Способ управления частотой излучения инжекционного полупроводникового лазера

СОЮЗ СОВЕТСНИХОПищдаМиаикРЕСПУБЛИН йЮ а 1 А 3/1,Н ГОС АРСТВЕННЫЙ НОМИТЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ РЦТИЙ САНИЕ ИЗОБРЕТЕ ВТОРСКОМУ СВ ВУ 1(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.М, Широков (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт физики высоких давлений АН СССР (53) 621.375.8(088.8) (56) 1. Н. Ргеег апй а 11 Ре 1 риг соо 1 ей Р 2 зе РооЬе НегегозСгцсгаг Ьазег аког ЗК - Саз Бресгговсору 3, Арр 1. РЬуз 1.сз, 1977, ч, 12, р. 227- 281.2. Анзин В.Б. и др. Применение инжекционных лазеров на основе РЬ 1Яп Ре в спектроскопии высокого разрешения, Краткие сообщения . по Физике, 1978, В 4, с. У 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 ич а ю щ и й с я тем, что, с целью1 повышения быстродействия управления частотой, величину тепловыделения ре" гулируют, изменяя ток накачки в течение каждого импульса тока.2, Способ о п. 1 о т л и ч аю щ и .й с я тем, что, с целью снижения минимального значения скорости 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. 1о т л и.ч а- р, ю щ и й с я тем; что, с целью повышения линейности изменения частоты излучения лазера в течение интервала времени, на котором скорость это,го изменения достигает минимальногопо абсолютной величине значения, Ф величину тока накачки после окончания переднего фронта импульса умень" шают по экспоненциальному закону с положительнж знаком второй производной тока по.времени.Изобретение относится к областиквантовой электроники,и может бытьиспользовано в лазерной спектроскопии высокого разрешения, в устройствах для дистанционного контроля загрязненности атмосферы, атакже для контроля состава газовыхсмесей в промышленности.Известен способ изм, нения частоты излучения инжекционного лазера Я , включающий использованиережима импульсного сканирования,в котором лазер монтируют на хладопроводе термоэлектрического микрохолодильника, а частотой излученияуправляют, 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 1 недостаточно для регулировки скорости 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 импульса тока прямоугольной формы: еслидлительность импульса не превышаетвремени диффузии тепла от активнойобласти к границам кристалла лазера,5 то скорость сканирования убываетобратно пропорционально квадратномукорню из времени.Целью изобретения является повышение быстродействия управления1 О частотой излучения лазера, работающего в режиме импульсного сканирования, и за счет этого, в частности, обеспечение регулировки скорости изменения частоты излучения в те 15 чение отдельно взятого импульса накачки.Поставленная цель достигаетсятем, что в способе управления частотой излучения инжекционного полупро 2 О водникового лазера, включающем накачку его импульсами тока и регулирование режима тепловьделения в активной области лазера, величинутепловьделения регулируют, изменяя25 ток накачки в течение каждого импульса тока,С целью снижения минимальногозначения скорости изменения частотыизлучения лазера при фиксированнойдлительности импульса накачки, величину тока накачки после окончанияпереднего фронта импульса монотонноуменьшают в течение импульса по линейному закону.С целью повышения линейности35изменения частоты излучения лазерав течение интервала времени, на котором скорость этого изменения достигает минимального по абсолютной величине значения, величину тока накачки после окончания переднегофронта импульса уменьшают по экспоненциальному закону с положительным знаком второй производной тока по времени.Способ осуществляется следующимобразом.Изменение частоты излучению лазера, работающего в режиме импульс ного сканирования, обусловлено разогревом активной области токомнакачки. Если начальная температура лазера превышает 15-20 К, тоуказанное изменение частоты прямо 55 пропорционально приращению температуры. Известно, что для инжекционных лазеров количество тепла, выделяющееся в единицу времени н актив50 Уменьшают ток 1 накачки в течение импульса, например, по линейному закону (фиг. 3, 4), но так, чтобы он оставался выше порогового зна" чения 3 , Тогда с повышением тем-, пературы и ростом оттока тепла из активной области одновременно происной области, прямо пропорциональновеличине тока накачкиПоэтому 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 токовым импульсом относится ксущественно нестационарным.процессам, .температура активной области в любой момент времени зависит не только отзначения тока накачки. в тот же момент, но и от предыстории его из -менения.Имеется, однако, ряд закономерностей, которые позволяют, целенаправленно выбирать закон изменениятока для достижения необходимогоизменения процесса сканирования.Эти закономерности иллюстрируютсячертежами, где на фиг. 1 изображена прямоугольная форма импульса тока накачки, на фиг, 2 - изменениетемпературы активной области лазера при подаче на него прямоугольногоимпульса тока накачки на фиг. 3 -изменение тока накачки по линейномузакону, на фиг. 4 - .