• Українська
  • English
  • Русский
ISSN 2415-3400 (Online)
ISSN 1028-821X (Print)

ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАЗЕРЫ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ДИАПАЗОНА

Дзюбенко, МИ, Каменев, ЮЕ, Радионов, ВП
Organization: 

Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: mid41@ukr.net

Язык: русский
Аннотация: 

Терагерцевый (ТГц) диапазон частот в настоящее время привлекает большое внимание исследователей и потребителей в связи с широкими возможностями применения его для решения целого ряда практических задач в науке, технике и медицине.  Поэтому разработка новых источников излучения и совершенствование уже существующих являются актуальными. В работе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований газоразрядных лазеров терагерцевого диапазона, обобщены многочисленные исследования особенностей их работы. Представлен ряд новых разработок, направленных на повышение эффективности и расширение функциональных возможностей газоразрядных терагерцевых лазеров. Разработаны новые способы накачки газоразрядных лазеров. Предложены новые технические решения, позволяющие повысить мощность и КПД лазера благодаря оптимизации процесса синтеза активного вещества и устранению негативного влияния побочных продуктов синтеза. Разработаны методики моделирования формы импульсов лазерной генерации в лазерах с накачкой импульсным током и переменным током низкой частоты. Предложены и созданы новые типы лазерных резонаторов и новые разновидности зеркал. Разработаны лазерные резонаторы с зеркалами, не требующими точной юстировки. Предложены частично прозрачные зеркала в виде плоских периодических структур, сочетающие в себе функции вогнутых зеркал и фокусирующих линз, что позволяет снизить дифракционные потери лазерного излучения. Представлены резонаторы с новыми принципами плавной регулировки вывода излучения. Разработаны много-частотные лазеры и системы плавной регулировки частоты их излучения без использования частотно-измерительной аппаратуры. Все это позволило улучшить параметры терагерцевых лазеров и расширить область их применения. Представлены некоторые сферы применения ТГц-лазеров, в частности в медицинских целях и в области измерений. Разработаны новые способы измерения показателей преломления различных веществ и материалов в терагерцевом диапазоне с использованием разработанных лазеров. Ил. 27. Библиогр.: 70 назв.

Ключевые слова: активное вещество, газоразрядный лазер, резонатор, терагерцевый диапазон

Статья поступила в редакцию 11.07.2017
PACS 42.60.By
УДК 535.14+537.862
Radiofiz. elektron. 2017, 22(3): 58-80

Полный текст (PDF)

