Исследование особенностей согласованного волнового фронта полупроводникового инжекционного лазера с внешними оптическими элементами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Р Г Б ОД

На правах рукописи

1 7 ОНТ 1998

ЧЕРНЫШОВ АЛЕКСАНДР КОНСТАНТИНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СОГЛАСОВАНИЯ ВОЛНОВОГО ФРОНТА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ИНЖЕКЦИОННОГО ЛАЗЕРА С ВНЕШНИМИ ОПТИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

01.04.05 Оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Самара - 1998 \ ^^^

Работа выполнена в Самарском филиале Физического института им.П.Н.Лебедева Российской Академии Наук.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Величанский В. Л.

Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук Богатов А.П.

доктор физико-математических наук Котляр В.В.

Ведущая организация — Саратовский государственный университет.

Защита состоится « » Ок. Г5'иГр?1_ 1998г. в часов

на заседании диссертационного совета К 063.94.05 Самарского государственного университета по адресу: г.Самара, ул.Ак.Павлова, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета.

Автореферат разослан « » (^ГЖлГрЯ-) 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н., доцент В.А.Жукова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Расширение области практических применений полупроводниковых лазеров предъявляет высокие требования к их мощностным, пространственным и спектральным характеристикам, включая освоение новых спектральных диапазонов. В большинстве приложений излучение лазерных диодов (ЛД) необходимо фокусировать в пятно микронных размеров (датчики, оптические диски) или формировать параллельный пучок большой протяженности (открытая оптическая связь, целеуказатели), или трансформировать в пространственную моду с заданными параметрами (ввод в одномодовое волокно и интерферометры). Во всех подобных случаях важно учитывать особенности пространственных характеристик волновых фронтов (ВФ) лазерных диодов и в первую очередь эллиптичность и астигматизм. Это существенно и при создании высококогерентных инспекционных лазеров с селективным внешним резонатором, где важно обеспечить одночастотный характер генерации с высокой выходной мощностью. Несмотря на большое число работ, посвященных исследованию лазерных диодов с внешним резонатором (ЛДВР), рассогласование между кривизнами волновых фронтов поля в активной области лазера и поля возвращаемого от внешнего отражателя редко принимается во внимание. Между тем, оно может заметно воздействовать на уровень обратной связи (ОС) и на устойчивость режима одночастотной генерации.

Создание полупроводниковых лазеров, излучающих в сине-зеленой части видимого спектра, остается на сегодняшний день актуальной задачей. В настоящий момент выходная мощность подобных лазеров ограничена несколькими милливаттами, а время жизни — десятками часов. Эти факторы затрудняют практическое использование таких излучателей и стимулируют развитие альтернативных подходов. Возможным способом получения излучения в области 400нм является генерация второй гармоники от надежных высококогерентных лазеров на основе АЮаАэ в накопительном интерферометре с нелинейным кристаллом. При этом, для получения высокого коэффициента преоб-

разования, необходимо обеспечить согласование импедансов и реализовать точное пространственное преобразование входного пучка в собственную моду накопительного резонатора.

Указанные вопросы неполно отражены в литературе и требуется их дальнейшее изучение.

Целью работы являлось:

1) Определение на основе анализа литературы наиболее удобных для практики параметров, описывающих пространственные характеристики волновых фронтов лазерных диодов. Разработка методики и создание установки для измерения этих параметров. Систематическое исследование параметров волновых фронтов инжекционных лазеров и возможности определения механизма формирования волновода.

2) Исследование влияния степени согласования кривизны волновых фронтов поля внутри активной области и поля, обеспечивающего оптическую обратную связь, на характеристики лазерного диода с внешним резонатором. Изучение возможности получения большей мощности в одночастотном режиме генерации ЛДВР за счет улучшения согласования кривизны волновых фронтов.

3) Разработка методики преобразования эллиптичного астигматичного Гауссова пучка в аксиально-симметричную моду с заданными параметрами.

4) Разработка способа определения оптимального коэффициента пропускания входного зеркала для согласования импедансов интерферометра. Это позволит, в частности, реализовать эффективный ввод излучения лазерного диода в накопительный интерферометр при генерации второй гармоники.

Научная новизна.

