Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 10
1.1. Внешняя оптическая обратная связь в полупроводниковом лазере 10
1.2. Оптические способы подавления шумов, вызванных внешнейоптической обратной связью в полупроводниковом лазере 31
1.3. Нелинейная динамика и методы управления хаосом 34
1.4. Выводы к первой главе 46
Глава 2. Динамика активного лазерного интерферометра с нелинейной запаздывающей обратной связью 47
2.1. Активный лазерный интерферометр 47
2.2. Исследование динамики выходной мощности активного лазерного интерферометра в зависимости от начальных условий 49
2.3. Исследование динамики выходной мощности активного лазерного интерферометра в зависимости от усиления в петле обратной связи 59
2.4. Выводы ко второй главе 61
Глава 3. Управление хаотическими колебаниями оптической мощности активного лазерного интерферометра 63
3.1. Экспериментальная реализация запаздывающей обратной связи для управления хаосом 63
3.2. Управление хаотическими колебаниями оптической мощности 65
3.3. Подавление хаотических колебаний 68
3.4. Выводы к третьей главе 79
Глава 4. Подавление хаотической генерации в полупроводниковом лазере с внешней оптической обратной связью 81
4.1. Численное моделирование подавления хаотических колебаний 81
4.2. Условий подавления хаоса 85
4.3. Экспериментальное исследование подавления хаоса в лазере с 93
4.4. Выводы к четвертой главе 98
Заключение 101
Список использованных источников и литературы 104
Приложение 116
- Оптические способы подавления шумов, вызванных внешнейоптической обратной связью в полупроводниковом лазере
- Исследование динамики выходной мощности активного лазерного интерферометра в зависимости от начальных условий
- Управление хаотическими колебаниями оптической мощности
- Экспериментальное исследование подавления хаоса в лазере с
Введение к работе
Миниатюрные, малоинерционные, экономичные, хорошо согласуемые с оптическим волокном инжекционные полупроводниковые лазеры широко применяются на практике [1] для передачи и обработки информации, в CD/DVD устройствах и лазерных принтерах. На их основе создаются новые лазерные системы, например твердотельные лазеры с накачкой от линеек или матриц полупроводниковых лазеров [2, 3], лазеры с удвоением частоты методами нелинейной оптики [4]. Есть у полупроводниковых лазеров и другие, не столь известные, но не менее важные области применения: стандарты частоты [5-7], измерительная интерферометрия [8], голография [9], интегральная оптика [1], спектроскопия высокого разрешения [10], аналитическая химия [И], обнаружение загрязнения атмосферы [12]. К лазерам, используемым в этих приложениях, предъявляются повышенные требования по стабильности генерации и когерентности излучения.
Отличительной чертой полупроводниковых инжекционных лазеров является высокий коэффициент усиления [13]. Это позволяет создавать устройства с высоким КПД и выходной мощностью до сотен милливатт при длине резонатора в сотни микрон. Кроме того, при превышении уровня накачки лазера над пороговым током, на десятки процентов, возрастает роль нелинейных эффектов [14]. Это делает данный тип лазеров особенно чувствительным к внешнему возмущению. Изменение характеристик лазера под действием излучения, возвращающегося в активную область после отражения от внешнего элемента (зеркала, дифракционной решетки, деталей оптической схемы и т.д.), называют эффектом внешней оптической обратной связи (ВООС) [1, 15, 16]. Селективная оптическая обратная связь успешно используется для создания высококогерентных, перестраиваемых по длине волны излучения источников для спектроскопии [17] и метрологии [18]. В то же время, неселективная внешняя оптическая обратная связь может
значительно ухудшить характеристики полупроводникового лазера [1]. Возвращение в активную область лазера даже малой части излучения, отразившегося от внешних элементов оптической схемы, может привести к развитию хаотической генерации. Она проявляется в увеличении шумов оптической мощности и резком уширении спектра генерации, так называемом "коллапсе когерентности" [19-21]. Для устранения этого явления в оптические схемы включают изоляторы на основе фарадеевского вращения плоскости поляризации излучения [22]. Они снижают уровень оптической мощности, возвращающейся в лазер. Однако, оптические изоляторы, обеспечивающие уровень развязки порядка 40дБ, относительно дороги, особенно для видимого диапазона спектра. В сине-зеленой области, где уже разработаны коммерчески доступные образцы лазеров [23, 24], пока еще нет кристаллов, обладающих достаточно большим коэффициентом вращения плоскости поляризации в магнитном поле. Поэтому разработка метода подавления хаотической генерации, не зависящего от длины волны излучения, представляется актуальной.
