Способ управления частотой излучения инжекционного полупроводникового лазера

 

1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТОЙ ИЗЛУЧЕНИЯ ИНЖЕКЦИОННОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА, включающий накачку его импульсами тока и регулирование режима тепловвделения в активной области лазера, о т л ичающий с я тем, что, с целью повьппения быстродействия управления частотой, величину тепяовьщеления регулируют , изменяя ток накачки в течение каждого импульса тока. 2.Способ по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целыо снижения минимального значения скорости изменения частоты излучения лазера при фиксированной длительности импульса накачки, величину тока накачки после окончания переднего фрон та импульса монотонно уменьвшют в течение импульса по линейному зако;НУ . :. 3.Способ ПО п. 1 о т л и ч а9 ю щ и и с я , с целью повышения линейности изменения частоты излучения лазера в течение интервала времени, на котором скорость это .го изменения достигает минимального по абсолютной величине значения, величину тока накачки после о1сончания переднего, фронта импульса уменьшают по экспоненциальному закону , D с положитепьяьм знаком второй производной тока If о/времени.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

И И

РЕСПУБЛИН

0% 01) А з(я) . Н 01 S 3/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

И АВТОРСИСМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Л (21) 2956679/18-25 (22) 14.07.80 (46) 07.11.84. Бюл. У 41 (72) Ю.В. Косичкин, А.Н. Перов, Ю.А. Поляков и А.M. Широков (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт физики высоких давлений АН СССР (53) 621.375.8(088.8) (56) 1. H. Preier and a1i Pefpur

cooled PI se Double Нейегозйгисйаг

Laser for JR — Gas Spectroscopy J, Appian Physics, 1977, v. 12, р. 227281.

2. Анзин В.Б. и др. Применение инжекционных лазеров на основе

Pb(- Япп„ Ге в спектроскопии высокого разрешения. Краткие сообщения . по физике, 1978, й=. 4, с. и 18 (прототип). (54)(57) 1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТОЙ ИЗЛУЧЕНИЯ ИНЖЕКЦИОННОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА, включающий накачку его импульсами тока и регулирование режима тепловыделения в активной области лазера, о т л ичающий с я тем, что, с целью

У повьппения быстродействия управления частотой, величину тепловыделения регулируют, изменяя ток накачки s течение каждого импульса тока.

2. Способ по п. 1 о т л и ч аю щ и .й с я тем, что, с целью снижения минимального значения скорос ти изменения частоты излучения лазе:ра при фиксированной длительности импульса накачки, величину тока накачки после окончания переднего фрон та импульса монотонно уменьшают в течение импульса по линейному зако.ну.

3, Способ,по п. 1, о т л и.ч а- Я. ю шийся тем; что, с целью повышения линейности. изменения частоты излучения лазера s течение интервала времени, на котором скорость этого изменения достигает минимального по абсолютной величине значения, 6 величину тока накачки после окончания переднего фронта импульса уменьшают по экспоненциальному закону с положительным знаком второй производной тока по. времени.

921419

Изобретение относится к области квантовой электроники, и может быть использовано в лазерной спектроскопии высокого разрешения, в устройствах для дистанционного контроля загрязненности атмосферы, а также для контроля состава газовых смесей в промышленности..

Известен способ изм. нения частоты излучения инжекционного лазера (11, включающий использование режима импульсного сканирования, в котором лазер монтируют на хладопроводе термоэлектрического микрохолодильника, а частотой излучения управляют, изменяя температуру лавера.

Недостатком этого способа является низкое быстродействие управления частотой излучения лазера.

В частности, оно недостаточно для управления частотой непосредственно в течение отдельно взятого импупьса накачки, длительность которого, как правило, лежит в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен микросекунд. В результате возможности управления в этом способе сводятся к варьированию средней частоты излучения лазера.

Сам же процесс сканирования происходит неуправляемо.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ управления частотой излучения инжекционного лазера (2), включающий накачку его импульсами тока прямоугольной формы и регулирование режима тепловыделения в активной области лазера путем изменения периода повторения импульсов накачки.

Однако в этом способе, несмотря на простоту принципа генерации управляющего воздействия (изменения температуры лазера), эффективное ,. быстродействие управления частотой недостаточно для регулировки скорос ти сканирования, в частности для ее уменьшения. Изменение периода повторения импульсов накачки приво.дит к изменению лишь средней температуры лазера и практически не сказывается на характере разогрева активной области в течение отдельно . взятого импульса накачки.

Кроме того, значительная нелинейность сканирования обусловлена использованием для,накачки импуль- са тока прямоугольной формы: если длительность импульса не превышает времени диффузии тепла от активной области к границам кристалла лазера, то скорость сканирования убывает обратно пропорционально квадратному корню из времени.

Целью изобретения является повышение быстродействия управления

1О частотой излучения лазера, работающего в режиме импульсного сканирования, и за счет этого, в частности, обеспечение регулировки скорости изменения частоты излучения в те15 чение отдельно взятого импульса накачки.