Предложенная модификация установки для измерения астигматизма лазерных диодов имеет следующие отличительные особенности: 1) независимая регистрация перетяжек, обеспечиваемая цилиндрической линзой, расширяет

диапазон измерений астигматического расстояния до нуля без ухудшения точности; 2) регистрация осевого распределения интенсивности вместо поперечного позволяет легко автоматизировать измерения и определять дополнительно к астигматизму размер перетяжки в плоскости перехода, К-фактор Пи-термана и М2-фактор качества пучка; 3) прецизионная подвижка лазера, вместо перемещения регистрирующей системы минимизирует влияние эллиптичности пучка на результаты.

Впервые экспериментально и теоретически показано, что знак и величина астигматического расстояния изолированного лазера позволяют определить тип и длину внешнего резонатора, в котором обеспечивается оптимальное согласование. Предложен новый метод прямого численного моделирования воздействия кривизны волнового фронта поля оптической обратной связи на пороговые характеристики ЛДВР. Экспериментально обнаружено, что короткий внешний резонатор с согласующей цилиндрической линзой повышает устойчивость режима одночастотной генерации в лазерах без бокового ограничения.

Обобщена методика согласования круглых Гауссовских пучков на случай преобразования эллиптичного пучка с астигматизмом в аксиально-симметричную моду с заданными параметрами и получено экспериментальное подтверждение эффективности этого подхода.

Предложен оригинальный способ определения оптимального коэффициента пропускания входного зеркала накопительного интерферометра.

Практическая ценность работы.

Представленная в работе модификация установки измерения астигматизма использовалась для оптимизации структур лазерных диодов при проведении совместных работ с НИИ «Полюс» (г.Москва) и НИИ «Север» (г.Новосибирск). Схема короткого внешнего резонатора, в котором воспроизводимо обеспечивается режим устойчивой одночастотной генерации при больших уровнях накачки, перспективна для приложений в спектроскопии и интерферометрии. Метод преобразования эллиптичного пучка в круглый мо-

жет быть использован для эффективного ввода излучения лазерного диода в одномодовое волокно, неконфокальные интерферометры, сферические микрорезонаторы с модами типа шепчущей галлереи, для формирования качественных волновых фронтов необходимых в спектроскопии высокого разрешения и метрологии частоты и времени.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Установлено, что в методе измерения астигматического расстояния по форме осевого распределения интенсивности в области фокусировки пучка влияние эллиптичности на результаты минимально, если в пространстве изображений на фиксированном расстоянии от фокусирующего объектива регистрируется ширина пучка как функция положения лазерного диода. Методика последовательной регистрации минимальных размеров пучка в главных поперечных направлениях, осуществляемая при помощи поворотной цилиндрической линзы, позволяет расширить диапазон измерений вплоть до нуля, при точности определения астигматического расстояния на уровне ±2мкм. По форме осевого распределения интенсивности в области фокусировки пучка можно контролировать корректность измеренной величины астигматизма, определять К-фактор Питермана, М2-фактор качества и размер перетяжки в плоскости р-п перехода лазера.

2)Тип бокового волновода лазерного диода нельзя однозначно определить по величине астигматического расстояния, необходимо дополнительно измерить К-фактора Питермана.

3) Экспериментально и с помощью численного моделирования выявлено, что существует оптимальная кривизна волнового фронта поля оптической обратной связи в плоскости р-п перехода лазера, при которой реализуется минимальный порог генерации и наибольшая токовая устойчивость одномодового спектра. Экспериментально установлено, что знак и величина астигматического расстояния изолированного полоскового лазерного диода позволяют опре-

делить тип и длину внешнего резонатора, который обеспечивает указанную оптимальную кривизну волнового фронта поля ОС.

4) Теоретически и экспериментально показано, что методика 2-х линзового согласования круглых Гауссовских пучков может быть обобщена на случай преобразования эллиптичного пучка с астигматизмом в аксиально-симметричную моду с заданными параметрами.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах Самарского филиала Физического института им. П.Н.Лебедева РАН, на республиканской конференции по физике полупроводниковых лазеров (Вильнюс, 1989г.), на XII Всесоюзном семинаре по диодно-лазерной спектроскопии (Минск, 1991г.), на конференции Оптика Лазеров (С.-Петербург, 1993г.). Диссертационная работа в 1993-1995гг. поддерживалась Российским Фондом Фундаментальных исследований (№93-02-15038, №95-02-05882).

Публикации.