Для подавления хаоса предложено использовать методы управления нелинейной динамикой с помощью малых возмущений параметров системы, развиваемые в последние десять лет [25-27]. Отметим, что к началу работы над диссертацией рядом авторов были хорошо развиты алгоритмы по моделированию управления хаотической динамикой в различных системах, однако практические схемы были отработаны только на моделях и некоторых типах газовых и твердотельных лазеров со сравнительно низкочастотной динамикой. Практически отсутствовали устройства, реализующие методы управления хаосом для быстродействующих систем, в том числе и для полупроводникового лазера с внешней оптической обратной связью.
Целью работы является разработка и реализация метода подавления хаотической генерации в полупроводниковом лазере, вызванной неселективной внешней оптической обратной связью, на основе исследования нелинейной динамики оптоэлектронных систем с запаздыванием.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие основные задачи:
Исследование нелинейной динамики и методов управления хаосом на примере низкочастотной модельной системы - активного лазерного интерферометра.
Определение условий подавления хаотических колебаний выходной мощности активного лазерного интерферометра.
Выбор метода подавления хаоса, пригодного для быстродействующей системы — полупроводникового лазера с внешней оптической обратной связью.
Определение методом численного моделирования условий подавления хаотической генерации в полупроводниковом лазере с внешней оптической обратной связью.
Разработка устройства, реализующего метод подавления хаотических колебаний в полупроводниковом лазере с внешней оптической обратной связью и проверка эффективности его работы на практике.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
Показана на примере активного лазерного интерферометра эффективность применения запаздывающей обратной связи не только для получения из хаоса стабильных периодических колебаний с периодом до десятков времен запаздывания, но и для подавления хаотических и периодических колебаний в широком диапазоне управляющих параметров.
Экспериментально определены степень подавления и время подавления хаоса в активном лазерном интерферометре для трех видов управления.
Рассчитаны оптимальные условия подавления хаоса в полупроводниковом лазере с внешней оптической обратной связью.
Разработано устройство и экспериментально показана возможность подавления с его помощью хаотической генерации, вызванной внешней оптической обратной связью в полупроводниковом лазере.
Практическая ценность работы. Использование подавления хаотической генерации, вызванной внешней оптической обратной связью в полупроводниковом лазере, позволит создать лазерные системы, слабо чувствительные к паразитным внешним отражениям. Данный метод реализуется на основе оптоэлектронного блока достаточно простой конструкции и обеспечивает подавление хаотических колебаний оптической мощности в десятки раз и сужение спектра излучения до уровня свободной генерации. Блок подавления хаотических колебаний предназначен для лазеров, применяемых в таких областях, как стандарты частоты, измерительная интерферометрия, голография, спектроскопия высокого разрешения, аналитическая спектроскопия.
Результаты работы могут быть использованы для разработки аналогичного устройства на основе насыщающегося поглотителя или электрооптического модулятора, для подавления хаотической генерации в лазерах различных типов, а также для разработки устройства, интегрированного в лазерную структуру и повышающего устойчивость одночастотной генерации в присутствии случайных отражений. Аналогичное устройство может быть использовано для подавления хаотической генерации, вызванной инжекцией оптического сигнала в полупроводниковый лазер от внешнего источника.
Результаты исследований активного лазерного интерферометра могут использоваться для создания устройств кодирования информации, а также для демонстрации нелинейной динамики и методов управления хаосом при подготовке специалистов физических специальностей.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
Результаты экспериментов показывающие, что в активном лазерном интерферометре при увеличении усиления в петле обратной связи переход к хаосу осуществляется через каскад удвоения периода колебаний.
Хаос в активном лазерном интерферометре может быть подавлен с помощью пропорциональной запаздывающей обратной связи по начальным условиям, экспоненциальной запаздывающей обратной связи по коэффициенту усиления и обратной связи одновременно по двум параметрам. Степень подавления слабо зависит от вида управляющего сигнала. Время подавления минимально для одновременного управления по двум параметрам.
