Исследование и разработка систем когерентного излучения на основе инжекционных лазеров для анализа веществ методами аналитической спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Государственный комитет Российской федерации по высшему образованию

Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского

Королев Владимир Николаевич

Исследование и разработка систем когерентного излучения на основе инжекционных лазеров для анализа веществ методами аналитической спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне.

Специальность - 01.04.03 - радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель к. физ.-мат. наук В.Б.Цареградский

На правах рукописи

Нижний Новгород - 1998г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Модель генерации 9

инжекционного лазера.

1.1. Спектральные характеристики 11 излучения инжекционного лазера с собственным

резонатором.

1.2. Модель излучения инжекционного 27 лазера с внешним резонатором. Условия

достижения устойчивой одномодовой

генерации инжекционного лазера с оптической обратной связью.

Глава 2. Спектральные характеристики 46

излучения инжекционных лазеров с внешними резонаторами.

2.1. Селекция мод генерации и ширина 48 линии излучения инжекционного лазера с

коротким внешним резонатором.

2.2. Спектр излучения и перестройка длины 69 волны генерации инжекционного лазера с

внешним дисперсионным резонатором.

2.3. Инжекционный лазер с 87 многозеркальным внешним волоконным

резонатором.

Глава 3. Применение инжекционных 111

лазеров в спектральных аналитических системах.

3.1. Исследование лазерной системы для 113 спектроскопии газов в ближнем ИК-диапазоне.

Сравнение с анализатором газов на основе теплового источника излучения.

3.2. Анализ лазерной системы для 123 оптического контроля параметров нефтепродуктов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 167

БИБЛИОГРАФИЯ. 169

/

ВВЕДЕНИЕ

Для развития оптического приборостроения и, в частности, техники аналитической спектроскопии, требуются высокостабильные источники лазерного излучения, обладающие широкими возможностями по управлению параметрами генерации.

Одним из наиболее распространенных и перспективных типов лазеров являются инжекционные лазеры (ИЛ). Широкое применение ИЛ обусловлено их техническими параметрами: миниатюрностью, простотой управления, высокой эффективностью преобразования энергии накачки в когерентное излучение. Однако, отличительной особенностью ИЛ являются широкая полоса линии усиления, высокий уровень спонтанного излучения в активной области, низкая добротность резонатора. Все это обуславливает склонность ИЛ к многомодовой генерации и ограничивает минимально возможную ширину линии излучения доминирующих мод генерации.

В связи с этим актуальной является задача управления спектральными характеристиками излучения ИЛ. Наиболее эффективным методом контроля спектров ИЛ является использование внешних резонаторов. Оптическая связь собственного резонатора ИЛ с внешним отражателем приводит к сложному, специфичному для полупроводниковых лазеров, формированию спектра генерации. В такой оптической системе возможно достижение одночастотного спектра с перестраиваемой длиной волны излучения.

В настоящее время этот класс квантовых генераторов превратился в одно из наиболее динамично развивающихся

направлений квантовой электроники. Постоянно усложняющиеся прикладные задачи современной физики обуславливают все возрастающий интерес к дальнейшим исследованиям таких квантовых генераторов и разработке их новых вариантов, наиболее полно отвечающих разнообразным областям их применений. Вместе с тем, развитие физики инжекционных лазеров и совершенствование оптической элементной базы позволяет создавать новые поколения таких квантовых генераторов.

Таким образом, актуальным является дальнейшее развитие физических моделей генерации ИЛ с внешними резонаторами с учетом эффектов переотражения излучения во внешнем плече резонатора, исследование физических процессов в таких лазерах с целью повышения стабильности одночастотного спектра, совершенствование лазеров на основе применения новых интегрально-оптических и волоконных элементов.

В результате создания новых вариантов одночастотных инжекционных лазеров открываются возможности по дальнейшему развитию систем аналитической спектроскопии. Поэтому, представляет интерес исследование и разработка аналитических систем на основе созданных лазеров и решение актуальных прикладных задач спектроскопии.