По результатам диссертации опубликовано 6 научных работ и получено 2 авторских свидетельства.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В конце работы приведен список цитируемых работ из 126 наименований. Общий объем диссертации, включая иллюстрации и таблицы, составил машинописных страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дано обоснование актуальности решаемых в диссертации задач, сформулирована основная цель работы. Глава 1. имеющая обзорный характер, посвящена рассмотрению методических вопросов, связанных с основ-' ными особенностями пучков лазерных диодов. Анализируются параметры, ха-

растеризующие качество волнового фронта и методы их измерения. В разделе 1.1 отмечается, что доминирующим типом аберраций лазерных диодов является астигматизм. Описаны механизмы, приводящие к возникновению искажений такого вида. Отмечается, что дополнительно к астигматизму для оптических пучков лазерных диодов характерны: большая расходимость и эллиптичность. Кроме того, для лазеров с большой шириной полоскового контакта часто наблюдаются: генерация пространственных мод высокого порядка, работа в нескольких независимых каналах, самофокусировка излучения.

В разделе 1.2 рассмотрены существующие параметры, характеризующие волновые аберрации, их взаимосвязь. Определяются максимально допустимые величины первичных аберраций ВФ для получения дифракционно-ограниченной фокусировки. Вводится понятие астигматического расстояния и показана его связь с величиной среднеквадратичной аберрации. Отмечается, что величина волновой аберрации характеризует в целом систему лазер плюс коллиматор, тогда как астигматическое расстояние определяется только волноводом лазерного диода. Рассматривается М2-фактор, характеризующий степень отклонения реального лазерного пучка от идеального Гауссовского пучка. Учет М2-фактора позволяет более точно описать распространение реального пучка в свободном пространстве и через оптическую систему.

В разделе 1.3 проведен сравнительный анализ методов измерения параметров волнового фронта лазерных диодов. Рассмотрена косвенная методика измерения астигматизма и возможность ее обобщения с помощью М2-фактора на случай реальных пучков, отличающихся от Гауссовских. Обсуждаются методики измерения астигматизма лазеров, основанные на интерферометрах Маха-Цандера, Майкельсона, описывается метод измерения Мг-фактора, разработанный International Standardization Organization (ISO).

Глава 2 посвящена измерению пространственных характеристик волновых фронтов лазерных диодов по форме осевого распределения интенсивности в области фокусировки пучка сферической линзой (микроскопическая методика). В разделе 2.1 кратко уточняются причины появления астигматического

волнового фронта у лазера без бокового ограничения (ОС-лазеры). В рамках параболической модели распределения комплексной диэлектрической проницаемости среды показано, что для определения механизма образующего волновод в плоскости р-п перехода лазерного диода необходимо знать величину Кофактора Питермана.

В разделе 2.2 анализируются два подхода в микроскопической методике измерения астигматического расстояния ( Е>). Определена технология измерения наименее чувствительная к эллиптичности пучка. Проанализирована работа устройства регистрации минимальной ширины пучка по осевой интенсивности и способ измерения малых Ь с помощью цилиндрической линзы. Приводится схема экспериментальной установки, в которой реализуются предложенные диссертантом модификации микроскопической методики. Описан способ определения К-фактора Питермана и М2-фактора по форме кривых, полученных на экспериментальной установке.

В разделе 2.3 представлены результаты калибровки установки, выполненные с помощью специально разработанного оптического источника с переменным астигматизмом. Установлено, что во всем диапазоне измерений погрешность составляет ±2мкм. Проведено сравнительное определение астигматизма с помощью модифицированной микроскопической и косвенной методик. В заключение для иллюстрации приводятся результаты измерений пространственных характеристик излучения для некоторых лазерных структур.

В Главе 3 рассматривается согласование лазерного диода с внешним резонатором (ВР). В разделе 3.1 кратко обсуждается методика улучшения спектральных характеристик лазерного диода с помощью внешнего резонатора. Представлены наиболее распространенные конфигурации селективных внешних резонаторов и сформулированы основные требования к ним.

