Двухмодовые лазеры с внутрирезонаторной модуляцией частоты тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

С -»'ГТЪ Г-Л .< '

НАУМОВ Николай Владимирович

ДВУХМОДОВЫЕ ЛАЗЕРЫ С ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ЧАСТОТЫ

01.04.21-лазерная фишка

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

гор: ^

Москва. 1998.

Работа выполнена в Московском государственном инженер! физическом институте (техническом университете).

Научные руководители- доктор физико-математических на

профессор Проценко Е. кандидат физико-математических на ведущий научный сотрудник Петровский В.

Официальные оппоненты- Доктор физико-математических Н1

Защита состоится 15 апреля 1998 г. в 15 часов 00 мин на заседа! диссертационного совета К053.03.08 в Московском государствен^ инженерно-физическом институте (техническом университете) по адр< Москва, 115409, Каширское шоссе. 31,тел. 324-84-98. 323-91-67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан ^ 1998 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзьн одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь

диссертационного совета, 1

профессор Дмитриев А. доктор физико-математических н;

профессор Евсеев И

Ведущая организация-

Физический институт Российск академии наук (ФИАН)

кандидат физ.-мат. наук

С.Т. Корши

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Лазеры в отличие от известных ранее сточников света характеризуются высокой •. .когерентностью н онохроматичностыо. что делает перспективным их использование в истемах связи, далыюметрии и т.р... Для передачи информации в истемах связи, повышения точности измерений, в дальномерах и нтерферометрах. и т.п. излучение должно быть промоделировано по дному пли нескольким параметрам. Это делаег актуальным сследованне различных методов модуляции как амплитуды, так л астоты и фазы, излучения. При л ом угловая модуляция ( г.с. модуляция астоты и фазы излучения) позволяет обеспечить большую омехоустойчивость. чем амплитудная и дао г возможность применять ля обработки сигналов методы, хорошо известные и освоенные для адиочастотного диапазона.

Использование частотно-модулированного когерентного.излучения ривело к возникновению нового раздела спектроскопии- модуля-;иониой спектроскопии, привлекательного своей универсальностью и тноентельиой "простотой реализации. Сущность модуляционной I его дики состоит в том, что регистрация сигнала ведется в узкой полосе ¡а частоте модуляции, есть возможность выбора частоты модуляции (и 1егиетрацин). где влияние шумов было бы минимально. При'этом юеспечивается высокая чувствительность, позволяющая регистрировать 1лстотно-модуляцнонные резонансы (ЧМР) в газах сверхнизкого ишлення. Это важно для повышения стабильности частоты лазеров.

Методы модуляции можно разделить на два типа по воздействию ги излучение: внешние и внутрпрезонаториые. Частотная модуляция [егко реализуется именно внутрирезонагорными методами.

В большинстве существующих информационно-измерительных истемах используются одномодовые лазеры, в т.ч. с внутри-

резонаторной ЧМ. Частотно-модуляционные резонансы хорошо изучен также именно для одномодовых лазеров, в частности, НеЛ^е с метановс поглощающей ячейкой.

При использовании двухмодовых лазеров с фазоанизотропны резонатором для внутрирезонаторной спектроскопии можно получат оптические резонансы с более высокими параметрами (контрастиост ширина), чем для одномодовых; возможно выделение резонанснь структур в частоте межмодовых биений. Можно предположить, чз применение внутрирезонаторной модуляции в двухмодовом лазере поглощаюшей ячейкой позволит совместить преимущества двухмодовы лазеров и модуляционной методики.

Двухмодовые лазеры с фазоанизотропным . резонаторо» работающие в режиме генерации двух ортогонально поляризоваины мод. обеспечивают также дополнительные возможности дл использования в системах связи, локации, дальнометрии; Например, пр использовании двухмодового лазера с управляемым межмодовы расщеплением для передачи информации можно избежал необходимости использования лазера-гетеродина и оптической схем: совмещения лучей. При этом возможно снижение уровня флуктуаци частоты биений, поскольку в данном случае один и тот же лазер являете передатчиком и гетеродином, и флуктуации частот мод могут бьп частично скоррелированы и, следовательно, влиять на частоту биений меньшей степени. Важной задачей остается поиск способов дальнейшег снижения уровня флуктуаций излучения двухмодового лазера.

Цель работы. Исследование генерации двухмодовых Не-№ Не-Ые/СН^ лазеров с фазоанизотропным резонатором, работающим режиме генерации двух линейно и ортогонально поляризованных мо при внутрирезонаторной частотной модуляции (синхронной несинхронной). Исследование модуляционных резонансов в двухмодово

1е*Ые/СН.| лазере при различных частотах модуляции и получение новых езонансных структур в амплитудных и частотных характеристиках акого лазера.

• Научная новизна работы.

1. Проведены исследования генерации двухмодового Не-Ые при астоте модуляции, отличной от частоты межмодовых биений ксинЧронная модуляция). Показана возможность независимого правления частотами мод. Реализован режим работы лазера, при отором модуляция межмодового расстояния практически не опровождается амплитудной модуляцией.

Для двухмодового Не-Х'е/СН.» " лазера с пнутрирезонаторион юдуляцией частот мод получены резонансные структуры в девиации астоты межмодовых биений: получены частотно-модуляционные езонансы интенсивности, форма их устойчива.при изменении рабочих араметров. ,

2. Исследован режим синхронной модуляции двухмодовых Не-Ие и 1е^е/СН4 лазеров. Предложена модель, объясняющая эффект инхроннзации ортогонально поляризованых мод в таком лазере, снованная на учете взаимного расположения мод и комбинационных онов и их поляризаций. Экспериментельно и теоретически исследованы мплитудные и частотные характеристики в режиме синхронной одуляции. В Не^е/СН^ лазере получены резонансные структуры с [Ириной меньше, чем однородная ширина линии поглощения.

