Диссертация (1149847), страница 11
Текст из файла (страница 11)
В качестве управляющеголазерабылиспользованкоммерческидоступныйполупроводниковыйперестраиваемый с шагом 0,1 пс лазер со спектральной шириной линии излученияменее 100 кГц.В качестве управляемого лазера использовался лазер на квантовых точкахнаосновеInAsгетероструктуры.Аналогичныйлазерприменялсядляисследований сверхбыстрых переключений между режимами генерации изразличных энергетических состояний [134].59Рисунок 13 – Схема экспериментальной установки для исследования режимавозбужденных колебаний II рода. ML – управляющий лазер; SL – управляемый лазер;PC – контроллер поляризации; GS, ES – полосовые светофильтры; OSC – осциллограф [126].В режиме излучения только из основного энергетического состоянияуправляемый лазер обеспечивал одночастотную генерацию с длиной волны около1,3 мкм.
В режиме излучения только из первого возбужденного энергетическогосостояния наблюдалась многомодовая генерация с шириной спектра около 10 нми центральной длиной волны 1,22 мкм. Пороговое значение тока накачкисоставило 34 мА. Данное значение тока накачки позволяло получить генерациюиз основного энергетического состояния. По мере увеличения тока накачкинаблюдалась, начиная со значения тока накачки 60 мА, симультанная генерация, азатем, начиная со значения тока накачки 80 мА, генерация только из первоговозбужденногоэнергетическогосостояния.Приведенныедалееэкспериментальные результаты были получены при значении тока накачки84 мА, т.е. в ситуации, когда в отсутствии инжекции управляемый лазергенерировал излучение только из первого возбужденного состояния. При этом врабочей точке коэффициент подавления излучения из основного энергетическогосоставлял около 30 дБ.Такаяпоследовательностьизменениярежимовгенерацииявляетсятипичной для лазеров на квантовых точках с коротким резонатором и ужедемонстрировалась ранее экспериментально и теоретически [93, 101, 135, 136].Для инжекции излучения управляющего лазера в управляемый черезоптическое волокно с торцевой линзой использовался оптический циркулятор.Длина волны излучения инжекции соответствовала длине волны излучения изосновного энергетического состояния.
Для того чтобы гарантировать одинаковоесостояние поляризации излучения управляющего и управляемого лазеров,использовалсяконтроллер60поляризации.Излучениеуправляемоголазеранаправлялось через выход 3 циркулятора и далее пропускалось через волоконныйсветоделитель (50/50). Для независимого анализа сигналов, генерируемых нафотодетекторах излучением из основного и первого возбужденного состояний,использовались два полосовых фильтра (по одному на каждый выходсветоделителя).Послепрохожденияфильтровизлучениепопадалонафотоприемники с шириной детектируемой полосы частот 15 ГГц, сигнал скоторых анализировался при помощи осциллографа.При варьировании мощности инжекции около величины 0,5 мВт ификсированной длине волны излучения управляющего лазера в экспериментенаблюдалась бистабильность между режимом генерации только из основногоэнергетическогосостояниявозбужденногоирежимомэнергетическогосостояниягенерации[126].толькоДаннаяизпервогобистабильностьнаблюдалась также при фиксации мощности инжекции и варьировании величинырасстройки [134].Для возникновения режима возбужденных колебаний необходимо, чтобымощность излучения инжекции составляла величину порядка 2 мВт.
При этомнаблюдаютсясериикороткихимпульсов,разделённыхучасткамиквазистационарной генерации. Петля гистерезиса при столь высокой мощностиизлучения инжекции в системе не наблюдалась. Характерные зависимостиинтенсивности излучения от времени приведены на рисунках 14-15.Интенсивность излучения из основного энергетического состояния послеотносительно протяженного участка квазистационарной генерации испытываетчрезвычайное быстрое падение, за которым следует сложный колебательныйпроцесс, завершающийся переходом на очередной участок квазистационарнойгенерации.Падение интенсивности сопровождается серией из нескольких затухающихколебаний, за которыми следует протяженный стационарный участок.
Затем, попрошествиинекотороговременивозникаютнарастающиеосцилляцииинтенсивности, которые в итоге приводят к резкому переходу на очередной61участок высокоинтенсивной квазистационарной генерации. Численное значениеданного промежутка времени составляет единицы мкс.Рисунок 14 – Режим возбужденных колебаний II рода. Экспериментальные данные.Временная зависимость интенсивности излучения управляемого лазера. GS – интенсивностьизлучения из основного энергетического состояния; ES – интенсивность излучения из первоговозбужденного энергетического состояния. На нижней части рисунка представленоувеличенное изображения первого цикла рассматриваемой динамики [128].Динамика изменения интенсивности излучения из первого возбужденногоэнергетическогосостояниявомногоаналогичнадинамикеизмененияинтенсивности излучения из основного энергетического состояния.
На участке,гденаблюдаетсяквазистационарнаягенерацияизлученияизосновногоэнергетического состояния, значение интенсивности из первого возбужденногоэнергетического состояния близко к нулю. Затем, в момент резкого паденияинтенсивности излучения из основного состояния, интенсивность излучения изпервого возбужденного энергетического состояния резко возрастает до уровня,соответствующегоусредненнойинтенсивностирелаксационныхколебаний(рисунок 14). После чего наблюдается сложный колебательный процесс,аналогичный колебательному процессу для интенсивности излучения изосновногоэнергетическогосостояния,ноявляющийсяантифазнымпоотношению к последнему. В момент перехода интенсивности излучения изосновногоэнергетическогосостояниянаочереднойвысокоинтенсивный62квазистационарный участок, интенсивность излучения из первого возбужденногоэнергетического состояние претерпевает резкое падение к значениям, близким кнулевым.Наблюдаемая динамика свидетельствует о существовании в исследуемойсистеме двух процессов: быстрого с характерным временным масштабомединицы мкс и медленного с характерным временным масштабом порядкаединиц нс.Рисунок 15 – Режим возбужденных колебаний II рода.
