Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені В.Н. КАРАЗІНА

УДК 621.373.826

СЕЛЕКЦІЯ ПОПЕРЕЧНИХ МОД В КВАЗІОПТИЧНИХ МЕТАЛОХВИЛЕВІДНИХ РЕЗОНАТОРАХ СУБМІЛІМЕТРОВИХ ЛАЗЕРІВ З ОПТИЧНИМ НАКАЧУВАННЯМ

01.04.03 - радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Дегтярьов Андрій Вікторович

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті

імені В. Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор

Свіч Василь Антонович,

Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна,

завідувач кафедри квантової радіофізики.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Дзюбенко Михайло Іванович,

Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України, завідувач відділу квантової електроніки та нелінійної оптики (м. Харків);

доктор фізико-математичних наук, професор

Просвірнін Сергій Леонідович,

Радіоастрономічний інститут НАН України,

завідувач відділу теоретичної радіофізики (м. Харків).

Захист відбудеться “_12_” _жовтня____ 2007 р. о _15³⁰_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи 4, ауд. 3-9.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи 4.

Автореферат розісланий “_7_” _вересня_______ 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.Ф. Ляховський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

випромінювання субміліметровий хвилевод металевий

Актуальність роботи. Молекулярні лазери з оптичним накачуванням (ЛОН) є унікальними джерелами випромінювання, що дискретно перестроюються в усьому субміліметровому (СММ) і частково міліметровому діапазонах довжин хвиль. Вони з успіхом застосовуються в діагностиці високотемпературної плазми, магнітополяриметрії й спектроскопії напівпровідників, вимірюванні параметрів полімерних матеріалів, медицині й біології. Для перерахованих вище застосувань СММ ЛОН потрібне джерело випромінювання, що дискретно перестроюються в широкому діапазоні довжин хвиль та працює в одномодовому режимі. При розробці конструкцій резонаторів СММ ЛОН існує проблема вибору між необхідністю одержання як необхідного рівня вихідної потужності, так і малої кутової розбіжності вихідного пучка. У багатомодовому лазерному резонаторі вихідне випромінювання має більшу розбіжність. Даний режим роботи генератора призводить до значного погіршення таких основних характеристик лазерного випромінювання як монохроматичність і когерентність. Для його поліпшення необхідно зменшити кількість мод генерації, переважно до однієї моди.

Ефективним методом селекції поперечних мод у відкритих резонаторах являється застосування діафрагми, яка дозволяє істотно збільшити втрати всіх мод, крім TEM_00q. Якщо необхідно забезпечити компактність і широкодіапазонність лазера, переважніше використовувати резонатори на основі порожніх хвилеводів. При цьому металеві хвилеводи, вносять менший вклад в енергетичні втрати типів коливань у довгохвильовій частині СММ діапазону, ніж діелектричні, за тих же поперечних розмірів. Перевагою металевого хвилеводу є й ефективний тепловідвід від активного середовища при високих потужностях накачування, особливо при найбільш часто застосовуваному способі накачування розтрубом, коли інфрачервоне випромінювання вводиться в комірку через малий отвір в одному з відбивачів. До недоліків квазіоптичних хвилевідних резонаторів (КХР) на основі металевого хвилеводу можна віднести багатомодовість і менший ступінь поляризації вихідного випромінювання лазера. Для зменшення габаритних розмірів квантових генераторів останнім часом широко застосовуються резонатори складаної конструкції, які мають два або більше хвилеводів, які зв'язані квазіоптично одним або системою поворотних дзеркал (СПД). У відомих на сьогодні варіантах СПД втрати дуже залежать від довжини хвилі, що обмежує їхнє застосування для широкосмугових систем. На кафедрі квантової радіофізики ХНУ ім.В.Н.Каразіна запропонована поворотна система на основі двох сферичних і одного плоского дзеркал, яка ефективна в широкому діапазоні довжин хвиль. Але створений на її основі СММ ЛОН працював у багатомодовому режимі, тому що в запропонованому варіанті СПД не забезпечується селекція поперечних мод. Широкодіапазонний режим роботи ЛОН без заміни елементів резонатора можливо забезпечити тільки при використанні широкодіапазонного пристрою зв'язку резонатора з вільним простором. Найбільше просто це досягається застосуванням вихідного дзеркала з отвором зв'язку.

Таким чином, для створення широкодіапазонного малогабаритного СММ ЛОН з модовим селектором необхідно розглянути питання формування лазерних мод з урахуванням їх взаємодії на отворах зв'язку, методи селекції нижчих і вищих поперечних мод, умови поширення випромінювання накачування в СММ кюветі. Для лазерів, які перестроюються в широкому діапазоні довжин хвиль, необхідні методи, які дозволяють технічно просто здійснювати селекцію мод при перебудові резонатора.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана на кафедрі квантової радіофізики Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна в рамках координаційного плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України “Взаємодія електромагнітного випромінювання і потоків заряджених часток с речовиною”. Матеріали дисертації безпосередньо пов'язані з темами держбюджетних НДР: “Лазери субміліметрового діапазону довжин хвиль та їх застосування” (№ держреєстрації 0194U018567), “Квазіоптичні хвилевідні резонатори і лазери на їх основі в інфрачервоному і субміліметровому діапазоні довжин хвиль” (№ держреєстрації 0100U003359), “Резонансні і направляючі електродинамічні структури з хвилевідними і відкритими ділянками” (№ держреєстрації 0103U004234), “Внутрішньорезонаторні методи формування високоякісних лазерних пучків” (№ держреєстрації 0106U001558).