3. Проведены исследования флуктуаций интенсивности и частоты вухмодового лазера с ортогонально поляризованными модами при шхронноп • модуляции. Предложена теоретическая модель такого азера. Установлено, что в диапазоне частот, определяемом полосой ивата происходит снижение уровня флуктуацнй частоты межмодовых иений.

Практическая ценность работы,--Полученные результаты могу быть использованы при разработке оптических стандартов частоты, научных исследованиях в области спектроскопии, разработке оптически систем связи (волоконных и открытых), лазерных дальномере! локаторов и т.п.

Вклад автора. Изложенные в работе результаты получены авторо! лично или в соавторстве при его непосредственном участии.

Апробация работы. Основные результаты диссертации был; представлены на II Всесоюзной научно-технической конференци "Метрологическое обеспечение измерения частотных и спектральны характеристик., излучения лазеров" (Харьков. 1990 г.). Международно, конференции "ЬаБег^Г. (Сан-Диего. Сша, 1991 г.), -5-и Европейско: конференции по квантовой'.электронике (Амстердам, Нидерланды, 199 г.), 5-м Симпозиуме по стандартам частоты и метрологии РБРБМ'9! (Боулдер. США. 1995 г.). 1-й, Международной конференци: "Поляризационные эффекты в лазерах и спектроскопии" РЕЬБ'9 (Канада. Торонто, 1997). *

Публикации. По материалам* диссертации опубликовано 1 печатных работ, .

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введет» трех глав'и заключения. В каждом разделе основному содержат» предшествует обзор литературы, приводятся известные результаты формулируются проблемы, решению которых посвящено изложени оригинального материала. Общий объем составляет 104 страниц] машинописного текста, включая 26 рисунков, 4 таблицы и списо литературных ссылок из 94 наименований.

На защиту выносятся:

1. Возможность управления частотами мод в двухмодовом лазере фазоанизотропным резонатором и внутрирезонаторным частотны!

юдулятором по любому требуемому закону. Реализация режима енерацни лазера, при котором частотная модуляция не сопровождается мплитудной.

2. Получение в переменной части интенсивности Не-Ые/СНд лазера внутрирезонаторной модуляцией частот мод резонансных структур

частотно-модуляционных резонансов) более узких, чем в стационарно» [асти." Форма их устойчива по отношению к изменению рабочих [араметров (превышение усиления над потерями, частота модуляции). 1олучение резонансных структур в девиации частоты межмодовых •иении.

3. Реализация режима синхронизации мод в двухмодовом лазере с 'ртогонально поляризованными модами. Теоретическая модель инхронизации ортогонально поляризованных мод.

4. Экспериментальное и теоретическое исследование амплитудной [ частотной характеристик двухмодового лазера в режиме синхронной юдуляции. Возможность управления величиной и положением области инхронизации.

5. Экспериментальное получение и теоретическое обоснование езонанснон структуры с шириной меньшей однородной ширины линии оглощения в интенсивности излучения и частоте межмодовых биений вухмодового Не^е/СН-1 лазера с синхронизованными модами.

6. Экспериментальное обнаружение и теоретическое обоснование

/

ннження уровня флуктуации частоты межмодовых биений в области инхронизации в полосе частот, определяемой полосой захвата.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Одномодовые лазеры с управляемыми частотами широко спользуются в системах связи, дальнометрии. локации, спектроскопии верхвысокого разрешения. Двухмодовые лазеры с управляемыми астотами и их возможные приложения изучены значительно менее

широко. Олмако двухмодовые лазеры могут иметь ряд преимущест перед одномодовыми при использовании в различных приборах и пр| фундаментальных физических исследованиях. При использовани; двухмодовых лазеров с фазоанизотропным резонатором дл внутрирезонаторной спектроскопии можно получать оптически резонансы с более высокими параметрами (контрастность, ширина), ча для одномодовых; возможно выделение резонансных структур в частот межмодовых биений. Двухмодовый лазер с управляемым межмодовьи расщеплением позволяет избежать необходимости использовать второ лазер-гетеродин для переноса сигнала из оптического в радиочастотны диапазон для дальнейшей обработки.

В данной работе исследования проводились с двухмодовы; лазером с фазоанизотропным резонатором, работающим в диапазон 3.39 мкм. Эти лазеры широко используются при разработке стандарте частоты. свойства их хорошо изучены. имеется большо экспериментальный опыт. Для такого лазера характерно высокс усиление, что позволяет снизить требования к качеству оптически поверхностей и при необходимости разместить внутри резонатор большое количество элементов. Методики, отработанные Для таки лазеров, можно распространить и на лазеры других типов.

Спектр собственных частот изотропного резонатора с оптическо

длиной ¿. представляет ряд значений П? где (/-целое число,

скорость света. При помещении внутрь резонатора двулуч преломляющих элементов, определенным образом вырезанных сориентированных оптическая длина его для разных поляризаш становится различной, что приводит к расщеплению спект} собственных частот, т.е. снимается вырождение по поляризации, причс частотное расщепление определяется суммой относительных фазовь

1с,

набегов на фазоанизотропных элементах: П(, = —■</: — • гле

фазовый набег на /-м элементе <р ~.V; /. здесь Дл-разность показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей, /-толщина элемента. Отметим, что фазовый набег на анизотропном элементе может изменяться как за счет изменения толщины элемента при постоянном значении Дя (так происходит при использовании в качестве фазоанизотропных элементов двулучепреломляющих клиньев), так и при изменении величины Дл за счет различных физических эффектов (фотоупругость, электрооптический эффект) при неизменной толщине фазоашпотропного элемента. Расстояние между частотами лазера в общем случае определяется выражением - П,. ^/\ где /- добавка, учитывающая влияние активной среды.

