Способ определения изменения температуры активной области полупроводникового лазера

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ АКТИВНОЙ ОБЛАСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Козлов Владимир Леонидович Стецик Виктор Михайлович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ определения изменения температуры активной области полупроводникового лазера, в котором излучение лазера, запускаемого импульсами тока накачки заданной длительности Тимп, разделяют на опорный и измерительный каналы, затем изменяют длину измерительного канала на заданную величинудля создания разности оптических задержек излучения в каналах, смешивают оптические сигналы на выходе каналов, выделяют сигнал фазового рассогласования, равный девиации частоты излучения лазера за время разности оптических задержек, и определяют искомое изменениетемпературы активной области в любой момент времени действия импульса тока накачки по сравнению с температурой окружающей среды в соответствии с выражением,имп 2 /где- коэффициент, характеризующий девиацию частоты излучения лазера в зависимости от температуры его активной области 11971 1 2009.06.30- число периодов сигнала фазового рассогласования за время действия импульса тока накачки с - скорость света,причем величинувыбирают таким образом, чтобы на длительности импульса тока накачки укладывалось целое число периодов сигнала фазового рассогласования. Изобретение относится к области оптического спектрального приборостроения и может быть использовано для измерения температуры активной области полупроводникового лазера в течение действия импульса тока накачки. Известно, что изменение температуры активной области полупроводникового лазера вызывает изменение длины волны излучения лазера 1. Следовательно, измеряя сдвиг длины волны (частоты) излучения, можно судить об увеличении температуры активной области лазера. Для измерения длины волны (частоты) излучения используются различные типы монохроматоров. Однако такие монохроматоры способны измерять только среднее значение длины волны излучения за время действия импульса и не позволяют измерять сдвиг длины волны излучения в любой момент действия импульса. Следовательно,применение монохроматоров для этих целей либо принципиально невозможно, либо дает невысокую точность измерений. Известен метод построения интерферометра 2, основанный на разделении излучения лазера на опорный и измерительный каналы с последующим фотосмешением на фотоприемнике оптических сигналов этих каналов и выделением сигнала фазового рассогласования, пропорционального разности задержек излучения в каналах. Однако данная система не позволяет измерять девиацию частоты излучения лазера за время действия импульса, а следовательно, и увеличение температуры активной области лазера. Задача изобретения - обеспечение возможности измерения температуры активной области полупроводникового лазера в течение действия импульса тока накачки и повышение точности измерений температуры. Решение этой задачи позволит оптимизировать спектральные характеристики полупроводникового лазера в импульсном режиме работы,что особенно важно при использовании лазеров в спектрометрической аппаратуре и системах лазерной диагностики. Для решения поставленной задачи излучение лазера, запускаемое импульсами тока накачки, разделяют на опорный и измерительный каналы, затем изменяют длину измерительного канала на заданную величинудля создания разности оптических задержек излучения в каналах, смешивают оптические сигналы на выходе каналов, выделяют сигнал фазового рассогласования, равный девиации частоты излучения лазера, за время разности оптических задержек, и определяют искомое изменениетемпературы активной области в любой момент действия импульса тока накачки по сравнению с температурой окружающей среды по значению частоты сигнала фазового рассогласования, при этом величину разности оптических задержек в опорном и измерительном каналах выбирают таким образом, чтобы на длительности импульса укладывалось целое число периодов сигнала фазового рассогласования. На фиг. 1 представлена функциональная схема, реализующая предлагаемый способ. Система содержит полупроводниковый лазер 1, светоделитель 2, первое неподвижное зеркало 3, второе подвижное зеркало 4, фотоприемник 5, вычислительный блок 6, блок перемещения зеркала 7. Система работает следующим образом. Полупроводниковый лазер 1 запускается импульсами с вычислительного блока 6 длительностью имп. Излучение лазера 1 с помощью светоделителя 2 разделяется на два канала опорный и измерительный. Опорный канал формируется с помощью неподвижного зеркала 3, а измерительный - с помощью подвижного зеркала 4. Затем излучение из обоих каналов поступает на фотоприемник 5, где выделяется сигнал фазового рассогласования. 