Экспериментальные данные.Детализированная временная зависимость интенсивности излучения управляемого лазера вобласти колебательного процесса. GS – интенсивность излучения из основного энергетическогосостояния; ES – интенсивность излучения из первого возбужденного энергетическогосостояния. (A) – резкое падение интенсивности из основного энергетического состояния изатухающие колебания в окрестности предельной точки; (Б), (В), (Д) – последовательнаядинамика колебательного процесса до момента восстановления интенсивности излучения изосновного энергетического состояния и соответствующего падения интенсивности излученияиз первого возбужденного энергетического состояния [128].Полученные данные указывают на возможное наличие в фазовомпространстве исследуемой динамической системы гомоклинической орбиты, приперемещении по которой наблюдается чередование участков высокой и низкой63интенсивности излучения из основного энергетического состояния. На участке снизкой интенсивностью излучения из основного состояния наблюдаетсясуществование устойчивых колебаний, соответствующих активной фазе режимавозбужденных колебаний.Численное моделирование, проведенное на основе модели балансныхуравнений (15), полностью подтвердило сказанное выше.
Анализ бифуркаций,проведенный без учета влияния медленно меняющейся со временем величинырасстройки, показал, что устойчивые осцилляции возникают при переходесистемы через бифуркацию Хопфа. Более того, резкое падение интенсивностиизлучения из основного энергетического состояния обусловлено прохождениемсистемы через устойчивую предельную точку, а последующее восстановлениеуказанной интенсивности вызвано прохождением системы через окрестностьпредельного цикла.Дляэкспериментальногоисследованияпереходасистемычерезбифуркацию Хопфа было проведено два теста. Во-первых, было исследованоповедение фазы электрической компоненты поля лазерного излучения изосновногоэнергетическогосостояниянаучастке,соответствующемнизкоинтенсивному колебательному режиму генерации.
При помощи методики,разработанной в работе [136], было показано, что по мере роста амплитудыколебаний фаза излучения управляемого лазера остается синхронизированной сфазой излучения управляющего лазера, что является характерным признакомрассматриваемого перехода. Во-вторых, было установлено, что циклическаячастота излучения по мере развития колебательного процесса снижается, чтоявляется ещё одним доказательством перехода системы через бифуркацию Хопфа[131].
Дело в том, что, как известно из теории одномодового лазера с инжекцией,циклическаячастотаизлучения,обусловленнаяпредельногоцикла,порожденногобифуркациейпрохождениемХопфа,системойможетбытьприблизительно вычислена с использованием следующего выражения: R2 2 ,где ωR – частота релаксационных колебаний [41].(17)Такимобразом,можно64ожидать,чтоприналичиитермическииндуцированного снижения величины расстройки будет наблюдаться и снижениевеличины циклической частоты лазерного излучения. Для проверки указанногофакта был проведен Фурье-анализ временной зависимости интенсивностиизлучения из основного энергетического состояния, соответствующей областинарастающих осцилляций перед восстановлением указанной интенсивности.Детальный теоретический анализ наблюдаемого явления проводился наосновечисленногорешениясистемыуравнений(15).Полученные примоделировании временные зависимости для интенсивностей излучения изосновного и первого возбужденного энергетического состояния приведены нарисунках 16-17.
Очевидно, что качественно временная эволюция интенсивностиизлучения полностью согласуется с экспериментальными данными.Значения параметров, при которых проводилось указанное моделирование,в безразмерной форме приведены в таблице 2.Таблица 2 – Режим возбужденных колебаний II рода. Параметры модели.Значения параметров динамической системы, используемые при моделированииНаименованиеОбозначениеКоэффициент усиления для излучения изggосновного энергетического состоянияКоэффициент усиления для излучения изgeпервого возбужденного энергетическогосостоянияКоэффициентамплитудно-фазовогоαвзаимодействия (α - фактор)Эмпирический коэффициент для учетаβнеоднородного уширения (β – фактор)εИнтенсивность инжекцииВеличина начальной расстройкиΔ0Величина тока накачкиСкорость захвата электронов основнымэнергетическим уровнемСкоростьзахватадырокосновнымэнергетическим уровнемШирина запрещенной зоны для электроновОбозначение0,550,553,02,45,6 – 9,0-0,7J55Be100,0Bh100,0ΔEe50,065продолжение таблицы 2Ширина запрещенной зоны для дырокΔEh0,0Скорость утечки электронов с первоговозбужденного уровня в смачивающий слойСкоростьутечкидырокс первоговозбужденного уровня в смачивающий слойСкорость захвата электронов первымвозбужденным энергетическим уровнем изсмачивающего слояСкорость захвата дырок первым возбужденнымэнергетическимуровнемизсмачивающего слояСкорость тепловой релаксацииCe0,0C h100,0Be100,0Bh100,0γ7,0 * 10-6Амплитуда термически индуцированногоизменения показателя преломленияТемпература окружающей средыс5,5 * 10-3T25,0Отношение времени жизни фотона врезонаторе к времени рекомбинацииη0,04Необходимо отметить, что величина интенсивности инжекции ε оказываетсильное воздействие на динамику генерации исследуемого режима возбужденныхколебаний (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