References: 
  1. Gebbie H. A., Stone X. W., Findlay F. D. Stimulated Emission Source at 0.34 Millimeter Wave-Length. Nature. 1964. Vol. 202, N 4933. Р. 685.
  2. Hocker L. O., Javan A. Absolute friquency measurements on new СW DCN submillimeter laser lines. Appl. Phys. Lett. 1968. Vol. 12, N 8. Р. 124–125.
  3. Свич В. А., Дюбко С. В., Кузмичев В. М., Шульга В. М. Исследования в рамках проблемы освоения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, выполненные на кафедре радиофизики. Физическая инженерия поверхности. 2004. Т. 2, № 1–2. С. 79–95.
  4. Епишин В. А., Покормяхо Н. Г., Свич В. А., Топков А. Н., Уринсон А. С., Юндев Д. Н. Волноводный субмиллиметровый лазерный интерферометр для диагностики плазмы. Приборы и техника эксперимента. 1981. № 1. С. 149–151.
  5. Горбунов Е. П., Кулешов Е. М., Нестеров П. К., Скосырев Ю. В., Хилиль В. В. Лазерный интерферометр-поляриметр субмиллиметрового диапазона для измерения полоидального поля на Токамаке 15. Физика плазмы. 1994. Т. 20, вып. 1. С. 17–19.
  6. Киселев В. К., Маколинец В. И., Митряева Н. А., Радионов В. П. Применение терагерцевой лазерной техники для исследования влияния ГВЧ-излучения на опухолевые процессы. Радиофизика и электроника. 2012. Т. 3(17), № 2. C. 95–101.
  7. Киселeв В. К., Кулешов Е. М., Лаптий В. К. Исследование газового HCN-лазера терагерцевого диапазона частот с полым катодом аномальной вторичной эмиссии. Радиофизика и электроника. Сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2005. Т. 10, № 2. С. 315–320.
  8. Каменев Ю. Е. HCN-лазер с полым катодом. Квантовая электроника. 1999. Т. 26, № 3. С. 269–270.
  9. Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р. А. Валитова. М.: Cов. радио, 1969. 480 с.
  10. Дахов Н. Ф., Каменев Ю. Е., Киселев В. К., Кулешов Е. М., Радионов В. П. Субмиллиметровый газоразорядный HCN-лазер с внутренними пленочными электродами. Радиофизика и электроника. Сб. научн. трудов. Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. Харьков, 1998. Т. 3, № 2. С. 64–65.
  11. Газорозрядний субміліметровий лазер з зовнішніми елект-родами: пат. 60384 Україна: МПК Н01S3/097 / М. Ф. Да-хов, В. К. Кісельов, Є. М. Кулєшов, В. П. Радіонов. № 2001042787; заявл. 24.04.2001; опубл. 15.10.2003. Бюл. № 10.
  12. Киселев В. К., Кулешов Е. М., Радионов В. П., Дахов Н. Ф., Яновский М. С., Маколинец В. И., Леонтьева Ф. С., Шевцов Б. Н., Гращенкова Т. Н. Гипервысокочастотная лазерная установка для биомедицинских исследований. Радиофизика и электроника. Сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. Харьков, 2002. Т. 7, № 1. С. 133–136.
  13. Дзюбенко М. И., Литвиненко Л. Н., Шевченко В. В., Даль-ченко П. Г., Данилевич С. Б., Мищенко В. П., Пятикоп А. П. Создание лазеров непрерывного действия, работающих в диапазоне волн от 0,05 до 0,5 мм с выходной мощностью до 500 мВт, для диагностики высокотемпературной плазмы: отчет по НИР “Дунай”. Ин-т радиофизики и электроники АН УССР. Х., 1979. ГР № 77.076.126.
  14. Кулешов Е. М, Каменев Ю. Е., Радионов В. П. Индуктивный ВЧ-разряд в лазерах субмм диапазона. II Всесоюз. совещ. «Высокочастотный разряд в волновых полях»: тез. докл. Куйбышев, 1989. С. 242–244.
  15. Газорозрядний субміліметровий лазер: пат. 55720А Україна: МПК Н01S3/097 / М. Ф. Дахов, В. К. Кісельов, Є. М. Кулє-шов, В. П. Радіонов. № 20022054235; заявл. 23.05.2002; опубл. 15.04.2003. Бюл. № 4.
  16. Kiseliov V. K., Radionov V. P., Dachov N. F. Influence of synthesis time of the lasant and intensity of on terahertz gas-discharge HCN-laser parameters. Telecommunication and  Radio Еngineering. 2010. Vol. 69, Iss. 14. P. 1277–1283.
