Устройство измерения девиации частоты излучения полупроводникового лазера

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДЕВИАЦИИ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Козлов Владимир Леонидович Стецик Виктор Михайлович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Устройство измерения девиации частоты излучения полупроводникового лазера, содержащее оптически связанные по схеме интерферометра Майкельсона лазер, светоделитель, первое и второе зеркала, фотоприемник, отличающееся тем, что в него введены блок перемещения второго зеркала, соединенный с зеркалом, а также последовательно соединенные с фотоприемником компаратор, счетчик и вычислительный блок, соединенный с блоком перемещения зеркала и лазером а девиацию частоты излучения полупроводникового лазера в любой момент действия импульса тока накачки определяют по формуле,имп 2 /где- девиация частоты излучения лазера за время разности оптических задержек в опорном и измерительном каналах,- разность длин опорного и измерительного каналов, Тимп - длительность импульса тока накачки,- число периодов сигнала фазового рассогласования за время действия импульса, с - скорость света при этом величинувыбирают таким образом, чтобы на длительности импульса укладывалось целое число периодов сигнала фазового рассогласования. 45852008.08.30 Полезная модель относится к области оптического спектрального приборостроения и может быть использована для измерения девиации частоты излучения полупроводникового лазера в течение действия импульса тока накачки. Известно, что увеличение тока через переход и температуры активной области полупроводникового лазера вызывает изменение длины волны излучения лазера 1. Для измерения длины волны (частоты) излучения лазеров используются различные типы монохроматоров. Однако такие монохроматоры обладают невысокой точностью измерений и способны измерять только среднее значение длины волны (частоты) излучения за время действия импульса. При этом они не позволяют измерять девиацию частоты излучения в любой момент действия импульса, т.е. получать динамику изменения частоты лазера за время импульса. 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. Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении точности измерения девиации частоты излучения полупроводникового лазера в течение действия импульса тока накачки и обеспечении возможности измерения сдвига частоты излучения в любой момент действия импульса тока. 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 в известное устройство 2, содержащее оптически связанные по схеме интерферометра Майкельсона лазер, светоделитель, первое и второе зеркала, фотоприемник, введены блок перемещения второго зеркала, соединенный с зеркалом, а также последовательно соединенные с фотоприемником компаратор, счетчик и вычислительный блок, соединенный с блоком перемещения зеркала и лазером а девиацию частоты излучения полупроводникового лазера в любой момент действия импульса тока накачки определяют по формуле,имп 2 /где- девиация частоты излучения лазера, за время разности оптических задержек в опорном и измерительном каналах,- разность длин опорного и измерительного каналов, Тимп - длительность импульса тока накачки,- число периодов сигнала фазового рассогласования за время действия импульса, с - скорость света при этом величинувыбирают таким образом, чтобы на длительности импульса укладывалось целое число периодов сигнала фазового рассогласования. Свойства, появляющиеся у заявляемого объекта это повышение точности измерения девиации частоты излучения полупроводникового лазера в течение действия импульса тока накачки за счет того, что измерение сигнала разностной частоты с помощью счетчика обеспечивается с более высокой точностью, чем измерение частоты излучения с помощью известных монохроматоров обеспечение возможности измерения сдвига частоты излучения в любой момент действия импульса тока за счет введения разности оптических задержек в опорном и измерительном каналах путем перемещения подвижного зеркала измерительного канала. Сущность полезной модели поясняется с помощью фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, а на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу. Устройство содержит полупроводниковый лазер 1, светоделитель 2,первое неподвижное зеркало 3, второе подвижное зеркало 4, фотоприемник 5, компаратор 6, счетчик 7, вычислительный блок 8, блок перемещения зеркала 9. 2 45852008.08.30 Устройство работает следующим образом. Полупроводниковый лазер 1 запускается импульсами с вычислительного блока 8 длительностью Тимп. 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. Изучение излучения из обоих каналов поступает на фотоприемник 5, где в результате фотосмешения выделяется сигнал фазового рассогласования. 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. Перемещение подвижного зеркала 4 осуществляется с помощью блока перемещения зеркала 9, управляемого сигналом с вычислительного блока 8. В этом случае 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, вследствие каких либо причин (разогрев активной области лазера или за счет увеличения тока инжекции), произошло изменение частоты генерации лазера, то на выходе фотоприемника 5 будет сигнал, равный сдвигу частоты генерации лазера 1 (фиг. 2 в). Этот сигнал регистрируется компаратором 6, где из него формируются стандартные импульсы, которые поступают на вход счетчика 7. Как видно из фиг. 2 в, импульсы на вход счетчика будут поступать только в течение времени,когда на фотоприемнике одновременно присутствуют сигналы с опорного и измерительного каналов, т.е. в течение времениТимп - 1 Тимп - 21/. Определив число импульсов, подсчитанное счетчиком, и зная величину , определяется сдвиг частоты генерации лазера 1 за время 1. Затем изменяют величину оптической задержки в измерительном канале на время 222/. Если за время задержки излучения 2 произошел дополнительный сдвиг частоты генерации лазера, то изменится частота на выходе фотоприемника 5 и станет равной 2 (фиг. 2 в), причем 21. Величина 2 характеризует сдвиг частоты генерации лазера в момент времени 2 с начала импульса тока. Таким образом, изменяя величину оптической задержки излучения в измерительном канале , можно определить сдвиг частоты генерации лазера в любой момент действия импульса. Если длительность импульса тока Тимп достаточно мала (единицы - десятки наносекунд), то за время длительности импульса на счетчик 7 будет поступать небольшое количество импульсов разностной частоты . В этом случае 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,Т имп 2 /где- разность длин опорного и измерительного каналов, Тимп - 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 Тимп. Описанный алгоритм определенияреализуется в вычислительном блоке 8. При проведении измерений сдвига частоты излучения лазеров даже при достаточно коротких им 3 45852008.08.30 пульсах тока (десятки наносекунд) в предложенной системе обеспечивается точность измерения частоты в сотни КГц - единицы МГц. При этом обеспечивается возможность измерения сдвига частоты в любой момент времени с начала действия импульса, т.е. получить динамику изменения частоты излучения за время импульса. Очевидно, что такую точность измерения частоты оптического излучения лазера не может обеспечить ни один из монохроматоров (для монохроматоров разрешение по частоте составляет единицы гигагерц), кроме того, с помощью монохроматора нельзя измерить динамику изменения частоты излучения за время импульса. Таким образом, с помощью изменения оптической длины опорного канала и используя предложенный алгоритм вычисления частоты фазового рассогласования, обеспечивается возможность измерения сдвига частоты излучения полупроводникового лазера в любой момент действия импульса тока накачки, при этом значительно повышается точность измерения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4