Исследование эффекта раздвоения импульса лазерной генерации при накачке HCN-лазера переменным током
При накачке терагерцевых лазеров переменным током частотой 50 Гц лазерное излучение генерируется в виде импульсов с частотой следования 100 Гц. Форма импульса лазерного излучения изменяется в зависимости от изменения длины резонатора в пределах зоны генерации. Каждый импульс лазерного излучения може...
Saved in:
| Published in: | Радіофізика та електроніка |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105752 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование эффекта раздвоения импульса лазерной генерации при накачке HCN-лазера переменным током / В.К. Киселев, В.П. Радионов // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 2. — С. 218-221. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859649930539302912 |
|---|---|
| author | Киселев, В.К. Радионов, В.П. |
| author_facet | Киселев, В.К. Радионов, В.П. |
| citation_txt | Исследование эффекта раздвоения импульса лазерной генерации при накачке HCN-лазера переменным током / В.К. Киселев, В.П. Радионов // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 2. — С. 218-221. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Радіофізика та електроніка |
| description | При накачке терагерцевых лазеров переменным током частотой 50 Гц лазерное излучение генерируется в виде импульсов с частотой следования 100 Гц. Форма импульса лазерного излучения изменяется в зависимости от изменения длины резонатора в пределах зоны генерации. Каждый импульс лазерного излучения может распадаться на два отдельных импульса, и частота следования импульсов удваивается. Работа посвящена экспериментальному исследованию и физическому объяснению этого явления.
При накачуванні терагерцевих лазерів змінним струмом частотою 50 Гц лазерне випромінювання генерується як імпульси з частотою проходження 100 Гц. Форма імпульсу лазерного випромінювання змінюється в залежності від зміни довжини резонатора в межах зони генерації. Кожен імпульс лазерного випромінювання може розпадатися на два окремих імпульса, і частота проходження імпульсів подвоюється. Робота присвячена експериментальному дослідженню й фізичному поясненню цього явища.
In terahertz HCN lasers, with pumping by alternating current with frequency 50 Hz, laser radiation is generated as pulses with frequency of following 100 Hz. A radiation pulse shape changes depending on variation of the resonator length within the generation zone. Each pulse of laser radiation can be transformed on two separate pulses. Frequency of pulses, thus, is doubled. The explanation of this phenomenon is given at the paper.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:32:14Z |
| format | Article |
| fulltext |
__________
ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 14, № 2, 2009, с. 218-221 ИРЭ НАН Украины, 2009
УДК 621.373.826.029.6
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА РАЗДВОЕНИЯ ИМПУЛЬСА ЛАЗЕРНОЙ ГЕНЕРАЦИИ
ПРИ НАКАЧКЕ HCN-ЛАЗЕРА ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ
В. К. Киселев, В. П. Радионов
Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: kiseliov@ire.kharkov.ua
При накачке терагерцевых лазеров переменным током частотой 50 Гц лазерное излучение генерируется в виде импуль-
сов с частотой следования 100 Гц. Форма импульса лазерного излучения изменяется в зависимости от изменения длины резонатора
в пределах зоны генерации. Каждый импульс лазерного излучения может распадаться на два отдельных импульса, и частота следо-
вания импульсов удваивается. Работа посвящена экспериментальному исследованию и физическому объяснению этого явления.
Ил. 4. Библиогр.: 3 назв.
Ключевые слова: терагерцевый газоразрядный лазер, накачка переменным током, форма импульса.
В терагерцевых лазерах с импульсной
накачкой может происходить раздвоение импуль-
са лазерного излучения [1]. Такое явление на-
блюдается и при накачке лазеров переменным
током промышленной частоты [2], в которых ла-
зерное излучение генерируется в виде импульсов
с частотой следования 100 Гц. В лазерах с такой
накачкой, при определенных значениях разрядно-
го тока и параметрах рабочей смеси, наблюдается
явление раздвоения импульса лазерного излуче-
ния. В зависимости от параметров настройки ре-
зонатора в пределах генерации на одной из про-
дольных мод происходит изменение формы им-
пульса излучения. При уменьшении длины резо-
натора в определенный момент начинается раз-
двоение импульса вплоть до появления в даль-
нейшем двух отдельных импульсов. При увели-
чении расстояния между зеркалами этот процесс
повторяется в обратной последовательности. На
рис. 1 приведены осциллограммы тока накачки
(рис. 1, а) и лазерного излучения (рис. 1, б), де-
монстрирующие изменение формы и амплитуды
импульсов при различных положениях подвиж-
ного зеркала резонатора.