Мета і завдання дослідження. Метою даної роботи є пошук ефективних методів селекції поперечних мод у металохвилевідних квазіоптичних резонаторах субміліметрових лазерів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

· дослідити поширення СММ випромінювання в порожнистих металевих хвилеводах;

· розвити метод розрахунку хвилевідних резонаторів з урахуванням взаємодії мод на отворах зв'язку у відбивачах;

· оцінити ефективність різних типів модових селекторів у квазіоптичному хвилевідному резонаторі;

· вивчити вплив модових селекторів на умови поширення ІЧ випромінювання накачування в резонаторі СММ ЛОН;

· показати ефективність роботи компактного широкодіапазонного СММ ЛОН з модовим селектором.

Об'єктом дослідження в роботі являються фізичні процеси у квазіоптичних металохвилевідних резонаторах при їхньому збудженні високочастотними електромагнітними полями.

Предмет досліджень - характеристики селекторів нижчих і вищих поперечних мод у квазіоптичних металохвилевідних лазерних резонаторах.

Методи досліджень - у дисертації для розв'язання поставлених задач були використані наступні основні методи:

· метод інтегрального рівняння, метод перетворення Фур'є;

· матричний метод розрахунку характеристик мод металохвилевідних пасивних лазерних резонаторів;

· геометрооптичний метод і метод власних коливань для знаходження умов оптимальної передачі й визначення ступеня поляризації вихідних пучків при розповсюдженні лазерних пучків у порожніх хвилеводах.

Наукова новизна одержаних результатів. При виконанні дисертаційної роботи були отримані наступні нові результати:

1. Вперше запропоновано і реалізовано метод селекції нижчих поперечних мод металохвилевідного квазіоптичного резонатора шляхом діафрагмування плоского дзеркала системи поворотних дзеркал. Головна перевага такого методу селекції є можливість його застосування в широкому діапазоні довжин хвиль без заміни елементів резонатора. При перестроюванні частоти резонатора радіус плоского дзеркала СПД повинен змінюватися пропорційно довжині хвилі випромінювання, що легко здійснити за допомогою ірисової діафрагми. Отримано закони подоби, що дозволяють використовувати здобуті результати в широких діапазонах розмірів резонатора й довжин хвиль випромінювання.

2. Запропоновано й реалізовано метод селекції нижчих поперечних мод металохвилевідного квазіоптичного резонатора ділянкою вільного простору в системі поворотних дзеркал. Даний метод дозволяє підвищити ефективність селекції моди ТЕ₀₁, але застосовується в обмеженому діапазоні довжин хвиль, який обумовлюється розмірами хвилеводу.

3. Вперше запропоновано і реалізовано метод селективного збудження окремих вищих типів коливань кругової поляризації в металохвилевідному квазіоптичному резонаторі з використанням неоднорідного дзеркала в системі поворотних дзеркал. Метод має високий ступінь дискримінації небажаних мод. Неоднорідне дзеркало являється амплітудно-східчастим фільтром у вигляді поглинаючих канавок, розміщених у вузлових лініях поля мод, які підлягають селекції.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Запропоновано й реалізовано нові методи селекції поперечних мод у КХР, які можуть бути використані в широких діапазонах розмірів резонатора й довжин хвиль.

2. Створено малогабаритний широкодіапазонний СММ ЛОН з модовим селектором.

3. Результати дослідження поширення лазерних пучків у хвилеводах мають самостійне значення, знаходять і можуть знайти практичне застосування при створенні елементної бази для побудови ліній передачі СММ випромінювання.

4. Результати роботи можуть бути використані в організаціях: ІРЕ НАНУ (м. Харків), ННЦ ХФТІ (м. Харків), Інститут електродинаміки НАНУ (м. Київ), ІФ НАНУ (м. Київ), НВО “Полярон” (м. Львів), УКРНІІТС (м. Миколаїв), НВО “Ротор” (м. Черкаси).

Особистий внесок здобувача:

У роботах написаних у співавторстві, особистий внесок автора полягає в теоретичному обґрунтуванні й проведенні розрахунків впливу модових селекторів на енергетичні характеристики мод квазіоптичного металохвилевідного резонатора [1,2, 6-8], розвитку модової і геометрооптичної методики розрахунку передачі випромінювання ЛОН гаусового профілю в порожнистих металевих хвилеводах [5, 10-12], участі в створенні експериментальних установок і проведенні вимірювань [1-5,9-12].

