Газоразрядные лазеры терагерцевого диапазона
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...
Збережено в:
| Дата: | 2017 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2017
|
| Назва видання: | Радіофізика та електроніка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/130193 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Газоразрядные лазеры терагерцевого диапазона / М.И. Дзюбенко, Ю.Е. Каменев, В.П. Радионов // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 22, № 3. — С. 58-80. — Бібліогр.: 70 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-130193 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1301932018-02-09T03:03:07Z Газоразрядные лазеры терагерцевого диапазона Дзюбенко, М.И. Каменев, Ю.Е. Радионов, В.П. Микроволновая и терагерцевая техника 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. В роботі наведено результати експериментальних і теоретичних досліджень газорозрядних лазерів ТГц-діапазону, узагальнено численні дослідження особливостей їх роботи. Представлено низку розробок, спрямованих на підвищення ефективності та розширення функціональних можливостей газорозрядних ТГц-лазерів. Розроблено нові способи накачування газорозрядних лазерів. Запропоновано нові технічні рішення, що дозволяють підвищити потужність і ККД лазера завдяки оптимізації процесу синтезу активної речовини та усуненню негативного впливу побічних продуктів синтезу. Розроблено методики моделювання форми імпульсів генерації в лазерах з накачуванням імпульсним струмом і змінним струмом низької частоти. Запропоновано та створено нові типи лазерних резонаторів і нові різновиди дзеркал. Розроблено лазерні резонатори з дзеркалами, що не вимагають ретельного юстування. Запропоновано частково прозорі дзеркала у вигляді плоских періодичних структур, що поєднують в собі функції увігнутих дзеркал і фокусуючих лінз, що дозволяє знизити дифракційні втрати лазерного випромінювання. Представлено резонатори з новими принципами плавного регулювання виведення випромінювання. Розроблено багаточастотні лазери і системи плавного регулювання частоти їх випромінювання без використання частотовимірювальної апаратури. Все це дозволило поліпшити параметри ТГц-лазерів і розширити область їх застосування. Представлено деякі галузі застосування ТГц-лазерів, зокрема в медичних цілях і в області вимірювань. Розроблено нові способи вимірювання показників заломлення різних речовин і матеріалів у ТГц-діапазоні з використанням створених лазерів. The results of experimental and theoretical studies of gas-discharge THz-lasers, and numerous studies of the features of their work have been summarized in the paper. A number of new developments aimed at increasing the efficiency and expanding the functionality of gas-discharge terahertz lasers have been presented. New methods of pumping gas-discharge lasers, which were developed, have been presented. We have proposed new technical solutions which allow increasing the power and efficiency of the laser by optimizing the synthesis of the active substance and eliminating the negative impact of synthesis by-products. New methods for modeling the shape of laser pulses in lasers pumped with pulsed current and alternating low-frequency current have been presented. New types of laser resonators and new varieties of mirrors have been proposed and created and they have been presented in this work. Laser resonators with mirrors that do not require accurate alignment have been developed. Partially transparent mirrors, in the form of flat periodic structures that combine the functions of concave mirrors and focusing lenses, have been proposed. These mirrors can reduce the diffraction loss of laser radiation. Resonators with new principles of smooth regulation of radiation output from them, have been presented. Multifrequency lasers have been developed. Systems for the smooth adjustment of the frequency of electromagnetic laser radiation, in which adjustment is carried out without the use of frequency measuring equipment, have been designed for these lasers. All these new developments, presented here, have made it possible to improve the parameters of terahertz lasers and to expand their field of application. Some applications of THz lasers, in particular medical applications and in the field of measurement have been presented. New ways of measuring the refractive indices of various substances and materials in the THz range, using the developed lasers, have also been presented in this work. 2017 Article Газоразрядные лазеры терагерцевого диапазона / М.И. Дзюбенко, Ю.Е. Каменев, В.П. Радионов // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 22, № 3. — С. 58-80. — Бібліогр.: 70 назв. — рос. 1028-821X PACS: 42.60.By DOI: doi.org/10.15407/rej2017.03.058 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/130193 535.14+537.862 ru Радіофізика та електроніка Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Микроволновая и терагерцевая техника Микроволновая и терагерцевая техника |
| spellingShingle |
Микроволновая и терагерцевая техника Микроволновая и терагерцевая техника Дзюбенко, М.И. Каменев, Ю.Е. Радионов, В.П. Газоразрядные лазеры терагерцевого диапазона Радіофізика та електроніка |
| description |
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. |
| format |
Article |
| author |
Дзюбенко, М.И. Каменев, Ю.Е. Радионов, В.П. |
| author_facet |
Дзюбенко, М.И. Каменев, Ю.Е. Радионов, В.П. |
| author_sort |
Дзюбенко, М.И. |
| title |
Газоразрядные лазеры терагерцевого диапазона |
| title_short |
Газоразрядные лазеры терагерцевого диапазона |
| title_full |
Газоразрядные лазеры терагерцевого диапазона |
| title_fullStr |
Газоразрядные лазеры терагерцевого диапазона |
| title_full_unstemmed |
Газоразрядные лазеры терагерцевого диапазона |
| title_sort |
газоразрядные лазеры терагерцевого диапазона |
| publisher |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| publishDate |
2017 |
| topic_facet |
Микроволновая и терагерцевая техника |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/130193 |
| citation_txt |
Газоразрядные лазеры терагерцевого диапазона / М.И. Дзюбенко, Ю.Е. Каменев, В.П. Радионов // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 22, № 3. — С. 58-80. — Бібліогр.: 70 назв. — рос. |
| series |
Радіофізика та електроніка |
| work_keys_str_mv |
AT dzûbenkomi gazorazrâdnyelazeryteragercevogodiapazona AT kamenevûe gazorazrâdnyelazeryteragercevogodiapazona AT radionovvp gazorazrâdnyelazeryteragercevogodiapazona |
| first_indexed |
2025-07-09T13:03:18Z |
| last_indexed |
2025-07-09T13:03:18Z |
| _version_ |
1837174572311379968 |
| fulltext |
ММІІККРРООХХВВИИЛЛЬЬООВВАА ТТАА ТТЕЕРРААГГЕЕРРЦЦООВВАА ТТЕЕХХННІІККАА
_________________________________________________________________________________________________________________
__________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 © М. І. Дзюбенко, Ю. Є. Каменєв, В. П. Радіонов, 2017
УДК 535.14+537.862
PACS 42.60.By
М. И. Дзюбенко, Ю. Е. Каменев, В. П. Радионов
Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: mid41@ukr.net
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАЗЕРЫ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ДИАПАЗОНА
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 при-
ведены результаты экспериментальных и теоретических исследований газоразрядных лазеров терагерцевого диапазона, обобщены
многочисленные исследования особенностей их работы. Представлен ряд новых разработок, направленных на повышение эффек-
тивности и расширение функциональных возможностей газоразрядных терагерцевых лазеров. Разработаны новые способы накачки
газоразрядных лазеров. Предложены новые технические решения, позволяющие повысить мощность и КПД лазера благодаря оп-
тимизации 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 периодиче-
ских 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 сфе-
ры 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: газоразрядный лазер, терагерцевый диапазон, резонатор, активное вещество.
Терагерцевый (ТГц) диапазон (0,1…10 ТГц)
в настоящее время активно осваивается в различ-
ных областях науки, техники и медицины. Одни-
ми из наиболее доступных и распространенных
источников ТГц-излучения являются газораз-
рядные ТГц-лазеры. Такие лазеры работают в
дальней инфракрасной области ( 30 мкм),
т. е. попадают в субмиллиметровый диапазон
( 1,0…0,1 мм). В качестве активных веществ в
этом диапазоне могут использоваться молекулы
HCN, H2O, SO2, H2S, NH3, генерирующие в диа-
пазоне 30…2 000 мкм. Наибольший практический
интерес представляет генерация на молекулах
HCN, обеспечивающих существенную мощность
излучения на длинах волн 337 и 311 мкм, и моле-
кулы DCN (c изотопом водорода) – на длинах
волн 190 и 195 мкм. Также используются молеку-
лы Н2О и D2О (дейтерированная вода), имеющие
линии генерации в диапазоне 20…220 мкм, из
которых наиболее востребована линия с длиной
волны 118 мкм.
Лазерная генерация в субмиллиметровом
диапазоне впервые была получена в 1964 г. в
газоразрядном лазере на соединениях, содержа-
щих группу CN [1]. Механизм возбуждения и
работы субмиллиметровых (терагерцевых) лазеров,
содержащих группу CN, был проанализирован в
ряде работ, в частности [2]. Установлено, что ос-
новные линии генерации лазеров на цианисто-
водородных смесях соответствуют переходам
между колебательными и вращательными уров-
нями молекул HCN и DCN. Молекулы активного
вещества синтезируются в газовом разряде в ре-
зультате серии химических реакций. При этом
синтезируются побочные вещества, которые
необходимо удалять из резонатора.
На протяжении нескольких десятилетий
работы по развитию и совершенствованию
ТГц-лазеров велись во многих развитых странах,
в том числе в СССР. Весомый вклад в развитие
ТГц-лазеров был внесен группой ученых Харь-
ковского государственного университета имени
А. М. Горького (в настоящее время Харьковский
национальный университет имени В. Н. Кара-
зина) [3]. В 1960-80-х гг., наряду с совершенст-
вованием газоразрядных лазеров, ими велись ис-
следования по разработке лазеров с оптической
накачкой. В качестве источника накачки в таких
устройствах использован СО2-лазер, допускаю-
щий перестройку по многим линиям в диапазоне
9…11 мкм, где имеются сильные полосы погло-
щения многих молекул на вращательных перехо-
дах. Это позволило получить генерацию на мно-
жестве длин волн в диапазоне от единиц мм до
десятков мкм.
