Кисельов В К, Радіонов В П

ІРЕ ім А Я Усикова НАН України вул Акад Проскури, 12, м Харків, 61085, Україна тел: 380 57 7203 335, e-mail: kiseliov@irekharkovua

Анотація – Розглянуто можливість модуляції частоти терагерцового газоразрядного лазера в межах ширини спектральної лінії активної речовини при модуляції струму накачування

I                                       Введення

Терагерцеві лазери, як і будь-які інші джерела випромінювання, можуть використовуватися в складі різноманітних приладів, у тому числі повязаних з передачею інформації Для роботи таких приладів може знадобитися модуляція частоти терагерцового випромінювання Терагерцеві лазери володіють можливістю модуляції частоти в межах ширини спектральної лінії активної речовини, яка становить близько десяти МГц Здійснювати таку модуляцію можна порівняно простими і досить ефективними для ряду додатків методами безпосередньо в самому лазері

II                               Основна частина

Терагерцеві лазери зазвичай працюють у одночастотному режимі генерації Змінювати частоту генерації в межах спектральної лінії активної речовини можливо, наприклад, шляхом механічного переміщення одного з дзеркал резонатора [1] Контроль частоти при цьому можна здійснювати простим методом [2, 3], що володіє точністю до часток мегагерца Здійснювати порівняно швидку механічну модуляцію дзеркал можливо за допомогою пєзоелементів, встановлених між дзеркалом і юстувальні вузлом Однак такий спосіб модуляції, в силу його інерційності, не дозволить здійснювати модуляцію з частотою понад декілька одиниць кілогерц

Fig 1 Dependence of change of resonant length L of the resonator on discharge pumping current I

Рис 1 Залежність зміни резонансної довжини лазерного резонатора L від величини розрядного струму I

Більш кращим є модуляція електричної довжини резонатора У газорозрядних терагерцових лазерах при зміні струму накачування відбувається зміна оптичної щільності газового середовища, і, отже, електричної довжини резонатора На рис1 наведена експериментальна залежність зміни резонансної довжини резонатора, відповідна генерації на центральній частоті спектральної лінії, від струму накачування Залежність знята на HCN лазері з довжиною резонатора 1,2 м при накачуванні постійним струмом

Зняття цієї залежності здійснювалося шляхом зміни струму накачування з подальшою підстроюванням резонатора на максимум генерації, відповідний центральній частоті спектральної лінії Зміна геометричній довжини резонатора контролювалося за допомогою мікрометричною шкали пристрою переміщення дзеркала, рбеспечівающей точність не гірше 1 мкм

При зміні розрядного струму відбувається зміна температури і щільності активної речовини, і, отже, змінюється показник заломлення середовища, що, в свою чергу, призводить до зміни швидкості хвилі в резонаторі У разі підстроювання резонатора на центральну частоту, відповідну максимуму потужності випромінювання, розрахунки проводяться без урахування дисперсії У цьому випадку зміна резонансної довжини лазерного резонатора визначається виразом

де: Li, L2 – резонансні довжини лазерного резонатора, що відповідають двом певним значенням струму газового розряду

Л) 2 – резонансні довжини хвиль, що відповідають цим значенням струму

υ · \, U2-швидкості поширення випромінювання центральної частоти при відповідних значеннях струму газового розряду

/ О-центральна частота спектральної лінії випромінювання

πι, П2 – абсолютні показники заломлення активної речовини при відповідних значеннях струму газового розряду для випромінювання центральної частоти,

М – число півхвиль, що укладаються на резонансній довжині резонатора

Оскільки зміна розрядного струму викликає зміна електричної довжини резонатора, то це, природно, призводить до перебудови резонатора і, відповідно, до зміни частоти випромінювання в межах спектральної лінії активної речовини Таким чином, модулюючи розрядний струм можливо здійснювати частотну модуляцію лазерного випромінювання в газорозрядних терагерцових лазерах в межах ширини спектральної лінії При цьому виявляється можливим звести до мінімуму паразитную амплитудную модуляцію, повязану з тим, що контур спектральної лінії випромінювання активної речовини має колоколообразную форму Для цього необхідно тільки правильно вибрати відповідний діапазон зміни розрядного струму

На рис2 наведена залежність потужності лазерного випромінювання від струму накачування Точкам, обведеним колами, відповідають вимірювання, при яких проводилася підстроювання довжини резонатора на максимум випромінювання Точкам, обведеним квадратами, відповідають вимірювання, при яких підстроювання резонатора на максимум випромінювання проводилася тільки при значенні розрядного струму 0,4 А Точкам, обведеним трикутниками, відповідають вимірювання, при яких підстроювання резонатора на максимум випромінювання проводилася тільки при значенні струму 0,15 А