Если частота модуляции мала по сравнению с шириной линии усиления и ширинами рабочих уровней (это условие выполнялось), то при теоретическом рассмотрении можно ограничиться стационарным приближением. При расчете частот и интенсивностей мод использовалась полуклассическая теория Лэмба. Численные расчеты выполнялись на ЭВМ.

За счет различного изменения оптической длины резонатора для различных поляризаций возможно осуществлять частотную модуляцию ортогонально поляризованных мод в различных режимах: модуляцию частот обеих мод в фазе, в противофазе. модуляцию частоты только одной моды и т.д.. что может требоваться для различных применений.

При рассмотрении режима модуляции, когда моды перестраиваются с одинаковыми скоростями навстречу друг другу, т.е. в противофазе. предпологалось. что они располагаются симметрично относительно центра линии усиления. Поведение зависимостей интенсивности • мод от межмодового расщепления точно такое -же как

зависимость интенсивности одномодового лазера от частоть описывающая провал Лэмба. При большом давлении зависимост Аявляются убывающими, при малом давлении интенсивносл сначала возрастают, а затем убывают с ростом П,,. При промежуточно! значении давления (когда значения однородной и неоднородной ширш близки) существует значительный диапазон Д,,, в котором значения /, практически не зависят от д,,. Это обстоятельство важно при некоторы применениях двухмодовых лазеров с управляемыми частотами. В этои случае модуляция величины Я,, не сопровождается модуляцие! интенсивности.

Анализ частотных характеристик показал, что разность частоть межмодовых биений «,,'и расстояния между модами пустого резонатор; определяется в основном величиной линейного затягивания. Отметим что зависимость (О,, -го,,) от £1,, близка к линейной (с точностью »3%) ] интервале значений О,, от 0 до 100 МГц.

При рассмотрении второго режима модуляции, когда частот; одной из мод резонатора постоянна, предполагалось, что частот; немодулируемой моды равна центральной частоте линии усиления. Е данном случае хотя суммарная интенсивность слабо зависит от интенсивность каждой моды меняется значительно. С увеличениех расщепления интенсивность модулируемой (1-й) моды уменьшается поскольку она уходит от центра линии усиления, и соответствен не уменьшается насыщение усиления, обусловленное первой модой благодаря чему интенсивность 2-й (немодулируемой) модь увеличивается. Что касается частотных характеристик, то отличш частоты биений от расстояния между модами пустого резонаторг определяется первой (перестраиваемой) модой. Для этой моды разносп так же как и для первого типа модуляции определяется в основнол*

величиной линейного затягивания от,. Зависимость (П,,-ш|:) от Пг близка к линейной с точностью -2.5% в интервале П|2 от 0 до 50 Мгц.

Из проведенного анализа следует, что в случае второго типа модуляции двухмодового газового лазера при некотором наборе параметров можно обеспечить с высокой - точностью линейную зависимость д>1: -П13 =/(П,,), при слабом изменении интенсивностей мод. В этом режиме излучение немодулируемой моды может служить высокостабильным оптическим гетеродином.

Экспериментальная установка включала в себя исследуемый двухмодовын лазер, регистрирующую аппаратуру, позволяющую измерять интенсивность каждой моды, частоту межмодовых биений и спектральную плотность флуктуации этих величин. При необходимости для контроля положения мод на контуре линии усиления использовался вспомогательный одномодовын лазер-гетеродин.

Газоразрядная трубка с окошками, ортогональными оптической оси помещается в резонатор между фазоанизотропными элементами (двулучепреломляюшимн клиньями). Такая конфигурация резонатора позволяет независимо изменять межмодовое расщепление и продольный сдвиг, причем уровень потерь обеих мод одинаковый.

Возле одного из зеркал внутри резонатора помещен электрооптический модулятор из ЬЛЫЮз. Конфигурация модулятора выбрана такой, чтобы обеспечить максимальную чувствительность частоты межмодовых биений к приложенному напряжению.

Полученная экспериментальная зависимость интенсивности излучения от межмодового расщепления для случая симметричного положения мод относительно центра линии усиления в интервале частоты межмодовых биений от 0 до 100 Мгц при давлении смеси в активном элементе «2.5 мм рт. ст. подтверждает вывод, следующий из

12 '

расчета, что интенсивность излучения в некотором интервале значений в пределах погрешности измерений не меняется. Экспериментальная проверка показала, что частота межмодовых биений линейно зависит от напряжения на модуляторе в пределах до 1.6 кВ. :'. '■■

Электрооптический модулятор позволяет осуществлять быструю перестройку мод по контуру линии усиления и изменение межмодового расщепления в отличие от подвижных фазоанизотропных элементов (клиньев, пластин). При использовании лазерного источника в системах связи, локации и т.п., при спектроскопических исследованиях необходимо знать частотную характеристику модулятора. Полученная экспериментальная зависимость индекса модуляции, т.е. отношения девиации частоты и частоты модуляции т(П) имеет характер т~Ог\ т.е. величина девиации частоты в пределах точности измерений неизменна. Измерения выполнялись для значений частоты межмодовых биений 5-^50 Мгц и частоты модуляции вплоть до 10 Мгц, при этом значение девиации частоты составляло -50 кГц, т.е. скорость изменения частоты

межмодовых биений ^^ достигала 5108 кГц/с. Следует отметить, что

при малых значениях девиации частоты (0&10 кГц) глубина сопутствующей амплитудной модуляции составляла менее 0.1%. Отметим также, что ограничение по частоте модуляции в данном случае определялось только возможностями системы регистрации, в частности полосой пропускания фотоприемника:

Развитие методов выделения узких оптических резонансов в излучении лазеров связано с такими областями квантовой электроники, как разработка лазерных стандартов частоты и длины, лазерная спектроскопия и т.д.. В последнее время находит широкое применение метод внутрирезонаторного насыщенного поглощения. При помещении

поглбщающей ячейки внутрь резонатора лазера с модулируемой длиной, можно наблюдать резонансное изменение глубины модуляции

г

интенсивности и девиации частоты при перестройке мод лазера по контуру линии усиления в окрестности центра линии поглощения. Такие резонансы, называемые частотно-модуляционными (ЧМР) хорошо изучены для одномодовых Не-Ые/СЬЬ-лазеров.