Благодаря широкому частотному диапа-
зону линий излучения, лазеры с оптической
накачкой потеснили газоразрядные лазеры во
многих сферах использования. Однако газораз-
рядные лазеры до сих пор остаются востребован-
ными. Очевидным достоинством газоразрядных
ТГц-лазеров является относительная простота их
конструкции и достаточно высокая мощность
излучения, которая может достигать десятков и
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 59
сотен милливатт в непрерывном режиме. Кроме
того, такие лазеры допускают частотную пере-
стройку в пределах полосы усиления активного
вещества, что важно в ряде физических исследо-
ваний. Поэтому газоразрядные ТГц-лазеры
успешно используются в различных областях –
как в фундаментальных научных исследованиях,
в частности, в термоядерных установках типа
«Токамак» [4, 5], так и в прикладных биомеди-
цинских клинических исследованиях [6].
В данной работе представлен обзор ре-
зультатов, полученных в Институте радиофизики
и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины в
области создания газоразрядных лазеров ТГц-диапа-
зона, предназначенных для широкого круга науч-
ных и биомедицинских исследований, проведе-
ния измерений, а также других различных приме-
нений. Некоторые из представленных результатов
не ограничиваются использованием только в газо-
разрядных ТГц-лазерах и могут быть полезными
для лазеров других типов и диапазонов.
1. Общая схема газоразрядного ТГц-ла-
зера. Общей чертой ТГц-лазеров является то, что
расстояние по шкале частот между собственными
частотами резонаторов обычно больше полосы
излучения активного вещества, что предопреде-
ляет работу лазера в одномодовом одночастотном
режиме. Генерация возможна, когда между зерка-
лами укладывается целое число полуволн. По-
этому такие лазеры обычно снабжаются меха-
низмом осевого перемещения одного из зеркал.
Основное разнообразие в конструкцию
газоразрядных лазеров вносят разновидности
накачки. Возбуждение газового разряда в лазере
может осуществляться при помощи постоянного,
импульсного, переменного и высокочастотного
токов. Подробнее об этом сказано далее.
Наибольшее распространение получили способы
накачки на основе высокочастотного разряда.
Схема такого лазера и его общий вид показаны на
рис. 1. Лазер имеет жесткий каркас, образован-
ный термостабилизированными стержнями 1 с
двумя закрепленными на их торцах диэлектриче-
скими панелями 2. Резонатор лазера образован
двумя внутренними зеркалами 3, 4, установлен-
ными на юстировочных устройствах 5, 6. Длина
резонатора обычно имеет величину 1 м и более,
а диаметр зеркал – 40…50 мм. Зеркало 3 – час-
тично прозрачное, через него производится вывод
излучения. Зеркало 4 снабжено микрометриче-
ским механизмом 7, для перемещения его вдоль
оси резонатора. Активное вещество ограничено
разрядной трубкой 8, которая одновременно мо-
жет выполнять функции волновода. Разрядная
трубка 8 герметично установлена в сильфонах 9,
подсоединенных к юстировочным устройствам 5, 6.
Вывод излучения из герметичного резонаторного
пространства осуществляется сквозь прозрачное
окно 10. Газовый разряд возбуждается сквозь
стенки разрядной трубки при помощи трех ци-
линдрических электродов 11, установленных сна-
ружи разрядной трубки 8. Центральный электрод
подключен к высокочастотному источнику 12, а
крайние электроды заземлены.
a)
б)
Рис. 1. Общий вид (а) и схема газоразрядного лазера (б)
ТГц-диапазона
При работе газоразрядных ТГц-лазеров
требуется производить откачку из резонатора
отработанных газов и подавать в резонатор рабо-
чие смеси газов. Поэтому в состав лазера входит
система откачки и система подачи рабочей смеси.
Подача и откачка производятся через патрубки 13, 14.
Откачка осуществляется с помощью форвакуум-
ного насоса (на схеме не показан). Подготовка
рабочей смеси газов осуществляется при помощи
регулируемых натекателей (на схеме не показаны).
В HCN-лазере в качестве рабочей смеси исполь-
зуется смесь из азота и углеводородсодержащих
газов под давлением порядка 1 мм рт. ст. Такие
лазеры обычно имеют длину резонатора от 1 до
3 м, мощность излучения в непрерывном режиме
составляет от единиц до сотен мВт.
2. Системы накачки газоразрядных
ТГц-лазеров. Для возбуждения активного вещест-
ва в резонаторах газоразрядных ТГц-лазеров мо-
жет использоваться постоянный, импульсный и
переменный режимы тока. Системы возбуждения
газового разряда постоянно развивались. Перво-
начально широко использовались системы им-
пульсного и постоянного тока с электродами, ко-
торые непосредственно контактировали с разряд-
ным пространством. Конструкции таких элект-
откачка
9
подача
9 1 8
1
3
2 2
4
7
6 5
11 11
10
13 12
14
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
60 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
родов отличаются разнообразием. Обычно ис-
пользовались громоздкие схемы с электродами,
установленными в боковых патрубках разрядной
трубки. Катод интенсивно разогревался, поэтому
изготавливался из тугоплавких металлов и имел
жидкостное охлаждение. Также использовались
специальные конструкции катода, позволяющие
снизить его нагрев и рабочее напряжение, что
дает возможность повысить КПД лазера [7, 8].
Применялись компактные схемы с цилиндриче-
скими электродами, расположенными внутри
разрядной трубки [9]. Однако такие электроды
вносят существенные потери в резонатор волно-
водного типа. Для снижения потерь авторами
была разработана схема с двумя внутренними
пленочными электродами [10]. В этой схеме
электроды изготовлены из алюминиевой фольги,
которая плотно прилегает к внутренней поверх-
ности разрядной трубки. Накачка производилась
переменным током 50 Гц. Пленочные электроды
обеспечивают хороший теплоотвод и не вносят
существенных потерь в резонатор волноводного
типа, однако имеют весьма ограниченный срок
службы.
Высокую надежность имеют предложен-
ные авторами коаксиальные электроды с воздуш-
ным охлаждением [11]. Схема разрядной трубки с
таким электродами представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема накачки с коаксиальными наружными электро-
дами, соединенными с внутренним пространством разрядной
трубки
Два цилиндрических коаксиальных элект-
рода 2, 3 герметично установлены на разрядной
трубке 1. Наружная поверхность электродов
снабжена воздушным радиатором. Под электро-
дами в стенках разрядной трубки выполнены от-
верстия, через которые разряд проникает внутрь
разрядной трубки. Между электродами и стенка-
ми разрядной трубки имеется зазор, который
служит для ликвидации локальных перегревов
электрода и трубки. Источник питания 4 может
быть как переменного, так и постоянного тока.
Такая система возбуждения успешно применяется
в медицинских лазерах [12].
Широкое распространение получили си-
стемы высокочастотной (ВЧ) накачки с внешни-
ми цилиндрическими электродами. При накачке
током высокой частоты (несколько единиц или
десятков МГц) возбуждение газового разряда
осуществляется сквозь стенки разрядной трубки,
что позволяет значительно повысить надежность
резонатора и системы накачки [13]. Для резона-
торов длиной до полутора метров обычно приме-
няется схема с тремя электродами (рис. 1), в ко-
торой центральный электрод, расположенный
посредине разрядной трубки, подключается к
ВЧ-генератору, а крайние электроды заземляются.
Высокочастотный электрод максимально удален
от металлических элементов и зеркал лазерного
резонатора, что предотвращает попадание на них
ВЧ-разряда. Однако в системе накачки с цилинд-
рическими электродами может возникать неста-
бильность газового разряда, вызванная спонтан-
ным перераспределением тока между высоко-
вольтным электродом и двумя расположенными
рядом заземленными электродами. В результате
этого интенсивность газового разряда увеличи-
вается с одной стороны высоковольтного элект-
рода и резко снижается с другой его стороны, что
нарушает однородность активного вещества и
ухудшает стабильность излучения. Повысить ста-
бильность газового разряда позволяет система
накачки при помощи трансформирующей спи-
рали [14], изображенная на рис. 3, а.
а)
б)
Рис. 3. Система накачки с помощью трансформирующей спи-
рали (а) и с жидкостным охлаждением (б)
На разрядной трубке 1 навита проволоч-
ная спираль 2. Длина проволоки составляет при-
близительно четверть длины волны высокочас-
тотной накачки. Один конец спирали заземлен.
Высокочастотный генератор 3 подключен в точ-
ке, расположенной через несколько витков от
заземленного конца спирали. Место отвода, дли-
на намотки спирали и положение ее на разрядной
трубке подбираются экспериментально таким
образом, чтобы газовый разряд равномерно рас-
пределялся вдоль разрядной трубки и не попадал
на зеркала. Система накачки с трансформирую-
3
4
1 2
1 2
3
3 2 1
4
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 61
щей спиралью обеспечивает высокую стабиль-
ность лазерного излучения, и, кроме того, генера-
цию удается получить при значительно меньшем
(примерно в два раза) уровне мощности накачки,
чем в системе с цилиндрическими электродами.
В газоразрядных Н2О-лазерах обычно применяет-
ся жидкостное охлаждение резонатора. При ис-
пользовании трансформирующей спирали накач-
ку можно осуществлять сквозь рубашку жид-
костного охлаждения 4 (рис. 3, б), что при ис-
пользовании цилиндрических электродов не уда-
ется реализовать.
При высокочастотной накачке возникают
мощные электромагнитные поля, которые вносят
помехи в измерительную аппаратуру и отрица-
тельно сказываются на проведении медицинских
исследований, поскольку вносят маскирующий
эффект от воздействия ТГц-излучения. Поэтому
нами была сделана попытка использовать для
накачки сквозь стенки разрядной трубки пере-
менный ток с частотой 10…100 кГц, не создаю-
щий ощутимых помех. Однако на таких частотах
происходит интенсивный разогрев разрядной
трубки под электродами, приводящий к ее про-
бою. Устранить эту проблему позволила разрабо-
танная авторами система накачки с жидкостными
электродами [15] (рис. 4). Снаружи цельной раз-
рядной трубки 1 герметично установлены метал-
лические цилиндры 2, 3. Пространство между
цилиндрами и разрядной трубкой заполнено
электролитом 4, который служит электродом,
хорошо прилегающим к поверхности разрядной
трубки и интенсивно отводящим от нее тепло.