Апробація результатів дисертації. Викладені в даній дисертаційній роботі результати доповідались та обговорювались на міжнародних конференціях і симпозіумах: 2-й міжнародній конференції “Laser and Fiber-Optical Network Modeling” (м. Харків, 2000р.), 4-й міжнародній конференції “Laser and Fiber-Optical Network Modeling” (м. Харків, 2002р.), 5-й міжнародній конференції “Laser and Fiber-Optical Network Modeling” (м.Алушта, 2003р.), 5-м міжнародному симпозіумі “Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves” (м. Харків, 2004р.), 14-й міжнародній конференції “Microwave & Telecommunication Technology” (м. Севастополь, 2004р.), 2-й міжнародній конференції “International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers” (м. Ялта, 2005р.).

Публікації за темою дисертації. Основні результати дисертації опубліковані в 6 статтях профільних наукових журналах і збірниках наукових праць та додатково відбиті в 6 працях міжнародних наукових конференцій та симпозіумів.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі списку умовних скорочень, вступу, трьох розділів, висновку, списку використаних джерел, що включає 135 найменувань. Загальний обсяг роботи становить 129 сторінок, у тому числі 108 сторінок основного тексту. Дисертація містить 45 рисунків і 3 таблиці, з яких 8 рисунків на 8 сторінках повністю займають всю площу сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітлюється актуальність і обґрунтовується необхідність виконання роботи, визначена мета досліджень, перераховані необхідні для досягнення поставленої мети завдання, висвітлюється наукова новизна та практичне значення отриманих результатів і області їх можливого застосування.

У розділі 1 “Поширення субміліметрового випромінювання в порожнистих металевих хвилеводах” проведено теоретичне й експериментальне дослідження передачі випромінювання ЛОН гаусового профілю в порожнистих металевих хвилеводах для знаходження умов оптимального збудження, мінімальної деполяризації вихідного пучка та вироблені рекомендації з використання даних хвилеводів у лініях передачі.

У СММ діапазоні для металевих хвилеводів не виконується співвідношення Маркатілі-Шмельтцера, що обумовлює збудження у хвилеводах гібридних мод. Тому розрахунок характеристик металевих хвилеводів проводиться по модовій методиці з використанням аналітичних виразів для хвилевідних TE і ТМ мод, отриманих у наближенні “ідеального металу”, хоча в короткохвильовій частині СММ діапазону метали не можна вважати ідеально провідними. Тому для перевірки модового підходу необхідно застосовувати альтернативну методику, наприклад, геометрооптичну. При цьому відомі геометрооптичні методики вимагають розвитку, тому що не враховують інтерференцію падаючих й відбитих від стінок хвилеводу променів.

У цьому розділі розвинуті модова й геометрооптична методики розрахунку розповсюдження випромінювання у хвилевідних лініях передачі при їхньому збудженні неоднорідними пучками випромінювання гаусового типу. Використовуючи геометричну оптику, покладалося, що пучок складається із променевих трубок або променів, укладених у межах елементарного тілесного кута, що лежать у меридіональних площинах хвилеводу й маючих спільний початок - центр пучка. При такому розгляді поле на осі хвилеводу не може бути визначене. У будь-якій іншій точці спостереження усередині хвилеводу поле є суперпозиція полів вихідного й відбитого від границі хвилеводу променів, які можна вважати вихідними із точок, зміщених від осі на 2k (k - число відображень). З використанням модової і геометрооптичної методик проведені розрахунки на ЕОМ і вимірювання коефіцієнта передачі, ступеня поляризації випромінювання в металевих мідних хвилеводах при їхньому збудженні лінійно поляризованими гаусовими пучками CH₃OH-лазера ( = 118,8 мкм). На рис. 1 представлені результати вимірювань і розрахунків передаточних характеристик мідного хвилеводу діаметром 2a = 5,7 мм і довжиною L_W = 60 мм (такий вибір довжини хвилеводу обумовлений обмеженням на цей параметр у геометрооптичному підході: L_W < a²/ ). Дослідження проводилися при зміні відносного радіуса вхідного пучка _{0 =} /a у діапазоні 0,1 - 0,9 (в області його “слабкої дифракції”). Видно, що для металевих хвилеводів коефіцієнт передачі слабко змінюється при зміні відносного радіуса збудливого пучка ₀ а ступінь поляризації вихідного випромінювання росте зі збільшенням радіуса збудливого пучка. Представлені результати показують якісний збіг експериментальних і розрахункових даних і задовільний збіг розрахункових даних по різних методиках. Це вказує на правомірність використання модового підходу в наближенні “ідеального металу” на довжинах хвиль більше 0,1 мм і подальші розрахунки проводилися за даною методикою.