  17. Kiseliov V. K., Radionov V. P. Terahertz gas-discharge laser with additional dicharge section. 2007 Int. Kharkov Symp. Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves (MSMW): proc. (Kharkov, 25–30 June 2007). Kharkov, 2007. Vol. 1. Р. 272–274.
  18. Газорозрядний субміліметровий лазер: пат. 86298 Україна: МПК Н01S3/00 / В. К. Кісельов, В. П. Радіонов. № а200709205; заявл. 13.08.2007; опубл. 10.04.2009. Бюл. № 7.
  19. Дахов Н. Ф., Киселев В. К., Кулешов Е. М., Радионов В. П. Биомедицинский гипервысокочастотный лазер с термостабилизацией разрядной трубки. Применение лазеров в медицине и биологии: Материалы ХХ междунар. конф. (Ялта, 8–11 окт. 2003). Ялта, 2003. – С. 123.
  20. Mathias L. E., Crocker A, Wills M. S. Laser oscillations at submillimetre wavelengths from pulsed gas discharges in compounds of hydrogen, carron, and nitrogen. Electron. Lett. 1965. Vol. 1, Iss. 2. P. 45–46.
  21. Sachar V., Braner E. Time dependence of the power otput at 337µ in a CN laser. Appl. Phys. Lett. 1967. Vol. 10, N 8. P. 232–234.
  22. Kiseliov V. K., Radionov V. P. Phenomenon of pulse lasing bifurcation in the alternating current pumped HCN-laser. Tele-communication and Radio Еngineering. 2010. Vol. 69, Iss.14. P. 1293–1299.
  23. Киселев В. К., Радионов В. П. Графическое моделирование формы импульса излучения терагерцевого газоразрядного лазера. Радиофизика и электроника. 2011. T. 2(16), № 3. C. 97–100.
  24. Шестопалов В. П., Кириленко А. А., Масалов С. А., Сирен-ко Ю. К. Дифракционные решетки. Резонансное рассеяние волн. Киев: Наукова думка, 1986. Т. 1. 227 с.
  25. Каменев Ю. Е., Кулешов, Е. М., Радионов, В. П., Филимонова А. А. Деполяризация излучения в HCN-лазере. Квантовая электроника. 1994. Т. 21, № 10. С. 941–942.
  26. Горшунов Б. П., Лебедев С. П., Масалов С. А. Использование металлических решеток в качестве фазовых пластинок субмиллиметрового диапазона. Журн. техн. физики. 1984. T. 54, № 4. С. 825–827.
  27. Baron T., Euphrasie S., Mbarek S. B., Vairac P., Cretin B. Design of metallic mesh absorbers for high bandwidth electromagnetic waves. Progress In Electromagnetics Research C. 2009. Vol. 8. Р. 135–147. DOI:10.2528/PIERC09052204
  28. Gurin О. V., Degtyarev А. V., Legenkyi M. N., Маslov V. А., Svich V. А., Senyuta V. S., Тоpkov А. N. Generation of transverse modes with azimuthal polarization in a terahertz band waveguide laser. Telecommunications and Radio Engineering. 2014. Vol. 73, Iss. 20. Р. 1819–1830.
  29. Verslegers L., Catrysse P. B., Yu Z., White J. S. Planar lenses based on nanoscale slit arrays in a metallic film. Nano Lett. 2009. Vol. 9, N 1. P. 235–238.
  30. Lin H.-A., Huang C.-S. Linear variable filter based on a gradient grating period guided-mode resonance filter. IEEE Photonics Technol. Lett. 2016. Vol. 28, N 9. P. 1042–1045.
  31. Shi H., Wang C., Du C., Luo X., Dong X., Gao H. Beam manipulating by metallic nano-slits with variant widths. Optics Express. 2005. Vol. 13, Iss. 18. P. 6815–6820.
  32. Азимутальне вихідне дзеркало лазерного резонатора: пат. 115126 Українa: МПК Н01S3/08 / М. І. Дзюбенко, В. О. Маслов, В. П. Радіонов. № u 201607610; заявл. 11.07.2016; опубл. 10.04.2017. Бюл. № 7.
  33. Dzyubenko M. I., Maslov V. A., Radionov V. P. “Applying of the flat circular metal gratings as spherical output mirrors of terahertz lasers. Proc. Int. Symp. Physics and Engineering of mm and Sub-mm Waves (MSMWʼ16). Kharkov, Ukraine, June 2016.
  34. Кулешов Е. М., Каменев Ю. Е., Радионов В. П., Филимонова А. А. Субмиллиметровый HCN лазер с уголковыми отражателями. Межд. симп. «Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн»: тез. докл. Харьков, 1994. Т. 3. С. 312–313.
  35. Каменев Ю. Е., Кулешов Е. М. Особенности применения ретрорефлекторов в лазерных резонаторах субмиллиметрового диапазона. Квантовая электроника. 1995. Т. 22, № 8. С. 847–848.