В частности, является актуальной задача по исследованию методов детектирования малых примесе паров водыв газовых смесях по обертоновым линиям поглощения с использованием одночастотных лазерных систем ближнего РЖ-диапазона. Актуальность данной задачи обуславливается, в значительной мере, возможностью создания высокотехнологичных приборных

вариантов лазерных газоанализаторов в этом спектральном диапазоне.

Кроме того, особый интерес представляет исследование новых методов лазерного анализа органических жидкостей (в частности, нефтепродуктов). В этой области аналитической спектроскопии применение одночастотных лазерных систем открывает принципиально новые возможности по повышению точности определения физико-химических параметров органических веществ и впервые делает возможным осуществлять дистанционный контроль характеристик вещества с использованием технологичной волоконной оптики. Поэтому, актуальной является задача по исследованию возможностей создания лазерных аналитических систем, адаптированных для спектрального анализа нефтепродуктов.

Таким образом, исследование физики инжекционных лазеров с внешними резонаторами и создание на этой основе новых вариантов излучателей, открывает возможности по решению актуальных задач прикладной аналитической спектроскопии. Эти проблемы и определили цель данной работы.

Целью данной работы является исследование и разработка новых вариантов высокостабильных одночастотных лазерных систем на основе экспериментального и теоретического исследования спектральных характеристик генерации инжекционных лазеров с внешней оптической обратной связью, а также развитие, на основе созданных оптических систем, методов контроля параметров газообразных и органических веществ.

Представленные результаты являются итогом многолетнего цикла исследований спектрально-селективных систем. Проведенные исследования позволяют создавать сложные лазерные системы и

оптоэлектронные устройства, наиболее полно реализующие потенциальные возможности лазерных источников излучения. Такие системы могут эффективно использоваться в различных областях физики и технике, в частности в спектральном анализе газов и органических веществ.

Первая часть работы посвящена анализу спектров излучения инжекционного лазера с внешним резонатором, проанализировано влияние различных физических факторов на спектральный состав излучения.

Во второй главе исследованы спектральные характеристики излучения разработанных в данной работе новых вариантов инжекционных лазеров с внешними резонаторами, которые представляют собой дальнейшее развитие лазерных систем данного класса. В этой главе приведены экспериментальные результаты, полученные для инжекционных лазеров с высокодобротными внешними резонаторами, короткими резонаторами и внешней многозеркальной волоконной системой.

В третьей главе рассматривается применение спектрально-селективных систем на основе одночастотных лазеров для анализа газов и жидкостей. Разработанная лазерная система газового анализа с применением многопроходовой кюветы позволила достичь высокой чувствительности детектирования паров воды по обертоновым линиям поглощения в ближнем ИК-диапазоне.

Далее в этой главе представлены результаты исследования лазерных систем в качестве высокостабильных излучателей для спектральных анализаторов параметров нефтепродуктов. Перспективность рассматриваемых анализаторов обусловлена сочетанием преимуществ лазерных источников и метода

спектроскопии без непосредственной интерпретации оптических данных. При анализе спектральной системы используются результаты изучения нефтепродуктов с помощью специально разработанного высокочувствительного спектрометра ближнего ИК-диапазона. В данном разделе изучены характеристики лазерных излучателей, определяющие точность оптических измерений параметров нефтепродуктов и рассматриваются перспективы развития систем лазерного анализа.