У розділі 2 “Квазіоптичні хвилевідні резонатори субміліметрових лазерів” теоретично й експериментально досліджується селекція поперечних мод у комбінованому резонаторі, що містить хвилевідні й відкриті ділянки (рис. 2). Обґрунтовані розрахунком і реалізовані три методи, засновані на фільтрації фур'є-спектра хвилевідних мод і використанні їхньої інтерференції. Особлива увага приділена селекції мод у резонаторах ЛОН з перестройкою частоти. Методика чисельного розрахунку заснована на представленні поля у хвилеводах у вигляді суперпозиції власних хвиль класів ТE_0n, TE_1n і ТМ_1n, а на відкритих ділянках резонатора - у вигляді дифракційного інтеграла в наближенні Френеля. Власні хвилі в досліджуваному хвилеводі покладаються аналогічними власним хвилям хвилеводу з ідеальними провідними стінками й відрізняються від останніх тільки ненульовими коефіцієнтами загасання. У випадку резонатора з однорідними відбивачами задача вирішується незалежно в кожному класі хвиль, причому хвилі ТМ_1n не розглядаються через їхнє велике загасання. Збурювання, які вносять круглі отвори в центрі дзеркал, приводять до зв'язку хвиль класів TE_1n і ТМ_1n, при цьому клас хвиль ТE_0n залишається незалежним у силу аксіальної симетрії їхніх полів. Тому чисельний розрахунок характеристик мод досліджуваного резонатора проводиться незалежно в класі хвиль ТE_0n і спільно у двох класах хвиль TE_1n і ТМ_1n.

Комплексні амплітуди вектора електромагнітного поля власних хвиль при (координата спрямована вздовж осі резонатора) с точністю до несуттєвих для розрахунку констант запишемо в вигляді наступних ортонормованих функцій:

,

,

,

де - орти декартових координат; ,

, - множники, що нормують, - функція Бесселя 1-го роду порядку ; - -й корінь рівняння 0, _mn - n-й корінь рівняння = 0 .

З умови відтворюваності поля отримана система лінійних рівнянь:

(1)

де - шукані коефіцієнти; - постійні розповсюдження власні хвилі; коефіцієнти й ураховують зв'язок власних хвиль відповідно на вхідному й вихідному відбивачах при наявності отворів; коефіцієнти враховують зв'язок хвиль за рахунок дифракції при розповсюдженні, відповідно, від одного хвилеводу до іншому й зворотно. Розв'язок систем рівнянь (1) дає K власних значень і стільки ж власних векторів, компоненти яких являють собою коефіцієнти розкладання мод резонатора по хвилевідним модам. Відносні втрати енергії моди за круговий обхід резонатора визначається виразом: .

Характерний розмір пучка на плоскому дзеркалі СПД (в області Фур'є-образа) дорівнює добутку кута розбіжності пучка в дальній зоні дифракції на фокусну відстань. Зменшуючи радіус плоского дзеркала, можна чекати придушення мод, сформованих вищими хвилями хвилеводу, оскільки кут розбіжності останніх росте зі збільшенням їхніх поперечних індексів мод. Площина вихідного розподілу пучка й площина його відтворення зміщається від хвилеводів на відстань L₁ - f (L₁ - відстань від сферичного дзеркала до хвилеводу, f - фокусна відстань сферичного дзеркала), тому, вплив СПД на моди резонатора буде еквівалентним впливу ділянки вільного простору довжиною 2(L₁ - f) між хвилеводами. Оскільки енергетичні втрати за рахунок дифракції на такій ділянці ростуть зі збільшенням поперечних індексів мод, варто очікувати селекції нижчих мод. Відомо аналітичний вираз перетворення Фур'є-Бесселя для TE_0m мод металевого хвилеводу [6]. З урахуванням цього співвідношення поглинаючі або розсіюючи елементи на плоскому дзеркалі СПД резонатора розташовуються у вузлових лініях поля для виділюваної моди.

Експериментальне вивчення енергетичних характеристик мод досліджуваного резонатора було проведено на довжині хвилі 0,4326 мм. На рис. 3 приведені результати вимірювань і розрахунків втрат найбільш добротних мод при різних радіусах плоского дзеркала СПД для резонатора з однорідними відбивачами й з отвором зв'язку у відбивачі. По осі абсцис відкладене число Френеля ділянки вільного простору хвилевід-дзеркало (а₁, а₂ - радіуси хвилеводу й плоского дзеркала СПД, відповідно). Криві втрат, які відповідають різним , відрізняються тільки за рахунок різниці хвилевідних втрат і обмеження пучка апертурами сферичних дзеркал. З рисунка видно що, у квазіоптичному хвилевідному резонаторі можлива селекція ТЕ₀₁ або мод ТЕ₁₁ у всьому СММ діапазоні шляхом діафрагмування плоского дзеркала СПД.