К цилиндрам подсоединены расширительные
бачки-радиаторы 5, 6 и генератор питания 7.
Электролит интенсивно отводит тепло от стенок
разрядной трубки, предотвращая ее пробой.
Рис. 4. Схема накачки с жидкостными электродами
В ходе испытаний было установлено, что
в местах максимального тока сквозь стенки раз-
рядной трубки (вблизи кромок электродов, обра-
щенных к соседнему электроду) происходит ин-
тенсивное образование пузырьков пара на по-
верхности разрядной трубки. Это приводит к
уменьшению контакта разрядной трубки с электро-
литом в этих местах. В результате происходит
выравнивание плотности тока сквозь стенки раз-
рядной трубки вдоль электрода и повышается
однородность газового разряда под ним. Досто-
инством такой схемы накачки является надеж-
ность и существенное снижение помех, что поз-
воляет использовать ее в системах возбуждения
медицинских лазеров.
4. Влияние прокачки активного ве-
щества на процесс генерации газоразрядного
ТГц-лазера. Синтез активного вещества в газо-
разрядных HCN- и DCN-лазерах происходит в
газовом разряде из исходных веществ – азота и
углеводородов. Эти лазеры работают с прокачкой
активного вещества через резонатор. Прокачка
обычно осуществляется вдоль оси резонатора и
оказывает существенное влияние на мощность
генерации. Зависимость мощности излучения от
скорости прокачки различна для каждого кон-
кретного лазера, но общим для всех является
наличие оптимума прокачки. Рост скорости про-
качки до определенных значений вызывает уве-
личение мощности излучения – происходит ин-
тенсивное удаление отработанных веществ, а на
смену им поступает свежая рабочая смесь, из ко-
торой синтезируются молекулы активного вещест-
ва, т. е. возрастает количество активных частиц в
резонаторе. Однако в дальнейшем с увеличением
скорости прокачки возрастание мощности излу-
чения прекращается, а затем даже происходит ее
снижение. Это можно объяснить удалением из
резонатора части активного вещества, а также
наличием интервала времени, в течение которого
под воздействием газового разряда из рабочей
смеси синтезируется и приводится в возбужден-
ное состояние молекула активного вещества. За
это время частицы вещества перемещаются в ре-
зонаторе под воздействием прокачки на опреде-
ленное расстояние. На протяжении этого рассто-
яния в резонаторе фактически отсутствует актив-
ное вещество, хотя имеются и газовый разряд, и
рабочая смесь.
Исследования степени влияния этого фак-
тора на работу HCN-лазера были проведены в ра-
ботах [16, 17]. Было установлено, что средняя про-
дольная скорость частиц активного вещества в
условиях газового разряда может достигать 1 м/с
при интенсивной прокачке. Время, затрачиваемое
на синтез активного вещества, составляет 250 мс.
Время синтеза было определено по запаздыванию
генерации после включения газового разряда.
Измерения производились на HCN-лазере с на-
качкой постоянным током. Перед снятием пока-
заний лазер включался, настраивался и выводился
на стабильный тепловой режим. Затем произво-
дилось отключение тока накачки на время
10…20 с – время, достаточное, чтобы из резона-
тора удалились ранее синтезированные молекулы
активного вещества. После включения тока
накачки на экране осциллографа наблюдалось
1 3
6
2
4
подача
4
откачка
5
7
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
62 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
запаздывание момента возникновения лазерной
генерации относительно момента включения тока
накачки. На рис. 5 приведены осциллограммы
тока накачки и лазерного излучения на экране
двулучевого осциллографа.
Рис. 5. Осциллограмма тока накачки и интенсивности
лазерного излучения при включении лазера
Верхний луч осциллографа отображает
форму тока накачки (при нарастании тока луч
отклонялся вниз), нижний луч отображает форму
сигнала принимаемого лазерного излучения (при
нарастании сигнала луч отклонялся вверх). Для
наглядности по ходу лучей нанесены линии раз-
ной толщины. Скорость развертки составляет
200 мс/дел. От момента превышения током
накачки рабочего уровня до выхода лазерного
излучения на рабочий уровень проходит прибли-
зительно 300 мс. За это время исходные вещества
разогреваются газовым разрядом, и происходит
синтез активных молекул.
В лазерах с импульсной накачкой запаз-
дывание генерации может не наблюдаться, если в
резонаторе остаются активные вещества, синте-
зированные во время предыдущих импульсов.
Это наглядно иллюстрирует эксперимент с пери-
одическим включением и отключением тока
накачки на время порядка 200 мс (рис. 6).
Рис. 6. Осциллограммы последовательного включения и от-
ключения тока накачки и возникающей при этом лазерной
генерации
Первое включение питания произведено
после 20-секундного перерыва в работе. За время
действия газового разряда еще не успевает синте-
зироваться достаточное количество молекул ак-
тивного вещества, и лазерная генерация не возни-
кает. Во время второго, такого же по длитель-
ности включения уже наблюдается генерация –
сказывается наличие в резонаторе молекул актив-
ного вещества, синтезированных во время преды-
дущего включения. При последующих включениях
интенсивная лазерная генерация возникает прак-
тически одновременно с включением тока накачки.
Результаты исследований позволяют сде-
лать вывод, имеющий практическую ценность.
Участок резонатора, не заполненный активным
веществом, со стороны подачи рабочих веществ
может иметь существенный размер – от несколь-
ких процентов до нескольких десятков процентов
длины резонатора (в зависимости от скорости
прокачки). Это может приводить к снижению
мощности и КПД лазера при увеличении скорос-
ти прокачки. Для решения указанной проблемы
целесообразно вывести пассивный участок синте-
за активного вещества за пределы резонатора.
Синтез можно осуществлять в дополнительной
разрядной секции. Это было проверено на спе-
циальной лазерной установке (рис. 7, а) с двумя
вариантами подачи рабочей смеси: непосредст-
венно в резонатор 1 (со стороны одного из зеркал)
и в дополнительную разрядную секцию 2.
а)
б)
Рис. 7. Схемы резонаторов с дополнительной разрядной
секцией
Дополнительной секцией являлся боко-
вой патрубок 3 разрядной трубки 4, на котором
установлен один из электродов 5. При подаче в
дополнительную разрядную секцию мощность
излучения лазера была примерно на 20 % выше,
чем при подаче в резонатор, и эта разница увели-
чивалась с ростом скорости прокачки. Однако
1
3
1
2
4
подача 2 откачка
5
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 63
дополнительная разрядная секция в боковом па-
трубке усложняет конструкцию резонатора, уве-
личивает его габариты и снижает надежность.
Поэтому было предложено [18], взяв за основу
резонатор с коаксиальными электродами
(рис. 7, б), выполнить разрядную секцию в зазоре
между одним из электродов 1 и разрядной труб-
кой 2. Такая конструкция позволяет ввести в со-
став лазера дополнительную разрядную секцию
без усложнения конструкции лазера и увеличения
его габаритов.
5. Влияние полимерного налета на
мощность лазерного излучения. Существенным
фактором, негативно влияющим на долговремен-
ную стабильность HCN-лазеров, является оседа-
ние на внутренних стенках разрядной трубки по-
лимерного налета, образовавшегося в процессе
синтеза рабочего вещества в газовом разряде.
Скорость образования полимерного налета и его
конфигурация зависят от температуры стенок
разрядной трубки, состава рабочей смеси и осо-
бенностей конструкции резонатора. Интенсивнее
всего налет оседает на менее нагретых участках,
обычно в нижней части разрядной трубки. По
мере возрастания толщины полимерной пленки
на ее поверхности возникают трещины, а затем
отдельные участки начинают отслаиваться. При
этом возрастают потери в резонаторе и мощность
излучения заметно падает. Особенно это заметно
в резонаторах, у которых разрядная трубка вы-
полняет функцию волновода. Примерно за
200 часов работы полимерный налет может вдвое
снизить мощность излучения лазера.
Во время работы лазера происходит как
оседание полимерного налета, так и его испаре-
ние, что вызывает изменение состава рабочей
смеси за счет добавления продуктов испарения.
При этом не только изменяется давление в резо-
наторе, но и нарушается соотношение рабочих
веществ, поскольку продукты испарения могут
служить источником углеводородов. Лазер с за-
грязненной полимерным налетом разрядной
трубкой может работать при подаче в резонатор
только воздуха.
На рис. 8 показана зависимость мощности
излучения HCN-лазера от времени, прошедшего
после его включения, при использовании в ка-
честве рабочего вещества смеси воздуха и паров
полимерного налета (1), а также при работе на
штатной рабочей смеси, оптимальной для ста-
бильного рабочего режима (2). Лазер проработал
до этого около 100 ч без чистки резонатора. Та-
кой характер зависимостей можно объяснить тем,
что в начальный момент работы на поверхности
налета образуется множество микротрещин и
испарение поверхностного слоя существенно
увеличивается. Нестабильное поступление про-
дуктов испарения в несколько раз увеличивает
время выхода лазера на рабочий режим. Кроме
того, колебания температуры разрядной трубки,
загрязненной полимерным налетом, приводят к
более существенному изменению мощности из-
лучения, поскольку количество добавляемых ве-
ществ зависит от температуры разрядной трубки.
Рис. 8. Экспериментальные зависимости мощности излучения
НСN-лазера от времени при использовании полимерного
налета (1) и штатной рабочей смеси газов (2) в качестве рабо-
чего вещества
Для удаления полимерного налета может
применяться механическая чистка, что требует
частичной разборки лазера, либо очищение при
помощи газового разряда в кислородной среде.
Все эти способы требуют дополнительных затрат
времени. Целесообразнее принять меры по
предотвращению оседания полимерного налета.
Полимерный налет практически не оседает при
температуре стенок разрядной трубки выше
130 С, однако дальнейшее увеличение темпера-
туры снижает мощность излучения и отрицатель-
но влияет на элементы конструкции резонатора.
