Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 7198
(13) U
(46) 2011.04.30
(51) МПК (2009)
H 01S 3/08
(54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДЛИНОЙ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
ТЕРАГЕРЦОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА
(21) Номер заявки: u 20100856
(22) 2010.10.14
(71) Заявитель: Белорусский государ-
ственный университет (BY)
(72) Авторы: Козлов Владимир Леонидо-
вич; Ушаков Дмитрий Владимирович
(BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский госу-
дарственный университет (BY)
(57)
Устройство управления длиной волны излучения терагерцового полупроводникового
лазера, содержащее оптически связанные опорный лазер, управляемый лазер, зеркало,
светоделитель, гетеродинный фотоприемник и последовательно соединенные с фотопри-
емником усилитель, частотный дискриминатор, управляемый источник тока, соединенный
с входом управления лазера, отличающееся тем, что в него введен нелинейный кристалл,
расположенный между опорным лазером и зеркалом, а в качестве опорного лазера ис-
пользован двухчастотный полупроводниковый лазер.
(56)
1. Патент РБ 10055, МПК7
G 01J 3/12. Устройство управления излучением двухволно-
вого лазера / В.Л.Козлов. - 2007.
2. Физика полупроводниковых лазеров: Пер. с японск. / Под ред. X. Такумы. - М.:
Мир, 1989. - С. 62-65.
3. Патент РБ 1385, МПК Н 01S 3/19. Полупроводниковый лазер / А.А. Афоненко, В.К.
Кононенко, И.С. Манак. - 1996.
4. Гейко П.П. Новые двуосные смешанные кристаллы для преобразования частоты
фемтосекундных импульсов / П.П. Гейко, Е.П. Коцубинская // Оптика атмосферы и океа-
на. - Т. 12. - № 2-3. - 2006. - С. 167-171.
BY7198U2011.04.30

2. BY 7198 U 2011.04.30
2
Полезная модель относится к области оптического спектрального приборостроения и
может быть использована для стабилизации и управления длиной волны излучения тера-
герцового квантово-каскадного полупроводникового лазера.
Известно устройство управления излучением двухволнового лазера [1], использующее
в качестве дисперсионного элемента волоконно-оптический световод. Однако такие си-
стемы не способны управлять длиной волны излучения терагерцового полупроводниково-
го лазера.
Известен метод управления длиной волны излучения полупроводникового лазера [2],
основанный на использовании оптического гетеродинирования и опорного высокоста-
бильного источника лазерного излучения. Однако данная система не может быть исполь-
зована для стабилизации длины волны излучения терагерцового полупроводникового
лазера, так как отсутствуют высокостабильные источники опорного излучения терагерцо-
вого диапазона.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении стабиль-
ности длины волны излучения терагерцового квантово-каскадного полупроводникового
лазера. Решение этой задачи позволит улучшить спектральные характеристики терагерцо-
вых полупроводниковых лазеров, что особенно важно при использовании лазеров в спек-
трометрической аппаратуре и системах лазерной диагностики.
Для решения поставленной задачи в известное устройство [2], содержащее оптически
связанные опорный лазер, управляемый лазер, зеркало, светоделитель, гетеродинный фо-
топриемник и последовательно соединенные с фотоприемником усилитель, частотный
дискриминатор, управляемый источник тока, соединенный с входом управления лазера,
введен нелинейный кристалл, расположенный между опорным лазером и зеркалом, а в
качестве опорного лазера использован двухчастотный полупроводниковый лазер.
Свойства, появляющиеся у заявляемого объекта:
это повышение стабильности длины волны излучения терагерцового квантово-
каскадного полупроводникового лазера, обусловленное тем, что использование двухча-
стотного полупроводникового лазера в качестве опорного излучателя и выделение раз-
ностной частоты из двух излучаемых им сигналов с помощью нелинейного кристалла
дают сигнал терагерцового диапазона, обладающий более высокой стабильностью, чем
выпускаемые терагерцовые лазеры.
Сущность полезной модели поясняется с помощью чертежа, на котором представлена
функциональная схема устройства управления длиной волны излучения терагерцового
полупроводникового лазера. Устройство содержит оптически связанные управляемый ла-
зер 1, опорный двухчастотный полупроводниковый лазер 2, нелинейный кристалл 3, зер-
кало 4, светоделитель 5, гетеродинный фотоприемник 6 и последовательно соединенные с
фотоприемником усилитель 7, частотный дискриминатор 8, управляемый источник тока 9,
соединенный с входом управления лазера.
Устройство работает следующим образом. В качестве опорного лазера 2 использован
лазерный диод с асимметричной квантоворазмерной гетероструктурой [3]. Активная об-
ласть лазера состоит из двух квантоворазмерных слоев, излучающих одновременно на
двух разных длинах волн. Благодаря подбору параметров квантоворазмерных слоев и ле-
гированию барьерных слоев между ними осуществляется неоднородное возбуждение ак-
тивной области, при этом разность длин волн генерации достигает ∆λ = 10-90 нм в
зависимости от материала гетероструктуры. Стабильность разностной длины волны обес-
печивается синхронизацией электронно-оптических процессов в активной области лазера
и превышает стабильность терагерцовых лазеров. Перестройка разностной длиной волны
∆λ осуществляется с помощью изменения тока инжекции. Если использовать терморегу-
лятор и стабилизировать амплитуду тока инжекции, то достигается высокая стабильность
разностной длины волны генерации.

