Анотація до роботи:

Дегтярьов А.В. Селекція поперечних мод у квазіоптичних металохвилевідних резонаторах субміліметрових лазерів з оптичним накачуванням. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 – радіофізика. – Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, м. Харків, 2007.

Досліджується селекція поперечних мод у комбінованому резонаторі, що містить два круглих металевих хвилеводи сполучених системою поворотних дзеркал. Теоретично показано та експериментально підтверджено, що метод діафрагмування плоского дзеркала системи поворотних дзеркал дозволяє селектувати нижчі моди в широкому спектральному діапазоні. Метод селекції за допомогою ділянки вільного простору дозволяє або зменшити втрати моди яка селектується, або сильніше придушити інші моди, однак, цей метод можна застосовувати у вузькому діапазоні довжин хвиль. Метод селекції неоднорідним дзеркалом дозволяє селектувати одну з вищих мод без збільшення її втрат. Розроблено й реалізований субміліметровий лазер з оптичним накачуванням, що працює в широкому діапазоні довжин хвиль на основі квазіоптичного металохвилевідного резонатора з модовим селектором. Максимальна вихідна потужність лазера в одномодовому режимі становить не менше 40 % потужності, що досягається на тій же моді в багатомодовом режимі.

В дисертаційній роботі теоретично та експериментально досліджено поширення СММ випромінювання в широких круглих порожнистих хвилеводах при їхньому збудженні лінійно поляризованими гаусовими пучками та умови поширення випромінювання накачування в СММ кюветі, досліджено формування лазерних мод з урахуванням їх взаємодії на отворах зв'язку. Запропоновано й реалізовано два методи селекції нижчих поперечних мод хвилевідного квазіоптичного резонатора, які достатньо просто можна реалізувати на практиці та метод просторової Фур’є-фільтрації для селективного збудження окремих вищих мод з високою дискримінацією небажаних мод. На основі квазіоптичного металохвилевідного резонатора з модовим селектором і отворами зв’язку в дзеркалах розроблено і створено субміліметровий лазер з оптичним накачуванням, який працює в широкому діапазоні довжин хвиль.

Одержані наступні основні результати:

1. Для селекції моди ТЕ₀₁ за допомогою методу діафрагмування плоского дзеркала СПД значення параметра N₁₂ повинне знаходитися в інтервалі від 0,9 до 1,1. При N₁₂ < 0,8 спостерігається селекція моди ТЕ₁₁, але її втрати перевищують 25 %. Використання в резонаторі дзеркал з отворами зв'язку дозволяє значно збільшити втрати вищих мод класів TE_0n і TE_1n при N₁₂ 1. При перебудові частоти резонатора радіус плоского дзеркала СПД повинен змінюватися пропорційно довжині хвилі випромінювання.

2. Метод селекції за допомогою ділянки вільного простору в порівнянні з методом діафрагмування дозволяє або зменшити втрати моди яка селектується, або сильніше придушити інші моди. Для селекції моди ТЕ₀₁ найбільше доцільно використовувати мінімум, що відповідає найбільшому значенню N_L. У цьому випадку втрати моди ТЕ₀₁ складають від 0,2% до 6%, тобто не більше, ніж у методі селекції за допомогою діафрагмування плоского дзеркала СПД.

3. Дослідження методу просторової Фур'є-фільтрації для селективного збудження окремих вищих типів коливань із високим ступенем дискримінації небажаних мод показали, що для збудження типу коливань ТЕ₀₂ параметр N₁₂ повинен складати 1,5 – 1,65; для типу коливань ТЕ₀₃ – N₁₂ > 2. У цьому випадку додаткові втрати, внесені поглинаючою маскою у виділювану моду, не перевищують 1 3 %.

4. Розвинені модова й геометрооптична методики розрахунку розповсюдження випромінювання у хвилеводах при їхньому збудженні пучками випромінювання гаусового типу й показана правомірність використання модового підходу в наближенні “ідеального металу” на довжинах хвиль більше 0,1 мм. Геометрооптична методика дозволяє врахувати прояв азимутальної залежності для вихідного пучка з осьовою симетрією при його розповсюдженні по хвилеводу але застосовна на обмежених довжинах хвилеводу до . Вона не дозволяє досліджувати розподіли пучка в області близькій до осі хвилеводу, але не вносить невизначеності при знаходженні коефіцієнта передачі або втрат.

5. Установлено, що селекція поперечних мод методом діафрагмування плоского дзеркала СПД у хвилевідному квазіоптичному резонаторі СММ лазера з оптичним накачуванням є прийнятною не тільки по втратах СММ випромінювання, але й по величині додаткових втрат внесених в інфрачервоне випромінювання накачування.