Поэтому желательна термостабилизация разряд-
ной трубки на уровне 130 С.
Охлаждение разрядной трубки обычно
осуществляется с помощью естественного воз-
душного охлаждения, поэтому повысить темпе-
ратуру разрядной трубки до нужного значения
можно путем ее термоизоляции. Однако посколь-
ку разогрев разрядной трубки происходит нерав-
номерно по ее длине и диаметру, то равномерная
теплоизоляция приводит к перегреву одних
участков разрядной трубки или не устраняет об-
разование налета на других. Поэтому нами было
предложено выполнять теплоизоляцию с избира-
тельной эффективностью. Такую теплоизоляцию
можно осуществить, используя в качестве шабло-
на разрядную трубку с предварительно осевшим
полимерным налетом. Этот полимерный налет
может служить «тепловым портретом» разрядной
трубки, поскольку его толщина пропорциональна
распределению температуры по стенкам разряд-
ной трубки. Используя такой цветовой шаблон,
можно изготовить теплоизоляционное покрытие,
1
2
Р,
мВт
0 10 20 30 40 50 60 t, мин
3
2
1
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
64 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
толщина которого пропорциональна толщине
полимерной пленки на данном участке. Хорошие
результаты дает покрытие из стеклоткани, обла-
дающей достаточными теплоизоляционными и
термостойкими свойствами. Эксперименты пока-
зали, что такой способ термоизоляции позволяет
успешно бороться с оседанием полимерного
налета без снижения мощности излучения и
усложнения конструкции резонатора [19].
6. Графическое моделирование формы
импульса излучения газоразрядного ТГц-лазера.
В газоразрядных ТГц-лазерах с импульсной
накачкой и накачкой переменным током форма
импульса излучения зависит от нескольких фак-
торов, основным из которых является форма им-
пульса разрядного тока [20, 21]. Однако и при
неизменной накачке форма импульса излучения
может существенно изменяться, в частности, мо-
жет наблюдаться раздвоение импульсов излуче-
ния [22]. Это происходит из-за совместного влия-
ния многих факторов: длины и настройки резона-
тора, контура усиления активного вещества, по-
казателя преломления активного вещества и зави-
симости показателя преломления от разрядного
тока. От формы импульсов разрядного тока и из-
лучения зависит КПД лазера. В то же время
управление формой импульса излучения требует-
ся в различных физических и биомедицинских
исследованиях; кроме того, оно может найти
применение в телекоммуникационных системах.
Для практического получения импульсов излуче-
ния требуемой формы необходимо предваритель-
но моделировать их форму. В силу совместного
нелинейного влияния ряда взаимозависимых фак-
торов осуществить математическое моделирова-
ние чрезвычайно сложно. Авторами разработана
графическая полуэмпирическая методика моде-
лирования формы импульса излучения газораз-
рядного ТГц-лазера [23].
Исходными данными для моделирования
является группа кривых, построенных на основа-
нии экспериментальных зависимостей мощности
излучения от перемещения подвижного зеркала
резонатора относительно произвольно выбранной
вблизи срыва генерации длины резонатора L0 для
каждого измеряемого значения разрядного тока
(рис. 9). Максимуму каждой такой кривой соот-
ветствует оптимум настройки резонатора на цент-
ральную частоту линии излучения активного ве-
щества при данном токе накачки. Цифрами 1–7 на
рис. 9 обозначены кривые, отображающие экспе-
риментальные зависимости при токах накачки
0,15, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, и 0,7 А соответственно.
Моделирование формы импульса излуче-
ния осуществляется исходя из задаваемой (реаль-
ной или прогнозируемой) формы импульса раз-
рядного тока. На рис. 10 показан пример модели-
рования для импульса разрядного тока колоколо-
образной формы, характерной для накачки газо-
разрядного HCN-лазера переменным током час-
тотой 50 Гц.
Рис. 9. Группа кривых, построенных на основании экспери-
ментальных зависимостей мощности излучения от изменения
положения подвижного зеркала резонатора для различных
токов накачки
Рис. 10. Импульс тока накачки (а); моделирование импульса
излучения, для настройки резонатора при максимальном раз-
рядном токе 0,7 А (б) и 0,3 А (в)
1
2
Р,
отн.
ед.
L0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 L, мкм
8
7
6
5
4
3
2
1
0
3
4
5
6
7
I, А
1 2 3 4 5 6 7 8 9 t, мс
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
а)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 t, мс
1 2 3 4 5 6 7 8 9 t, мс
в)
б)
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Р, отн. ед.
Р, отн. ед.
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 65
Мощность излучения в каждый момент
времени в течение импульса тока определяется по
кривым, отображающим зависимость мощности
излучения от изменения положения подвижного
зеркала резонатора, приведенным на рис. 9 для
каждого значения разрядного тока при выбранной
настройке резонатора.
На рис. 10, б смоделирован импульс из-
лучения, когда резонатор оптимально настроен
при разрядном токе 0,7 А; длина резонатора при
этом составляет L0 + 12 мкм (рис. 9). На рис. 10, б
напротив каждого соответствующего момента
времени отображаются значения мощностей, ко-
торые находятся на пересечении кривых на рис. 9
с вертикальной прямой, проходящей через мак-
симум кривой для тока 0,7 А.
На рис. 10, в смоделирован импульс из-
лучения при длине резонатора, укороченной на
4 мкм относительно предыдущего случая, при
настройке, оптимальной для тока I 0,3 А (рис. 9).
В этом случае на рис. 10, в отображаются значе-
ния мощностей для каждого момента времени,
которые находятся на пересечении кривых на
рис. 9 с вертикальной прямой, проходящей через
максимум кривой для тока 0,3 А. Видно, что при
такой настройке происходит раздвоение импуль-
са излучения. При максимальном токе и вблизи
него резонатор оказывается расстроенным, и это
приводит к снижению мощности излучения в
этой области [22].
В рассмотренных примерах моделирова-
ния все процессы в лазерном резонаторе предпо-
лагаются квазистационарными и не учитываются
различия в структуре газового разряда на посто-
янном и импульсном токе. Поэтому описанную
графическую методику можно рассматривать
лишь как основу для последующего более точно-
го моделирования, учитывающего временные и
пространственные характеристики процессов.
Тем не менее, эту методику уже в представлен-
ном виде можно использовать на практике для
подбора режимов работы импульсных лазеров,
работающих при низких частотах накачки.
В частности, с ее помощью можно, с учетом ука-
занных ограничений, прогнозировать величину
КПД лазера при различных формах импульсов
накачки или рассчитать требуемую корректиров-
ку длины резонатора в процессе импульса накач-
ки для достижения максимального КПД. Такое
графическое моделирование также может ока-
заться полезным при осуществлении внутрирезо-
наторной амплитудной и частотной модуляции
лазерного ТГц-излучения.
7. Резонаторы ТГц-лазеров. Обычно в
ТГц-лазерах применяются резонаторы устойчи-
вой конфигурации, в которых электромагнитная
волна совершает замкнутые циклические движе-
ния, не покидая резонансную полость. В квази-
оптических резонаторах ТГц-лазеров границы
устойчивости размыты из-за эффектов, в которых
проявляется волновая природа излучения. Резо-
наторы ТГц-лазеров образованы либо двумя
плоскими зеркалами (в этом случае для снижения
дифракционных потерь разрядная трубка выпол-
няет функции волновода), либо для компенсации
дифракционной расходимости одно из зеркал
выполняется вогнутым с радиусом кривизны,
значительно превышающим длину резонатора.
Вогнутое зеркало может использоваться и в вол-
новодном резонаторе для снижения потерь, вно-
симых дефектами волновода. В качестве выход-
ных зеркал в ТГц-лазерах могут использоваться
металлические зеркала с отверстиями или метал-
лические периодические структуры – решетки и
сетки. Одно из зеркал резонатора (как правило, не-
прозрачное) снабжено устройством для переме-
щения его вдоль оси резонатора. С помощью это-
го устройства резонатор настраивается на резо-
нансную длину. Оба зеркала резонатора обычно
снабжены юстировочными устройствами, позво-
ляющими устанавливать зеркала строго перпен-
дикулярно оси резонатора.
7.1. Зеркала ТГц-лазеров. В качестве
зеркал ТГц-лазеров используются металлические
зеркала. Частично прозрачными зеркалами обыч-
но служат металлические зеркала с отверстиями и
металлические периодические структуры с перио-
дом меньше длины волны. Металлические зеркала
с отверстиями просты в изготовлении и надежны.
Металлические периодические структуры обес-
печивают малую расходимость выходного пучка
и требуемую поляризацию излучения. Наиболее
распространены периодические структуры в виде
решеток из параллельных проводников [34]. Та-
кие решетки обеспечивают линейную поляриза-
ции лазерного излучения, хотя при этом может
наблюдаться определенная эллиптичность, обу-
словленная анизотропией резонатора [25]. Полу-
чить круговую поляризации в лазере с таким зерка-
лом можно с помощью дополнительных квази-
оптических устройств, используя металлические
решетки с определенными параметрами [26] либо
лазерный резонатор, позволяющий получить два
ортогональных компонента. Применяются также
периодические структуры из отдельных металли-
ческих фрагментов или отверстий в металличе-
ской фольге [27]. Большой интерес вызывают
периодические структуры в виде концентриче-
ских металлических колец и радиальных по-
лос [28]. Такие структуры обеспечивают азиму-
тальную и радиальную поляризацию, придаю-
щую ряд полезных свойств лазерному излучению.
В последнее время развиваются различные гра-
диентные периодические структуры [29–31]. Нами
совместно с коллегами из Харьковского нацио-
нального университета имени В. Н. Каразина и
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
66 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
Харьковского национального университета ра-
диоэлектроники предложены и разрабатываются
градиентные структуры в виде концентрических
металлических колец с изменяющейся в радиаль-
ном направлении периодичностью [32]. Такие
структуры, выполненные на плоской подложке,
обладают свойствами выпуклых или вогнутых
зеркал и линз одновременно [33]. Причем кольце-
вая периодическая структура, в которой густота
колец увеличивается от центра к краям (рис. 11),
имеет свойства вогнутого зеркала и фокусирую-
щей линзы.