Для подавления хаоса в одномодовом полупроводниковом лазере с внешней оптической обратной связью предпочтительнее использовать пропорциональную запаздывающую обратную связь по току накачки лазера. Подавление хаоса достигается при следующих условиях настройки: глубина модуляции не превышает 2%; допуск на расстройку времени задержки в управляющей обратной связи менее 5%; запаздывание управляющего сигнала относительно оптического возмущения, вносимого внешним отражением, не более шести времен обхода внешнего резонатора; усиление в обоих плечах управляющей системы сбалансировано с допуском 10%; полоса пропускания управляющей системы в полтора раза больше обратной величины от времени прохода излучения до внешнего отражателя и обратно.
Экспериментальные результаты, демонстрирующие подавление хаотической генерации, вызванной неселективной внешней оптической обратной связью в AlGaAs/GaAs лазере квантоворазмерной структуры. При подавлении хаоса ширина спектра излучения уменьшается с 600 МГц до 80 МГц, шумы оптической мощности снижаются на 26 дБ.
Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались на Второй Байкальской школе по фундаментальной физике (Иркутск, 1999), международной школе молодых учёных и студентов "Saratov Fall Meeting" (Саратов, 2000), международных конференциях "Laser Optics 2000", (Санкт-Петербург, 2000), "Когерентная оптика и оптическая спектроскопия" (Казань, 2000), LBOC6 (Мюнхен, 2001), ICONO 2001: Nonlinear Optical Phenomena and Nonlinear Dynamics of Optical Systems (Минск 2001), на научных конференциях преподавателей и сотрудников Самарского государственного университета (1998, 1999, 2000 гг.), а также на научных семинарах Самарского филиала Физического института им. П.НЛебедева РАН.
Публикации
По результатам диссертации опубликовано 7 научных работ.
Структура и объём работы:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (123 наименования) и приложение, изложена на 119 страницах, содержит 51 рисунок и 1 таблицу.
Оптические способы подавления шумов, вызванных внешнейоптической обратной связью в полупроводниковом лазере
Как отмечалось выше, из-за наличия внешней оптической обратной связи амплитудные шумы в полупроводниковых лазерах достигают уровня - 50 дБ/Гц и выше. В оптических системах приемлемый шум составляет -140 дБ/Гц. Следовательно, необходимо предпринимать меры для его подавления. В качестве мер по уменьшению шумов используется [1]: 1) повышение устойчивости продольных мод лазерного резонатора для подавления переключения мод; 2) предотвращение интерференции поля, отраженного от внешнего зеркала, и поля в резонаторе лазера; 3) уменьшение интенсивности света, попадающего извне в лазерный резонатор. Для повышения устойчивости продольных мод чаще всего используют резонатор с распределенной обратной связью. Кроме того, для лазеров на основе GaAlAs было предложено использовать насыщающийся поглотитель, который вводится путем легирования эмиттерного слоя n-типа большим количеством теллура. Однако оба этих метода позволяют подавить лишь переключение продольных мод собственного резонатора полупроводникового лазера; шумы, обусловленные переключением мод внешнего резонатора, естественно, такими способами подавить не удается. В настоящее время предпринимаются также попытки реализовать режим устойчивой одномодовой генерации, нанося на грани лазерного резонатора просветляющие покрытия и создавая оптическую обратную связь с помощью внешних отражателей и дифракционных решеток, но и эти попытки не дали существенных результатов. Для ослабления интерференции между излучением, находящимся внутри лазера, и отраженным светом используется (достаточно успешно) возбуждение пульсаций выходной мощности лазера. Здесь имеются два механизма подавления. Во-первых, благодаря пульсациям, генерация в лазере с резонатором Фабри - Перо становится многомодовой, и временная когерентность уменьшается. Во-вторых, поскольку импульсы отраженного света и внутреннего излучения пространственно разнесены, пространственная когерентность также уменьшается. Для возбуждения пульсаций используют либо метод высокочастотной модуляции, когда на постоянный ток, текущий через лазер, накладывают высокочастотную ( 1ГГц) компоненту, либо метод самовозбуждения пульсаций полупроводникового лазера. Для уменьшения внешней оптической обратной связи было предложено увеличить коэффициент отражения зеркал резонатора с помощью специальных покрытий.