В настоящей работе рассматривались частотно-модуляционные резонансы в двухмодовом лазере. При перестройке мод относительно центра линии поглощения определялась зависимость девиации частоты межмодовых биений от отстройки, связанная с эффектом автостабилизации частоты. Форма резонансов девиации частоты зависит от того, как модулируются частоты мод: в фазе или противофазе. Полученные экспериментальные кривые качественно хорошо согласуются с расчетными. Отметим, что если для регистрации резонансных структур в частоте излучения одномодового лазера необходим второй лазер-гетеродин, то для двухмодового лазера гетеродина не требуется.

Исследовались также ЧМР в интенсивности.. Если при рассмотрении механизма появления такой структуры ограничиться малыми индексами модуляции, то поле моды представляет триплет: центральная частота о, и боковые составляющие с частотами о, ± П. Вдали от резонанса относительные амплитуды их равны и определяются индексом модуляции. При приближении к резонансу компоненты триплета оказываются в разных условиях. Компоненты поля насыщаются по-разному. В результате появляется разбаланс в их амплитудах, фазовый сдвиг. Это приводит к появлению в электрическом сигнале фотоприемника переменной части с частотой П и амплитудой, пропорциональной индексу модуляции. Форма зависимости амплитуды переменной части от частоты моды зависит от соотношения

.-■■ 14 ' .

частоты модуляции 12 и однородной ширины линии поглощения у,.,, пролетного уширения, индекса модуляции. Поскольку амплитуда боковых составляющих триплета определяется индексом модуляции, то появляется возможность плавно изменять в широких пределах степень -насыщения поглощения.

Двухмодовый лазер, используемый в настоящей работе, имеет то преимущество, что благодаря конкуренции мод амплитудные резонансы изначально имеют более высокую контрастность, что позволяет повысить контрастность ЧМ-резонансов.

При использовании оптических резонансов для стабилизации частоты кроме ширины и контрастности резонанса, определяющих стабильность. важной характеристикой является устойчивость резонансной структуры по отношению к изменению рабочих параметров, определяющая воспроизводимость частотного репера. Под устойчивостью здесь понимается постоянство характеристик выделяемой резонансной структуры (знак, контрастность, наклон дисперсионной кривой и т.п.). Более устойчива к изменению параметров (частота модуляции, превышение усиления над потерями) комбинация вида чем и ^ по отдельности; в этой структуре всегда имеется экстремум, соответствующий центру линии поглощения. Даже при малой отстройке зависимость имеет значительный наклон.

Поэтому можно предположить, что система АПЧ, работающая по принципу экстремального регулирования, сможет обеспечить жесткую привязку частоты к центру линии поглощения. Важно отметить, что для выделения подобной структуры достаточно узкополосного усилителя и амплитудного детектора, и не требуется синхронного детектора.

Использование модуляционной методики дает те же преимущества, что и в случае наблюдения резонансов девиации частоты: имеется

возмбжность выбрать такую частоту модуляции и наблюдения, когда влияние технических шумов будет минимально; наблюдение резонансов в узкой частотной полосе также повышает соотношение сигнал/шум, что дает возможность реализовать высокую чувствительность метода ЧМ-резонансов. •

При рассмотрении свойств излучения многомодбвых лазеров с* внутрирезонаторной модуляцией параметров особое место занимает т. наз. режим синхронной модуляции, при котором частота модуляции равняется (или кратна) межмодовому частотному интервалу.

При рассмотрении спектра частот лазера с фазоаннзотропным резонатором при наложении ЧМ важно учитывать не только взаимное положение мод. тонов и комбинационных тонов на шкале частот, но и их поляризации. Именно этот факт вносит в рассмотрение существенно новые черты по сравнению со случаем частотной модуляции мод с параллельными поляризациями.

В общем случае при модуляции частот в спектре излучения двухмодового лазера появляются тона на частотах &>,, ±п?1 («,,-

частоты генерации мод; О -частота модуляции; п=1,2,..), а также составляющие (комбинационные тона) на частотах ' а>,-2<а|2 ±«П, т. +2«,. ±«П, где в»и= -частота межмодовых'биений.'

В случае генерации двух мод с ортогональными поляризациями, например, тон с частотой ю,-О и комбинационный тон с частотой 10, -210,, при не могут оказать существенного влияния на

генерацию. Это связано с тем, что хотя их частоты и совпадают при этом с собственной частотой резонатора, их поляризации ортогональны поляризации второй моды и, следовательно, будут иметь большие потери. В данном случае существенное влияние на генерацию будет оказывать комбинационный тон с частотой о, -2ап +2П. С ростом О он приближается к моде I, и при П-><а12 его поле будет

соответствовать полю собственных колебаний резонатора, т.к. не только его частота, но и поляризация будут совпадать с частотой и поляризацией первой моды. Именно поэтому при П-*■«>,, становится возможным режим синхронизации. Величина определяющая

диапазон отстроек частоты модуляции от межмодового расстояния, когда существует режим синхронизации (полоса синхронизации), зависит от амплитуды комбинационных тонов, в свою очередь определяемых индексом модуляции.

