Перестраиваемый лазер с распределенной обратной связью

Полезная модель относится к области использования материалов с отрицательным показателем преломления (метаматериалов со свойствами «левой» среды), а также к области лазерной и резонаторной техники, в частности к технике лазеров с распределенной обратной связью.

Перестраиваемый лазер с распределенной обратной связью, состоящий из источника накачки, подающего излучение в планарный волновод с положительным показателем преломления и, туннельно-связанного с первым, планарного волновода из метаматериала с отрицательным значением показателя преломления. Показатель преломления метаматериала сильно зависит от внешнего магнитного поля, а для управления показателем преломления дополнительно введен источник магнитного поля. Зависимость показателя преломления метаматериала от величины магнитного позволяет изменять частоту генерации лазера.

Полезная модель относится к области использования материалов с отрицательным показателем преломления (метаматериалов со свойствами «левой» среды), а также к области лазерной и резонаторной техники, в частности к технике лазеров с распределенной обратной связью.

Известна принципиальная модель лазерного источника, основанная на туннельно-связанных планарных волноводах, один из которых изготовлен из метаматериала с отрицательной действительной частью показателя преломления, а второй волновод состоит из материала с положительным показателем преломления и является усиливающим (Patent US 2009/0219623 A1, Shalaev et al.). Теоретически предсказано (A.Alu, N.Engheta in "Negative-refraction Metamaterials: Fundamental Principle and Applications", eds. G.V.Elefteriades & K.G.Baltman (Wiley, New York, 2005)), что вследствие того, что потоки энергии в таких туннельно-связанных волноводах противоположны, подобная структура представляет из себя резонатор и при достаточном усилении (накачке) может генерировать лазерное излучение.

Указанная принципиальная модель имеет следующие недостатки: во-первых, в ней не заданы четкие условия генерации излучения, т.е. не указаны требуемые для нее значения усиления, во-вторых, не показана даже принципиальная возможность перестройки частоты лазерной генерации.

Для устранения указанных недостатков предлагается данная полезная модель.

Цель: для лазера на основе структуры из туннельно-связанных планарных волноводов, один из которых изготовлен из метаматериала с отрицательной действительной частью показателя преломления, а второй состоит из материала с положительным показателем преломления и является усиливающим, указать пороговое условие генерации и получить возможность перестройки частоты лазерной генерации.

Технический результат: изменение частоты лазерной генерации в структуре из двух планарных туннельно-связанных волноводов, один из которых изготовлен из метаматериала с отрицательной действительной частью показателя преломления, а второй состоит из материала с положительным показателем преломления и является усиливающим, при изменении внешнего магнитного поля. Технический результат достигается за счет использования метаматериала с показателем преломления, зависящим от внешнего магнитного поля и введения в схему лазера источника магнитного поля.

Метаматериалы с отрицательным показателем преломления (NIM - negative index metamaterials) - это искусственные структуры, в которых действительная часть показателя преломления в определенном диапазоне частот является отрицательной. Это происходит только в том случае, если отрицательными одновременно являются действительные части диэлектрической проницаемости и магнитной восприимчивости µ. Отличительным свойством таких материалов в этом случае является то, что вектор Пойнтинга электромагнитной волны, распространяющейся в них, образует с векторами электрического и магнитного полей левую тройку и противоположен волновому вектору, т.е. волна переносит энергию в направлении противоположном своему распространению. Такие среды, изначально рассматривавшиеся только как теоретически возможный объект, получили название «левых» (Веселаго В.Г. // УФН. 1967. Т.92. 3. с.517).

За последние годы создано большое число искусственных структур, демонстрирующих в заданном диапазоне частот свойства «левой» среды (Shelby R.A., Smith D.R., Schultz S. // Science. 2001. V.292, p.77, Patent US 2011/8040586 B2, Smith D.R. et al.). Все подобные модели основаны на использовании периодических структур и микроскопических магнитных резонаторов (например, резонаторов в виде разорванного кольца - split ring resonators - SRR) (Pendry J.B. et al., // IEEE Trans. MicrowaveTheoryTech. 1999. V.47, 11, p.2017). Общим является то, что длина волны излучения, для которого данная среда является «левой» должна быть больше характерного размера периодической структуры. В настоящее время известны метаматериалы с отрицательными значениями показателя преломления в микроволновой и инфракрасной области спектра (до 100 ТГц - (Soukoulis C.M. et al // Science. 2004. V.306, р.1351)). Получены метаматериалы с отрицательными значениями показателя преломления в оптическом диапазоне (Shalaev V.M. et al. // Optics Letters. 2005. V.30, p.3356), однако, распространение излучения в них связано с очень большим затуханием. Элементами для построения таких метаматериалов служат металлические наночастицы, в которых возбуждаются плазменные колебания.