Рис. 11. Кольцевое градиентное частично прозрачное зеркало
Такое выходное зеркало лазерного резо-
натора позволяет компенсировать дифракцион-
ную расходимость излучения внутри резонатора
и в выходном пучке.
7.2. Зеркала, не требующие юстировки.
Для долговременной стабильности излучения
лазера необходимо обеспечивать стабильность
юстировки зеркал в процессе его работы. Эта за-
дача усложняется тем, что в результате газового
разряда выделяется большое количество тепла,
вызывающее тепловое расширение продольных
стержней, образующих каркас, на котором за-
креплены юстировочные механизмы зеркал. При
появлении различия в длинах стержней в преде-
лах нескольких микрон (вследствие, например,
неравномерного нагрева стержней либо различия
их коэффициентов расширения) происходит
нарушение юстировки и существенное угнетение
генерации. Для обеспечения стабильности юсти-
ровки используются различные системы термо-
стабилизации, которые значительно усложняют
конструкцию лазера. Поэтому разработка лазер-
ных резонаторов, зеркала которых не требуют
точной юстировки, является актуальной задачей,
решение которой позволяет существенно сокра-
тить работы по обслуживанию лазера и значи-
тельно упростить всю его конструкцию.
В качестве зеркал, не нуждающихся в
точной юстировке, нами были использованы
трехгранные 90 уголковые отражатели, облада-
ющие свойствами возврата излучения строго в
обратном направлении. Такие зеркала были вы-
полнены методом гальванического наращивания
на металлической оправке (рис. 12).
Рис. 12. Технологическая оправка и зеркало в виде трехгран-
ного 90 отражателя
Такой резонатор показал устойчивость к
нарушению юстировки [34, 35]. Однако не удалось
осуществить вывод излучения сквозь отверстие в
уголковом отражателе. Вывод излучения произ-
водился с помощью делительной пластины, уста-
новленной в резонаторе, которая усложняет
конструкцию резонатора и вносит дополнитель-
ные потери. Кроме того, уголковые отражатели
имеют повышенные потери за счет трех отраже-
ний от их граней. Альтернативой уголковым от-
ражателям стали зеркала в виде отражающей
вовнутрь 90 конической поверхности, приме-
ненные нами в ТГц-лазере [36, 37] (рис. 13).
а) б) в)
Рис. 13. Конические 90 зеркала
Выходное зеркало (рис. 13, а) изготовле-
но из алюминиевого сплава способом токарной
обработки. В центре зеркала выполнено круглое
отверстие для вывода излучения. Непрозрачные
конические зеркала изготавливались способом
токарной обработки из алюминиевого сплава
(рис. 13, б) и методом медного наращивания на
конической модели (рис. 13, в). Токарная обра-
ботка дешевле, но при наращивании удается по-
лучить более качественную вершину конуса.
Были проведены сравнительные испыта-
ния влияния перекоса плоского и конического
зеркал на мощность излучения. Перекос кониче-
ского 90 зеркала оказывает малое негативное
влияние на мощность излучения (рис. 14), при-
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 67
мерно на один–два порядка меньшее, чем перекос
плоского зеркала. Наклон плоского зеркала на
угол 20 относительно положения точной юсти-
ровки приводит к полному исчезновению генера-
ции. Наклон конического зеркала на 2 вызывает
снижение мощности излучения примерно на
20 %. При каждом изменении угла наклона про-
изводилась корректировка длины резонатора с
помощью механизма перемещения зеркала до
настройки на максимум мощности.
Рис. 14. Экспериментальная зависимость мощности излучения
лазера с резонатором, образованным коническим 90 выход-
ным зеркалом и плоским непрозрачным зеркалом, от угла
наклона зеркал: 1 – плоского зеркала; 2 – конического
90 зеркала
Полезным свойством конических 90 зеркал
является то, что они могут компенсировать
дифракционное расхождение пучка излучения,
если угол при вершине выполнить несколько
меньше 90.
Проведенные эксперименты показывают,
что конические 90 зеркала не нуждаются в точ-
ной юстировке, следовательно, тепловые и меха-
нические воздействия мало влияют на юстировку
резонатора с такими зеркалами. Это позволяет
отказаться от системы термостабилизации резо-
натора, а также дает возможность исключить из
конструкции лазера сложные механизмы юсти-
ровки зеркал вместе с громоздким каркасом из
продольных стержней и поперечных переборок,
на котором они установлены. Следовательно,
применение конических 90 зеркал позволяет
повысить стабильность лазеров, облегчить об-
служивание и значительно упростить их конст-
рукцию.
7.3. Комбинированные выходные зеркала
резонатора ТГц-лазера. В субмиллиметровом
диапазоне в качестве линий передачи широкое
распространение получили полые диэлектриче-
ские волноводы круглого сечения с внутренним
диаметром 20 мм. Диаметр разрядной трубки
газоразрядных ТГц-лазеров обычно составляет
40…50 мм. Такой размер выбирается исходя из
оптимальных соотношений длины и диаметра
резонатора лазера с целью обеспечения макси-
мального усиления в активном веществе. Диа-
метр выходного пучка лазерного излучения со-
ставляет 40…50 мм при использовании периоди-
ческой структуры в качестве выходного зеркала и
5…10 мм при использовании выходного зеркала с
отверстием. В обоих случаях возникает проблема
согласования лазера с линией передачи. Для ре-
шения проблемы согласования диаметра лазерно-
го пучка с диаметром линии передачи нами раз-
работаны комбинированные выходные зеркала,
состоящие из металлического зеркала с отверс-
тием и металлической решетки [38]. Диаметр от-
верстия соответствует диаметру квазиоптическо-
го волновода, используемого в качестве линии
передачи, а шаг решетки подбирается таким, что-
бы общий коэффициент пропускания выходного
зеркала был оптимальным для данного лазера.
Такие зеркала были изготовлены и испытаны в
лазерах [39, 40]. Был проведен ряд исследований
по согласованию и фазировке плоского зеркала с
отверстием и одномерной металлической решет-
ки [41]. Фазовый сдвиг, вносимый решеткой,
определяется по минимальному расстоянию меж-
ду металлическим зеркалом и решеткой, при ко-
тором они оптимально сфазированы. Результаты
измерений фазового сдвига, вносимого решеткой,
хорошо коррелируют с теоретическими расчетами.
Применение комбинированных зеркал, включа-
ющих плоское зеркало, показало их эффектив-
ность, однако было установлено, что такие зерка-
ла требуют тщательной юстировки. Поэтому на-
ми было разработано усовершенствованное ком-
бинированное зеркало [42] (рис. 15), состоящее из
решетки 1 и конического 90 зеркала 3 с отверс-
тием (ось усеченного конуса совпадает с осью
резонатора 2).
Рис. 15. Комбинированое зеркало лазерного резонатора
Такое зеркало проще в юстировке и, кро-
ме того, может компенсировать дифракционную
расходимость пучка излучения, если угол при
вершине выполнить несколько меньше 90.
7.4. Плавная регулировка обратной связи
в резонаторе. Как и во всех лазерах, максималь-
ная эффективность ТГц-лазеров достигается
только при оптимальной обратной связи. Обрат-
2
1 3
1
2
10 20 30 40 50 1 130 2
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
угол наклона
зеркал
Р, отн. ед.
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
68 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
ная связь обеспечивается путем выбора коэффи-
циента пропускания выходного зеркала. В ТГц-
лазере выходным зеркалом обычно служит зерка-
ло с отверстием или периодическая структура.
Такие зеркала имеют постоянные параметры, и
подбор оптимальной связи осуществляется путем
замены зеркал. При этом может нарушаться юс-
тировка резонатора и возникает необходимость
после каждой замены зеркал проводить их допол-
нительную настройку. К тому же из-за дискрет-
ности параметров зеркал трудно точно подобрать
оптимум. Но даже тщательно подобранное зерка-
ло не может быть оптимальным на всех режимах
работы, так как усиление и затухание излучения в
резонаторе могут изменяться в процессе работы
лазера. Исходя из этого, становится очевидным
преимущество плавного изменения обратной свя-
зи в процессе работы лазера, что обеспечит мак-
симальный КПД на всех режимах его работы.
Проблему плавной регулировки обратной
связи удалось решить в предложенном и детально
исследованном ТГц-лазере [43–45], схема резона-
тора которого показана на рис. 16.
а) б)
Рис. 16. Схема резонатора ТГц-лазера с регулируемой связью (а)
и двугранное 90 зеркало (б), используемое в нем
Резонатор такого лазера образован вы-
водной проволочной решеткой и двугранным
зеркалом с углом между гранями, равным 90.
Регулирование связи основано на известном
свойстве 90 двугранного зеркала изменять ази-
мут поляризации отраженной волны на угол 2,
где – азимут поляризации волны, падающей на
90º двугранное зеркало. При повороте двугранно-
го зеркало вокруг оси резонатора осуществляется
изменение угла между азимутом поляризации
излучения, отраженного от него, и направлением
проводников одномерной решетки. Это позволяет
в широких пределах изменять коэффициент про-
пускания решетки.
Для однородно расширяющегося лазерного
перехода (в нашем случае 337 мкм HCN-лазера)
оптимальный угол 0 имеет следующую зависи-
мость:
,2sinarc
2
1
2
1
00
Ldg
где g0 – коэффициент усиления; – коэффициент
потерь; L – длина активного элемента; d – внут-
ренний диаметр разрядной трубки.
При этом, если пренебречь излучением с
поляризацией, параллельной проволокам,
направление вектора поляризации выходного ла-
зерного излучения будет перпендикулярно про-
волокам выходного зеркала лазера. В исследуе-
мом лазере поляризация лазерного излучения
определяется пропусканием решетки и углом
между ребром двугранного зеркала и проволока-
ми. При 0 или 90 излучение имеет поля-
ризацию, параллельную проволокам, а его мощ-
ность определяется пропусканием решетки. Ха-
рактерные кривые мощности лазерного излуче-
ния в зависимости от угла между ребром и про-
волоками при L 0,9 м представлены на рис. 17.