Поскольку при сканировании мод по контуру линии усиления межмодовое расстояние <и12 изменяется, то синхронизация может иметь место лишь в некоторой области расстроек Д" (области синхронизации), где частота модуляции совпадает или достаточно мало отличается от В области синхронизации частота межмодовых биений не зависит от положения мод на контуре линии усиления, т.е. в частотной характеристике появляется горизонтальный участок. В зависимости интенсивности моды от отстройки появляется дополнительная куполообразная структура.

При наличии в резонаторе лазера поглощающей ячейки в интенсивности каждой из мод и в частоте межмодовых биений при двухмодовой генерации имеются узкие резонансные структуры, определяемые однородной шириной линии поглощения у ( >. При выборе соответствующей частоты и индекса модуляции возможно выполнение условия, когда область синхронизации находится внутри резонанса и Д' при этом горизонтальный участок в частотной характеристике, соответствующий области синхронизации, находится внутри частотного резонанса, а в интенсивности каждой из мод появляется дополнительная узкая структура с шириной Д\ т.е. меньшей однородной ширины линии поглощения.

"•Точностные характеристики измерительных систем на основе двухмодовых лазеров определяются уровнем флуктуации интенсивности и частоты межмодовых биений. Поэтому проблема поиска новых методов уменьшения уровня флуктуации интенсивности и частоты межмодовых биений двухмодовых лазерных источников излучения имеет несомненно большое практическое значение и вместе с тем открывает новые возможности для совершенствования теории управления лазерным излучением.

V В режиме синхронизации фазы мод взаимно связаны, поскольку фазы комбинационных тонов, обуславливающих синхронизацию, определяются фазами обеих мод. Можно ожидать, что это приведет к изменению спектра флуктуации частоты межмодовых биении.

Экспериментально исследовались зависимости уровня спектральной плотности флуктуации интенсивностей отдельных мод и спектральной плотности флуктуаций частоты межмодовых биений

^|&у":'|(<а)|'У * на различных фиксированных выбранных частотах

наблюдения «в зависимости от частоты модуляции О, близкой к частоте межмодовых биений: измерения производились для «=5+100 кГц. Эксперименты проводились при межмодовых расстояниях 7+15 Мгц, полоса синхронизации ¿«^ составляла около 50 кГц. Исследования показали, что синхронизация мод оказывает существенное влияние на уровень частотных флуктуации на частотах наблюдения вплоть до частоты ео = 2<5л>*;, определяющей область отстроек частоты модуляции от частоты межмодовых биений, внутри которой имеет место режим синхронизации мод. Что касается флуктуаций интенсивности, в отличие от частотных флуктуаций синхронизация мод практически не влияет на их уровень.

• 18

Отметим, что полученные результаты могут быть применены и для других типов лазеров, например, твердотельных.

В ходе работы получены следующие основные результаты:

1. Показана возможность независимого управления частотами мод в двухмодовом лазере с фазоанизотропным резонатором и внутрирезонаторным частотным модулятором по любому требуемому закону/Реализован режим работы лазера, при котором частотная модуляция практически не сопровождается амплитудной.

2. В двухмодовом Не-Ые/СН 4 лазере с внутри-резонаторной модуляцией частот мод получены резонансные структуры в переменной части интенсивности (частотно-модуляционных резонансы). Форма этих структур устойчива по отношению к изменению рабочих параметров (превышение усиления над потерями, частота модуляцйи). Получены резонансы в девиации частоты межмодовых биений.

3. Реализован режим синхронизации мод в двухмодовом лазере с ортогонально поляризованными модами. Предложена теоретическая модель синхронизации ортогонально поляризованных мод.

4. Проведено экспериментальное и расчетное исследование амплитудной и частотной характеристик двухмодового лазера в режиме синхронной модуляции. Показана возможность управления величиной и положением области синхронизации:

5. Экспериментальное получение области синхронизации меньше однородной ширины линии поглощения в Не-Ые/СЬи лазере с внутрирезонаторной поглощающей ячейкой при соответствующем выборе частоты и индекса модуляции. Показано, что при этом происходит трансформация частотного резонанса и появляется дополнительная узкая куполообразная структура в интенсивностях обеих

МОД. " .'•"

/ . 19

* 6. Проведено исследование флуктуаций интенсивности и частоты межмодовых биений в двухмодовом лазере в режиме синхронной модуляции. Экспериментально обнаружен и теоретически обоснован факт снижения уровня флуктуаций частоты межмодовых биений в области синхронизации в полосе частот, определяемой полосой захвата.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих статьях в научных журналах:

L Анищенко М.Л., Ермаченко В.М., Наумов Н.В., Петровский В.Н., Проценко Е.Д. "Влияние комбинационных тонов на интенсивность излучения двухмодового газового лазера". Квантовая электроника, 1988, т. 15, № 1, с. 55-57. .

2. Наумов Н.В., Петровский В.Н. "Двухмодовый He-Ne лазер с внутренней частотной модуляцией для измерительных систем" - в сборнике "Газовые лазеры для измерительных систем", Москва, Энергоатомиздат, 1990 г., с. 50.

3. Nauinov N.V., Petrovskiy V.N., Protsenko E.D. and Rurukin A.N. "Two-Mode Lasers with Controlled Frequencies. 1. He-Ne Laser" Laser Physics. 1991, v. 1, №3, p. 273-278.