Явления, связанные с отрицательным преломлением, наиболее эффективно проявляются при прохождении волной границы раздела между «левой» средой и обычным диэлектриком с положительным преломлением. К подобным явлениям можно отнести процесс распространения волны в планарной структуре из двух туннельно-связанных волноводов с различными по знаку показателями преломления, (фиг.1) Материалом первого волноводного слоя является «правая» среда (1) имеющая действительную часть показателя преломления больше нуля , . В качестве второй среды (2) используется метаматериал в состоянии «левой» среды , . В таком волноводе в «правой» среде в положительном направлении оси OZ распространяется прямая волна, а в «левой» среде - связанная волна с вектором Пойнтинга противоположным ее волновому вектору. Эту волну принято называть обратной. Направления продольных компонент волновых векторов и векторов Пойнтинга S обеих волн приведены на фиг.1. Такая структура, работает как отражатель, передавая часть энергии электромагнитной волны из одного канала в другой, который в свою очередь возвращает часть энергии в первый канал. В работах (Yuan Y., Ran L., Chen H. et al. // Appl. Phys. Lett. 2006. V.88. p.211903), (Zhang J., Chen H., Luo Y. et al. // Appl. Phys. Lett. 2007. V.90. p.043506) была экспериментально продемонстрирована возможность перекачки энергии волны между каналами волновода. В работе (A.Alu, N.Engheta in "Negative-refraction Metamaterials: Fundamental Principle and Applications", eds. G.V.Elefteriades & K.G.Baltman (Wiley, New York, 2005)) из анализа граничных условий показано, что при определенных отстройках от синхронизма между прямой и обратной волнами, структура входит в состояние резонанса.

Особенностью «левых» сред является наличие существенного поглощения, поэтому сильное затухание в них должно быть компенсировано усилением в «правой» среде. При полной компенсации потерь в рассмотренной выше структуре из двух туннельно-связанных волноводов с различными по знаку показателями преломления для резонансных частот выполняются условия лазерной генерации и, таким образом, подобные туннельно-связанные волноводы можно рассматривать как лазер с распределенной обратной связью (Patent US 2009/0219623 A1, Shalaev et al).

В пренебрежении дисперсионными и нелинейными эффектами получены выражения для коэффициентов отражения R и прохождения T рассматриваемой структуры в зависимости от коэффициента связи между волноводами , отстройки постоянных распространения связанных волн от синхронизма и общего коэффициента усиления системы =₁+₂. Коэффициент усиления в активном волноводе ₁>0, коэффициент потерь в метаматериале, находящемся в состоянии «левой» среды ₂<0. Графики коэффициентов отражения R и прохождения T рассматриваемой структуры в зависимости от отстройки приведены на фиг.2 при различных значениях коэффициентов усиления . Графики коэффициентов отражения R и пропускания T (фиг.2) при значениях коэффициента усиления =0 (сплошная линия), =0.5 м^-1 (штриховая линия), =2 м^-1 (пунктирная линия). Коэффициент связи =20 м^-1, длина волновода L=0.4 м.

Из графика видно, что в области частот, где распространение волн происходит в условиях, близких к фазовому синхронизму , при полностью скомпенсированных потерях (=0) структура работает как зеркало, и распространяющаяся прямая волна практически полностью отражается, переходя в связанный волновод. При дальнейшем повышении коэффициента усиления можно видеть, что при определенных резонансных отстройках происходит резкий рост коэффициентов отражения и пропускания. Частоты, на которых эти коэффициенты обращаются в бесконечность, являются частотами лазерных мод данной структуры (Ярив А., «Введение в оптическую электронику», М. «Высшая школа» (1983)). На фиг.3 и 4 показаны линии уровня коэффициента пропускания T (внизу) и отражения R (вверху), в зависимости от отстройки постоянных распространения связанных волн , и коэффициента усиления при значениях параметра связи , соответствующих сильной =20 м^-11/L и слабой связи =2 м^-1<1/L (здесь L=0.4 м - длина туннельно-связанного волновода). Показаны особые точки коэффициентов пропускания и отражения, в которых выполняются условия генерации (при =0 выделяются также нули коэффициента отражения, см. фиг.2 и фиг.3). Это первые продольные моды лазера. Моды более высоких порядков не показаны. Как видим, лазерная генерация в волноводной структуре возможна как при сильной, так и при слабой связи, но при слабой связи для преодоления порога генерации требуются более высокое усиление.