а)
б)
в)
Рис. 17. Графики зависимости мощности лазерного излучения
от угла между ребром двугранного зеркала и направлением
проволок выходного зеркала (1 – для поляризации, ортого-
нальной проволоке; 2 – для поляризации, параллельной про-
волоке): а) шаг решетки 30 мкм, диаметр проволоки 15 мкм;
б) шаг решетки 30 мкм, диаметр проволоки 8 мкм; в) шаг
решетки 60 мкм, диаметр проволоки 15 мкм
Экспериментально регистрировался сиг-
нал выходной лазерной мощности для двух со-
ставляющих – параллельной и перпендикулярной
1
–10 –8 –6 –4 –2 0 2 4 6 8 10 ,
1,0
0,5
max
P
P
1
2
2
1
max
P
P
max
P
P
–8 –6 –4 –2 0 2 4 6 8 ,
–8 –6 –4 –2 0 2 4 6 8 ,
2
1,0
1,0
0,5
0,5
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 69
проволокам выходного зеркала. Из этих кривых
видно, что перераспределение мощности между
этими составляющими зависит от параметров
решетки. Кроме того, эти зависимости позволяют
сделать вывод, что для эффективной работы
предложенного устройства регулировки связи
необходимо применять «густые» решетки. Иссле-
дования поляризационных характеристик (рис. 18)
показали, что лазерное излучение содержит два
ортогональных компонента и имеет эллиптиче-
скую поляризацию и объясняется фазовой анизо-
тропией выводной решетки для двух ортогональ-
ных поляризаций.
а)
б)
Рис. 18. Азимутальная зависимость мощности лазерного излу-
чения: а) шаг решетки 30 мкм, диаметр проволоки 8 мкм;
б) шаг решетки 42 мкм, диаметр проволоки 10 мкм ( 6)
Предложенная схема резонатора позволя-
ет плавно регулировать обратную связь и пригод-
на для всех лазеров, в которых в качестве выход-
ного зеркала может использоваться одномерная
решетка.
Наряду с периодическими структурами, в
ТГц-лазерах в качестве выходных зеркал часто
используются металлические зеркала с выводны-
ми отверстиями. Такие зеркала более просты,
надежны и термостойки, чем периодические
структуры. Нами предложены и разработаны но-
вые схемы лазерных резонаторов с плавной регу-
лировкой вывода излучения в резонаторах содер-
жащих такие выходные зеркала [46–50]. Схемы
этих резонаторов схожи и представлены на
рис. 19.
а)
б)
в)
г)
д)
Рис. 19. Схемы резонаторов с плавной регулировкой связи
Активный элемент 1 помещен между зерка-
лами 2, 3, которые образуют резонатор. Выход-
ным зеркалом в таких резонаторах служит метал-
лическое зеркало 3 с отверстием 4. В процессе
регулировки выводное зеркало перемещается
перпендикулярно оси резонатора (рис. 19, а–г).
В качестве второго зеркала резонатора в таких
схемах регулировки могут использоваться дву-
гранное 90 зеркало (рис. 19, а, д), трехгранное
90 зеркало (рис. 19, б) или коническое 90 зерка-
ло (рис. 19, в, г). Принцип регулировки общий
для этих схем и основан на том, что пучок излу-
чения, попавший на вершину трехгранного и ко-
нического 90 отражателей, либо на ребро дву-
гранного 90 отражателя (при условии, что он
отъюстирован), возвращается обратно практи-
чески по тому же пути. В иных случаях излуче-
ние отражается по другому пути. Таким образом,
из резонатора выводится минимальная часть из-
лучения в случае, когда центр отверстия 4 вывод-
ного зеркала проецируется на ребро двухгранного
зеркала, на вершину трехгранного зеркала или
вершину конического зеркала. Принцип регули-
ровки и пределы регулировки показаны на при-
мере схемы резонатора, содержащего двугранное
0,5 1
150
120
180
210
240 270 300
330
90
60
30
0
max
P
P
max
P
P
0,5 1
150
120
180
210
240 270 300
330
90 60
30
0
max
P
P
3 4
5
2
5
2 1 3 4
3 4
2 2 1 3 4
3 4 2 2 1 3 4
3 4
2 2 1 3 4
3 4
2 2 1 3 4
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
70 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
зеркало (рис. 20). В случае, когда отверстие 4
проецируется на ребро двугранного зеркала
(рис. 20, а), из резонатора выводится только излу-
чение, которое попадает на отверстие 4. Излуче-
ние, которое не попадает в зону выведения, мно-
гократно отражается от зеркал и усиливается в
активной среде. Излучение из зоны многократно-
го отражения попадает в зону вывода вследствие
дифракции. Связь между этими зонами может
быть увеличена при использовании вогнутого
выходного зеркала 3 либо конического зеркала с
углом несколько меньше 90.
а)
б)
Рис. 20. Пределы регулировки лазерного резонатора, содер-
жащего двугранное 90 зеркало: а) выводится минимальная
часть излучения; б) выводится максимальная часть излучения
Для увеличения доли выведенного из ре-
зонатора излучения необходимо сместить зеркало 3
перпендикулярно оси резонатора, чтобы центр
отверстия 4 сместился относительно ребра зерка-
ла 2 (рис. 20, б). Тогда в зону вывода попадает
также некоторая часть излучения, которое нахо-
дится за пределами отверстия 4. Часть выведен-
ного из резонатора излучения будет продолжать
расти при дальнейшем смещении зеркала 3 до тех
пор, пока зеркало 3 не сместится на расстояние,
равное приблизительно половине диаметра от-
верстия 4. При этом расположении зеркала 3
часть выведенного из резонатора излучения при-
близительно удваивается. Это и составляет диа-
пазон регулировки. Такого диапазона регулиров-
ки вполне достаточно для корректировки обрат-
ной связи при переходе на разные режимы рабо-
ты лазера или при переходе на активные среды с
близкими коэффициентами усиления. Сечение
выходного пучка излучения при регулировке не
изменяется.
При использовании двугранного зеркала
регулировку также можно осуществлять путем
поворота его вокруг оси резонатора [46], но при
этом отверстие в выходном зеркале должно быть
выполнено не в центре (рис. 19, д).
Схема резонатора с трехгранным зерка-
лом обладает повышенной стабильностью по
сравнению со схемой с двугранным зеркалом,
поскольку трехгранное зеркало не требует юсти-
ровки. Поэтому тепловые нестабильности и виб-
рации оказывают меньшее влияние на процесс
генерации. Однако в трехгранном зеркале больше
потерь излучения за счет трех отражений от его
граней. Кроме того, как в двухгранном, так и в
трехгранном зеркалах присутствуют повышенные
потери на ребрах. Это обусловлено волновыми
свойствами излучения, а также неидеальностью
исполнения ребер зеркал. Схема с коническим
зеркалом лишена недостатков предыдущих схем.
Однако коническое зеркало также имеет в центре
зону повышенных потерь излучения, обусловлен-
ную волновыми свойствами излучения и не-
идеальностью выполнения вершины. Для устра-
нения этих потерь разработана схема резонатора
с двусторонним выводом излучения [49, 50]
(рис. 19, г). Эта схема отличается тем, что в цент-
ре конического зеркала 4 имеется дополнительное
отверстие 5 для вывода излучения на устройства
контроля и управления лазером. Схема резонато-
ра с двухсторонним выводом позволяет не от-
ветвлять часть излучения от основного выходно-
го пучка на приборы контроля, а использовать
для этого примерно ту часть излучения, которая
терялась бы при попадании на вершину конуса.
Вывод излучения через отверстие 5 не регулиру-
ется.
Данные схемы плавной регулировки об-
ратной связи могут быть реализованы в действу-
ющих ТГц-лазерах без существенного изменения
их конструкции. Применение таких схем регули-
ровки обратной связи повышает КПД лазеров и
упрощает их обслуживание. Недостатком данных
схем резонаторов является малый диапазон регу-
лировки.
Регулировку обратной связи в лазере
можно осуществить с помощью дополнительного
подвижного зеркала. При этом важно, чтобы по-
движное зеркало не вносило потери в резонатор, а
направление выходного пучка излучения не из-
менялось при регулировке. Большие перспективы
имеют резонаторы с активным элементом коль-
цевого сечения. Активный элемент кольцевого
сечения позволяет обеспечить высокую однород-
ность накачки, поскольку элементы накачки и
охлаждения можно размещать с внутренней и
наружной стороны. Регулировку вывода излуче-
ния в таких резонаторах удалось осуществить с
помощью коаксиальной системы конических
зеркал [51] (рис. 21).
В разработанном лазерном резонаторе
использован активный элемент 1 кольцевого се-
чения. На одном торце активного элемента 1 рас-
положено плоское кольцевое зеркало 2. На про-
тивоположном торце активного элемента 1 рас-
положено кольцевое 90° коническое зеркало 3.
В центре зеркала 3 расположено выходное кони-
3 4 2 2 1 3 4
3 4 2 2 1 3 4
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 71
ческое 90° зеркало 4, снабженное механизмом 5
плавного перемещения вдоль оси резонатора.
Регулировка вывода излучения осуществляется
смещением конического выходного зеркала 4
вдоль оси резонатора с помощью механизма пе-
ремещения 5. Зеркало 4 разделяет объем активно-
го элемента на две зоны: зону генерации 6 и зону
усиления 7. В зоне 6 излучение многократно от-
ражается от зеркал 2, 3, а в зоне 7 – выводится из
резонатора. Излучение попадает из зоны 6 в зону 7
вследствие дифракции. Перемещение коническо-
го зеркала 4 вдоль оси резонатора меняет соот-
ношение объемов зон 6 и 7, а, следовательно,
изменяет долю излучения, выводимую из резона-
тора. В одном крайнем положении (когда на
зеркало 4 совсем не попадает излучение) излуче-
ние из резонатора не выводится, во втором край-
нем положении (когда на зеркало 4 попадает все
излучение) из резонатора выводится все излуче-
ние. Оптимальная обратная связь достигается при
определенном среднем положении зеркала 4.