4. Anisheriko M.L.. Naumov N.V., Petrovskiy V.N. and Protsenko E.D. "Modulation Resonances in a Two-Mode He-Ne/CH4 Laser". Laser Physics, 1994, v. 4, № 2, p. 364-368.

< 5. Ермаченко B.M., Наумов H.B., Петровский В.Н. и Проценко Е.Д. "Резонансы насыщенного поглощения в двухмодовом He-Ne/CH-i лазере с синхронизованными модами", Квантовая электроника, 1995, т. 22, № 6, с. 573-576.

6. Наумов Н.В., Петровский В.Н., Проценко Е.Д., Шананин P.A. "Системы передачи информации на основе двухмодовых лазеров с управляемыми частотами излучения", Квантовая электроника, 1995, т. 22, № 10, с. 1055-1056.

• 20

7. Ермаченко В.М.; Наумов Н.В., Петровский В.Н. и Проценко Е.Д. "Частотные резонансы в двухмодовом He-Ne/CH4 лазере с синхронизованными модами", Оптика и спектроскопия, 1996, т. 80, Me 2. с. 336-341.

8. Naumov N.V., Petrovskiy V.N., Protsenko E.D., Yermachenko V.M. "Intensity and Intermode Beating Frequency Fluctuations in a Double-Mode He-Ne Laser with Mode Locking", Laser Physics. 1997, v. 7, № 2, p. 426-430.

9. Naumov N.V., Petrovskiy V.N.. Protsenko E.D., Yermachenko V.M. "Intensity Resonances in a Double-Mode He-Ne/CH-i Laser with Synchronized Modes", Applied Physics B, v. 65, № 4-5, p. 589-593.

Заказ Тйраж'^'О

Типография №И, Каширское шоссе , 31

61 994¡И- ^

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

НАУМОВ Николай Владимирович

ДВУХМОДОВЫЕ ЛАЗЕРЫ С ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ЧАСТОТЫ

01.04.21-лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Проценко Евгений Дмитриевич; кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Петровский Виктор Николаевич

Москва, 1998.

Оглавление.

1. Введение 2

2. Глава 1. Исследование свойств излучения двухмодовых Не-Ке и Не-Ые/СНЦ -лазеров с линейно и ортогонально поляризованными

модами с внутрирезонаторной несинхронной частотной модуляцией 13

3. Глава 2. Свойства излучения двухмодовых Не-Ые и

Не-Ые/СШ лазеров в режиме синхронной модуляции частоты 53

4. Глава 3. Флуктуации интенсивности и частоты биений

в двухмодовом Не-Ые лазере с синхронизованными модами 80

5. Заключение 94

6. Список литературы 96

Введение

Актуальность темы. Лазеры в отличие от известных ранее источников света характеризуются высокой когерентностью и монохроматичностью, что делает перспективным их использование в системах связи, дальнометрии и т.п. [1-5]. Использование в качестве несущей оптической частоты потенциально позволяет существенно повысить объем передаваемой информации по сравнению с радио- и СВЧ-диапазоном, причем полезная информация может быть заложена не только в интенсивности, но и в частоте, и в фазе излучения. Для передачи информации в системах связи, повышения точности измерений в дальномерах и интерферометрах и т.п. излучение должно быть промодулировано по одному или нескольким параметрам. Это делает актуальным исследование различных методов модуляции как амплитуды, так и частоты и фазы излучения [6,7]. При этом угловая модуляция (т.е. модуляция частоты и фазы излучения) позволяет обеспечить большую помехоустойчивость, чем амплитудная и дает возможность применять для обработки сигналов методы, хорощо известные и освоенные для радиочастотного диапазона [8].

Практически сразу с появлением лазеров начались исследования различных возможностей модуляции параметров их излучения. Методы модуляции можно разделить на два типа по воздействию на излучение: внешние и внутрирезонаторные.

В случае внешней модуляции управление излучением осуществляется вне резонатора лазера. При этом не оказывается влияние на режим генерации лазера. Более того, иногда применяются специальные меры для исключения возможного влияния отраженного излучения на лазер.

Для модуляции амплитуды наибольшее распространение получил метод воздействия на поляризацию проходящего излучения. Поляризованное излучение пропускается через двулучепреломляющую среду, в которой при внешнем воздействии (электрическое или магнитное поле, механическое напряжение) происходит изменение разности показателей преломления для обыкновенного и

необыкновенного лучей и (или) поворот оптической оси среды. В результате меняется поляризация излучения. Далее при проходе излучения через поляризатор-анализатор изменяется его интенсивность [6, 10, 11].

Из видов угловой модуляции методами внешней модуляции легко реализуется фазовая модуляция: при пропускании луча через среду, коэффициент преломления которой может изменяться за счет внешнего сигнала, происходит изменение оптического пути, т.е. изменение фазы [6, 12-15].

Модуляция частоты излучения обеспечивается за счет дифракции на стоячей ультразвуковой волне, т.е. используется оптоакустический эффект. Но частотные характеристики опто акустических элементов представляют довольно узкие резонансы, что ограничивает возможные значения девиации частоты [7].

Внешние модуляторы менее критичны к потерям мощности излучения в модуляторах, но могут требовать относительно высокую мощность управляющих сигналов.

В случае внутренней модуляции управление излучением осуществляется за счет изменения параметров лазера (добротность и длина резонатора, усиление и т.д.), причем изменение параметров лазера может приводить как к амплитудной, так и частотной модуляции [6, 7, 21]. При определенных режимах работы лазер может быть очень чувствителен к таким воздействиям. Благодаря этому для внутрирезонаторной модуляции управляющий сигнал может требоваться существенно менее мощный, чем для внешней

Внутрирезонаторная амплитудная модуляция эффективна при малых значениях усиления, т.е. при работе вблизи порога генерации, но при этом особое значение приобретает уровень потерь в модулирующем элементе (если такой используется), т.к. при высоких потерях возможен срыв генерации. Возможная полоса внутрирезонаторной амплитудной модуляции ограничена произведением полосы резонатора на величину превышения усиления над потерями, и при малых

превышениях будет существенно меньше полосы резонатора (в отличие от пассивного резонатора).