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления. частотой излучения инжекционного полупро2О водникового лазера, включающем накачку его импульсами тока и регулирование режима тепловьделения в активной области лазера, величину тепловьделения регулируют, изменяя

25 ток накачки в течение каждого импульса тока.

С целью снижения минимального значения скорости изменения частоты излучения лазера при фиксированной длительности импульса накачки, величину тока накачки после окончания переднего фронта импульса монотонно уменьшают в течение импульса по линейному закону.

С целью повышения линейности

35 изменения частоты излучения лазера в течение интервала времени, на котором скорость этого изменения достигает минимального по абсолютной величине значения, величину тока накачки после окончания переднего фронта импульса уменьшают по экспоненциальному закону с положительным знаком второй производной тока по времени.

Способ осуществляется следующим образом.

Изменение частоты излучения лазера, работающего в режиме импульс50 ного сканирования, обусловлено разогревом активной области током накачки. Если начальная температура лазера превышает 15-20 К, то указанное изменение частоты прямо

55 пропорционально приращению температуры. Известно, что для инжекционных лазеров количество тепла, выделяющееся в единицу времени н актив921419

Уменьшают ток 1 накачки в течение импульса, например, по линейному закону (фиг. 3, 4), но так, что бы он оставался выше порогового значения 3> . Тогда с повышением тем-. пературы и ростом оттока тепла из активной области одновременно происной области, прямо пропорционально величине тока накачки ° Поэтому наиболее прямым и наиболее быстродействующим методом управления температурой, а следовательно и частотой излучения лазера в процессе сканирования является изменение тока накачки непосредственно в течение импульса.

Поскольку разогрев лазера токо- 10 вым импульсом относится к существен но нестационарным.процессам, .температура активной области в любой момент времени зависит не только от значения тока накачки. в тот же мо- 15 мент, но и от предыстории его из— менения.

Имеется, однако, ряд закономерностей, которые позволяют. целенаправленно выбирать закон изменения тока для достижения необходимого изменения процесса сканирования.

Эти закономерности иллюстрируются чертежами, где на фиг. 1 изображена прямоугольная форма импульса тока накачки, на фиг, 2 — изменение температуры активной области лазера при подаче на него прямоугольного

I импульса тока накачки на фиг. 3— изменение тока накачки по линейному закону, на фиг. 4 — .изменение температуры активной области лазера

lïðè изменении тока накачки по линейному закону, на фиг. 5 — экспоненциальная форма импульса тока накачки на фиг. 6 — изменение темпера35 туры активной области лазера при изменении тока накачки по экспоненциальному закону;.

Видно, что с увеличением температуры скорость ее роста снижается, а значит, увеличивается отток тепла от активной области, где оно выделяется . При этом (за исключением самого начала импульса) температура

I со временем меняется достаточно медленно и, следовательно, для управления ею с помощью тока достаточно устройств. с умеренным для современной электронной техники быстродействием. ходит уменьшение тепловыделения.

Соответственно уменьшатся скорости роста температуры и изменения частоты излучения лазера.. При достаточно быстром убывании тока температура активной области, начиная с некоторого момента времени, может начать уменьшаться. В точке максимума ЬТ скорость сканирования обратится в нуль. Характерно, что при этоМ ток накачки может превышать пороговый в 1,5 раза и. более раз.

Чсли в дополнение к уменьшению скорости потребовать большей линейности сканирования в течение того интервала времени, на котором скорость сканирования мала, то необходимо, чтобы параллельно с уменьшением вели".ины тока накачки уменьшалась скорость его изменения (фиг. 5, 6), т.е. чтобы вторая производная тока по времени в процессе его умень шения была положительной.

Простейшим примером практической реализации закона убывания с положительной второй производной яв-. ляется экспоненциальный закон.

Управление частотой излучения ла- зера путем изменения тока накачки непосредственно в течение каждого токового импульса обладает достаточно высоким быстродействием для эффективной регулировки скорости и линейности и других параметров процесса сканирования, например амплитуды.

Для практической реализации предлагаемого способа можно воспользоваться следующей простой схемой измерения скорости сканирования частоты излучения лазера: излучение лазера, питаемого от генератора импульсов тока, коллимируют собирающей линзой, а затем. с помощью дру- гой собирающей линзы фокусируют на фотоприемник с постоянной времени порядка 1 мкс. Сигнал, снимаемый с фотоприемника, наблюдают ка экране осциллографа. Для измерения скорости сканирования в параллельный пучок излучения между линзамй помещают эталон Фабри-Перо с расстоянием между максимумами пропускания av = 0,05 + 0,1 еМ 1 . Зная д1 и чзмерив интервал времени между соседними максимумами спект» ра пропускания эталона, наблюдаемого на экране осциллографа, не921419

0,04 см — =

3< at

Пример 1. Рассмотрим реа лизацию предлагаемого способа на примере используемого в режиме импульсного сканирования инжекционного полупроводникрвого лазера на основе соединения РЪ$п$е..Характеристики лазера: пороговый ток J в диапазоне температур 30-50 К не более 2 А, время термодиффузии 200 мкс. Рабочая температура

З.б К.