Рис 2 Залежність потужності лазерного випромінювання Р від розрядного струму I

Fig 2 Dependence of laser radiation power P on a charge current I З наведених залежностей випливає, що можна, наприклад, вибрати робочий діапазон зміни струму, відповідний ділянці зростання потужності випромінювання (рис2) і при цьому налаштувати резонатор при значенні струму, близькій до мінімального з цього діапазону У цьому випадку на потужність випромінювання впливають два фактори, які частково компенсують один одного По перше, потужність повинна зростати з ростом струму накачування (крива рис2 з точками, обведеними кружками), що і відбувається якщо частота лазера не змінюється Однак, оскільки одночасно з цим повинна відбуватися відбудова резонатора лазера від центральної частоти, потужність повинна зменшуватися відповідно до контуром спектральної лінії У результаті спільної дії обох зазначених факторів дійсне зміна потужності випромінювання відбувається відповідно до кривої, позначеної трикутниками (рис2) З цього випливає, що можна максимально згладити паразитную амплитудную модуляцію, виникає при здійсненні частотної модуляції лазера шляхом модуляції струму накачування

III                                   Висновок

Таким чином, можливо здійснювати частотну модуляцію терагерцового газоразрядного лазера в межах ширини спектральної лінії активної речовини шляхом модуляції розрядного струму При цьому виявляється можливим частково компенсувати паразитную амплитудную модуляцію, якщо правильно вибрати робочий діапазон зміни струму

IV                            Список літератури

[1] в А Бондарев, Р А Валітов, М Є Жаботинський,

А Я Лейкін, Н С Соловйов, Б В Телєгін Вимірювання частоти ОКГ на НСМ / / Виміряє техніка, № 11,1970 р с5-8

[2] Кисельов В К, Радіонов В П Резонансний метод екс-прес-оцінки ширини смуги активної речовини субміліметрового лазера / / Матеріали Міжнар Кримської конф «СВЧ техніка і телекомунікаційні технології (КриМіКо2004) с 640-641

V Р RadlonovA simple mode of frequency tuning of the submillimeter laser International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling LFNM 2004 69 September, 2004, Kharkiv, Ukraine p 82-84

FREQUENCY MODULATION OF TERAHERTZ GAS-DISCHARGE LASER RADIATION

V                           K Kiseliov, V P Radionov IRE NAS of Ukraine 12 Ac Proskura St, Kharkov, 61085, Ukraine Ph: 380 57 7203335, e-mail: kiseliov@irekharkovua

Abstract – A possibility of frequency modulation of terahertz gas-discharge laser within the limits of the width of active substance spectral line when modulating the pumping current has been considered

I                                         Introduction

Terahertz lasers, as well as any other sources of radiation, can be used in structure of various devices, including ones related to transferring information Modulation of frequency of radiation can be necessary for work of such devices Terahertz lasers can modulate frequency within the limits of the width of spectral line of active substance which is about ten MHz

II                                        Main Part

Terahertz lasers usually operate at a fixed-frequency mode of oscillating Frequency of radiation can be changed within the limits of the width of spectral line of active substance It can be carried out, for example, moving a mirror of the resonator [1] The frequency monitoring can be fulfilled by a simple method [2,3,4] It is more preferable to carry out modulation of frequency by an electric way In terahertz gas-discharge laser, change of the pumping current value results in the variation of the active medium refractive index which, in its turn, results in the variation of the optical length of the resonator It results in the resonator turning and radiation frequency change Dependence of resonant length on pumping current is shown in Fig 1 (It is shown for the laser with resonator length 12 m) Thus, it is possible to carry out frequency modulation of the terahertz gas- discharge laser within the limits of the width of spectral line of active substance by modulation of a discharge current At the same time it is possible to compensate partially parasitic amplitude modulation, which is related to the fact that the contour of a spectral line of radiation of active substance is bell-shaped For this purpose it is necessary to choose an operating range of current change correctly The dependence of laser radiation power on pumping current is shown in Fig2 As follows from shown dependences it is possible to choose an operating range of the current change corresponding to a region of increase in radiation power At that the resonator length should be optimized with regard to minimal current from this range In such a case two factors influence radiation power and compensate each other partially

Firstly power should grow when pumping current increases However, simultaneously with this process retuning the resonator of the laser from the central frequency occurs and power decreases in accordance with the spectral line contour which is bell-shaped As a result, power radiation change occurs according to curve marked by triangles (Fig 2)

III                                       Conclusion

Thus, it is possible to realize frequency modulation of the terahertz gas-discharge laser within the limits of the width of spectral line of active substance by modulation of discharge current At the same time it is possible to compensate parasitic amplitude modulation partially if operating range of current change is chosen properly

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р