  36. Радионов В. П., Киселев В. К. Применение конических 90-градусных отражателей для решения проблемы юстировки зеркал в лазерах терагерцевого диапазона. Квантовая электроника. 2014. Т. 44, № 10. С. 981–983.
  37. Radionov V. P., Kiseliov V. K. Conical 90° Mirrors for Terahertz Laser Resonator. Telecommunications and Radio Engineering. 2015. Vol. 74, N 4. P. 337–343.
  38. Вивідне дзеркало лазерного резонатора: пат. 78870 Укpаїнa: МПК7 H01S3/08 / Ю. Ю. Каменєв, Г. О. Філімонова. Заявл. 29.04.2005; опубл. 25.04.2007. Бюл. № 5.
  39. Каменев Ю. Е., Масалов С. А., Филимонова А. А. Лазер с адаптивным выходным зеркалом. Квантовая электро-ника. 2006. Т. 36, № 8. С. 849–852.
  40. Каменев Ю. Е., Масалов С. А., Филимонова А. А. HCN-лазер с гибридным выводным зеркалом. Радиофизика и электроника. Сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2006. Т. 11, № 2. C. 270–274.
  41. Андренко С. А., Каменев Ю. Е. Применение HCN-лазера для измерения фазовых характеристик одномерных проволочных решеток. Радиофизика и электроника. 2011. Т. 16, № 1. C. 50–53.
  42. Вивідне дзеркало лазерного резонатора: пат. 111353 Україна: Н01S3/08 / В. К. Кісельов, В. П. Радионов. № а 201312026; заявл. 14.10.2013; опубл. 25.04.2016. Бюл. № 8.
  43. А. с. № 1111657 СССР, МКИ H01S3/08, 3/22. Волноводный газовый лазер / Ю. Е. Каменев, Е. М. Кулешов, В. К. Кисе-лев, Д. Д. Литвинов, В. Н. Полупанов. 1984. Бюл. № 32.
  44. Каменев Ю. Е, Кулешов Е. М. Субмм лазеры с переменной квазиоптической связью. Квазиоптическая техника мм и субмм диапазонов волн. Сб. науч. тр. ИРЭ АН УССР. Харьков, 1989. С. 156–162.
  45. Каменев Ю. Е., Масалов С. А., Филимонова А. А. Применение субмиллиметровго HCN-лазера для определения электродинамических параметров одномерных проволочных решеток. Квантовая электроника. 2005. T. 35. № 4. С. 375–377.
  46. Лазер з плавним регулюванням виведення випромінювання з резонатора: пат. 91610 Україна: Н01S3/086 / В. К. Кісельов, В. П. Радіонов. № а200813063; заявл. 10.11.08; опубл. 10.08.2010. Бюл. №15.
  47. Лазер з плавним регулюванням виведення випромінювання з резонатора: пат. 105802 Україна: МПК Н01S3/086 / В. К. Кісельов, В. П. Радіонов. № а201203080; заявл. 16.03.2012; опубл. 25.06.2014.
  48. Лазер з плавним регулюванням виведення випромінювання з резонатора: пат. 110672 Україна: Н01S3/086 / В. П. Радіо-нов, В. О. Маслов. № а201408408; заявл. 24.07.2014; опубл. 25.01.2016. Бюл. № 2.
  49. Лазер з плавним регулюванням виведення випромінювання з резонатора: пат. 113216 Україна: МПК Н01S3/086 / М. І. Дзюбенко, В. О. Маслов, В. П. Радіонов. № u201604977; заявл. 04.05.2016. Бюл. № 2.
  50. Dzyubenko M. I., Maslov V. A., Radionov V. P. Terahertz waveguide laser with smooth adjustment of feedback. Proc. 7th Int. conf. on advanced optoelectronics and lasers (CAOL*2016). (12–15 Sept. 2016, Odessa). Odessa, 2016. P. 94–95.
  51. А. с. 1829832 СССР. Лазер / А. М. Коробов, В. П. Радионов, Ю. Е. Каменев. № 4858087; заявл. 09.08.90; опубл. 4.01.92.
  52. Dzyubenko M. I., Maslov V. A., Radionov V. P. Laser resonator with infinitely adjustable of light output. Proc. 13th Int. conf. on laser and fiber-optical networks modeling (LFNM*2016). (13–15 Sept. 2016, Odessa). Odessa, 2016. P. 51–52.
  53. Лазер з плавним регулюванням виведення випромінювання з резонатора: пат. 114127 Україна: МПК Н01S3/00 / М. І. Дзюбенко, В. О. Маслов, В. П. Радіонов. № а201507631; заявл. 30.07.2015; опубл. 25.04.2017. Бюл. № 8.
  54. Двочастотний кільцевий газорозрядний лазер: пат. 78871 Україна: МПК H01S 3/097 / В. К. Кісельов, В. П. Радіонов. № а200504172; заявл. 29.04.2005; опубл. 25.04.2007. Бюл. № 5.