ГЛАВА 1. МОДЕЛЬ ГЕНЕРАЦИИ ИНЖЕКЦИОННОГО ЛАЗЕРА

Использование ИЛ в системе с внешним резонатором предоставляет уникальные возможности для управления параметрами генерации лазера. Применение внешних резонаторов позволяет достичь одночастотной генерации ИЛ даже в условиях амплитудной модуляции излучателя [1-3], осуществить перестройку длины волны излучения в пределах всей линии усиления [4,5], при использовании внешних резонаторов, обладающих добротностью, значительно превышающей добротность собственного резонатора, возможно уменьшить на несколько порядков ширину линию излучения отдельной моды [6-8]. Особенностью таких лазерных систем является тот факт, что из-за высокого коэффициента усиления в активной области, внешний резонатор способен влиять на характеристики излучения ИЛ уже при доли оптического излучения, возвращаемой в собственный резонатор, составляющей КГ4-!О"5 от мощности генерации [9-12]. Такие потенциальные возможности, заложенные в схемах с внешним резонатором, представляют значительный интерес к их исследованиям, в том числе и с точки зрения использования таких технологических систем в тех областях применения лазеров, где необходимо сочетание прецизионного управления излучательными параметрами с высокой степенью когерентности излучателя и устойчивостью режима генерации. В частности, такие требования к оптическим источникам предъявляются в спектроскопии.

В общем случае внешний резонатор образуется полупрозрачной гранью лазерного кристалла и одним или несколькими внешними зеркалами, оптически связанными с активной областью. Вышедшее из собственного резонатора излучение снова инжектируется внутрь активного слоя с определенной фазовой задержкой, зависящей от оптической длины внешнего плеча резонатора, а также с существенным амплитудным ослаблением оптической волны, зависящим от особенностей оптических согласующих элементов и общих излучательных потерь. В зависимости от требований к характеристиками излучения лазера возможно использование различных типов внешних резонаторов, отличающихся оптической схемой, дисперсионными свойствами, уровнем оптической обратной связи, добротностью и т.д. Во многих экспериментальных реализациях ИЛ с внешними резонаторами [412], собственные частоты внешнего резонатора разнесены между собой на более узкий спектральный интервал, чем моды собственного резонатора ИЛ. Тем самым изменяются конкурентные эффекты между модами излучения и, следовательно, в зависимости от набора параметров внешнего резонатора, может реализоваться как режим устойчивой одночастотной генерации, так и резкое снижение степени когерентности излучения при многомодовом режиме генерации. Таким образом, применение внешнего резонатора наряду с потенциальными возможностями улучшения спектральных характеристик излучения характеризуется и возрастающим уровнем требований к характеристикам резонаторов и согласованности внешних оптических элементов с параметрами ИЛ.

Целью этой главы будет рассмотрение физических эффектов, определяющих спектральный состав излучения ИЛ с внешними резонаторами.

1.1 Спектральные характеристики излучения

инжекционного лазера с собственным резонатором.

Инжекционный лазер с внешним резонатором представляет собой квантовый генератор, составной резонатор которого образован гранями полупроводникового кристалла (собственный резонатор) и внешними оптическими элементами. В значительной степени характеристики такого излучателя определяются параметрами самого лазерного кристалла. Поэтому, для анализа спектральных характеристик излучения ИЛ в системе с внешним резонатором, необходимо рассмотреть особенности генерации лазера без внешнего резонатора.

В основе математической модели ИЛ, может быть использовано полуклассическое описание лазера, базирующееся на многомодовых балансных уравнениях. Для определенности будем полагать, что лазер работает на низшей поперечной моде , а в спектре содержится ограниченное количество продольных мод. В системе балансных уравнений можно исключить пространственные зависимости усиления и структуры мод, поскольку при обычных условиях мощности излучения и характерных размерах активного

слоя, существенно меньших, чем диффузионная длина для свободных носителей, влияние пространственной неоднородности усиления не проявляется. С учетом данных предположений балансные уравнения для многомодового лазера представляются в следующем виде [13,14]:

<йу (11 = [ вр - В-Ир - - Кр ] ■ Ир + С-Пе-Уа / Те (1.1)

£1^ / & = -1/Уа Ер вр-Ир - Пе / Те + I / (е-Уа) (1.2)

Здесь введены следующие обозначения: , , Кр - соответственно число фотонов, ненасыщенный коэффициент усиления и пороговый уровень потерь в лазерной моде с индексом р; В и Б -коэффициенты, описывающие насыщение усиления моды за счет ее самой и соседних лазерных мод соответственно [15]; п^ -усредненная концентрация носителей в объеме активного слоя Уа; те - спонтанное время жизни носителей; I - скорость накачки; е - заряд электрона; С - коэффициент спонтанного излучения в моду, определяемый как отношение скорости спонтанного излучения в лазерную моду Ях и полной скорости спонтанного излучения Кзр .