При этом интенсивность отраженного света, возвращающегося в резонатор, значительно уменьшается; вместе с тем из-за уменьшения потерь в резонаторе улучшается устойчивость режима одномодовой генерации. Сообщается, что применение этого метода позволило устранить переключение мод лазерного резонатора при значениях уровня обратной связи до 1%. Недостатком этого метода является падение КПД лазера. Модификацией этого метода можно считать подавление шумов с помощью сильной оптической обратной связи от селективного элемента (дифракционная решетка, интерферометр и внешнее зеркало, высокодобротный интерферометр). Разумеется, одним из лучших способов подавления шумов является применение оптических изоляторов. В диапазоне длин волн 0,78 - 0,96 мкм широко применяют развязки, использующие фарадеевское вращение плоскости поляризации излучения [22]. В них обычно применяются кристаллы железоиттриевого граната, с помощью которых можно подавлять возвращающееся излучение на уровне 30 дБ. Для длин волны 1,3 - 1,5мкм разрабатываются также развязки в виде тонких пленок, и, если бы удалось снизить их стоимость, они, по-видимому, нашли бы самое широкое применение. К сожалению, для видимого диапазона еще нет развязок, использующих фарадеевское вращение, т.к. не разработаны кристаллы, обладающие достаточно высоким коэффициентом вращения плоскости поляризации. Поэтому, сразу после опубликования первых работ по управлению хаотической динамикой [25, 26], было предложено использовать данные методы для лазерных систем. Поведение большинства физических систем детерминировано во времени, т.е. существует правило в виде дифференциальных или разностных уравнений, определяющее их будущее, исходя из заданных начальных условий. Под нелинейной динамикой подразумевается нерегулярное, или хаотическое, поведение, порожденное нелинейными системами, для которых динамические законы однозначно определяют эволюцию во времени состояния системы при известной предыстории [86]. Нелинейность - необходимое, но не достаточное условие для возникновения хаотического поведения.
Настоящая первопричина нерегулярности определяется свойством нелинейных систем экспоненциально быстро разводить первоначально близкие траектории в ограниченной области фазового пространства [87]. Таким образом, становится практически невозможно предсказать длительное поведение таких систем, поскольку реально начальные условия можно задать лишь с конечной точностью. К настоящему времени известны несколько сценариев (рис. 1.13а), или путей, в соответствии с которыми нелинейные системы могут стать хаотическими при изменении управляющего параметра [86-88]. Первая возможность была открыта при исследовании свойств итераций, в экспериментах Бекара, в нелинейных осцилляторах с возбуждение, в оптических системах. Путь к хаосу называется бифуркацией удвоение периода. Этим термином обозначается изменение динамики системы, когда при изменении одного или нескольких параметров, одно состояние равновесия системы, потеряв устойчивость, сменяется двумя новыми устойчивыми
Исследование динамики выходной мощности активного лазерного интерферометра в зависимости от начальных условий
Разберем более подробно, как в такой системе возникают колебания на примере образования колебаний с периодом 2 г (рис. 2.2) и 4 г (рис 2.3). При увеличении тока накачки лазера мощность и длина волны излучения увеличиваются. За счет изменения длины волны излучения интерференционная полоса будет смещаться относительно диафрагмы фотодиода (ее проекция на плоскость перпендикулярную направлению смещения интерференционных максимумов показана на рисунках пунктиром). До тех пор, пока минимум интерференционной полосы будет находиться в области диафрагмы, система будет пребывать в стабильном состоянии, так как ток обратной связи будет близок к нулю. При увеличении тока накачки будут изменяться начальные условия и наступит момент, когда максимум интерференционной полосы приблизится к диафрагме фотодиода достаточно близко (рис. 2.2 нижний график). В этом случае в системе обратной связи начнет вырабатываться ток отличный от нуля. Излучения, попадающего на фотодиод через диафрагму, будет достаточно, чтобы существенно уменьшить начальный ток и изменить длину волны излучения. В результате этого интерференционная полоса будет смещаться относительно диафрагмы фотодиода (рис. 2.2 верхний график), вследствие чего ток в цепи обратной связи уменьшается. Таким образом, на следующей итерации интерференционная полоса займет свое первоначальное положение, и вся эта процедура повторится заново. Время пребывания системы в одном стабильном состоянии будет равно времени задержки в петле обратной связи. Соответственно, в зависимости оптической мощности от времени будут наблюдаться изменения, период которых равен удвоенному времени задержки в системе (рис. 2.4а). При изменении тока накачки система будет находиться в бистабильном состоянии до тех пор, пока не дойдет до значения начальных условий, при котором реализуются колебания между четырьмя стабильными состояниями. Как уже упоминалось, это так называемая точка бифуркации. В данном случае бифуркация происходит тогда, когда интерференционный максимум оказывается по другую сторону от диафрагмы фотоприемника (рис. 2.3 нижний график). Так же, как и в предыдущем случае, обратная связь отбрасывает систему в сторону меньших значений тока накачки (рис. 2.3 второй снизу график).
