складають 4,5 %, що дорівнює тепловим втратам в поворотних дзеркалах. Для порівняння, СПД на основі двох плоских дзеркал в цьому випадку вносить тільки дифракційні втрати 26 %.

СММ ЛОН із складаним резонатором на основі двох хвилеводів довжиною по 0,5 м не поступається по вихідній потужності перед лазером з резонатором такої ж сумарної довжини на основі одного хвилевода. Експерименти проведено на шости лініях генерації, у яких довжини хвиль приблизно рівномірно розподілені в діапазоні від 0,1 до 1 мм. Доведено, що при потужності накачування 10 Вт збільшення довжини СММ комірки з даним хвилеводом більше, ніж 1 м, є недоцільним.

Ступінь поляризації вихідного випромінювання лазера із зміщеним отвором зв'язку збільшується із зростанням , що пояснюється збільшенням відносного внеску хвиль TE0n в моду генерації. Положення площини переважних коливань випромінювання однакове для всіх ліній генерації і задається напрямком зміщення отвору, що не досягається в лазерах з відкритим або діелектричним резонатором.

Розроблений на основі викладених вище результатів малогабаритний широкодіапазонний СММ ЛОН складається з СО2-лазера, складаної СММ комірки, оптичної системи введення випромінювання, що накачує, в комірку, напівавтоматичної системи заміни і контролю робочих газів і двох систем автоматичного підстроювання потужності (АПП) СО2-лазера і СММ комірки. Лазер має вихідну потужність більше 1 мВт на 15 лініях генерації молекул СН3ОН, НСООН та НСООD з довжиною хвиль від 0,07 до 0,93 мм і ступінь поляризації вихідного випромінювання не менше від 80 %. Перестроювання по лініям генерації здійснюється шляхом перестроювання СО2-лазера по коливально-обертальних переходах і заміни робочого газу в СММ комірці, коли це треба. Заміна елементів резонатора не є потрібною.

Заміна робочих газів виконується напівавтоматичною системою за допомогою насоса та електромагнітних вакуумних клапанів, а підтримування оптимального тиску газа в комірці - за допомогою автоматичного регулювання швидкості випаровування робочих речовин. Системи АПП працюють за принципом порівняння сигналів вихідної потужності лазерів з опорними напругами і підстроювання довжини резонаторів за сигналами помилки.

Блок випромінювача СММ ЛОН, що містить СО2-лазер, СММ комірку, систему введення накачування, датчики та виконавчі елементи автоматичних систем, має розміри 700х400х250 мм3. Час роботи блока у відпаяному режимі не менше від 48 годин при зниженні вихідної потужності на 20 %.

У працях Галанова (1989) відзначено, що подальший розвиток діагностики напівпровідників магнітополяриметричними методами зв'язаний із застосуванням СММ лазерів, що дозволять вимірювати параметри вузькозонних напівпровідників і розширити межі діапазону вимірюваних величин. Нами на основі широкодіапазонного СММ ЛОН створено магнітополяриметр, який використовується для вимірювання концентрації N вільних носіїв заряду (ВНЗ) в напівпровідниках.

Вимірювання концентрації грунтується на вимірюванні кута магнітооптичного обертання площини поляризації випромінювання в напівпровіднику відповідно до ефекта Фарадея. Схема з подвійною модуляцією зондуючого випромінювання механічним модулятором і змінним магнітним полем дозволяє послабити вплив нестабільності потужності лазера на точність вимірювання кута . Концентрація ВНЗ зв'язана з кутом відомою формулою, якщо виконується умова короткохвильового наближення:

( )2 >> 1, (2)

Де - колова частота випромінювання;

- час розсіяння ВНЗ в напівпровіднику.

Ця умова практично завжди виконується в інфрачервоній частині спектру, однак в СММ діапазоні вона потребує експериментальної перевірки. Про правильність короткохвильового наближення свідчить лінійна залежність кута від квадрата довжини хвилі. Нами експериментально доведено, що це має місце для зразка GaAs в діапазоні довжин хвиль від 0,07 до 0,16 мм, і виміряно концентрацію ВНЗ, що становила 6,4·1014 см-3.

Для зменшення похибки вимірювань, що спричиняється інтерференцією випромінювання у зразку, є необхідним виконання умови:

d > 1, (3)

Де - коефіцієнт поглинання напівпровідника;

d - товщина зразку, що досягається підбором товщини зразку або довжини хвилі зондуючого випромінювання.