В данных уравнениях с помощью коэффициентов В и Б учитываются взаимодействие мод через механизм спектрального выжигания дыр, которое представляет собой уменьшение усиления на частоте, соответствующей генерирующей моде. Оно вызвано локальным уменьшением числа занятых носителями состояний в зоне проводимости и в валентной зоне активной области ИЛ. Каждый акт рекомбинации носителей вызывает временное снижение числа электронно-дырочных пар с определенной энергией.

Освободившиеся состояния заполняются вследствие электрон -электронных и электрон - фононных взаимодействий, возвращая общее состояние к квазиравновесному. Однако, этот процесс не происходит мгновенно и при достаточно интенсивных оптических полях и быстрой межзонной рекомбинации возможно снижение усиления как на частоте лазерной моды, так и на соседних частотах. Если рассматривать одну моду генерации, то подавление усиления за счет спектрального выжигания инверсии пропорционально скорости индуцированного излучения и времени внутризонной релаксации. При многочастотном режиме генерации суммарный эффект подавления усиления будет более сложным, пропорциональным интенсивности каждой из продольных мод.

Из исходной системы уравнений (1,1) и (1.2) можно получить выражения для средних значений для стационарного случая:

[ Ор - В-Ыр - - Кр ] • Ир + С-Пе-Уа / Те - 0 (1.3)

1р вр-Ир = 1/е-Пе-Уа/Те (1.4)

и для малых отклонений относительно средних величин:

№ + (С-Пе-Уа) / ( + В-Ыр ] • N¿0) + Б-N^1^(0) =

= [ Сп^р + СУа / те ] • Пе(П) (1.6)

[ + Те"1 + Сп / Уа -Хр ^ ] • Пе(а) + 1/ Уа -1р 0^(0) - О (1.7)

Здесь введено обозначение ^ аппроксимировано [16,17]:

ё Ор / <1 п€ , где Ор может быть

Gp^A-r-tHe-neo-bCV^)2] (1-8)

где Xp , X0 - длины волн, соответствующие моде р и центру линии усиления, Пео - ненасыщенная плотность носителей, которая определяется скоростью накачки I и спонтанным временем жизни носителей хе: п^ = I • те / Va , Г - фактор оптического ограничения (отношение активной части объема к общему объему, занимаемой модой), A, b - технологические параметры, определяющий спектрально-энергетические свойства ИЛ и зависящие от конструкции и легирования активной области.

Просуммировав выражение (1.3) по всем М лазерным модам и пренебрегая величинами следующего порядка малости, получим основные соотношения, описывающие энергетическую характеристику ИЛ (ватт - амперную характеристику) и выражение для порогового уровня накачки:

I/e-He-Va/ Te-K-IpMNp + M-C-ne-Va/ Те = 0 (1.9)

здесь введено обозначение К ■= Тф"1 , где Тф - время жизни фотона в резонаторе лазера, обусловленное потерями излучения на зеркалах и поглощением свободными носителями и предполагаемое одинаковым для рассматриваемых мод лазера.

Выразив из этого соотношения Пе , после подстановки в (1,4) получим:

(Iм Np)2 -GVK - (Iм Np) -GV [ I/e - К-Va / (0'п-те) -1о<1 - М-С) / е ] --М-С-Va / (e-Te) = 0 (1.10)

Окончательно имеем:

(Iм Ир)2 -е-К - (Iм N¡>>(1 - 1п + Ш-С) - 1-М-С-Ке / (1п - 1о) = О (1.11) Здесь введены следующие обозначения:

1п = е-Уа-Те-Пш ; Пеп = К / Сп + П«, ; 1о = е-Уа-Т^-Пео (1.12)

На рис. 1.1 изображены рассчитанные из соотношения (1.11) ватт - амперные характеристики ИЛ для нескольких значений коэффициента спонтанного излучения С. Пр