Спосіб стабілізації частоти випромінювання інжекційного напівпровідникового лазера

Спосіб стабілізації частоти випромінювання інжекційного напівпровідникового лазера, який включає регулювання режиму тепловиділення в активній області лазера внаслідок накачування його імпульсами струму, в яких величину струму протягом імпульсу змінюють за лінійним або за експоненційним законом з позитивним знаком другої похідної струму за часом, який відрізняється тим, що величину тепловиділення регулюють одночасно змінюючи глибину модуляції частоти відповідного імпульсу, причому останню змінюють адаптивно для кожного окремого імпульсу в залежності від температури кристалу у відповідний момент після проходження імпульсу струму. Корисна модель відноситься до квантової електроніки, і може використовуватись в лазерній спектроскопії високого розділення, у пристроях для дистанційного керування забрудненості атмосфери та контролю складу газових сумішей у промисловості, а також у волоконній оптиці та лазерній медицині. Відомий спосіб керування частотою випромінювання інжекційного лазеру [Анзин В. Б. и др. Применение инжекционных лазеров на основе pbiSn x Fe в спектроскопии высокого разрешения. x Краткие сообщения по физике, 1978, №4, с. 18], що включає використання режиму імпульсного сканування, який полягає в накачуванні його імпульсами струму прямокутної форми та регулювання режиму тепловиділення в активному шарі лазерного кристалу шляхом зміни періоду повторення імпульсів накачування. Недоліками цього способу є низька швидкодія керування частотою для регулювання швидкістю сканування, наприклад, для її зменшення, а також значна нелінійність сканування, обмежена використанням для накачування імпульсів струму прямокутної форми: якщо тривалість імпульсу не перевищує часу дифузії тепла від активної області до границь лазерного кристалу, то швидкість сканування спадає пропорційно квадратному кореню із часу. Найбільш близьким до запропонованого є спосіб керування частотою випромінювання інжекцій ного напівпровідникового [А.С. СРСР №921419 А, М. кл. H01S3/18, опубл. 07.11.84, бюл. №41], працюючого в режимі імпульсного сканування, який включає накачування його імпульсами струму та регулювання режиму тепловиділення в активній області лазеру за рахунок зміни струму накачки кожного окремого імпульсу. Зменшують мінімальне значення швидкості зміни частоти випромінювання лазера при фіксованій тривалості імпульсу накачування, величину струму накачування після закінчення переднього фронту імпульсу монотонно зменшують на протязі імпульсу за лінійним законом. Змінюють частоту випромінювання лазеру на протязі інтервалу часу, на якому швидкість цієї зміни досягає мінімального за абсолютною величиною значення, величину струму накачування після закінчення переднього фронту імпульсу зменшують за експоненційним законом з позитивним знаком другої похідної струму за часом. Недоліком способу є обмежені можливості його використання у інших областях квантової електроніки, зокрема у волоконній оптиці та лазерній медицині. В основу винаходу поставлено задачу отримання стабільності частоти лазерного випромінювання за рахунок відповідної температурної стабілізації при зменшенні глибини (індексу) модуляції частоти окремого імпульсу струму з одночасною зміною струму його накачування. Це призводить до розширення функціональних можливостей, збі ео (О 00 О) 8496 личину струму накачки після закінчення переднього фронту імпульсу зменшують, наприклад, за лінійним або експоненційним законом з позитивним знаком другої похідної за часом на протязі всього імпульсу для підвищення лінійності зміни частоти випромінювання лазеру. Відомо, що обумовлена розігрівом активної області кристалу зміна частоти випромінювання при температурах Т більше 20 К прямо пропорційна приросту температури ДТ. Останній може змінюватись в залежності від глибини модуляції т внаслідок температурної залежності порогового струму. Для інжекційних лазерів