3. BY 7198 U 2011.04.30
3
Излучение от двухволнового лазера 2 на двух различных оптических длинах волн λ2 и
λ1 поступает на нелинейный кристалл 3. Нелинейный кристалл в результате нелинейных
оптических эффектов выделяет сигнал на разностной частоте двух когерентных оптиче-
ских сигналов на длинах волн λ2 и λ1 [4]. Таким образом, на выходе нелинейного кристал-
ла появляется сигнал на разностной частоте излучений на λ1 и λ2 с частотой f12 и длиной
волны λ12
,cf
21
12
12 





λλ
λ−λ
= ,
12
21
12
λ−λ
λλ
=λ (1)
где c - скорость света.
Если излучение лазера на λ2 и λ1 находится в ближнем инфракрасном диапазоне
λ1≈1,0 мкм, то при изменении разности длин волн генерации двухволнового лазера ∆λ в
пределах ∆λ ≅ 10-90 нм длина волны разностного излучения будет изменяться в пределах
λ12 ≅ 12-100 мкм. Из приведенного примера видно, что с помощью изменения тока ин-
жекции длина волны разностного излучения λ12 может изменяться в широких пределах и
подстраиваться к длине волны управляемого лазера.
Путем изменения тока инжекции длина волны разностного излучения λ12 подстраива-
ется к длине волны терагерцового лазера 1. Опорное излучение на длине волны λ12 с по-
мощью зеркала 4 и светоделителя 5 совмещается с излучением управляемого лазера 1 и
поступает на гетеродинный фотоприемник 6, где в результате фотосмешения выделяется
сигнал разностной частоты этих оптических сигналов. Затем после усиления блоком 7
сигнал поступает на частотный дискриминатор 8, где определяется значение разности ча-
стот лазера 1 и опорного излучения. В зависимости от величины разности управляемый
источник тока 9, соединенный с входом управления лазера 1, перестраивает его частоту,
чем обеспечивает стабилизацию длины волны излучения терагерцового квантово-
каскадного полупроводникового лазера.
Таким образом, используя в качестве опорного лазера двухчастотный полупроводни-
ковый лазер и применяя нелинейный кристалл на выходе двухчастотного лазера, достига-
ется повышение стабильности длины волны излучения терагерцового квантово-
каскадного полупроводникового лазера.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.