изменение температуры активной области лазерапри изменении тока накачки по линейному закону, на фиг. 5 - экспоненциальная форма импульса тока накачки на фиг. 6 - изменение темпера 35туры активной области лазера при изменении тока накачки по экспоненциальному закону;.Видно, что с увеличением температуры скорость ее роста снижается,а значит, увеличивается отток теплаот активной области, где оно выделяется. При этом (за исключением самого начала импульса) температурасо временем меняется достаточномедленно и, следовательно, для управления ею с помощью тока достаточно устройств. с умеренным для современной электронной техники быстродействием,ходит уменьшение тепловыделения,Соответственно уменьшатся скоростироста температуры и изменения частоты излучения лазера При достаточно быстром убывании тока температура активной области, начиная с некоторого момента времени, может начатьуменьшаться. В точке максимума ДТскорость сканирования обратится внуль. Характерно, что при этоМ токнакачки может превышать пороговыйв 1,5 раза и, более раз.Чсли в дополнение к уменьшениюскорости потребовать большей линейности сканирования в течение тогоинтервала 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 производнаятока по времени в процессе его уменьшения была положительной,Простейшим примером практической реализации закона убывания с положительной второй производной яв-.ляется экспоненциальный закон,Управление частотой излучения ла-зера путем изменения тока накачкинепосредственно в течение каждоготокового импульса обладает достаточно высоким быстродействием для эффективной регулировки скорости илинейности 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 ь 4 = 0,05 + 0,1 см 1 . Зная д 1 и чзмерив интервал времени между соседними максимумами спект ра пропускания эталона, наблюдаемого на экране осциллографа, не921419 ЦО 4 см- = ссмсс П р и м е р . 3. Для получения сканирования частоты излучения лазерас повьппенной линейностью и скоростью сканирования, не превышающей3 10 /с в течение интервала времени не менее 50 мкс, в условиях примера 1 длительность импульса накачки выбирают равной 200 мкс. Ток в Э 5течение импульса уменьшается поэкспоненциальному закону ) = 10 эхо(-/100), где 1 - ток, Ау а т.время, мкс. Определяя скорость сканирования также, как в примерах 401 и 2, убеждаются, что приблизительно (+ 10 мкс) через 100 мкс после начала импульса период следования максимумом пропускания эталонаФабри-Перо с Ь = 0,04 см .Уменьшается до 20 мкс, что соответствуетскорости сканирования 2 10 см/с.Сравнивая временные интервалы меж ду максимумами пропускания эталона,определяют, что изменение скорости сканирования на вторую половинуимпульса не превьппает 107 В способе-прототипе при накачке лазера прямоугольными импульсами тока длительностью 200 мкс изменение скорости 55сканирования от середины к концу импульса составляет 40. Следовательно, в данном случае использование ф предлагаемого способа наряду суменьшением скорости обеспечивает П р и м е р 2. Для уменьшенияминимального значения скорости.сканирования лазера с характеристи-ками, приведенными в примере 1, дозначения, не превышающего 2105 см 1/сдлительность, импульса накачки выбипосредственно вычисляют скоростьсканирования Д а,31 а 1П р и м е р 1, Рассмотрим реа лизацию предлагаемого способа на примере используемого в режиме импульсного сканирования инжекционного полупроводникрвого лазера на основе соединения РЪЯп 8 еХарактеристики лазера: пороговый ток Л, в диапазоне температур 30-50 К не более 2 А, время термодиффузиий 200 мкс. Рабочая температура З.б К.Необходимо в течение интервала времени длительностью не более 100 мкс получитьсканирование частоты излучения лазера с изменением знака скорости сканирования. Для этог 6 пропускают через лазер импульс тока длительностью 100 мкс, уменьшая ток во время импульса по линейному закону: 36-0,041, где 3- ток, А; а- время, мкс, 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 ь = 0,04 см . Убеждаются, что через 75 мкс после начала импульса период следования максимумов спектра пропускания эталона на экране осциллографа, достигнув максщюума, 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. рают равной 200 мкс. Пропускаем через лазер импульс тока с указаннойдлительностью, уменьшая ток во время импульса по закону ) = 474,8/ 5 (+ 15,8), где 3 - ток, А 1время, мкс. Так же, как в примере 1,наблюдая на экране осциллографаспектр пропускания эталона фабри-Пе 1 Оро с а = 0,04 см , убеждаются что-1Э Эпериод следования максимумов пропускания эталона увеличивается от начала к концу импульса, достигаязначения х 40 мкс. При этом скоростьсканирования уменьшается до значе- ния 20Данныи пример иллюстрирует уменьшение скорости сканирования. Приведенное вьппе достигнутое значение скорости на порядок меньше значений, 25получаемых при накачке прямоугольными импульсами той же длительности.921419 СоставительРедактор Л.УтехинаТехред Л,Микеш ректор С. Шек Подписное каз ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проек 4 8908(1ВНИИПИ Госудапо делам и3035, Москва,рственног зобретени 3-35, Рау 59 коми и о кая та СССРытийб., д. 4/5