  55. Каменев Ю. Е., Кулешов Е. М., Лебеденко А. Н. Многочастотное излучение в субмиллиметровых лазерах. Квантовая электроника. 1984. T. 11. № 1. С. 213–214.
  56. Каменев Ю. Е., Кулешов Е. М. Двухчастотная генерация с ортогональными поляризациями в HCN лазере. Квантовая электроника. 1987. T. 14, № 12. С. 236–238.
  57. Субмиллиметровый лазер с внутренней амплитудной модуляцией: пат. 1127515 СССР: МПК7 H01S 3/10 / Ю. Е. Каменев, Е. М. Кулешов. № 3584352; заявл. 21.04.1983; опубл. 23.11.1990. Бюл. № 43.
  58. Багаточастотний терагерцевий лазер: пат. 106643 Україна: МПК Н01S3/097 / В. К. Кісельов, В. П. Радіонов, П. К. Нестеров. № а 201208827; заявл. 17.07.2012; опубл. 25.09.2014. Бюл. № 18.
  59. Радионов В. П., Нестеров П. К., Киселев В. К. Способы получения многочастотной генерации в резонаторе лазера терагерцевого диапазона. Радиофизика и электроника. 2015. Т. 6(20), № 2. С. 78–82.
  60. Радионов В. П. Субмиллиметровый лазер с плавной перестройкой частоты излучения в пределах контура усиления. Радиофизика и электроника. Сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2005. Т. 10, № 1. С. 150–153.
  61. Спосіб визначення показника заломлення прозорих речовин: пат. 103393 Україна: МПК Н01S3/00 / В. К. Кісельов, М. І. Дзюбенко, В. П. Радіонов. № А 201115456; заявл. 27.12.2011; опубл. 10.10. 2013. Бюл. № 13.
  62. Dzyubenko М. I., Кiseliov V. К., Radionov V. P. Resonator Methods of Measuring Refractive Index of a Transparent Substance in the Terahertz Band. Telecommunications and Radio Engineering. 2015. Vol. 74, N 8. P. 725–733.
  63. Дзюбенко М. И., Радионов В. П. Лазерный метод измерения показателя преломления прозрачных веществ в терагерцевом диапазоне. Український метрологичний журнал. 2017. № 1. С. 11–14.
  64. Киселев В. К., Кулешов Е. М., Радионов В. П., Дахов Н. Ф., Яновский М. С., Маколинец В. И., Леонтьева Ф. С., Шевцов Б. Н., Гращенкова Т. Н. Гипервысокочастотная лазерная установка для биомедицинских исследований. Радиофизика и электроника. Сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2002. Т. 7, № 1. С. 133–136.
  65. Каменев Ю. Е., Кулешов Е. М., Киселев В. К., Маколи-нец В. И., Тимошенко О. П., Шевцов Б. Н. О возможности применения когерентного ГВЧ излучения для регулирования интенсивности обменных реакций в организме. Применение радиоволн мм и субмм диапазонов. Сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 1994. С. 47–49.
  66. Колесников В. Г., Древаль Н. В., Кондакова А. К., Каменев Ю. Е., Корж В. Г. Взаимодействие макромолекулярных структур эритроцитов с электромагнитным излучением терагерцевого диапазона радиоволн. Дерматологія та венерологія. 2007. № 2(36). С. 9–14.
  67. Сколожабский А. А., Киселев В. К., Мизрахи С. В., Радио-нов В. П., Тихона Г. С., Безвесильная А. В. Изучение   ультраструктурной морфологии биообъекта в условиях облучения. Загальна патологія та патологічна фізіологія. 2010. Т. 5, № 4. С. 80–93.
  68. Kiseliov V. K., Makolinets V. I., Mitryaeva N. A., Radionov V. P. Application of terahertz laser technology to investigate the influence of HHF radiation on the tumor process. Telecommunications and Radio Engineering. 2012. Vol. 71, Iss. 17. Р. 1617-1626.
  69. Kiseliov V. K., Makolinets V. I., Mitryaeva N. A., Radio-  nov V. P. Application of terahertz lasers setup for the investigation of the influence of HHF-radiation on the tumor processes. The 37th Int. Conf. Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz). Wollongong, Australia, 23–28 Sept. 2012. P. 879–880.
  70. Kiseliov V. K., Makolinets V. I., Mitryaeva N. A., Radio-  nov V. P. The research of the terahertz radiation influence on the tumor processes. The 2nd Int. Conf. Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications (TERA 2012): Abstract book., Moscow, Russia, 20–22 June 2012. P.133.