У запропонованому методі селекції моди ТЕ₀₁ її втрати становлять 6%, а втрати найближчої по добротності моди приблизно на 20% більше. Істотно збільшити цю різницю втрат дозволяє вибір ділянки вільного простору . На рис. 4 приведені залежності втрат нижчих мод резонатора від параметра . Загальна тенденція отриманих залежностей - збільшення втрат з ростом N_L (тобто довжини ділянки вільного простору ). Проте криві мають локальні мінімуми для моди ТЕ₀₁. Оскільки радіус реальних хвилеводів у різних перетинах відомий з невисокою точністю, то розрахунок проведений для = 9,9; 10 і 10,1 мм. Таким чином, метод селекції за допомогою ділянки вільного простору в порівнянні з першим методом дозволяє або зменшити втрати моди яка селектується, або сильніше згасити інші моди.

Для реалізації методу просторової фур'є-фільтрації вищих типів коливань у КХР, був проведений розрахунок селективних властивостей резонатора за допомогою поглинаючої маски для довжин хвиль випромінювання = 0,1188; 0,4326 і 0,9199 мм. На рис. 5 приведені результати розрахунку втрат за круговий обхід резонатора найбільш добротних мод від параметра N₁₂ при радіусі, плоского дзеркала a₂, що змінюється (інші величини які визначають N₁₂ були зафіксовані) і постійному відносному розмірі поглинаючої канавки S = 0,06a₂ при = 0,1188.

З рисунка видно, що для селекції мод ТЕ₀₂ або ТЕ₀₃ можна вибрати таке значення параметра N₁₂ і геометричні розміри поглинаючої маски при яких їхні втрати в резонаторі будуть практично незмінні, у той час як, втрати мод які дискримінуються - зростуть.

У розділі 3 “Субміліметровий лазер, що накачується оптично, з модовим селектором” експериментально досліджується поширення інфрачервоного (ІЧ) випромінювання накачування у для вивчення впливу СПД на характеристики ЛОН. Також теоретично й експериментально досліджуються моди генерації широкосмугового СММ лазера з оптичним накачуванням на основі квазіоптичного металохвилевідного резонатора з модовим селектором.

Ефективність роботи субміліметрового лазера з оптичним накачуванням в значній мірі визначається втратами інфрачервоного випромінювання накачування в СММ резонаторі, для якого він є багатопрохідною кюветою. Через складності які виникають при розрахунку поширення інфрачервоного випромінювання по металевих хвилеводах, поширення випромінювання накачування в таких резонаторах досліджувалося експериментально. Експериментально встановлено, що у випадку багатопрохідної комірки, що звичайно використається в СММ лазерах, додаткові втрати, внесені двохміліметровою діафрагмою, не перевищують 12%.

На основі квазіоптичного металохвилевідного резонатора з модовим селектором і отворами зв'язку в дзеркалах розроблений і створений субміліметровий лазер з оптичним накачуванням, що працює в широкому діапазоні довжин хвиль. Дослідження ефективності роботи модового селектора проводилося в короткохвильовій області субміліметрового діапазону, де втрати багатьох поперечних мод є незначними.

Залежності вихідної потужності лазера на довжині хвилі = 0,1188 мм для трьох нижчих мод від діаметра плоского дзеркала d для різних діаметрів отвору зв'язку d_св вихідного дзеркала приведені на рис. 6. При діаметрах отвору зв'язку до 5 мм максимальна потужність спостерігається на модах ТЕ_1n завдяки тому, що центральний отвір виводить переважно ці моди. При отворі зв'язку більше 5 мм втрати зазначених мод на отворі зв'язку стають значно вище оптимальних, і максимальна потужність лазера відповідає моді ТЕ₀₁ при будь-яких значеннях діаметра плоского дзеркала СПД.

Запис перестроювальної характеристики являє собою періодичну послідовність піків вихідної потужності лазера, які виникають при скануванні лінії підсилення активної речовини поперечними модами лазерного резонатора. Період запису відповідає переміщенню дзеркала на . Завдяки тому, що добротність лінії посилення субміліметрового лазера одного порядку величини з добротністю резонаторних мод, запис самописа приблизно являється спектром лазерного резонатора. На рис. 7 приведені перестроювальні характеристики лазера із центральним отвором зв'язку діаметром 3 мм для трьох різних різних діаметрів плоского дзеркала СПД (d). У спектрі присутні в основному моди ТЕ_mn (m = 0,1,2,.. , n = 1,2,3,..). При зменшенні d спочатку зникає генерація на вищих модах у зв'язку з більш швидким зростанням їхніх дифракційних втрат, що цілком відповідає залежності енергетичних втрат мод від діаметра діафрагми наведеними в Розділі 2. При d < 4 мм лазер працює на модах ТЕ₀₁ і ТЕ₁₂. По кожному із цих рисунків можна простежити, як змінюється кількість мод генерації і їхня потужність із зменшенням діафрагми.