а)
б)
Рис. 21. Схема широкодиапазонного лазерного резонатора с
плавной регулировкой вывода излучения (а); ход лучей в
резонаторе (б)
Данный резонатор имеет неограниченный
диапазон регулирования. Однако такой резонатор
нуждается в тщательной юстировке. Целесо-
образно, чтобы все зеркала резонатора имели
форму 90 конической поверхности. Резонаторы с
такими зеркалами обладают высокой стабиль-
ностью и практически не требует юстировки.
Нами разработана новая схема лазерного
резонатора с плавной регулировкой вывода излу-
чения и зеркалами, не требующими тщательной
юстировки, имеющего высокую стабильность и
минимальные потери [52, 53] (рис. 22).
Рис. 22. Схема широкодиапазонного лазерного резонатора с
плавной регулировкой вывода излучения и зеркалами, не
требующими тщательной юстировки
В разработанном лазерном резонаторе
использован активный элемент 1 кольцевого
сечения. На одном торце активного элемента 1
расположены кольцевые конические зеркала 2, 3.
Зеркала 2 и 3 выполнены в виде боковых
поверхностей усеченных конусов с углами при
вершинах 90° , где – поправка для
корректировки дифракционной расходимости
излучения. На противоположном торце активного
элемента 1 расположено кольцевое 90° коничес-
кое зеркало 4. В центре зеркала 4 расположено
выходное коническое 90° зеркало 5, снабженное
механизмом 6 плавного перемещения вдоль оси
резонатора. Кольцевые конические зеркала 2–4 не
требуют тщательной юстировки, что делает
резонатор стойким к тепловым и механическим
воздействиям и упрощает его настройку.
При отражении от зеркала 4 излучение
перебрасывается в диаметрально противополож-
ное место кольцевого активного элемента 1. Бла-
годаря такой геометрии резонатора излучение
проходит сквозь активное вещество 1 четырьмя
различными путями. Это позволяет максимально
снизить влияние неоднородностей активного ве-
щества на излучение. При многократном отраже-
нии от зеркал лазерное излучение смещается к
внешним и внутренним кромкам активного ве-
щества 1. Это происходит вследствие дифракции
и наличия поправки к конусности зеркал 2, 3.
В отличие от предыдущей схемы резонатора
(рис. 21), в данной схеме из резонатора выводится
излучение, сместившееся как к внешней, так и к
внутренней поверхностям активного элемента
кольцевого сечения, что существенно снижает
потери в резонаторе.
Применять предложенную схему резона-
тора возможно для лазеров любых диапазонов.
Широкий диапазон регулировки позволяет подо-
брать оптимальную обратную связь, особенно в
лазерах с переменным усилением активного ве-
щества. Благодаря наличию конических зеркал
такой резонатор устойчив к тепловым и механи-
ческим воздействиям и прост в настройке. При-
менение резонаторов с плавной регулировкой
вывода излучения дает возможность повысить
КПД лазера на всех режимах работы.
5
6
2 1
3
4
3
4
5
6 7
3
2 1
1 2
4
5
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
72 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
8. Многочастотные лазеры ТГц-диапа-
зона. Одним из важных применений ТГц-лазеров
является их использование в интерферометрах
для диагностики плазмы на термоядерных уста-
новках. Работа этих систем основана на переносе
полезной информации на более низкую промежу-
точную частоту. При работе таких систем требу-
ется получить стабильную разницу между часто-
тами в сигнальном и гетеродинном каналах ми-
нимум в несколько десятков килогерц. Наиболее
предпочтительный способ получения ТГц-сигна-
лов двух разных стабильных частот – обеспече-
ние двухчастотного режима генерации лазера (на
разных частотах в пределах полосы усиления ак-
тивного вещества, которая составляет 10 МГц).
Были проведены исследования разных способов
получения двухчастотного режима генерации.
Рассматривался способ получения двух-
частотной генерации путем использования доп-
леровского сдвига частоты от прокачки активного
вещества в кольцевом лазере [54]. Однако в этом
случае сдвиг частоты и его стабильность зависят
от скорости прокачки и от ее стабильности. По-
лучение высоких стабильных сдвигов этим спо-
собом довольно проблематично.
В работе [55] получен режим одновре-
менной генерации двух мод с линейной поляри-
зацией. Разные поперечные моды, из-за различий
фазовой скорости, имеют неодинаковую резо-
нансную длину. Была подобрана такая длина ре-
зонатора, когда фазовый набег распространения в
резонаторе двух различных поперечных мод со-
ставил почти половину длины волны и возникли
условия одновременной генерации на разных по-
перечных модах резонатора. Недостаток двух-
модового режима генерации с параллельными
поляризациями заключается в трудности разделе-
ния этих мод на два независимых пучка.
Раздельный вывод излучений разных час-
тот был осуществлен в лазере, генерирующем
излучения разных частот на ортогональных поля-
ризациях [56]. Такие условия генерации были
созданы в резонаторе, имеющем два выводных
зеркала в виде расположенных друг за другом
взаимно перпендикулярных проволочных ре-
шеток (рис. 23).
Рис. 23. Схема лазера с трехзеркальным резонатором: 1 – ре-
шетка 308 мкм; 2 – решетка 5010 мкм; 3 – «глухое» зеркало;
4 – пьезокерамическая пластинка; 5 – механизм перемещения
зеркала; 6 – активное вещество
Это фактически два резонатора с общим
активным веществом, работающие на взаимно
перпендикулярных поляризациях. Разность час-
тот регулируется путем изменения расстояния
между проволочными решетками. Максимальная
разность частот составляла 4,5 МГц. Флуктуа-
ции газового разряда и прочие нестабильности
одинаково влияют на изменение оптической дли-
ны обеих резонаторов, что практически не изме-
няет их разностной частоты. С помощью разрабо-
танной авторами лазерной установки были про-
ведены многочисленные исследования различных
режимов многочастотной генерации. При опреде-
ленных настройках резонатора наблюдалась кон-
куренция излучений разных частот, поскольку
эти излучения распространяются в активном ве-
ществе по одному и тому же пути. Следствием
конкуренции является спонтанное прекращение
генерации на одной из частот и усиление генера-
ции на другой частоте. Этот процесс был иссле-
дован, и его использование предложено для осу-
ществления модуляции лазерного излучения пу-
тем перемещения одной из решеток с помощью
пьезокерамической пластины [57].
Для полного устранения конкуренции из-
лучений разных частот необходимо, чтобы их
пути в активном веществе не совпадали.
В работах [58, 59] предложена схема много-
канального ТГц-лазера с комбинированным резо-
натором и разработана методика его настройки,
позволяющая генерировать излучения нескольких
частот в отдельных каналах, а также избежать
применения сложной аппаратуры измерения час-
тоты для настройки на заданную частоту излуче-
ния. Использование подобных схем не имеет
принципиальных ограничений по числу каналов и
набору частот, однако наиболее предпочтитель-
ным для практического использования является
трехчастотный лазер с одним контрольным и
двумя рабочими каналами. Схема трехчастот-
ного ТГц-лазера с таким комбинированным резо-
натором представлена на рис. 24.
Рис. 24. Схема трехчастотного ТГц-лазера
Лазер содержит разрядную трубку 1, в
которой находится активное вещество, и три от-
дельных открытых резонатора, образованных
подвижными индивидуальными зеркалами 2–4 и
общим для всех выводным зеркалом 5 в виде пе-
риодической структуры. Лазер снабжен общим
3
4
5
6
7 8
9 2
1
6
1 2
3
4
5
l
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 73
механизмом перемещения 6, который передвига-
ет платформу 7. На платформе 7 закреплены
зеркало 2 и два отдельных механизма точной
настройки 8, 9, каждый из которых служит для
перемещения зеркал 3 и 4 соответственно. Со сто-
роны выводного зеркала, напротив каждого по-
движного зеркала располагаются тракты приема
излучения (на рисунке не показаны). Напротив
зеркала 2 расположен контрольный тракт, напро-
тив зеркал 3, 4 – рабочие тракты.
Методика настройки трехчастотного ла-
зера следующая. После включения лазера и ста-
билизации газового разряда производится после-
довательная настройка на центральную частоту
всех резонаторов. С помощью общего механизма
перемещения 6 производится настройка на мак-
симум мощности излучения контрольного резо-
натора, образованного зеркалом 2. Затем произ-
водится настройка на максимум излучения рабо-
чих резонаторов, образованных зеркалами 3, 4, с
помощью механизмов 8, 9. Настройка на макси-
мум излучения соответствует настройке на цент-
ральную частоту излучения активного вещества
всех резонаторов. Затем с помощью механизмов
точной настройки 8, 9 производится отстройка
рабочих резонаторов в разные стороны от цент-
ральной частоты до получения заданного смеще-
ния частот. После чего в рабочие тракты будут
поступать излучения с частотами, отличающими-
ся друг от друга на заданную величину. При этом
обеспечивается стабильность разности частот
генерации каждого резонатора, так как рабочее
вещество является общим для всех резонаторов и
рабочие резонаторы закреплены на общей плат-
форме. Контрольный канал служит для поддер-
жания долговременной стабильности настройки
всех резонаторов, а именно с помощью общего
механизма перемещения 6 в процессе работы
поддерживается настройка контрольного резона-
тора на максимум мощности. Это можно перио-
дически осуществлять вручную или автоматизи-
ровать этот процесс. Следует учитывать, что если
нарушается настройка контрольного резонатора
на центральную частоту, то разность частот в
рабочих каналах, хотя и сохраняется, но изменя-
ются частоты и уровни мощности генерации в
них. При сохранении настройки контрольного
канала стабилизируются и настройки на конкрет-
ные частоты рабочих резонаторов. Наличие в со-
ставном резонаторе контрольного канала дает
возможность стабилизации частотной настройки
рабочих каналов.