Головною перевагою даного магнітополяриметра є можливість вимірювання малих концентрацій ВНЗ (до 1012 см-3), що в 100 разів менше від нижньої границі для магнітополяриметрів інфрачервоного діапазону.

У висновках розкрито методи вирішення поставлених в дисертації задач, наведено основні отримані результати і викладено рекомендації щодо їх використання.

ВИСНОВКИ

металевий хвилевод резонатор випромінювання

Отримано такі основні результати:

1. В пасивному металохвилеводному резонаторі, що збуджується на довжині хвилі 0,4326 мм:

а) додаткові енергетичні втрати, що вносяться ділянкою вільного простору між хвилеводом і відбивачем, а також перекосом відбивача є найменші для моди TE01q;

б) ступінь поляризації випромінювання, що виходить з резонатора, збудженого на моді TE01q, збільшується із зростанням відношення зміщення отвору зв'язку до величини радіуса отвору.

2. В СММ ЛОН з металохвилеводним резонатором:

а) найбільша вихідна потужність досягається на моді генерації TE01q;

б) селекція моди TE01q здійснюється вибором відстані між хвилеводом і дзеркалом;

в) одночасне збільшення ступеня поляризації і потужності вихідного випромінювання досягається за допомогою вибору параметрів отвору зв'язку на основі чисельного розрахунку по розвинутій в роботі методиці.

3. Запропоновано і досліджено коаксіальний хвилеводний СО2-лазер з високочастотним розрядом, що є перспективним джерелом накачування металохвилеводного СММ лазера завдяки тому, що має:

а) поперечний розподіл інтенсивності вихідного випромінювання подібний до розподілу моди генерації TE01q СММ лазера;

б) ширину смуги безперервного перестроювання частоти в кілька разів більшу, ніж у лазерів з відкритим резонатором;

в) мінімальні габарити завдяки можливості збільшення вихідної потужності, що отримується з одиниці довжини розряду.

4. Показано можливість стабілізації частоти СО2-лазера в широкій смузі безперервного перестроювання за допомогою системи АПЧ по опорному резонатору.

5. Дослідженнями впливу двоспрямованого оптичного накачування на генерацію СММ ЛОН показано, що:

а) в лінійному лазері контур підсилення має два максимуми, відстань між якими пропорційна віддалі частоти накачування від центра лінії поглинання;

б) в кільцевому СММ лазері з двоспрямованим оптичним накачуванням різниця частот зустрічних хвиль генерації пропорційна віддалі частоти накачування від центра контура поглинання і зростає із збільшенням різниці потужностей пучків накачування, відбувається плавний перерозподіл потужності генерації між зустрічними хвилями поблизу центра контура підсилення на відміну від стрибкоподібного при односпрямованому накачуванні.

6. Запропоновано і досліджено складаний хвилеводний резонатор для СММ ЛОН, що має малі енергетичні втрати на його відкритих ділянках в широкому діапазоні довжин хвиль.

7. Створено малогабаритний СММ ЛОН, що працює в діапазоні довжин хвиль від 0,07 до 0,93 мм без заміни елементів резонатора.

8. Створено лазерний СММ магнітополяриметр для вимірювання малих (1012 см-3 і більше) концентрацій ВНЗ в напівпровідниках і доведено правильність короткохвильового наближення для описування магнітооптичного обертання площини поляризації випромінювання з довжиною хвилі від 0,07 до 0,16 мм в арсениді галія.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ, ЩО ВІДБИВАЮТЬ ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Свич В.А., Ткаченко В.М., Топков А.Н. Волноводный коаксиальный СО2-лазер, возбуждаемый ВЧ разрядом //Квантовая электроника.- 1990.- Т. 17, №6.- С. 690-693.

2. Кольцевой СН3ОН-лазер с двунаправленной оптической накачкой /В.Н.Диденко, В.А.Свич, В.М.Ткаченко, А.Н.Топков //Квантовая электроника.- 1991.- Т. 18, №7.- С. 809-812.

3. Малогабаритная лазерная система в диапазоне длин волн 0,07-1 мм В.А.Епишин, В.А.Свич, В.М.Ткаченко, А.Н.Топков, Д.Н.Юндев //Научное приборостроение в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах радиоволн: Сб. научн. тр. ИРЭ АН Украины.- Харьков.- 1992.- С. 5-12.