В разделе 3.2 анализируется модель лазерного диода с внешним неселективным резонатором. Рассматриваются два основных типа ВР со сходящимся (тип I) и параллельным (тип II) пучками. В приближении заданного лазерного поля Ч', с помощью АВСБ-матрицы определены параметры волны , возвра-

щающейся к ЛД после обхода BP I и Ii-типа. Эффективность ввода поля ОС (р) вычислялась при помощи интеграла перекрытия Когельника между волной Ч'г и собственной модой лазерного GG-волновода. Из выражения для р следует, что во-первых, резонаторы с параллельным и сходящимся пучками длиной (Ь) обеспечивают одинаковую эффективность ОС. Во-вторых, ц=1 при длине ВР (bopl) равной фокусному расстоянию f, используемого коллиматора. Проверка полученных соотношений выполнена по изменению порогового тока лазерного диода (AIth) под действием внешней оптической связи. Измерения были проведены на промышленных AlGaAs лазерных диодах с положительной, нулевой и отрицательной величиной астигматического расстояния. Полученные экспериментальные зависимости имели сильное отличие от расчетных кривых. Для лазеров с ненулевым астигматизмом одинаковые по длине резонаторы обоих типов обеспечивали существенно различную эффективность ввода поля ОС, а bop,»f. Дополнительно к ситуации один объектив - разные лазеры исследовался случай один лазер - разные объективы. Из ABCD-матрицы для BP-II, образованного объективом с фокусным расстоянием (f) и внешним плоским зеркалом на расстоянии b от него, следует, что такое же воздействие на лазерный пучок будет оказывать цилиндрическое вогнутое зеркало радиусом peq(b)=f2/(b-f), расположенное перед гранью ЛД. Действительно, две серии значений Д1Ш(Ь), полученные с различными коллиматорами, построенные как функции pecj(b) ложатся на одну кривую с единственным экстремумом, определяемым точками из обеих серий. Этот результат количественно подтверждает аналогию между ЛДВР и лазерным диодом с искривленной гранью, ранее указанную в литературе чисто качественно.

Экспериментально исследовано влияние кривизны ВФ поля ОС на спектр собственных продольных мод лазерного диода (моды внешнего резонатора здесь не рассматривались). Обнаружено, что монохроматичность спектра ЛД и его стабильность максимальны при длине ВР равной bopt. Следовательно спектр определяется не только селективностью составного резонатора, но и кривизной волнового фронта поля обратной связи. В противном случае, стабильная одно-

модовая генерация наблюдалась бы только для очень коротких ВР (Ь«Ьор1) с наибольшим межмодозым интервалом. Таким образом, для СО-лазеров максимальное уменьшение порогового тока и наибольшая мощность при одномодо-вом спектре получены в случае, когда внешний резонатор фокусирует поле обратной связи к оси полоскового контакта. Однако, такое поле не обеспечивает максимального перекрытия (фактор ц) с собственной модой изолированного лазера при учете кривизны фазового фронта.

В разделе 3.3 представлены результаты численного моделирования, уточняющие механизм понижения порогового тока под действием ОС. В данном подходе для учета кривизны ВФ непосредственно рассчитывалось распространение излучения в СО-лазере, а воздействие внешнего резонатора моделировалось через отражение от цилиндрически вогнутого зеркала на грани. Для расчета пороговых характеристик лазерного диода с цилиндрически выпуклой гранью использовался метод, ранее предложенный в [1]. В приближении эффективного показателя преломления поперечная структура моды игнорировалась. Волноводные свойства лазера определялись боковым распределением изменения комплексной диэлектрической проницаемости Де(х) активной области, вызванного распределением неоднородной концентрации носителей 1\(х). Последнее определялось самосогласованным решением уравнения диффузии. Боковая структура моды рассчитывалась методом, аналогичным методу Фокса и Ли, с учетом лазерного волновода. Результаты расчетов показали, что минимальный пороговый ток получается, когда падающая и отраженная волны в плоскости искривленной грани имеют совпадающие фазовые фронты. При этом реализуется оптимальная подфокусировка поля к полосковому контакту, под которым сосредоточено усиление прибора. Степень перекрытия боковых профилей оптического усиления и моды увеличивается, вызывая уменьшение порога генерации. На основании аналогии между лазером с искривленной гранью и ЛДВР установлено: 1) внешний резонатор при сильной связи изменяет боковое распределение поля внутри СО-лазера, поэтому при расчете эффективности ОС в интеграле перекрытия нельзя использовать моду изолированно-

го ЛД; 2) оптимальное (по пороговому току) согласование между ОС-лазером и внешним резонатором получается, когда после обхода ВР волновой фронт модифицированного лазерного пучка оказывается близким к обращенному. Подчеркнем, что для СС-лазеров при отражении с обращением волнового фронта волна перестает быть собственной модой изолированного лазерного волновода (в отличие от объемных резонаторов).

