Двухмодовые лазеры с внутрирезонаторной модуляцией частоты

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 радиои 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 экспериментовбольшие значения электрооптических коэффициентов обеспечивали возможность получения высоких значений индекса модуляции при небольших прикладываемых управляющих напряженияхвозможность 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&tradeисточников 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.

Закточение

В работе исследовалось влияние внутрирезонаторной частотной модуляции на свойства излучения Не-Ые и Не-Ые/СЩ лазеров с фазоанизотропным резонатором, работающих в режиме генерации двух линейно и ортогонально поляризованных мод. Исследовались два режима модуляции: a) несинхронная модуляция, когда частота модуляции значительно отличается от величины межмодового расщепленияb) синхронная модуляция, когда частота модулирующего сигнала совпадает с частотой межмодовых биений.

В ходе работы получены следующие основные результаты:

1. Показана возможность управления частотами мод в двухмодовом лазере с фазоанизотропным резонатором и внутрирезонаторным частотным модулятором по любому требуемому закону. Показана возможность подбора рабочих параметров лазера, при которых частотная модуляция не сопровождается амплитудной.

2. В переменной части интенсивности Не-Ые/СШ лазера при высокочастотной модуляции выделены резонансные структуры более узкие, чем в стационарной части, в частности, структуры, не подверженных пролетному и полевому уширению. Форма структур устойчива по отношению к изменению рабочих параметров (превышение усиления над потерями, частота модуляции).

3. Реализован режим вынужденной синхронизации мод в двухмодовом лазере с ортогонально поляризованными модами. Предложена теоретическая модель синхронизации ортогонально поляризованных мод, учитывающая положение мод и комбинационных тонов и их поляризации.

Проведено расчетное и экспериментальное исследование изменения амплитудной и частотной характеристик двухмодового лазера в режиме синхронной модуляции. Показано, что в частотной характеристике появляется участок, на котором частота межмодовых биений не зависит от положения мод относительно центра линии усиления (область синхронизации). При этом происходит трансформация амплитудной характеристики в той же области.

4. В эксперименте получено значение величины области синхронизации меньше однородной ширины линии поглощения в Не-Ые/СЩ лазере с внутрирезонаторной поглощающей ячейкой при соответствующем выборе индекса модуляции. Показано, что при этом происходит трансформация частотного резонанса и появление дополнительной узкой куполообразной структуры в амплитудном.

5. Проведено исследование флуктуаций интенсивности и частоты межмодовых биений в двухмодовом лазере в режиме синхронной модуляции. Экспериментально получен и теоретически обоснован факт снижения уровня флуктуаций частоты межмодовых биений в области синхронизации в полосе частот, определяемой полосой захвата (в работе-несколько десятков кГц). При этом уровень флуктуаций интенсивности изменяется незначительно.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность и признательность своим руководителям Проценко Евгению Дмитриевичу и Петровскому Виктору Николаевичу, профессору кафедры теоретической физики Ермаченко Валерию Михайловичу. Также хочется поблагодарить замечательный коллектив кафедры квантовой электроники, где и была выполнена эта работа.