Измерения проводились на HCN-лазере с
длиной резонатора 1,2 м. Каждая осциллограмма
интенсивности лазерного излучения (рис. 1, б)
соответствует определенному смещению (на
несколько микрометров) подвижного зеркала
резонатора от положения оптимальной настрой-
ки в пределах пика генерации продольной моды
резонатора: 2 – оптимальная длина резонатора,
1 – резонатор удлинен на 5 мкм, 3 – резонатор
укорочен на 5 мкм, 4 – резонатор укорочен на
8 мкм. Раздвоение импульса излучения наиболее
ярко выражено при значениях тока накачки и па-
раметрах состава рабочей смеси, соответствую-
щих максимальной мощности лазерного излуче-
ния. При низких уровнях тока накачки или при
неоптимальном составе рабочей смеси раздвое-
ние импульса может не происходить.
Рис. 1. Осциллограммы: а) – импульсов тока накачки I (в отн.
ед.); б) – интенсивности лазерного излучения P (в отн. ед.)
Для изучения этого эффекта были проведе-
ны исследования влияния разрядного тока на ин-
тенсивность лазерного излучения и оптическую
длину резонатора. Исследования проводились на
HCN-лазере с длиной резонатора 1,2 м и накачке
постоянным током. На рис. 2 приведены зависимо-
сти мощности лазерного излучения от тока накачки:
1 – при подстройке резонатора в каждой точке из-
мерения; 2 – при настройке резонатора при токе
0,4 А; 3 – при настройке резонатора при токе 0,15 А.
Из рис. 2 видно, что при изменении раз-
рядного тока требуется корректировать длину
резонатора. На рис. 3 приведено изменение резо-
нансной длины резонатора от разрядного тока.
С увеличением значения тока резонатор прихо-
дилось удлинять для настройки на максимальную
мощность излучения.
I
P
t, мс 10 20
б)
а)
t, мс
1
2
3
4
mailto:kiseliov@ire.kharkov.ua
В. К. Киселев, В. П. Радионов / Исследование эффекта раздвоения…
_________________________________________________________________________________________________________________
219
Рис. 2. Зависимость мощности излучения P от разрядного тока I
Рис. 3. Зависимость изменения резонансной длины лазерного
резонатора от разрядного тока
Попытаемся объяснить это явление. Резо-
нансная длина резонатора задается выражением
,
222 nf
c
M=
f
M=M=L
(1)
где λ – длина волны излучения; М – число полу-
волн, укладывающееся между зеркалами резона-
тора; – скорость распространения излучения в
резонаторе; – частота излучения; c – скорость
света в вакууме; n – абсолютный показатель пре-
ломления активного вещества.
При изменении разрядного тока происхо-
дит изменение температуры и плотности актив-
ного вещества, а следовательно, изменяется и
показатель преломления, что приводит к измене-
нию скорости излучения в резонаторе. В случае
подстройки резонатора на центральную частоту,
соответствующую максимуму мощности излуче-
ния, расчеты производятся без учета дисперсии.
В этом случае изменение резонансной длины ла-
зерного резонатора определяется выражением
,
2
2
)(
2
)(
210
12
0
21
0
21
2
nnf
)cMn(n
f
M
n
c
n
c
f
M
LLL 1
(2)
где L1, L2 – резонансные длины лазерного резона-
тора, соответствующие определенным токам га-
зового разряда; 0 – центральная частота лазерно-
го излучения; 1, 2 – скорости распространения
излучения центральной частоты при соответст-
вующих токах газового разряда; n1, n2 – абсолют-
ные показатели преломления активного вещества
при соответствующих токах газового разряда для
излучения центральной частоты.
Относительное изменение показателя
преломления активного вещества можно оценить
по относительному изменению резонансной дли-
ны резонатора:
.
Д
L
L
n
n
(3)
Оценка показывает, что при Δn/n поряд-
ка 10
-6
изменение резонансной длины метрового
резонатора составит ~1мкм.