6. Розроблено й реалізований компактний субміліметровий лазер з оптичним накачуванням, що працює в широкому діапазоні довжин хвиль на основі квазіоптичного металохвилевідного резонатора з модовим селектором і отворами зв'язку в дзеркалах. Досліджено вплив модового селектора на вихідні характеристики розробленого лазера й показано, що:

при діафрагмуванні плоского дзеркала СПД лазер працює на одній поперечній моді ТЕ₀₁ або ТЕ₁₁;

максимальна вихідна потужність лазера в одномодовом режимі становить не менше 40 % потужності, що досягається на тій же моді в багатомодовому режимі.

Публікації автора:

1. Gurin O.V., Degtyarev A.V., Maslov V.A., Svich V.A., Tkachenko V.M., Topkov A.N. Selection of transverse modes in a laser cavities containing waveguides and open parts // Quantum Electronics. – 2001. – Vol.31, № 4. – P.346–350.

2. Гурин О.В., Дегтярев А.В., Маслов В.А., Свич В.А., Ткаченко В.М., Топков А.Н. Волноводный квазиоптический резонатор с отверстиями связи на зеркалах // Вісник Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна. Зб. наук. пр. Серія "Радіофізика та електроніка". – 2002. – № 544. – Вип.1. – С.212 – 216.

3. Гурин О.В., Дегтярев А.В., Маслов В.А., Свич В.А., Топков А.Н. Распространение инфракрасного излучения накачки в волноводном квазиоптическом резонаторе субмиллиметрового лазера // Вісник Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна. Зб. наук. пр. Серія "Радіофізика та електроніка". – 2002. – № 570, Вип. 2. – С.50–52.

4. Гурин О.В., Дегтярев А.В., Маслов В.А., Свич В.А., Ткаченко В.М., Топков А.Н. Волноводный субмиллиметровый лазер с модовым селектором // Радиофизика и электроника.– Сб. науч тр., Харьков, Институт радиофизики и электроники НАН Украины. – 2003. – Т.8, № 1. – C.131 – 135.

5. Gurin O.V., Degtyarev A.V., Maslov V.A., Svich V.A., Tkachenko V.M., Topkov A.N. Transmission of submillimeter laser beams in hollow waveguides // Quantum Electronics. – 2005. – Vol.35, № 2. – P.175–179.

6. Володенко А.В., Гурин О.В., Дегтярев А.В., Маслов В.А., Свич В.А., Топков А.Н. Селективное возбуждение высших типов колебаний в волноводном квазиоптическом резонаторе // Вісник Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна. Зб. наук. пр. Серія "Радіофізика та електроніка". – 2007, – № 756, Вип.11. – C. 123–131.

Результати дисертації додатково висвітлені в таких роботах:

7. Gurin O.V., Degtyarev A.V., Maslov V.A., Svich V.A., Tkachenko V.M., Topkov A.N. Mode selection in laser resonators containing waveguide and open sections // Proceedings of 2th International Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM’2000), – Kharkiv, 2000, – P.26–31.

8. Gurin O.V., Degtyarev A.V., Maslov V.A., Svich V.A., Tkachenko V.M., Topkov A.N. Quasioptical Laser Resonator on the Basis of a Metall Waveguide with Coupling Holes in Mirrors // Proceeding of 4th International Workshop on Lasers and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'2002), – Kharkiv, 2002. – P.72–77.

9. Gurin O.V., Degtyarev A.V., Maslov V.A., Svich V.A., Tkachenko V.M., Topkov A.N. Waveguide submillimeter laser with mode selector // Proceeding of 5th International Workshop on Lasers and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM'2003), – Alushta, 2003. – P.65–68.

10. Гурин О.В., Дегтярев А.В., Маслов В.А., Свич В.А., Ткаченко В.М., Топков А.Н. Передача субмиллиметровых лазерных пучков в полых сверхразмерных волноводах // СВЧ-техника и телекоммуникационные системы: Материалы 14 Международной Крымской конференции, – Севастополь, 2004. C.420–421.

11. Gurin O.V., Degtyarev A.V., Maslov V.A., Svich V.A., Tkachenko V.M., Topkov A.N. Transmission of laser beams through hollow metal waveguides // Proceedings of the 5th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Sybmillimeter Waves (MSMW'2004), – Kharkov, 2004. P.692–694.

12. Volodenko A.V., Gurin O.V., Degtyarev A.V., Maslov V.A., Svich V.A., Topkov A.N., Ruban T.F. Propagation of submillimeter laser beams along hollow oversized waveguides // Proceedings of 2th International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL’2005), – Yalta, 2005. P.210–217.