кількість тепла, що виділяється в одиницю часу в активній області, прямо пропорційна величині струму накачування. Оскільки розігрів лазеру імпульсом струму відноситься до істотно нестаціонарних процесів, температура активної області в будь-який момент часу залежить не тільки від значення струму накачування в цей же момент, але й попереднього стану його зміни та часу термодифузії. Розглянемо реалізацію запропонованого способу на прикладі напівпровідникового інжекційного лазера ІЛПН-114-1Б. Характеристики лазера: пороговий струм при кімнатній температурі І ПО р0 =150мА, максимальний струм льшення швидкості сканування в режимі імпульсного сканування, а також стабілізації вихідної потужності оптичного випромінювання лазера. Поставлена задача досягається тим, що в способі стабілізації частоти випромінювання інжекційного напівпровідникового лазеру регулюють режим тепловиділення в активній області лазера за рахунок накачки його імпульсами струму, в яких величину струму на протязі імпульсу змінюють за лінійним законом (або за експоненційним законом з позитивним знаком другої похідної струму за часом), одночасно при цьому змінюючи глибину модуляції частоти відповідного імпульсу. На Фіг.1 зображена прямокутна форма імпульсу струму накачки без зміни глибини модуляції, на Фіг.2 - зміна температури активної області інжекційного лазеру при накачуванні його прямокутним імпульсом струму, на Фіг.З - експоненційна форма імпульсу струму накачування зі зміною глибини модуляції, на Фіг.4 - зміна температури активної області інжекційного лазеру при накачуванні експоненційним імпульсом струму зі зміною глибини модуляції частоти, на Фіг.5 - теоретично розрахована залежність зміни температури від глибини модуляції, на Фіг.6 - теоретично розрахована залежність зміни напівширини спектру хвилі від глибини модуляції. Спосіб здійснюється наступним чином. Зі збільшенням температури лазерного кристалу зменшується швидкість її зростання, тобто збільшується відтік тепла від активної області, де воно виділяється. Змінюючи глибину частоти модуляції лазерного випромінювання, цілеспрямовано обираючи величину несучої складової І н у межах 'max = 5 0 0 М А, довжина хвилі - X = 840 - 870 нм, час термодифузії - т = 200 мкс, тривалість імпульсу - tj=100MKC, характеристична температура Т о = 1 2 0 ° С . Експериментальне значення залежності зміни напівширини спектру випромінювання АХ від приросту температури AT: — = ( 0 , 5 - 1 ) — . Без урахування впливу попереАТ 'пор < | н 3 ) . А е 'пор - порогова величина струму лазера, l m a x - максимальна величина струму, досягають зменшення прирощення температури кристалу внаслідок відповідного зменшення зміни струму накачування на протязі усього періоду імпульсу (Фіг.4). Одночасно із цим ве„ _ Рмакс~Рмін Рмякг +Р» мін макс ДТ = Tn In 'максСп2т днього значення температури кристалу Т П 0 П Є р теоретична залежність приросту температури ДТ від глибини модуляції т внаслідок температурної залежності порогового струму має вид: -І» 'макс~'мін Імакс ~ 'мін 'макс ~ 'мін * ~ Нпор0 Отримана залежність представлена на Фіг.5 для трьох різних значень мінімального струму накачки УнОмін >'порО) • Відповідна зміна напівширини спектру випромінювання АХ представлена на Фіг.6. Таким чином, у розглянутому способі стабілі \J п о р 'макс + 'мін - 2І П О р0 е х ДТ Р ^ зації частоти випромінювання інжекційного напівпровідникового лазера за рахунок додаткового зменшення тепловиділення для окремого імпульсу істотно зменшується величина напівширини спектру випромінювання, що дозволяє розширити функціональні можливості та області використання таких лазерів, зокрема в пристроях волоконної оптики, лазерної медицини та для біофізичних досліджень. 8496 ДА, HM AT, °С / / г / / / / 1 1 0 0.2 trace 1 / У / / / ^ / 0.4 / /] / f/ у і 0.6 * 0 0.8 '0 Фіг. 5 Комп'ютерна верстка Л.Литвиненко 0.2 trace 1 Підписне 0.4 / 0.6 0 0.8 Фіг. 6 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 4 2 , 01601