Внутрирезонаторными методами, в отличие от внешних, легко реализуется частотная модуляция за счет изменения оптической длины (и, соответственно, собственной частоты) резонатора [21,22]. Полоса частотной модуляции ограничивается только шириной спектральной линии активной среды [7, 23].

При использовании специальных модулирующих элементов как для внешней, так и для внутрирезонаторной модуляции могут использоваться линейный [7, 12, 13, 24-32, ] и квадратичный [7, 32-35] электрооптический эффект, магнитооптический эффект [7, 9, 36-38], эффект фотоупругости [7, 16, 17, 27] и т. п., причем модуляция за счет электрооптического эффекта обеспечивает большую широкополосность по сравнению с использованием эффекта фотоупругости, но требует более мощного управляющего сигнала. Из электрооптических материалов, применяемых для модуляторов, наиболее широко распространены КОР (КН2РО4) и ему подобные, ниобат лития и ему подобные для видимого и ближнего ИК-диапазонов, для среднего ИК-диапазона используются сульфид кадмия, арсенид галлия [7].

При использовании угловой модуляции одномодовых лазеров для выделения сигнала и последующей обработки могут использоваться интерференционные методы [7] (в радиотехнике аналог-работа с расстроенными контурами). При этом угловая модуляция переводится в амплитудную, и АМ-сигнал непосредственно выделяется с помощью фотоприемника. В этом случае флуктуации интенсивности и частоты излучения являются одним из факторов, ограничивающих качество принимаемого сигнала.

Для демодуляции и последующей обработки сигнала можно также использовать метод оптического гетеродинирования для переноса сигнала в радиочастотный диапазон. Для этого используется второй лазер-гетеродин и оптическая схема совмещения лучей на фотоприемнике. Частотно-модулированный

сигнал биений, выделяемый фотоприемником, обрабатывается традиционными радиотехническими методами. При этом можно избежать влияния флуктуаций интенсивности, обработав сигнал с фотоприемника с помощью усилителя-ограничителя амплитуды. Недостатком метода оптического гетеродинирования является нескоррелированность флуктуаций частот лазера-передатчика и лазера-гетеродина. Это приводит к повышенному уровню флуктуаций в частоте биений и как следствие-зашумленность выделяемого демодулированного сигнала.

Двухмодовые лазеры с фазоанизотропным резонатором, работающие в режиме генерации двух ортогонально поляризованных мод, обеспечивают дополнительные возможности для использования в системах связи, локации, дальнометрии. Например, при использовании двухмодового лазера с управляемым межмодовым расщеплением для передачи информации [39-42] можно избежать необходимости использования лазера-гетеродина и схемы совмещения. При этом возможно снижение уровня флуктуаций частоты биений, поскольку в данном случае один и тот же лазер является передатчиком и гетеродином, и флуктуации частот мод могут быть частично скоррелированы и, следовательно, влиять на частоту биений в меньшей степени [43-46]. Важной задачей остается поиск способов дальнейшего снижения уровня флуктуаций излучения двухмодового лазера.

В отличие от одномодовых лазеров, где при выборе геометрии модулятора надо рассматривать взаимную ориентацию направления поляризации только одной моды и модулирующей среды, в двухмодовых лазерах ситуация иная. Наличие двух различным образом поляризованных мод в резонаторе приводит к необходимости учитывать влияние модулятора на обе поляризации. Это может наложить более строгие ограничения на выбор конфигурации модулятора (т.е. взаимное расположение осей кристалла и направления поляризаций мод). Использование разнообразных двулучепреломляющих оптических материалов для модуляторов позволяет осушествлять частотную модуляцию ортогонально поляризованных мод в

различных режимах (модуляцию частот обеих мод в фазе, в противофазе, модуляцию частоты только одной моды и т.д.).

Важно заметить,что внутрирезонаторное воздействие влияет на режим генерации, может привести к получению новых режимов генерации, например, режима синхронизации мод [7, 47-51]. Синхронизация мод может, в частности, привести к переходу лазера в импульсный режим, причем в импульсе мощность излучения существенно выше, чем в непрерывном режиме при отсутствии воздействия на лазер [7, 49, 52].

Целью данной работы является исследование различных режимов генерации двухмодовых Не-Ые лазеров с фазоанизотропным резонатором, работающим в режиме генерации двух линейно и ортогонально поляризованных мод при внутрирезонаторной частотной модуляции. Выбор данного лазера обусловлен тем, что свойства его хорошо изучены [53-57], имеется большой экспериментальный опыт. Для Не-Ке лазера с длиной волны 3.39 мкм характерно высокое усиление, что позволяет снизить требования к качеству оптических поверхностей и при необходимости разместить внутри резонатора большое количество элементов. В качестве модулирующего материала выбран ниобат лития. Выбор был обусловлен рядом причин: прозрачность как для ИК, так и для видимого диапазонов, что облегчало проведение экспериментов; большие значения электрооптических коэффициентов обеспечивали возможность получения высоких значений индекса модуляции при небольших прикладываемых управляющих напряжениях; возможность выбора такой геометрии и взаимного расположения кристалла модулятора и направлений поляризации мод, при которой прикладываемое напряжение не приводило к повороту оптической оси кристалла, т.е. не меняло характер поляризаций мод и их добротности. Это сделало Не-Ые лазер с модулятором из ниобата лития удобным для моделирования систем связи, локации и

т.п., а также для отработки экспериментальных методик регистрации оптического ЧМ сигнала.