2 11971 1 2009.06.30 Известно, что протекание тока через активную область полупроводникового лазера вызывает повышение температуры активной области, что в свою очередь вызывает изменение длины волны (частоты) генерации лазера. Коэффициент К, определяющий величину девиации частоты излучения лазера в зависимости от температуры активной области,известен 1 и имеет значение, например, для лазерана длине волны 1,5 мкм 11109 Гц/С. В начальный момент времени оптические длины каналов с помощью подвижного зеркала 4 настраиваются равными, что соответствует нулевому сигналу фазового рассогласования на выходе фотоприемника 5. Затем изменяют величину оптической задержки в измерительном канале с помощью перемещения подвижного зеркала 4 на время 121/, где 1 - величина перемещения подвижного зеркала, с - скорость света. Теперь частота излучения опорного канала (фиг. 2 а) будет сравниваться на фотоприемнике 5 с задержанной на 1 частотой излучения измерительного канала (фиг. 2 б). Если за время дополнительной задержки излучения 1 в измерительном канале произошел разогрев активной области лазера, то изменялась частота генерации лазера, следовательно, на выходе фотоприемника 5 будет сигнал, равный сдвигу частоты генерации лазера 1 (фиг. 2 в). Зная коэффициент перестройки частоты лазера от температуры, определяется разогрев активной области за время 1 по формуле 11,где Т 1 - превышение температуры активной области над температурой окружающей среды,- коэффициент перестройки частоты излучения лазера в зависимости от температуры, 1 - девиация частоты излучения лазера за время разности оптических задержек в опорном и измерительном каналах 1. Затем изменяют величину оптической задержки в измерительном канале на время 222/. Если за время задержки излучения 2 произошел дополнительный разогрев активной области лазера, то изменится частота на выходе фотоприемника 5 и станет равной 2 (фиг. 2 в), причем 21. По величине 2 определяется разогрев активной области в момент времени 2 с начала импульса тока. Таким образом, изменяя величину оптической задержки излучения в измерительном канале , можно определить температуру активной области лазера в любой момент действия импульса. Если длительность импульса тока достаточно мала (единицы - десятки наносекунд), то за время длительности импульса сложно измерить значение разностной частотыс высокой точностью. Поэтому для повышения точности измерения частотывеличину перемещения подвижного зеркалавыбирают таким образом, чтобы на длительности импульса укладывалось целое число периодов сигнала фазового рассогласования , как показано на фиг. 2 в. При этом значение частотывычисляется следующим образом где- разность длин опорного и измерительного каналов, имп - длительность импульса тока накачки,- число периодов сигнала фазового рассогласования за время действия импульса, с - скорость света. Необходимо отметить также, что обеспечить получение целого числа периодов частотыза время длительности импульса тока можно также путем изменения в узких пределах длительности импульса имп. Таким образом, окончательная формула для определения температуры активной области полупроводникового лазера в момент времени 2/ с начала действия будет иметь вид 3 Описанный алгоритм определенияреализуется в вычислительном блоке 6, включающем в себя счетчик числа импульсов и формирователь длительности импульса тока лазера. Перемещение подвижного зеркала 4 осуществляется с помощью блока перемещения зеркала 7. При проведении измерений лазеров даже при достаточно коротких импульсах тока(десятки наносекунд), в предложенной системе обеспечивается точность измерения частоты в единицы - десятки МГц. Так как коэффициент температурной перестройки частоты лазераравняется 11109 Гц/С 1, то из этого следует, что точность измерения температуры активной области полупроводникового лазера составляет не хуже 10-3 С. При этом обеспечивается возможность измерения температуры в любой момент времени с начала действия импульса, т.е. получения динамики роста температуры за время импульса. Очевидно, что такую точность измерения частоты оптического излучения лазера, а следовательно, температуры активной области не может обеспечить ни один из монохроматоров(для монохроматоров разрешение по частоте составляет единицы гигагерц), кроме того, с помощью монохроматора нельзя измерить динамику роста температуры за время импульса. Таким образом, с помощью изменения оптической длины одного канала и используя предложенный алгоритм обработки сигнала фазового рассогласования, обеспечивается возможность измерения температуры активной области полупроводникового лазера в любой момент действия импульса тока накачки, при этом значительно повышается точность измерения температуры, что имеет важное значение для оптимизации спектральных характеристик полупроводникового лазера в импульсном режиме работы при использовании лазеров в спектрометрической аппаратуре и системах лазерной диагностики. Источники информации 1. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики / Пер. с япон. - Л. Энергоиздат, 1990. С. 83-85. 2.2064425, 1990. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4