Пропускание по эту сторону от интерференционного максимума, меньш график). В этом случае в системе обратной связи начнет вырабатываться ток отличный от нуля. Излучения, попадающего на фотодиод через диафрагму, будет достаточно, чтобы существенно уменьшить начальный ток и изменить длину волны излучения. В результате этого интерференционная полоса будет смещаться относительно диафрагмы фотодиода (рис. 2.2 верхний график), вследствие чего ток в цепи обратной связи уменьшается. Таким образом, на следующей итерации интерференционная полоса займет свое первоначальное положение, и вся эта процедура повторится заново. Время пребывания системы в одном стабильном состоянии будет равно времени задержки в петле обратной связи. Соответственно, в зависимости оптической мощности от времени будут наблюдаться изменения, период которых равен удвоенному времени задержки в системе (рис. 2.4а). При изменении тока накачки система будет находиться в бистабильном состоянии до тех пор, пока не дойдет до значения начальных условий, при котором реализуются колебания между четырьмя стабильными состояниями. Как уже упоминалось, это так называемая точка бифуркации. В данном случае бифуркация происходит тогда, когда интерференционный максимум оказывается по другую сторону от диафрагмы фотоприемника (рис. 2.3 нижний график). Так же, как и в предыдущем случае, обратная связь отбрасывает систему в сторону меньших значений тока накачки (рис. 2.3 второй снизу график). Пропускание по эту сторону от интерференционного максимума, меньше чем в первом случае и следующее положение, которое займет максимум, будет ближе к диафрагме фотодиода (рис. 2.3 третий график).
При этом ток накачки изменится и снова отбросит интерференционную полосу на еще меньшие значения, где приращение тока накачки близко к нулю (рис. 2.3, верхний график). На следующей итерации система переходит в начальное состояние. Время пребывания системы в одном стабильном состоянии будет равно времени задержки в петле обратной связи. Соответственно, в зависимости оптической мощности от времени должны наблюдаться изменения, период которых равен учетверенному е чем в первом случае и следующее положение, которое займет максимум, будет ближе к диафрагме фотодиода (рис. 2.3 третий график). При этом ток накачки изменится и снова отбросит интерференционную полосу на еще меньшие значения, где приращение тока накачки близко к нулю (рис. 2.3, верхний график). На следующей итерации система переходит в начальное состояние. Время пребывания системы в одном стабильном состоянии будет равно времени задержки в петле обратной связи. Соответственно, в зависимости оптической мощности от времени должны наблюдаться изменения, период которых равен учетверенному времени задержки в системе (рис. 2.46). Аналогично система проходит через бифуркации с образованием колебаний периода 8 г, 16 г, 32 г. Дальнейшее удвоение периода различить уже сложно, развивается хаотическая генерация (рис. 2.4в, д). Увеличение начального тока накачки приводит не только к хаотизации колебаний, но и к появлению в хаотической области окон стабильности с колебаниями, период которых варьируется от 5 г (рис. 2.4г) до 11г. Эти состояния также разрушаются через каскад удвоения периода, что хорошо прослеживается на примере трехстабильного состояния (рис. 2.4е, ж), с образованием хаотических последовательностей (рис. 2.4з).
