Институт радиотехники и электроники РАН

Получена 19 октября 2000 г.

Работа посвящена исследованию неоднородности поля модулирующей частоты полупроводникового лазера в ближней зоне излучения. Данная задача актуальна для построения приемопередающего тракта точных лазерных измерительных систем, например, лазерных дальномеров, когда для калибровки фазового тракта прибора необходимо отбирать часть мощности именно в ближней зоне излучения лазера. Экспериментально показано, что в ближней зоне излучения неоднородность велика как для фазы, так и для амплитуды, причем чем ближе к лазеру тем более неоднородно поле излучения, достигающее более 200 градусов по фазе и 30 % по амплитуде. Обсуждаются возможные причины , приводящие к высокой неоднородности поля излучения, а также методы его снижения.

В настоящее время основными измерителями больших расстояний (10-10000 м) являются лазерные дальномеры, построенные на основе модуляции лазерного излучения высокой частотой с последующим измерением фазового набега модулирующего сигнала до отражающей цели и обратно [1]. Частота сигнала модуляции, как правило, лежит в диапазоне 10-1000 МГц и определяется заданной точностью измерения расстояния. Чем выше частота модуляции ,тем точнее может быть измерено расстояние, так как погрешность расстояния связана с погрешностью измерения фазового набега формулой

dD = (c * dj)/(4 * p * F) (1)

где dD -погрешность измерения расстояния, с-скорость света, dj-погрешность измерения фазового набега, F- частота модуляции. Исходя из данной формулы можно определить ,что при точности фазовых измерений dj=0.2 град необходимо выбрать частоту модуляции 70 МГц. Однако,чтобы достичь точности фазовых измерений 0.2 град необходимо учитывать ряд факторов,среди которых основную роль играет фазовая неоднородность модуляции по сечению пучка света лазерного источника . Например, неоднородность фазы для газовых лазеров с внешними модуляторами света может достигать нескольких градусов на модулирующей частоте [2].

В данной работе исследуется неоднородность фазы одномодового полупроводникового лазера с длиной волны излучения 860 нм с целью оптимизации приемопередающего тракта фазового дальномера.Предпосылкой к такой оптимизации является тот факт,что для периодической калибровки фазового тракта дальномера оптический сигнал берется непосредственно вблизи лазерного источника, где пространственная неоднородность фазы наиболее сильная,а измерительный отраженный сигнал приходит более длинный путь с существенно более пространственно однородным полем фазы.

Неоднородность фазы не является стационарным, а зависит от времени,поскольку процессы,происходящие в лазерном кристалле зависят как от температуры,так и от свойств кристалла, которые имеют тенденцию изменяться в зависимости от времени наработки. Для прецизионных дальномеров уход точностных характеристик со временем крайне нежелателен, так как в течении долговременных научных и технологических измерений в полевых или производственных условиях точную поверку прибора часто провести невозможно.

Рис.1

Измерения неоднородности фазы модуляции в пучке лазера были выполнены на установке изображенной на рис 1. Луч от полупроводникового лазера направлялся на фотоприемник света, выполненный на основе фотоумножителя ФЭУ-28 с внешним накладным электродом в виде круга с центральным отверстием диаметром 1 мм. Сигнал промежуточной частоты образовывался при модуляции тока ф.э.у внешним сигналом с гетеродина, имеющим частоту 50,1 МГц. При сигнале модуляции 50 МГц промежуточная частота составляла 100 КГц /3/. И модулирующий генератор и гетеродин имели относительную нестабильность частоты 10 ^-7 за 8 часов работы. Фотоумножитель перемещался поперек диаграммы направленности лазера с шагом в 0.5 мм. С помощью аналого-цифрового преобразователя (а.ц.п.) и компьютера регистрировалась как разность фаз двух сигналов промежуточной частоты, так и амплитуда сигнала с ф.э.у. В первой серии опытов расстояние между лазером и ф.э.у. было 4 мм (ближняя зона). Результаты экспериментальных измерений представлены на рис.2, кривые 1,2.

В случае,когда расстояние между лазером и ф.э.у. было 2 см картина фазового и амплитудного распределения поля существенно отличалась от предыдущей картины рис.2, кривые 3,4.

Рис.2

Из рис 2 видно, что с ростом расстояния между фотоприемником и лазером кривые неоднородности фазы и амплитуды становятся плавнее и размах их уменьшается. Можно предположить, что в ближней зоне излучение лазера представляет собой интерференционную картину типа стоячих волн, отражающую процессы модуляции света током накачки высокой частоты. По-видимому, наблюдаемая картина стоячих волн возникает из-за времени запаздывания процессов рекомбинации неосновных носителей заряда в полупроводнике лазера, когда вначале высвечивается зона лазера, находящаяся ближе к центру, а затем периферийные области. Наблюдаемая интерференционная картина не является стационарной. Из-за температурных изменений окружающего воздуха, из-за прогрева самого кристалла лазера неоднородность фазы может изменяться в даннной точке до нескольких градусов и более. Такое поведение интерференционной картины ближнего поля может существенно снизить точность фазовых измерений в дальномерных системах, поскольку для периодической калибровки фазового тракта ответвляется часть светового потока именно из ближней зоны излучения лазера. Нестабильное поведение фазовой неоднородности может привести к нестабильности фазовых измерений в целом. Для снижения неоднородности и нестабильности поля излучения лазера можно использовать линзу, установленную непосредственно перед лазером, рис.3.

Для такой оптической схемы неоднородность амплитудно-фазового поля составила величину 5-6 град. по фазе и 5% по амплитуде.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. А. Генике, А. М. Афанасьев. Геодезические свето- и радиодальномеры. М.,Недра,1988 г.

2. В. И. Григорьевский. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. М. 1989 г.

3. Г. Д. Петрухин. Фотоэлектронные умножители в режиме радиогетеродинирования. М. Радио и связь, 1983 г.