При накачке лазера с длиной резонато-
ра 1,2 м переменным током промышленной часто-
ты величина разрядного тока в импульсе превыша-
ет 1 А, и такие колебания тока приводят к измене-
нию резонансной длины более чем на 10 мкм, что
соответствует изменению Δn/n
на ~10
-5
.
Исходя из проведенных исследований
изменение формы импульса лазерного излучения
можно объяснить тем, что изменение величины
тока накачки вызывает изменение коэффициента
преломления активной среды, что в свою очередь
приводит к изменению оптической длины резона-
тора. Следовательно, резонатор оказывается на-
строенным на резонансную длину не все время
существования импульса тока накачки, а лишь
часть этого времени. Поэтому если резонатор
настроен в пределах полосы генерации лазера на
резонансную длину, соответствующую току на-
качки ниже максимального, то будут наблюдать-
ся два резонанса: один – на участке нарастания
импульса тока, а второй – на участке его спада, в
точке экстремума тока накачки резонатор оказы-
вается расстроенным. Это приводит к снижению
и даже исчезновению мощности генерации в цент-
ре импульса тока накачки, что наблюдается в
форме раздвоения импульса излучения. При на-
стройке резонатора на резонансную длину, соот-
ветствующую максимальному току накачки,
раздвоение не происходит.
На рис. 4 приведена схема, поясняющая
механизм раздвоения импульса лазерной генера-
ции и позволяющая приблизительно оценить од-
новременное влияние различных факторов на
лазерное излучение. На каждом рисунке слева
показана зависимость мощности лазерного излу-
чения от разрядного тока при накачке лазера по-
стоянным током (при снятии зависимости произ-
водилась корректировка длины резонатора на
максимум мощности излучения в каждой точке
измерения). Рядом показана зависимость уровня
излучения от длины резонатора (контур генера-
ции, или продольная мода резонатора) при посто-
L,
мкм
0
1
2
3
4
5
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 I, A
Р,
отн.
ед.
I, A
1
2
3
4
5
6
7
8
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
1
2
3
В. К. Киселев, В. П. Радионов / Исследование эффекта раздвоения…
_________________________________________________________________________________________________________________
220
янном токе накачки. Эта зависимость показывает,
что генерация возможна только на небольшом
интервале (порядка десяти микрометров) измене-
ния длины резонатора.
в)
Рис. 4. Схема раздвоения импульса лазерной генерации
Справа на каждом рис. 4 приведена фор-
ма импульса разрядного тока при накачке лазера
переменным током. С изменением разрядного
тока происходит изменение оптической длины
резонатора, поскольку изменяется показатель
преломления среды. Следовательно, характер
изменения во времени оптической длины резона-
тора подобен форме импульса тока, и условно их
можно изобразить одной кривой. Теперь очевид-
но, что генерация возможна только в том случае,
когда разрядный ток будет выше порогового, а
оптическая длина резонатора будет соответство-
вать резонансу продольной моды, попадающему в
контур генерации. Зависимость лазерного излу-
чения от времени приведена в нижней части
(рис. 4.).
На рис. 4, а показан случай полного раз-
двоения импульса лазерной генерации. При мак-
симальном токе резонатор полностью расстроен.
С помощью подвижного зеркала резонатора мож-
но перемещать контур генерации по оси L, при
этом форма импульса лазерной генерации будет
изменяться.
На рис. 4, б показан случай частичного
раздвоения лазерной генерации, когда при мак-
симальном токе настройка резонатора не опти-
мальна. На рис. 4, в показан случай, соответст-
вующий положению зеркала, при котором резо-
натор настроен под максимальный ток и раздвое-
ние импульса лазерной генерации не происходит.
На основании проведенных наблюдений
можно сделать вывод, что для повышения мощ-
ности и КПД лазера с накачкой переменным то-
ком низкой частоты целесообразно, чтобы им-
пульсы тока накачки были прямоугольной фор-
мы, в этом случае легко обеспечить настройку
резонатора в течение всего времени импульса
тока. Также можно, сохранив прежнюю форму
импульса накачки, корректировать длину резона-
тора синхронно с изменением тока накачки с по-
мощью пьезоэлектрических или электромагнит-
ных механизмов перемещения, что позволит на
~ 50 % повысить КПД и мощность лазера.