При перебудові лазера з отвором зв'язку 6 мм по 10 лініям робочих переходів молекул СН₃ОН і НСООН у діапазоні від 70,5 до 742 мкм шляхом відповідної зміни d забезпечувалася генерація на моді ТЕ₀₁ або ТЕ₁₁. Можливо також домогтися селекції моди ТЕ₀₁ збільшенням отвору зв'язку, але при цьому не забезпечується широкодіапазонний режим роботи лазера. Так, при діаметрі отвору зв'язку 10 мм на = 118,8 мкм отримано одномодовий режим генерації з максимальною вихідною потужністю. Але при цьому генерація спостерігалася тільки на робочих переходах з великим коефіцієнтом підсилення = 118,8 мкм (СН₃ОН) і = 393, 6 мкм, 432,6 мкм (НСООН).

Досліджено вплив модового селектора на вихідні характеристики розробленого лазера й показано, що:

· при діафрагмуванні плоского дзеркала СПД (N₁₂ 1) лазер працює на одній поперечній моді, що залежно від значення коефіцієнта підсилення лазерного переходу формується або хвилею ТЕ₀₁ або ТЕ₁₁;

· при N₁₂ 1 максимальна вихідна потужність лазера становить не менш 40 % потужності, що досягається на тій же моді без використання модового селектора;

· оптимальний для одержання максимальної вихідної потужності радіус отвору зв'язку визначається величинами параметра і коефіцієнта підсилення лазерного переходу, при N₁₂ 1 він приблизно дорівнює 0,3 радіуси хвилеводу в широкому діапазоні ліній генерації.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі теоретично та експериментально досліджено поширення СММ випромінювання в широких круглих порожнистих хвилеводах при їхньому збудженні лінійно поляризованими гаусовими пучками та умови поширення випромінювання накачування в СММ кюветі, досліджено формування лазерних мод з урахуванням їх взаємодії на отворах зв'язку. Запропоновано й реалізовано два методи селекції нижчих поперечних мод хвилевідного квазіоптичного резонатора, які достатньо просто можна реалізувати на практиці та метод просторової Фур'є-фільтрації для селективного збудження окремих вищих мод з високою дискримінацією небажаних мод. На основі квазіоптичного металохвилевідного резонатора з модовим селектором і отворами зв'язку в дзеркалах розроблено і створено субміліметровий лазер з оптичним накачуванням, який працює в широкому діапазоні довжин хвиль.

Одержані наступні основні результати:

1. Для селекції моди ТЕ₀₁ за допомогою методу діафрагмування плоского дзеркала СПД значення параметра N₁₂ повинне знаходитися в інтервалі від 0,9 до 1,1. При N₁₂ < 0,8 спостерігається селекція моди ТЕ₁₁, але її втрати перевищують 25 %. Використання в резонаторі дзеркал з отворами зв'язку дозволяє значно збільшити втрати вищих мод класів TE_0n і TE_1n при N₁₂ ? 1. При перебудові частоти резонатора радіус плоского дзеркала СПД повинен змінюватися пропорційно довжині хвилі випромінювання.

2. Метод селекції за допомогою ділянки вільного простору в порівнянні з методом діафрагмування дозволяє або зменшити втрати моди яка селектується, або сильніше придушити інші моди. Для селекції моди ТЕ₀₁ найбільше доцільно використовувати мінімум, що відповідає найбільшому значенню N_L. У цьому випадку втрати моди ТЕ₀₁ складають від 0,2% до 6%, тобто не більше, ніж у методі селекції за допомогою діафрагмування плоского дзеркала СПД.

3. Дослідження методу просторової Фур'є-фільтрації для селективного збудження окремих вищих типів коливань із високим ступенем дискримінації небажаних мод показали, що для збудження типу коливань ТЕ₀₂ параметр N₁₂ повинен складати 1,5 - 1,65; для типу коливань ТЕ₀₃ - N₁₂ > 2. У цьому випадку додаткові втрати, внесені поглинаючою маскою у виділювану моду, не перевищують 1 3 %.

4. Розвинені модова й геометрооптична методики розрахунку розповсюдження випромінювання у хвилеводах при їхньому збудженні пучками випромінювання гаусового типу й показана правомірність використання модового підходу в наближенні “ідеального металу” на довжинах хвиль більше 0,1 мм. Геометрооптична методика дозволяє врахувати прояв азимутальної залежності для вихідного пучка з осьовою симетрією при його розповсюдженні по хвилеводу але застосовна на обмежених довжинах хвилеводу до . Вона не дозволяє досліджувати розподіли пучка в області близькій до осі хвилеводу, але не вносить невизначеності при знаходженні коефіцієнта передачі або втрат.

5. Установлено, що селекція поперечних мод методом діафрагмування плоского дзеркала СПД у хвилевідному квазіоптичному резонаторі СММ лазера з оптичним накачуванням є прийнятною не тільки по втратах СММ випромінювання, але й по величині додаткових втрат внесених в інфрачервоне випромінювання накачування.

