Введение к работе
Одной из областей науки и техники, где полупроводниковые лазеры находят широкое применение, является оптическая интерферометрия. При создании интерференционных измерительных систем может быть использовано свойство полупроводникового лазера изменять свои параметры при изменении внешней оптической обратной связи. В такой лазерной автодинной системе интерференция происходит в том числе и в активной области. Воздействие отраженного от внешнего объекта излучения приводит к тому, что полупроводниковый лазер необходимо рассматрюать, как генератор оптических колебаний с изменяющейся во времени в зависимости от уровня обратной связи оптической частотой и амплитудой. Поэтому актуальной задачей является исследование динамического режима излучэния полупроводникового лазера с внешней оптической обратной связью и проявления в нем эффекта автодинного детектирования.
Исследование формирования продетектированного сигнала для более сложного и общего, чем это рассматривалось ранее, случая представляется актуальным прежде, всего с точки зрения развития представлений об этом физическом явлении. Результаты таких исследований могут быть использованы для улучшения характеристик когерентного излучения полупроводникового лазера, а также при разработке новых методов измерений вибраций и микроперемещений исследуемых объектов.
Целью диссертационной работы является исследование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковом лазере при движении внешнего отражателя, в том числе исследование формирования автодинного сигнала и его спектра, специфики проявления автодинного детектирования в режиме генерации оелаксационных колебаний, исследование возможности зосстановления формы движения внешнего отражателя по автодинному сигналу.
Новизна исследований, проведенных в ходе выполнения дессертационной работы, состоит в следующем:
-
Описано теоретически и исследовано экспериментально формирование автодинного сигнала при движении внешнего отражателя. Экспериментально установлено, что при определенных значениях стационарного набега фазы наблюдается существенное отличие формы автодинного сигнала от формы сигнала в гомодинной интерференционной системе с развязкой. Показано теоретически наличие участка с большим тангенсом угла наклона в зависимостях частоты и мощности автодина от времени обхода излучением внешнего резонатора, характеризующегося высокой фазовой чувствительностью к изменению расстояния от излучающей грани лазерного диода до плоскости отражателя и высоким уровнем автодинного сигнала.
-
Проведен спектральный анализ закономерностей в "изменении амплитуды и частоты излучения полупроводникового лазера с внешней оптической обратной связью, связанных с движением внешнего отражателя. Показано, что существуют расстояния от излучающей грани лазерного диода до плоскости внешнего отражателя, при которых возможно определение амплитуд вибраций объекта с повышенной степенью точности.
-
В результате теоретического анализа объяснено экспериментально наблюдающееся появление размытия фазовой траектории на отдельных участках фазового портрета.
"А. Установлена возможность преобразования формы
сигнала автодинной системы с вибрирующим внешним отражателем к форме интерференционного сигнала, характерной для того же случая, но при наличии развязки от источника когерентного излучения.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается
качественным и количественным соответствием выводов теории
основным результатам, полученным экспериментально,
корректностью принимаемых при построении математических моделей упрощающих предположений, использованием стандартной измерительной аппаратуры и подтверждается их успешным, использованием.
Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:
-
Определены условия, при которых влияние внешней оптической обратной связи в полупроводниковом лазере, работающем в автодинном режиме, на интерференционный сигнал, образующийся при гармонических вибрациях внешнего отражателя, минимально.
-
Определены условия, при которых полупроводниковая лазерная автодинная система характеризуется повышенной чувствительностью к нестабильности источника тока и флуктуациям параметров внешней оптической обратной связи.
-
Для полупроводникового лазера с вибрирующим внешним отражателем предложен метод решения обратнс! задачи, позволяющий восстанавливать форму интерференционного сигнала, совпадающую с формой сигнала для интерференционной системы с развязкой от источника излучения по автодинным сигналам, полученным при двух значениях стационарного набега фазы во внешнем резонаторе, отличающихся на величину я, и соответствующих двум расстояниям, до внешнего вибрирующего отражателя.
Апообация работы
Материалы диссертации докладывались на
VI Российской научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые тепловые методы и средства неразрушающего контроля", Саратов, 1995,
Международной конференции "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении", Саратов, 1997, . .
Школе по оптике, лазерной" физике и оптоэлектронике (ФЦП "Интеграция"), Саратов, 1997, .
Школе « Методы светорассеяния з механике биомедицине и материаловедении», Саратов, 1998,
» Школе по оптике, лазерной физике и биофизике, Саратов, 1999, а также на семинарах кафедр физики твердого тела и опти.ки СГУ.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 5 статей, 4 опубликованных тезисов докладов, 1 патент РФ.
Личный вклад автора в этих работах выразился в теоретическом описании автодинного детектирования в полупроводниковых лазерах при движении внешнего отражателя, разработке алгоритмов и программ расчета, получении экспериментальных данных, анализе полученных теоретических и экспериментальных результатов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 6 разделов и заключения. Работа изложена на 102 страницах, содержит 17 рисунков, список литературы из 129 наименований цитируемых источников и приложение.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
В ' режиме релаксационных колебаний полупроводниковая лазерная автодинная система характеризуется повышенной чувствительностью к флуктуациям ее параметров по сравнению с режимом монохроматического излучения. Появление размытия фазовой траектории на отдельных ее участках объясняется высокой чувствительностью автодинной системы на этих участках к нестабильности источника питания и флуктуациям параметров внешней оптической обратной связи.
-
Существуют" значения стационарного набега фазы, для которых наблюдается существенное искажение формы автодинного сигнала по сравнению с формой сигнала в гомодинной интерференционной системе с развязкой. Выбором расстояния от излучающей грани лазерного диода до плоскости вибрирующего отражателя может быть расширен максимальный диапазон амплитуд измеряемых вибраций.
-
Для полупроводникового лазера с внешним отражателем при регистрации не менее двух автодинных сигналов, полученных при двух значениях стационарного набега фазы во внешнем резонаторе, отличающихся на величину тс, решение обратной задачи позволяет привести форму автодинного сигнала к форме сипнала интерференционной системы с развязкой от источника излучения.