Эффект раздвоения импульса лазерной
генерации можно использовать для удвоения
частоты модуляции лазерного излучения без
каких-либо конструктивных или схемных ус-
ложнений [3].
Поскольку изменение разрядного тока
вызывает изменение оптической длины резонато-
ра, то путем изменения разрядного тока можно
осуществлять изменение частоты лазерного излу-
чения в пределах ширины спектральной линии,
составляющей приблизительно 10 МГц.
При этом можно свести к минимуму пара-
зитную амплитудную модуляцию, если выбрать
рабочий диапазон изменения тока, соответствую-
щий участку крутого возрастания мощности излу-
чения (см. рис. 2), и настроить резонатор при ми-
нимальном токе из этого диапазона. Тогда увели-
чение мощности излучения, вызванное увеличени-
ем тока накачки, компенсируется отстройкой от
центральной частоты спектральной линии.
Объяснение эффекта раздвоения импуль-
са лазерного излучения помогает глубже понять
физические процессы, сопутствующие работе
терагерцевых лазеров. Это открывает новые пути
повышения их мощности и КПД, а также позво-
t, мс
I, A
I, A
I, A
I, A
1
0,5
P
P t, мс
L rez
0
t, мс
б)
а)
t, мс
t, мс
t, мс
t, мс
I, A
I, A
L rez
L rez контур генерации
пороговый ток генерации
0
0,5
1
0
0,5
1
P
P
P
P
В. К. Киселев, В. П. Радионов / Исследование эффекта раздвоения…
_________________________________________________________________________________________________________________
221
ляет расширить диапазон функционального при-
менения таких лазеров. Перестройка частоты пу-
тем изменения тока накачки и удвоение частоты
модуляции могут использоваться в физических
исследованиях и для передачи информации в те-
рагерцевом диапазоне.
1. Shozo Kon., Masaanobu Yamanaka, Junya Yamamoto, Hiroshi
Yoshinaga. Experiments on a Far Infrared CN Laser // Japanese
journal of applied physics. – 1967. – 6, No. 5. – P. 612–619.
2. Дахов Н. Ф., Каменев Ю. Е., Киселев В. К. и др. Субмилли-
метровый HCN-лазер для биомедицинских исследований //
Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радиофизики
и электрон. НАН Украины. – 1997. – 2, № 2. – С. 150–153.
3. Киселев В. К., Радионов В. П. Простые методы модуляции
излучения субмиллиметровых газоразрядных биомедицин-
ских лазеров // 22-я Междунар. науч.-практ. конф. «Приме-
нение лазеров в медицине и биологии»: Тез. докл. – Ялта,
2004. – С. 137.
RESEARCH OF EFFECT OF LASER
GENERATION PULSE BIFURCATION
WHEN HCN-LASER IS PUMPED
BY ALTERNATING CURRENT
V. K. Kiseliov, V. P. Radionov
In terahertz HCN lasers, with pumping by alternating
current with frequency 50 Hz, laser radiation is generated as pulses
with frequency of following 100 Hz. A radiation pulse shape
changes depending on variation of the resonator length within the
generation zone. Each pulse of laser radiation can be transformed
on two separate pulses. Frequency of pulses, thus, is doubled. The
explanation of this phenomenon is given at the paper.
Key words: terahertz gas-discharge laser, pumping by
alternating current, pulse shape.
ДОСЛІДЖЕННЯ ЕФЕКТУ РОЗДВОЄННЯ
ІМПУЛЬСУ ЛАЗЕРНОЇ ГЕНЕРАЦІЇ
ПРИ НАКАЧУВАННІ HCN-ЛАЗЕРА
ЗМІННІМ СТРУМОМ
В. К. Кісельов, В. П. Радіонов
При накачуванні терагерцевих лазерів змінним
струмом частотою 50 Гц лазерне випромінювання генерується
як імпульси з частотою проходження 100 Гц. Форма імпульсу
лазерного випромінювання змінюється в залежності від зміни
довжини резонатора в межах зони генерації. Кожен імпульс
лазерного випромінювання може розпадатися на два окремих
імпульса, і частота проходження імпульсів подвоюється. Ро-
бота присвячена експериментальному дослідженню й фізич-
ному поясненню цього явища.