Следует также отметить, что использование частотно-модулированного когерентного излучения привело к возникновению нового раздела спектроскопии-модуляционной спектроскопии [58-60], привлекательного своей универсальностью и относительной простотой реализации. Сначала этот метод был применен для внерезонаторной поглощающей ячейки. Использование внешней ячейки при всех своих достоинствах обладает одним существенным недостатком-малой величиной выделяемого сигнала. В работах [61-65] отмечается, что можно повысить чувствительность метода ЧМ спектроскопии при выделении сигнала внутрирезонаторного насыщенного поглощения. Использование высокочастотной модуляции дает возможность при низком уровне шумов выделять нелинейные оптические резонансы в газах низкого давления, не подверженные полевому уширению. Это позволяет повысить стабильность частоты лазеров, стабилизированных по резонансам насыщенного поглощения.

В работах [61, 65] отмечается, что при выделении резонансной структуры в переменной части интенсивности на частоте модуляции можно избежать влияния технических шумов, ограниченных полосой частот несколько кГц. При частотах модуляции больших однородной ширины линии поглощения (~102 кГц) возможно выделить резонансы, не подверженные пролетному и полевому уширению [65, 66]. В работе [67] предполагается, что при частоте модуляции в несколько МГц резонансы, выделяемые в переменной части сигнала имеют ширину, определяемую только столкновительными эффектами.

Двухмодовый лазер обладает дополнительными возможностями по сравнению с одномодовым: он позволяет повысить контрастность амплитудных резонансов благодаря эффекту взаимодействия мод [57, 68], позволяет выделять резонансы в частоте межмодовых биений [57]. Одной из задач являлось исследование

модуляционных резонансов в переменной части интенсивности в двухмодовом Не-Ые/СШ лазере при различных частотах модуляции и получение новых резонансных структур в амплитудных и частотных характеристиках такого лазера.

Как отмечалось ранее, когда частота модуляции близка к частоте межмодовых биений (т. наз. режим синхронной модуляции), возникает эффект синхронизации мод. Такой режим работы многомодового Не-Ые лазера с изотропным резонатором, работающего в режиме генерации нескольких продольных мод детально исследован в работах [50, 51]. Показано, что синхронизация мод приводит к существенному изменению характеристик излучения. В работе [89] в Не-Ке/СШ лазере с таким резонатором при синхронной модуляции получены резонансные структуры в фазе сигнала межмодовых биений.

В настоящей работе проведено детальное исследование амплитудных и частотных характеристик Не-№ и Не-Ые/СШ двухмодового лазера с фазоанизотропным резонатором в режиме синхронной модуляции. В таком лазере имеется большее количество управляемых параметров: межмодовое расщепление, степень связи и т.д.. В работе показана возможность получения резонансных структур с шириной меньшей однородной ширины линии поглощения.

Одним из факторов, ограничивающих качество передаваемого сигнала в системах связи, точность лазерных измерительных систем, стабильность лазерных стандартов частоты и т.п. является наличие флуктуаций частоты и интенсивности излучения лазера. Известно [69], что флуктуации можно разделить на естественные и технические. Последние связаны с механическими колебаниями, нестабильностью тока накачки и т.п. и существенны лишь в полосе несколько единиц или десятков кГц. Флуктуации излучения лазера в более высокочастотной области являются естественными и принципиально полностью не устранимы.

Определение уровня флуктуаций, выбор режима генерации и методов передачи и регистрации сигнала при которых влияние флуктуаций минимально

является важной задачей при применениях лазеров. В работах [44-46, 70-72] проведено исследование флуктуаций интенсивности и частоты биений двухмодового лазера от различных параметров, в частности, при различных степенях коррелированное™ источников шума в отдельных модах. Можно предположить, что в режиме синхронизации флуктуации частоты отдельных мод оказываются частично скоррелированы, и вследствие этого изменяется уровень флуктуаций частоты межмодовых биений. В данной работе проведено экспериментальное и теоретическое исследование влияния синхронной модуляции на флуктуации частоты межмодовых биений и интенсивности отдельных мод.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

В первой главе обосновывается выбор геометрии и ориентации модулятора и приводятся результаты исследований генерации двухмодового Не-№ и Не-Ке/СШ при частоте модуляции, отличной от частоты межмодовых биений (несинхронная модуляция). Рассматриваются два режима модуляции: в первом случае частоты обеих мод модулируются одинаково в противофазе, во втором-модулируется частота только одной моды. При необходимости может быть обеспечен любой требуемый закон модуляции. Показано, что межмодовое расстояние линейно зависит от приложенного напряжения. Нелинейность, обусловленная влиянием активной среды составляет 3% в интервале частот межмодовых биений 0-И 00 МГц и определяется, главным образом, эффектом затягивания частот к центру линии усиления. При выборе соответствующего давления активной среды модуляция межмодового расстояния не сопровождается амплитудной модуляцией. Девиация частоты межмодовых биений неизменна при перестройке частоты модуляции в интервале до 10 МГц при одном и том же уровне модулирующего сигнала и не зависит от межмодового расстояния, продольного сдвига и моментов рабочих уровней.

Для двухмодового Не-Ые/СШ лазера рассматриваются резонансы насыщенного поглощения, выделяемые в переменной части интенсивности на

частоте модуляции. Показана возможность выделения резонансных структур в 1.5-1-2 раза уже, чем резонанс в стационарной части сигнала, причем форма этих структур устойчива при изменении рабочих параметр