6. Розроблено й реалізований компактний субміліметровий лазер з оптичним накачуванням, що працює в широкому діапазоні довжин хвиль на основі квазіоптичного металохвилевідного резонатора з модовим селектором і отворами зв'язку в дзеркалах. Досліджено вплив модового селектора на вихідні характеристики розробленого лазера й показано, що:

· при діафрагмуванні плоского дзеркала СПД лазер працює на одній поперечній моді ТЕ₀₁ або ТЕ₁₁;

· максимальна вихідна потужність лазера в одномодовом режимі становить не менше 40 % потужності, що досягається на тій же моді в багатомодовому режимі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Gurin O.V., Degtyarev A.V., Maslov V.A., Svich V.A., Tkachenko V.M., Topkov A.N. Selection of transverse modes in a laser cavities containing waveguides and open parts // Quantum Electronics. - 2001. - Vol.31, № 4. - P.346-350.

2. Гурин О.В., Дегтярев А.В., Маслов В.А., Свич В.А., Ткаченко В.М., Топков А.Н. Волноводный квазиоптический резонатор с отверстиями связи на зеркалах // Вісник Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна. Зб. наук. пр. Серія "Радіофізика та електроніка". - 2002. - № 544. - Вип.1. - С.212 - 216.

3. Гурин О.В., Дегтярев А.В., Маслов В.А., Свич В.А., Топков А.Н. Распространение инфракрасного излучения накачки в волноводном квазиоптическом резонаторе субмиллиметрового лазера // Вісник Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна. Зб. наук. пр. Серія "Радіофізика та електроніка". - 2002. - № 570, Вип. 2. - С.50-52.

4. Гурин О.В., Дегтярев А.В., Маслов В.А., Свич В.А., Ткаченко В.М., Топков А.Н. Волноводный субмиллиметровый лазер с модовым селектором // Радиофизика и электроника.- Сб. науч тр., Харьков, Институт радиофизики и электроники НАН Украины. - 2003. - Т.8, № 1. - C.131 - 135.

5. Gurin O.V., Degtyarev A.V., Maslov V.A., Svich V.A., Tkachenko V.M., Topkov A.N. Transmission of submillimeter laser beams in hollow waveguides // Quantum Electronics. - 2005. - Vol.35, № 2. - P.175-179.

6. Володенко А.В., Гурин О.В., Дегтярев А.В., Маслов В.А., Свич В.А., Топков А.Н. Селективное возбуждение высших типов колебаний в волноводном квазиоптическом резонаторе // Вісник Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна. Зб. наук. пр. Серія "Радіофізика та електроніка". - 2007, - № 756, Вип.11. - C. 123-131.

Результати дисертації додатково висвітлені в таких роботах:

7. Gurin O.V., Degtyarev A.V., Maslov V.A., Svich V.A., Tkachenko V.M., Topkov A.N. Mode selection in laser resonators containing waveguide and open sections // Proceedings of 2th International Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'2000), - Kharkiv, 2000, - P.26-31.

8. Gurin O.V., Degtyarev A.V., Maslov V.A., Svich V.A., Tkachenko V.M., Topkov A.N. Quasioptical Laser Resonator on the Basis of a Metall Waveguide with Coupling Holes in Mirrors // Proceeding of 4th International Workshop on Lasers and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'2002), - Kharkiv, 2002. - P.72-77.

9. Gurin O.V., Degtyarev A.V., Maslov V.A., Svich V.A., Tkachenko V.M., Topkov A.N. Waveguide submillimeter laser with mode selector // Proceeding of 5th International Workshop on Lasers and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'2003), - Alushta, 2003. - P.65-68.

10. Гурин О.В., Дегтярев А.В., Маслов В.А., Свич В.А., Ткаченко В.М., Топков А.Н. Передача субмиллиметровых лазерных пучков в полых сверхразмерных волноводах // СВЧ-техника и телекоммуникационные системы: Материалы 14 Международной Крымской конференции, - Севастополь, 2004. C.420-421.

11. Gurin O.V., Degtyarev A.V., Maslov V.A., Svich V.A., Tkachenko V.M., Topkov A.N. Transmission of laser beams through hollow metal waveguides // Proceedings of the 5th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Sybmillimeter Waves (MSMW'2004), - Kharkov, 2004. P.692-694.

12. Volodenko A.V., Gurin O.V., Degtyarev A.V., Maslov V.A., Svich V.A., Topkov A.N., Ruban T.F. Propagation of submillimeter laser beams along hollow oversized waveguides // Proceedings of 2th International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL'2005), - Yalta, 2005. P.210-217.

АНОТАЦІЯ

Дегтярьов А.В. Селекція поперечних мод у квазіоптичних металохвилевідних резонаторах субміліметрових лазерів з оптичним накачуванням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. - Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, м. Харків, 2007.