Ключові слова: терагерцевий газорозрядний лазер,
накачування змінним струмом, форма імпульсу.
Рукопись поступила 30 апреля 2009 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-105752 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1028-821X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:32:14Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Киселев, В.К. Радионов, В.П. 2016-09-07T18:14:20Z 2016-09-07T18:14:20Z 2009 Исследование эффекта раздвоения импульса лазерной генерации при накачке HCN-лазера переменным током / В.К. Киселев, В.П. Радионов // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 2. — С. 218-221. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105752 621.373.826.029.6 При накачке терагерцевых лазеров переменным током частотой 50 Гц лазерное излучение генерируется в виде импульсов с частотой следования 100 Гц. Форма импульса лазерного излучения изменяется в зависимости от изменения длины резонатора в пределах зоны генерации. Каждый импульс лазерного излучения может распадаться на два отдельных импульса, и частота следования импульсов удваивается. Работа посвящена экспериментальному исследованию и физическому объяснению этого явления. При накачуванні терагерцевих лазерів змінним струмом частотою 50 Гц лазерне випромінювання генерується як імпульси з частотою проходження 100 Гц. Форма імпульсу лазерного випромінювання змінюється в залежності від зміни довжини резонатора в межах зони генерації. Кожен імпульс лазерного випромінювання може розпадатися на два окремих імпульса, і частота проходження імпульсів подвоюється. Робота присвячена експериментальному дослідженню й фізичному поясненню цього явища. In terahertz HCN lasers, with pumping by alternating current with frequency 50 Hz, laser radiation is generated as pulses with frequency of following 100 Hz. A radiation pulse shape changes depending on variation of the resonator length within the generation zone. Each pulse of laser radiation can be transformed on two separate pulses. Frequency of pulses, thus, is doubled. The explanation of this phenomenon is given at the paper. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Вакуумная и твердотельная электроника Исследование эффекта раздвоения импульса лазерной генерации при накачке HCN-лазера переменным током Дослідження ефекту роздвоєння імпульсу лазерної генерації при накачуванні HCN-лазера зміннім струмом Research of effect of laser generation pulse bifurcation when HCN-laser is pumped by alternating current Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование эффекта раздвоения импульса лазерной генерации при накачке HCN-лазера переменным током Киселев, В.К. Радионов, В.П. Вакуумная и твердотельная электроника |
| title | Исследование эффекта раздвоения импульса лазерной генерации при накачке HCN-лазера переменным током |
| title_alt | Дослідження ефекту роздвоєння імпульсу лазерної генерації при накачуванні HCN-лазера зміннім струмом Research of effect of laser generation pulse bifurcation when HCN-laser is pumped by alternating current |
| title_full | Исследование эффекта раздвоения импульса лазерной генерации при накачке HCN-лазера переменным током |
| title_fullStr | Исследование эффекта раздвоения импульса лазерной генерации при накачке HCN-лазера переменным током |
| title_full_unstemmed | Исследование эффекта раздвоения импульса лазерной генерации при накачке HCN-лазера переменным током |
| title_short | Исследование эффекта раздвоения импульса лазерной генерации при накачке HCN-лазера переменным током |
| title_sort | исследование эффекта раздвоения импульса лазерной генерации при накачке hcn-лазера переменным током |
| topic | Вакуумная и твердотельная электроника |
| topic_facet | Вакуумная и твердотельная электроника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105752 |
| work_keys_str_mv | AT kiselevvk issledovanieéffektarazdvoeniâimpulʹsalazernoigeneraciiprinakačkehcnlazeraperemennymtokom AT radionovvp issledovanieéffektarazdvoeniâimpulʹsalazernoigeneraciiprinakačkehcnlazeraperemennymtokom AT kiselevvk doslídžennâefekturozdvoênnâímpulʹsulazernoígeneracííprinakačuvanníhcnlazerazmínnímstrumom AT radionovvp doslídžennâefekturozdvoênnâímpulʹsulazernoígeneracííprinakačuvanníhcnlazerazmínnímstrumom AT kiselevvk researchofeffectoflasergenerationpulsebifurcationwhenhcnlaserispumpedbyalternatingcurrent AT radionovvp researchofeffectoflasergenerationpulsebifurcationwhenhcnlaserispumpedbyalternatingcurrent |