4. Металлические волноводные резонаторы субмиллиметровых лазеров с однородными отражателями /А.В.Дегтярев, В.А.Свич, В.М.Ткаченко, А.Н.Топков //Использование миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов: Сб. научн. тр. ИРЭ АН Украины.- Харьков.- 1993.- С. 105-111.

5. Компактный широкодиапазонный субмиллиметровый лазер /В.А.Маслов, В.А.Свич, В.М.Ткаченко, А.Н.Топков, Д.Н.Юндев // Физика плазмы.- 1994.- Т. 20, №1. - С. 30-32.

6. Лазерный субмиллиметровый магнитополяриметр /О.В.Гурин, В.А.Свич, В.М.Ткаченко, А.Н.Топков //Применение радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов: Сб. научн. тр. ИРЭ НАН Украины.- Харьков.- 1994.- С. 142-147.

7. Оптимизация металлического волноводного резонатора субмилли- метрового лазера /О.В.Гурин, А.В.Дегтярев, В.А.Свич, В.М.Ткаченко, А.Н.Топков //Квантовая электроника.- 1997.- Т. 24, №1.- С. 33-36.

АНОТАЦІЇ

Ткаченко В.М. Субміліметрові лазери з резонатором на основі круглого металевого хвилеводу.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика.- Харківський державний університет, Харків, 1998.

Дисертація містить результати досліджень субміліметрових лазерів, що оптично накачуються, з резонатором на основі круглого металевого хвилеводу і відбивачів з отворами зв'язку. Вирішено задачі селекції поперечних мод, підвищення ступеня поляризації і потужності вихідного випромінювання, а також зменшення габаритів лазера. Оптимізовано СО2-лазер для оптичного накачування та досліджено особливості генерації субміліметрового лазера у випадку накачування двома зустрічними хвилями. Створено малогабаритний лазер, що ефективно працює в діапазоні довжин хвиль від 0,07 до 1 мм без заміни елементів резонатора. Продемонстровано можливість його використання для вимірювання малих концентрацій вільних носіїв заряду в напівпровідниках методом магнітополяриметрії.

Ключові слова: субміліметровий лазер, металевий хвилевод, селекція мод, поляризація випромінювання, оптичне накачування, зменшення габаритів, магнітополяриметрія.

Ткаченко В.М. Субмиллиметровые лазеры с резонатором на основе круглого металлического волновода.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика.- Харьковский государственный университет, Харьков, 1998.

Диссертация содержит результаты исследований оптически накачиваемых субмиллиметровых лазеров с резонатором на основе круглого металлического волновода и отражателей с отверстиями связи. Решены задачи селекции поперечных мод, повышения степени поляризации и мощности выходного излучения, а также уменьшения габаритов лазера. Оптимизирован СО2-лазер для оптической накачки и исследованы особенности генерации субмиллиметрового лазера в случае накачки двумя встречными волнами. Создан малогабаритный лазер, эффективно работающий в диапазоне длин волн от 0,07 до1 мм без замены элементов резонатора. Продемонстрирована возможность его использования для измерения малых концентраций свободных носителей заряда в полупроводниках методом магнитополяриметрии.

Ключевые слова: субмиллиметровый лазер, металлический волновод, селекция мод, поляризация излучения, оптическая накачка, уменьшение габаритов, магнитополяриметрия.

Tkachenko V.M. Submillimeter lasers with the resonator on the base of a circular metallic waveguide.- Manuscript.

Thesis for a scientific degree of candidate in physics and mathematics by speciality 01.04.03 - radiophysics.- Kharkiv State University, Kharkiv, 1998.

The thesis contains the results of research of optically pumped submillimeter lasers with the resonator on the base of a circular metallic waveguide and reflectors with an outcoupling aperture. The problems are resolved of the transverse modes selection, of the increase in the output radiation polarization degree and power, as well as of the laser dimensions decrease. The CO2-laser was optimized for optical pumping and the characteristic properties were investigated of a submillimeter laser oscillation in the case of pumping by two counterrunning waves. The compact laser was developed to be operating efficiently in the wavelength range from 0,07 to 1 mm without the resonator elements replacement. A scope was demonstrated for application of the laser for measurement of small concentrations of free charge carriers in semiconductors by the method of magnetopolarimetry.

Key words: submillimeter laser, metallic waveguide, mode selection, radiation polarization, optical pumping, dimensions decrease, magnetopolarimetry.

Размещено на Allbest.ur

...