На практике важно заранее определить оптимальную длину внешнего резонатора. Для решения этой самосогласованной задачи автором диссертации предложен приближенный подход. Численными расчетами установлено, что при обращении волнового фронта исходного поля изолированного лазера получается волна обратной связи близкая к оптимальной собственной моде ЛДВР. Для Св-лазеров типа ИЛПН-108 с полосковым контактом 5-15мкм и длиной собственного резонатора до 400мкм результаты расчета р-фактора хорошо совпадают с экспериментом. В частности, подтверждается различие между ВР I и II типов одинаковой длины. В рамках этого подхода получено выражение для вычисления оптимальной длины внешнего резонатора. Теоретические оценки Ьор, хорошо согласуются с экспериментом.

В разделе 3.4 экспериментально исследуется влияние кривизны поля обратной связи на практически наиболее важный одночастотный режим работы ЛДВР. Обнаружено, что при оптимальной длине внешнего резонатора у по-лосковых лазерных диодов на основе АЮаАБ одночастотная генерация наблюдалась только вблизи порогового тока. Генерация подобных ЛДВР была неустойчивой, из-за хаотических переключений по внешнерезонаторным и собственным модам лазера. В дальнейшем длина ВР ограничивалась 15см, а эффективное согласование обеспечивалось дополнительной цилиндрической линзой. Подбором положения цилиндрической линзы в резонаторе и величины тока накачки (~1,51[Ь) лазерному диоду навязывался режим, при котором усиливалась привязка частоты генерации к одной из мод внешнего резонатора. Тем самым повышалась устойчивость одночастотного режима к внешним дестабилизирующим факторам, в частности, к флуктуациям тока накачки. В этом режиме

у лазеров наблюдалась непрерывная перестройка частоты током, в 4^-5 раз превосходящая межмодовый интервал ВР, и выходная мощность достигала 15мВт, что примерно в 5 раз больше, чем в обычном одночастотном режиме для ВР без согласующей линзы. Согласно [2], в основе этого эффекта «автостабнлиза-ции» одночастотной генерации лежит взаимодействие через инверсию населенности активной среды сильной генерирующей моды со слабыми соседними, вызывающее дополнительное их подавление. В литературе ранее рассматривались схемы внешних резонаторов с внутренними цилиндрическими линзами в контексте понижения требований к точности юстировки внешнего отражателя и подавления пространственных мод высокого порядка, но целесообразность их применения для получения воспроизводимого режима устойчивой одночастотной генерации ранее не обсуждалась.

Глава 4 посвящена вопросу обеспечения эффективного ввода излучения лазерного диода в накопительный интерферометр при генерации второй гармоники. В разделе 4.1 дан краткий обзор литературы, посвященной генерации когерентного излучения в области 350-450нм с помощью методов нелинейной оптики и прежде всего путем удвоения частоты. Отмечается, что с появлением кристаллов КМзОз с высокой нелинейной восприимчивостью (¿З2=20х10",2м/В) и лазерных диодов мощностью 100-200мВт с достаточной когерентностью при хорошем качестве пучка стала возможна реализация компактного полностью твердотельного излучателя в сине-зеленой области видимого спектра. Для компенсации относительно низкого уровня оптической мощности лазерных диодов весьма привлекательным является принцип резонансного повышения мощности излучения в накопительном интерферометре. Рассматриваются основные положения теории этого метода. Показано, что для получения максимальной эффективности необходимо реализовать точное пространственное преобразование эллиптичного лазерного пучка в аксиально-симметричную моду накопительного интерферометра, а также обеспечить согласование импе-дансов. Физически равенство импедансов означает, что потери на ввод излучения равны сумме всех других потерь при однократном круговом обходе интер-

ферометра.