Необходимо в течение интервала времени длительностью не бодее

100 мкс получить сканирование часто1 ты излучения лазера с изменением знака скорости сканирования. Для этог6 пропускают через лазер импульс тока длительностью 100 мкс, уменьшая ток во время импульса по линейному закону: 3 6-0,04 t, где 1- ток, А; а 4 — время, мкс, 4 отсчитываемое от начала импульса .

Изменение скорости сканирования наблюдают с.помощью описанной выше измерительной схемы, установив между линзами эталон Фабри-Перо, с.интервалом между максимумами пропускания 4 0,04 см . Убеждаются, что через 75 мкс после начала импульса период следования максимумов спектра пропускания эталона на экране осциллографа, достигнув макса!Ума, вновь начинает уменьшаться, что говорит .об изменении знака скорости сканирования.

В данном примере управление частотой излучения лазера.осуществляется непосредственно в течение им" пульса накачки за время, не превышающее 100 мкс (реально 75 мкс)

Увеличение быстродействия уцравления по сравнению со способом-прототипом составляет 3-4 порядка. Путем увеличения скорости убывания тока время управления в предлагаемом способе может быть доведено до величины порядка десятков микросекунд.

Hp и м е р 2. Для уменьшения минимального значения скорости .сканирования лазера с характеристи- ками, приведенными в примере 1, до значения, не превышающего 2 ° 105см /с длительность, импульса накачки выбирают равной 200 мкс. Пропускаем через лазер импульс тока с указанной длительностью, уменьшая ток во вреря импульса по закону ) = 474,8/

5 (4 + 15,8), где J — ток, А, t— время, мкс. Так же, как в примере 1, наблюдая на экране осциллографа спектр пропускания эталона Фабри-Пе-!

0 ро с 44 = 0,04 см, убеждаются что !

Э Э период следования максимумов пропускания эталона увеличивается от начала к концу импульса, достигая значения 40 мкс. При этом скорость сканирования уменьшается до значения

Данныи пример иллюстрирует уменьшение скорости сканирования. Приведенное вьппе достигнутое значение скорости на порядок меньше значений, 25 получаемых при накачке прямоугольными импульсами той же длительности.

Пример - 3. Для получения сканирования частоты излучения лазера с повьппенной линейностью и скоростью сканирования, не превышающей

«!

3 10 /с в течение интервала времени не менее 50 мкс, в условиях примера 1 длительность импульса накачки выбирают равной 200 мкс. Ток в

35 течение импульса уменьшается по экспоненциальному закону ) = 10 эхр (- /100), где J — ток, A; a т. время, мкс. Определяя скорость сканирования акже, как в примерах

1 и 2, убеждаются, что приблизительно (+ 10 мкс) через 100 мкс после начала импульса период следования максимумом пропускания эталона

Фабри-Перо с k9 = 0,04 см .Уменьшается до 20 мкс, что соответствует скорости сканирования 2 10 см /с.

Сравнивая временные интервалы меж ду максимумами пропускания эталона, определяют, что изменение скорос50 ти сканирования на вторую половину импульса не превьппает 107.. В способе-прототипе при накачке лазера прямоугольными импульсами тока длительностью 200 мкс изменение скорости

55 сканирования от середины к концу импульса составляет 40Х. Следовательно, в данном случае использование предлагаемого способа наряду с уменьшением скорости обеспечивает

921419 l0 повышение линейности сканирования в 4 раза.

Таким образом, в описываемом спс, сабе управления частотой излучения лазера быстродействие управления повышено по сравнению с.известньии способами на 3-4 порядка. Время управления составляет м10 мкс и определяется скоростью диффузии тепла от активной области лазера.

Достигнутое повышение быстродействия позволяет управлять частотой излучения лазера непосредственно в течение импульса накачки в отли чие от способа-прототипа, в котором возможно управление лишь средней частотой излучения.

Предложенный способ позволяет получить различные временные зависимости частоты излучения лазера, работающего в режиме импульсного сканирования, в течение импульса накачки, в том числе линейной, и с изменением знака скорости сканиро" вания, регулировать в широких пределах скорости сканирования частоты излучения лазера, снизить требования к характеристикам инжекционных лазеров и расширить сферы применения таких лазеров, в том числе в устройствах для дистанционного контроля загрязненности атмосферы, для определения химического и изотопического состава газовых смесей в промышленности, а также в спектро скопии высокого разрешения.

921419

37

Составитель

Техред Л.Микеш Редактор Л.Утехина

Корректор С. Шекмар

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 8908(1 Тирж 590 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5