Досліджується селекція поперечних мод у комбінованому резонаторі, що містить два круглих металевих хвилеводи сполучених системою поворотних дзеркал. Теоретично показано та експериментально підтверджено, що метод діафрагмування плоского дзеркала системи поворотних дзеркал дозволяє селектувати нижчі моди в широкому спектральному діапазоні. Метод селекції за допомогою ділянки вільного простору дозволяє або зменшити втрати моди яка селектується, або сильніше придушити інші моди, однак, цей метод можна застосовувати у вузькому діапазоні довжин хвиль. Метод селекції неоднорідним дзеркалом дозволяє селектувати одну з вищих мод без збільшення її втрат. Розроблено й реалізований субміліметровий лазер з оптичним накачуванням, що працює в широкому діапазоні довжин хвиль на основі квазіоптичного металохвилевідного резонатора з модовим селектором. Максимальна вихідна потужність лазера в одномодовому режимі становить не менше 40 % потужності, що досягається на тій же моді в багатомодовом режимі.

Ключові слова: субміліметровий лазер, квазіоптичний хвилевідний резонатор, селекція поперечних мод, система поворотних дзеркал, хвилевід.

АННОТАЦИЯ

Дегтярёв А.В. Селекция поперечных мод в квазиоптических металловолноводных резонаторах субмиллиметровых лазеров с оптической накачкой. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. - Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, г. Харьков, 2007.

Диссертация посвящена исследованию методов селекции поперечных мод в металловолноводных квазиоптических резонаторах субмиллиметровых лазеров с оптической накачкой.

Используя представление входного поля в виде спектра распространяющихся мод или лучевых трубок, развиты модовая и геометрооптическая методики расчета распространения излучения в волноводах при их возбуждении пучками излучения гауссового типа и показано, что в субмиллиметровом диапазоне правомерно использовать модовый подход в приближении “идеального металла”.

Исследуется селекция поперечных мод в комбинированном резонаторе, содержащем два круглых металлических волновода сопряженных системой поворотных зеркал состоящей из двух сферических и одного плоского зеркал. Обоснованы расчетом и реализованы методы, основанные на фильтрации фурье-спектра волноводных мод и использовании их интерференции. Особое внимание уделено селекции мод в резонаторах субмиллиметровых лазеров с оптической накачкой с перестройкой частоты. Численный расчет проводился на длинах волн 0,1188; 0,4326 и 0,9199 мм. Экспериментальное изучение энергетических характеристик мод исследуемого резонатора было проведено на длине волны 0,4326 мм. Показано, что метод диафрагмирования плоского зеркала системы поворотных зеркал позволяет селектировать низшие моды квазиоптического волноводного резонатора в широком спектральном диапазоне, при этом радиус плоского зеркала системы поворотных зеркал должен изменяться пропорционально длине волны. Метод селекции с помощью участка свободного пространства в сравнении с методом диафрагмирования позволяет или уменьшить потери селектируемой моды, или сильнее подавить другие моды, однако, этот метод применим в узком диапазоне длин волн. Метод селекции неоднородным зеркалом позволяет селектировать одну из высших мод без увеличения её потерь.

Разработан и реализован субмиллиметровый лазер с оптической накачкой, работающий в широком диапазоне длин волн на основе квазиоптического металловолноводного резонатора с модовым селектором и отверстиями связи в зеркалах. Экспериментально показано, что диафрагма на плоском зеркале системы поворотных зеркал вносит дополнительные потери в излучение накачки не превышающие 12% при применении метода диафрагмы и неоднородного зеркала. Исследовано влияние модового селектора на выходные характеристики разработанного лазера и показано, что лазер работает на одной поперечной моде ТЕ₀₁ или ТЕ₁₁ и максимальная выходная мощность лазера в одномодовом режиме составляет не менее 40 % мощности, которая достигается на той же моде в многомодовом режиме.

Ключевые слова: субмиллиметровый лазер, квазиоптический волноводный резонатор, селекция поперечных мод, система поворотных зеркал, волновод.

SUMMARY

Degtyarev A.V. Selection of transverse modes in quasioptical metal waveguide resonators of submillimeter lasers with the optical pumping. - Manuscript.

Thesis for candidate's degree by speciality 01.04.03 - radiophysics. V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, 2007.

Selection of transverse modes in the combined resonator containing two circular metal waveguides which are coupled by a system of deflecting mirrors is investigated. It is theoretically shown and experimentally confirmed, that the method of diaphragming of a flat mirror of the system of deflecting mirrors allows the selection of lower modes in a wide spectral range. The selection method with the us of a part of the free space allows to reduce losses of the selected mode or to suppress other modes more strongly, however, this method can be applied in a narrow range of wavelengths. The selection method with the use of a non-uniform mirror permits to select one of the higher modes without increase its losses. An optically pumped submillimeter laser on the basis of the quasioptical metal waveguide resonator with mode selector for wide range of wavelengyhs is developed and realized. The maximum output power of the laser in a single-mode regime is not less than 40 % of power which is reached on the same mode in a multimode regime.

Key words: submillimeter laser, quasioptical waveguide resonator, transverse mode selection, system of deflecting mirrors, waveguide.

Размещено на Allbest.ru

...