В данной модели в качестве материала для первого усиливающего волновода предлагается использовать материал с в микроволновой области спектра 10¹⁰ Гц. В качестве материала для второго волновода предлагается искусственный метаматериал, созданный из пластин железо-иттриевого граната (толщиной около 1 мм) и встроенной в них структуры из медных проводников периодом 1,3 мм, при этом ширина проводника составляет 0,2 мм, а толщина 0,018 мм. Эффективные диэлектрическая и магнитная проницаемости такой среды сильно зависят от внешнего магнитного поля и в микроволновом диапазоне в полосе частот шириной несколько ГГц имеют одновременно отрицательные значения своих действительных частей, т.е. представляют собой «левую» среду (Zhao H., Zhou J., Zhao Q. et al. // Appl. Phys. Lett. 2007. V.91. p.131107). При увеличении внешнего магнитного поля область существования «левого» состояния увеличивается и смещается в сторону больших частот. На фиг.5 приведены графики частотных зависимостей действительной части диэлектрической проницаемости ₁ и магнитной восприимчивости µ₁ указанного метаматериала при различных значениях напряженности внешнего поля: 2400 Э (пунктирная линия), 2600 Э (штриховая линия), 2800 Э (разряженная штриховая линия).

В полосе частот, в которой эти величины одновременно являются отрицательными, метаматериал представляет собой «левую» среду. На фиг.6 для структуры с L=0.4 м и коэффициентом связи =20i^-1 показаны зависимости от величины внешнего поля H, частоты синхронизма, для которой выполняется условие , (обозначена полужирной линией) и частот первой и второй продольных лазерных мод, которые обозначены как 1 и 2.

Принцип работы лазера можно пояснить следующим: при внешнем магнитном поле, например, H=2500 Э на частоте ₀61,8 ГГц для прямой и обратной волн выполняется условие синхронизма. При изменении магнитного поля изменяется магнитная проницаемость µ и, соответственно, коэффициент преломления метаматериала n₂, что приводит к появлению отстройки между прямой и обратной волнами. По достижении отстройкой резонансного значения, в том случае если усиление в системе достаточное, начинается процесс лазерной генерации. Меняя внешнее магнитное поле, возможно перестраивать частоту генерации лазерного излучения.

На фиг.7 показана принципиальная схема предлагаемой модели лазера с распределенной обратной связью.

Таким образом предложена полезная модель лазера микроволнового диапазона, состоящего из источника накачки, подающего излучение, например, в торец планарного волновода (1) с положительной действительной частью показателя преломления, например, и, туннельно-связанного с первым, планарного волновода (2), изготовленного из метаматериала с показателем преломления, сильно зависящим от внешнего магнитного поля, например, из пластин железо-иттриевого граната (толщиной около 1 мм) и встроенной в них структуры из медных проводников периодом 1,3 мм, при этом ширина проводника составляет 0,2 мм, а толщина 0,018 мм. При подаче определенного внешнего магнитного поля в направлении перпендикулярном к плоскости структуры, действительная часть показателя преломления метаматериала может принимать отрицательные значения в полосе частот микроволнового диапазона. Изменяя внешнее магнитное поле, можно ввести структуру в состояние резонанса и получить генерацию лазерного излучения, частоту которого также можно перестраивать, изменяя величину приложенного поля.

Перестраиваемый лазер с распределенной обратной связью, состоящий из источника накачки, подающего излучение в планарный волновод с положительным показателем преломления, и туннельно-связанного с первым планарного волновода из метаматериала с отрицательным значением показателя преломления, отличающийся тем, что показатель преломления метаматериала зависит от внешнего магнитного поля, а для управления показателем преломления дополнительно введен источник магнитного поля.