Управление хаотическими колебаниями оптической мощности
На рисунке 3.2 показана диаграмма оптической мощности, характеризующая работу системы при отключенной управляющей обратной связи. Видно, что начальный участок диаграммы повторяет ватт-амперную характеристику лазера. Увеличение постоянного тока накачки 10 приводит к смещению частоты генерации лазера в сторону максимума пропускания интерферометра. При токе накачки /о=74,2мА, пропускание интерферометра увеличивается настолько, что система проходит через первую точку бифуркации - развиваются стабильные колебания оптической мощности с периодом 2 т. При токе накачки 1а=16,4мА система проходит вторую точку бифуркации - развиваются колебания с периодом 4 г . При токе накачки /о=76,7мА еще можно зарегистрировать состояние с периодом 8 г, но уже последующие бифуркации разрешить не представляется возможным, так как при /0=76,8мА система переходит в хаотический режим. При дальнейшем увеличении постоянного тока накачки (изменении начальных условий) чередуются хаотические области и области с периодическими колебаниями Зг, 4 г , 5 г и т.д. При токе накачки /о=79,ОмА длина волны излучения удаляется от максимума пропускания интерферометра настолько, что происходит срыв хаотических колебаний, зависимость оптической мощности от времени вновь становится однозначной. Эксперименты по управлению хаосом проводились в первой хаотической области (I0 = 77мА). На рисунке 3.3 представлены результаты экспериментов по стабилизации из хаоса периодических колебаний. Стабилизация состояния для случая г = г, соответствующего неподвижному фокусу на фазовой плоскости, т.е. подавлению хаоса показана на рисунке 3.3а. Здесь и на последующих графиках момент включения управляющей обратной связи соответствует отметке 0.
На рисунке З.Зб показана стабилизация бистабильного состояния, для г = 2 г. На рисунках З.Зв и З.Зг показана стабилизация состояний для г = 4 г и для г = 16 г. Колебания периода 32 г уже трудно отличить от колебаний периода 16 г. А колебания с большими периодами практически невозможно идентифицировать из-за шумов дискретизации АЦП-ЦАП. При этом следует отметить, что для стабилизации состояний с периодом 1г, 2 г, 4 г, 8 г, 16 г и 32 г требуется минимальная глубина управляющей обратной связи, которая остается неизменной для всех шести случаев. Стабилизация состояний, период которых не равен Т также была получена вплоть до г = 11г. Однако, в этих случаях требуется увеличение глубины управляющей обратной связи К. Приведенные результаты экспериментов показывают, что динамика оптической мощности полупроводникового лазера с нелинейной запаздывающей обратной связью может управляться малым сигналом, воздействующим на начальные условия системы. Из хаотических колебаний были стабилизированы колебания с периодом от 1 г до 32 т. Как будет показано в следующем разделе, стабилизация моностабильного состояния (подавление колебаний) возможно не только их хаоса, но и за пределами хаотических областей. Частным случаем управления хаосом, наиболее важным для применения, является его подавление. Как было показано в предыдущем разделе, хаос может быть подавлен, когда время запаздывания в петле управления сопоставимо со временем запаздывания хаотической петли обратной связи. Однако, вопрос о допуске на расстройку этих величин не поднимался. Также не затрагивался вопрос об оптимальном выборе вида управляющей обратной связи. В данном разделе рассматриваются три схемы подавления и определяются условия, влияющие на эффективность подавления хаоса.