В разделе 4.2 изложена методика расчета геометрии кольцевого накопительного интерферометра. Известно, что мощность второй гармоники максимальна, если отношение длины нелинейного кристалла к конфокальному параметру фокусируемого в него пучка основной частоты равно 2,84 [3]. Тогда накопительный резонатор должен обеспечивать основную моду с перетяжкой размером 20мкм для кристалла 15мм длины, а с другой стороны для облегчения пространственного согласования размер перетяжки должен быть достаточно большой. В этом случае хорошо подходит кольцевой резонатор типа бабочки, собственная мода которого, обладает двумя различными по размеру перетяжками. При расчете геометрии подобного интерферометра использовался обобщенный подход [4], основанный на воспроизводимости пучка после кругового обхода последовательности фокусирующих зеркал. Полученные в диссертации соотношения для конкретной схемы интерферометра позволяют по перетяжке внутри кристалла и радиусу кривизны сферических зеркал определить длину плеч интерферометра и размер большой перетяжки собственной моды.

Для обеспечения равенства импедансов автором диссертации разработан подход, позволяющий с помощью произвольного пробного зеркала определить оптимальный коэффициент отражения для рабочего зеркала. Мощность ИК излучения (Рш) внутри накопительного интерферометра определяется уровнем потерь, в том числе и на преобразование во вторую гармонику. В свою очередь, мощность второй гармоники (Ргш) определяется мощностью излучения основной частоты, циркулирующей внутри интерферометра. Эта самосогласованная задача для нахождения Ри и Р2(„ описывается системой из 2х связанных уравнений. Численный алгоритм решения этой системы, реализованный в виде компьютерной программы, позволяет рассчитать зависимость мощности излучения второй гармоники как функцию коэффициента пропускания входного зеркала. Однако, параметры, входящие в расчеты и описывающие конкретный интерферометр с кристаллом внутри, как правило, не известны. Предложена методика,

позволяющая с помощью пробного входного зеркала, установленного в интерферометре, определить интересующие величины.

В разделе 4.3 предложен метод эффективного преобразования пучка лазерного диода в аксиально-симметричную моду с заданными параметрами. Для этого используются три линзы - две цилиндрические с взаимно-ортогональными осями и одна сферическая. К достоинствам подхода можно отнести то, что применяются доступные элементы и относительно легко выполнить предварительный расчет согласующей системы. Последнее обстоятельство позволяет быстро ответить на два практических вопроса: 1) можно ли получить эффективное согласование с помощью доступного набора линз; 2) какие элементы необходимы для того, чтобы размеры системы не превышали заданных. Алгоритм расчета представляет обобщение 2-х линзовой методики согласования круглых Гауссовских пучков на случай эллиптичного пучка с астигматизмом. Принцип 2-х линзового согласования основан на рассмотрении модельных пучков, распространяющихся навстречу друг другу из входной и выходной перетяжек, соответственно, через входную и выходную линзы системы. Если модельные пучки фокусируются так, что их преобразованные перетяжки располагаются между согласующими линзами в одной плоскости и совпадают по размеру, то входной пучок точно трансформируется в выходной. Для описания фокусировки Гауссова пучка сферической линзой можно ввести параметрическую кривую, каждая точка которой определяется парой чисел: первое- расстояние между перетяжками до и после линзы; второе- размер преобразованной перетяжки. Построив по определенным правилам на одних координатных осях подобные кривые для модельных пучков подбором параметров согласующей системы, добиваются их пересечения. В точке пересечения выполняются условия согласования - промежуточные перетяжки имеют одинаковый размер и локализованы в одной плоскости. Для эллиптичного пучка с астигматизмом необходимо обеспечить одновременное согласование 2-х пар модельных одномерных пучков в боковой и поперечной плоскостях. В диссертации автором показано, что в этом случае достаточно ввести в рассмотрение

еще одну параметрическую кривую. Таким образом, метод расчета согласующей трехлинзовой системы состоит в подборе фокусных расстояний и полного расстояния между входной и выходной перетяжками, которые обеспечивали бы одновременное пересечение трех параметрических кривых. Экспериментальная проверка предлагаемого метода показала, что он обеспечивает 85% эффективность, в то время как при согласовании длиннофокусной линзой р=40%.