В первой из них управляющий сигнал пропорциональный изменению выходной мощности за время запаздывания воздействует на начальные параметры системы. Во второй схеме сигнал, экспоненциально зависящий от изменения выходной мощности за время запаздывания, воздействует на коэффициент усиления. Третья схема использует управление одновременно по двум параметрам. Эквивалентная схема эксперимента представлена на рисунке 3.4, она реализована так же, как в разделе 3.1, но включает дополнительную цепь управления. Функциональные узлы для
Экспериментальное исследование подавления хаоса в лазере с
Для проверки результатов моделирования была собрана экспериментальная установка с блоком подавления хаоса, разработанным на основе проведенных исследований и реализующим запаздывающую обратную связь по току накачки пропорциональную изменению оптической мощности за время прохода излучения до внешнего отражателя и обратно. На рисунке 4.12 показана схема экспериментальной установки и отдельно, на вставке, схема оптоэлектронного блока подавления хаоса. Эксперимент проводился на AlGaAs/GaAs лазере (765нм, 5 мВт) квантоворазмерной структуры, изготовленном по MOCVD технологии НПО «ПОЛЮС». В режиме свободной генерации лазер устойчиво работал на одной продольной моде (ширина спектра излучения 30-50МГц). Излучение лазера собиралось объективом с антиотражающим покрытием и фокусировалось на расстоянии 10м. В качестве внешнего отражателя использовалось плоское алюминиевое зеркало, установленное на расстоянии 1м от лазера. Для получения хаотической генерации уровень ВООС регулировался нейтральным « светофильтром. Излучение с задней грани лазера направлялось на дифракционную решетку 600 штр/мм и в интерферометр. Второй порядок дифракции фокусировался на ПЗС линейку для регистрации спектра продольных мод лазера. Непосредственно измерить ширину этого спектра не представлялось возможным, для ее оценки использовался интерферометр Майкельсона. Между передней гранью лазера и объективом устанавливался оптоэлектронный блок подавления (вставка 11), состоящий из делительной пластинки, микролинзы, двух лавинных фотоприемников и дифференциального усилителя, работающего в полосе 20-ЗООМГц. Сигнал с первого лавинного фотодиода был пропорционален оптической мощности P(t-S), со второго - P(t-r -8 )/г22, сигнал на выходе дифференциального усилителя соответствовал изменению оптической мощности за время прохода излучения до внешнего зеркала и обратно. Этот сигнал суммировался в блоке питания с постоянным током накачки лазера. Глубина управляющей ОС составляла 5-Ю 3 - 10"4 от постоянного уровня накачки («100 мА), время задержки и усиление в каждом из плеч подбиралась из условия минимального возмущения лазера в отсутствии внешнего отражения и оптимального подавления шумов оптической мощности при его наличии. Процедура настройки управляющего блока была выработана по результатам работы с модельной системой и состояла в следующем.
Первой настраивалась полоса пропускания электроники, как самая некритичная величина. Она определялась минимальным расстоянием, на котором должен устанавливаться внешний отражатель, для расстояния 1 м достаточно полосы пропускания с граничной частотой в 300МГц. Затем производилась настройка аппаратной задержки в обоих плечах блока подавления. Настройка выполнялась с помощью линий задержки. С помощью подачи небольшого синусоидального сигнала в ток накачки лазера настраивалось усиление в обоих плечах, критерием была полная компенсация сигналов на выходе дифференциального усилителя. Время запаздывания задавалось оптически, поэтому оно не требовало дополнительной настройки и оставалось настроить глубину модуляции. Одновременное увеличение шумов оптической мощности и резкое падение амплитуды интерференционной картины служили индикатором достижения хаотической генерации, а их обратное изменение свидетельствовало о правильной настройке на подавление. Таким образом, в экспериментах лазер выступал одновременно как объект исследований и как основной инструмент для регистрации хаотической генерации и контроля ее подавления. Ширина спектра излучения оценивалась по видности интерференционной картины, полученной в интерферометре Майкельсона.
Возможность модуляции током накачки длины волны излучения обеспечивала точную настройку интерферометра. Интенсивности в плечах выравнивались по максимуму видности интерференционной картины, которая переносилась во временную область при введении небольшой модуляции тока накачки. Даже при катастрофическом падении когерентности и возрастании шумов интенсивности удавалось регистрировать интерференционные максимумы на экране осциллографа, составляющие порядка 0,1% от статического уровня, соответствующего средней мощности. Для Лоренцевой формы спектра излучения [48] функция » видности определяется выражением Рис. 4.13. Зависимость функции видности от фазовой задержки в режиме: 1 -свободной генерации; 2 - хаотической генерации при неселективной внешней оптической обратной связи; 3 - подавления хаоса. Измеренная в экспериментах длина когерентности Хо составляет для свободной генерации 1.91м, для режима коллапса когерентности 0.16м и для подавлении хаотической генерации 1.19м. В свою очередь, длина когерентности связана с полной шириной спектра излучения по половине интенсивности следующим выражением Av = с/лХ0 [117], что дает нам возможность оценить ширины линий в спектрах генерации, представленных на рисунке 4.14.