В разделе 4.4 описана экспериментальная установка для резонансного удвоения частоты полупроводникового лазера. В качестве источника основного излучения использовался мощный лазерный диод SDL-5421-61 (150мВт, 848нм) в режиме инжекции внешнего сигнала (Injection-locking). В качестве задающего лазера использовался лазер типа SDL-5401-61 (50мВт, 846нм) с селективным внешним резонатором. Накопительный кольцевой интерферометр типа бабочки был образован двумя плоскими и двумя сферическими зеркалами (R=50mm). Внутри интерферометра в области малой перетяжки размещался кристалл KNbOj длиной 15мм. Выходной пучок от мощного лазера через систему согласующих линз и оптическую развязку транспортировался в накопительный интерферометр. Мощность основной гармоники на входе последнего составляла 80мВт, при эффективности ввода 65%. Пик резонанса пропускания интерферометра при помощи петли электронной обратной связи привязывался к частоте излучения мощного лазера. Для оптимального коэффициента отражения входного зеркала в 95% было зарегистрировано излучение мощностью 14мВт на длине волны 424нм, т.е. полученная эффективность преобразования во вторую гармонику составила 17%.

В Заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Создана установка для измерения астигматического расстояния лазерных диодов в диапазоне 0-200мкм с погрешностью ±2мкм. Разработана методика измерения, позволяющая дополнительно определять К-фактор Питермана

и М2-фактор качества пучка.

2. Экспериментально установлено, что знак и величина астигматического расстояния определяют длину и конфигурацию внешнего резонатора, обеспечивающего оптимальное согласование. Предложен метод прямого численного моделирования пороговых характеристик полоскового лазера с внешним резонатором с учетом кривизны волнового фронта излучения. Продемонстрировано, что конфигурация внешнего резонатора с внутренней согласующей цилиндрической линзой обеспечивает воспроизводимый переход полосковых лазеров без бокового ограничения в режим устойчивой одночастотной генерации.

3. Развита методика преобразования эллиптично-астигматичного Гауссова пучка в аксиально-симметричную моду с заданными параметрами.

4. Предложен подход, позволяющий определить оптимальный коэффициент пропускания входного зеркала накопительного интерферометра. В схеме резонансной генерации гармоники при входной мощности ИК излучения 80мВт и 15мм длине кристалла KNb03 получено 14мВт на длине волны 424нм, т.е. эффективность преобразования составила 17%, что существенно выше, чем для однопроходной конфигурации.

Литература:

1. Champagne Y.,McCarthy N. IEEE J.Quantum Electron., 1991,V.27, №3, P.321-

333.

2. Богатов А.П. и др. Квантовая электроника, 1983, Т. 10, №9,С.1851-1865.

3. Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика. М. Радио и связь. 1982, С.120-122.

4. Rigrod W.W. Bell Syst.Tech.J., 1965, V.44, P.907-916.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Зибров A.C., Котова С.П., Пак Г.Т., Чернышев А.К. «Способ измерения ас-

тигматизма полупроводниковых лазеров». А.С.№1543972 от 15 октября 1989г.

2. Зибров A.C., Котова С.П., Пак Г.Т., Чернышов А.К. «Способ измерения ас-

тигматического расстояния полупроводниковых лазеров». А.С.№1811273 от 10 октября 1992г.

3. Величанский B.JL, Зибров A.C., Котова С.П., Пак Г.Т., Чернышов А.К. «Влияние асимметрии ближнего поля полупроводникового лазера на измерение астигматического расстояния». Письма в ЖТФ, 1991г., Т.17, вып.4. С.50-53.

4. V.L.Velichanskii, A.S.Zibrov, S.P.Kotova, G.T.Pak, A.K.Chemyshov. «Method of measuring the astigmatic distance of laser diodes. J.Sov.Laser Reseach, 1991, v. 12, N4, P.341-352.

5. Котова С.П., Чернышов A.K., Чернышова Г.Н. «Влияние астигматизма на согласование лазерного диода с внешним резонатором». Квантовая электроника, 1993г., Т.20, №5. С.509-512.

6. Величанский B.JL, Чернышов А.К. «Влияние кривизны волнового фронта на характеристики инжекционного лазера с внешним резонатором». Квантовая электроника, 1996г., Т.23, №3. С.233-237.

7. Величанский В.Л., Чернышов А.К. «Преобразование эллиптичного пучка излучения инжекционного лазера в аксиально-симметричный пучок». Краткие сообщения по физике ФИАН, 1996г., №3-4. С.38-45.

8. Чернышов А.К., Чернышова Г.Н. «Внешний резонатор с цилиндрической линзой для полосковых астигматичных лазерных диодов». Краткие сообщения по физике ФИАН, 1997 г, №5-6. С.47-54.