Для перемещения подвижных зеркал ра-
бочих резонаторов используются специально раз-
работанные механизмы точной частотной на-
стройки [60] (рис. 25).
Принцип точной настройки основан на
смещении подвижного зеркала резонатора отно-
сительно настройки на центральную частоту по-
лосы излучения активного вещества. Настройка
осуществляется в два этапа. Сначала необходимо
настроиться на центральную частоту спектра из-
лучения активного вещества. Это несложно осу-
ществить, поскольку контур генерации лазера
имеет ярко выраженный максимум мощности на
центральной частоте. Вторым этапом настройки
является перемещение подвижного зеркала в сто-
рону укорочения или удлинения резонатора на
величину L, соответствующую заданному сме-
щению частоты или длины волны:
,
0
L
L
,0
L
fL
f
где и f – изменение длины волны и частоты
лазерного излучения относительно центральной
длины волны и центральной частоты 0( и )0f
линии излучения активного вещества; L – пере-
мещение подвижного зеркала лазерного резона-
тора в пределах генерации на продольной моде;
L – длина резонатора.
Рис. 25. Механизм перемещения зеркала, снабженный шкалой
точной настройки, отградуированной в мегагерцах, для линии
излучения 337 мкм HCN-лазера с резонатором длиной 1,2 м:
1 – корпус механизма перемещения зеркала; 2 – зеркало резо-
натора; 3 – рукоятка механизма перемещения с микрометри-
ческой шкалой; 4 – прозрачная цилиндрическая насадка, сво-
бодно вращающаяся на рукоятке механизма перемещения;
5 – частотная шкала, нанесенная на прозрачную насадку;
6 – неподвижный курсор
Так, например, для HCN-лазера с резона-
тором длиной 1,2 м на линии излучения 337 мкм
перемещение зеркала на 1 мкм соответствует из-
3 4 5 6 2 1
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
74 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
менению длины волны на 2,8·10
–4
мкм или изме-
нению частоты на 0,74 МГц. Точность перестрой-
ки возрастает с увеличением длины резонатора.
Для HCN-лазера с резонатором длиной 3 м пере-
мещение зеркала на 1 мкм будет соответствовать
изменению длины волны на 1,1·10
–4
мкм или из-
менению частоты на 0,3 МГц.
Применение механизмов точной настрой-
ки, отградуированных в значениях частоты, поз-
воляет настраивать лазерные резонаторы на тре-
буемые частоты из диапазона излучения активно-
го вещества без использования аппаратуры изме-
рения частоты с точностью до долей мегагерц в
интервале полосы усиления активного вещества
(20 МГц).
9. Применение ТГц-лазеров. Лазеры
ТГц-диапазона широко использовались для диаг-
ностики плазмы в термоядерных установках ти-
па «Токамак» [4, 5, 12]. На протяжении несколь-
ких десятилетий это было одно из основных
направлений их использования. В последнее вре-
мя сфера их применения существенно расшири-
лась. В данной работе анонсированы лишь неко-
торые направления их использования.
9.1. Лазерно-резонаторные методы из-
мерения показателя преломления в ТГц-диапазоне.
Для передачи и обработки ТГц-излучения приме-
няют диэлектрические и металлодиэлектрические
волноводы, а также различные квазиоптические
системы – ответвители, преобразователи пучка,
вентили, вращатели поляризации и др. В этих
устройствах в составе диэлектрических компо-
нентов волноводов, делительных пластин, линз, а
также в веществах, заполняющих полости волно-
водов, применяют прозрачные для ТГц-излучения
материалы. При разработке и изготовлении упо-
мянутых устройств, особенно таких их элемен-
тов, как линзы и делительные пластины, необхо-
димо знать величину показателя преломления (ПП)
материалов, из которых они изготовлены. Многие
методы измерения ПП, которые успешно приме-
няются в оптике либо в радиочастотных диапазо-
нах, становятся неприемлемыми в ТГц-диапазоне.
Авторами разработаны методы измерения
ПП материалов, прозрачных в ТГц-интервале
частот, которые позволяют осуществлять как
оперативные измерения величины показателя
преломления, не требующие высокой точности,
так и высокоточные измерения [61–63].
Принцип измерения ПП с помощью ТГц-
лазера и дополнительного измерительного резо-
натора показан на рис. 26.
Измерительная установка содержит ТГц-
лазер 1, резонатор которого образован непрозрач-
ным зеркалом 2 с механизмом 3 его осевого пе-
ремещения и частично прозрачным зеркалом 4.
В состав измерительной установки входит допол-
нительный измерительный резонатор, образован-
ный частично прозрачным выходным зеркалом 4
лазера и плоским металлическим зеркалом 5 с
механизмом 6 его осевого перемещения. Между
зеркалами 4 и 5 измерительного резонатора, под
углом 45 к его оси, установлена частично про-
зрачная делительная пластина 7, с помощью ко-
торой осуществляется вывод части энергии излу-
чения в приемник 8. При настройке измеритель-
ного резонатора с помощью осевого перемещения
зеркала 5 между зеркалами 4 и 5 укладывается
целое число полуволн и в измерительном резона-
торе происходит накопление энергии лазерного
излучения, вызывающее рост амплитуды сигнала
на выходе приемника 8 в несколько раз. Острота
всплеска сигнала на приемнике 8 зависит от доб-
ротности измерительного резонатора. Поскольку
коэффициент пропускания зеркала 4 невелик и
составляет несколько процентов, то резонансные
процессы в измерительном резонаторе не оказы-
вают существенного влияния на автоколебатель-
ный процесс в резонаторе лазера 1. При установ-
ке в измерительный резонатор пластины из изме-
ряемого образца 9 происходит изменение его оп-
тической длины. Чтобы восстановить настройку в
резонанс, необходимо переместить зеркало 5
вдоль оси. Поскольку величина ПП исследуемого
вещества образца 9 больше величины ПП возду-
ха, то для восстановления настройки резонатора
необходимо уменьшить расстояние между зерка-
лами 4 и 5. Измерив величину перемещения ΔL
зеркала 5, можно определить величину ПП плас-
тины 9 с помощью формулы:
12 n
d
Ld
n
,
где d – осевая длина исследуемого материала
(геометрическая толщина пластины 9 из исследу-
емого материала); n1 – значение ПП воздуха.
Рис. 26. Схема установки для измерения величины показателя
преломления пластины из прозрачного вещества в ТГц-диа-
пазоне
На основе данного принципа нами разра-
ботан ряд измерительных установок и методик
для измерения ПП твердых, жидких и газообраз-
ных веществ с достаточной точностью. Проведе-
ны тестовые измерения материалов с извест-
ным ПП, которые подтвердили достоверность
результатов измерений.
Погрешность измерения зависит от тол-
щины измеряемого материала, добротности до-
полнительного резонатора и погрешности изме-
3 4 5 6 7 2 1
9
8 d
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 75
рения механизма перемещения. Значительное
повышение точности измерения можно получить
при увеличении толщины исследуемого образца.
Однако при увеличении толщины этого образца
происходит увеличение потерь в измерительном
резонаторе и снижение его добротности, что
сглаживает резонансный пик мощности и не поз-
воляет с достаточной точностью настроить резо-
натор на пик интенсивности излучения. Эту про-
блему позволяет устранить измерительная схема,
в которой измеряемый образец помещается в ла-
зерный резонатор [61]. Общий принцип такой
установки в варианте измерения газообразных
веществ показан на рис. 27.
Рис. 27. Схема измерительной установки для определения
величины ПП газообразных веществ
Измерительной установкой служит пере-
оборудованный ТГц-лазер с резонатором, образо-
ванным зеркалами 1, 2. Плоское металлическое
зеркало 1 снабжено микрометрическим механиз-
мом 3 для перемещения его вдоль оси резонатора.
Зеркало 2 выполнено частично прозрачным и
служит для вывода мощности генерируемого
лазером излучения в приемник 6. Между зерка-
лами 1 и 2 резонатора расположены измеритель-
ная кювета 4 с исследуемой средой и полость 5 с
активной лазерной средой.
Последовательность операций в процессе
измерения следующая. Сначала в измерительной
кювете 4 создается вакуум. Перемещая зеркало 1
с помощью микрометрического механизма 3,
устанавливают максимум мощности лазерной
генерации, что соответствует настройке резона-
тора в резонанс на центральной частоте линии
излучения активной среды 5. Затем кювета 4
заполняется исследуемым газообразным вещест-
вом. Это вызывает изменение среднего показате-
ля преломления в резонаторе, его расстройку и
уменьшение интенсивности или исчезновение
лазерной генерации. Для восстановления устой-
чивой генерации необходимо возобновить на-
стройку путем перемещения зеркала 1 с помощью
механизма 3. Подстройка лазера производится
синхронно с подачей газа, чтобы резонатор оста-
вался настроенным на один и тот же пик генера-
ции .2/0N Величина перемещения L регистри-
руется по микрометрической шкале механизма 3.
Абсолютное значение величины показателя пре-
ломления исследуемого вещества определяют по
формуле:
LLL
LL
n
р
р
21к
11к
2 ,
где Lк1 – длина измерительной кюветы 4 до за-
полнения ее исследуемым веществом; L – изме-
нение расстояния между зеркалами 1 и 2 резона-
тора лазера; Lр1, Lр2 – изменение длины кюве-
ты, вызванное изменением давления.
При использовании измерительной кюве-
ты 4 длиной 1 м и микрометрического устройства
перемещения 3 с ценой деления 1 мкм расчетная
погрешность измерения величины ПП составляет
10
–6
. Погрешность измерения может быть сни-
жена, по крайней мере, на 1–2 порядка за счет
увеличения длины измерительной кюветы и при-
менения микрометрической шкалы механизма
перемещения с соответствующей це ной деления.
Отношение длин измерительной кюветы и актив-
ной среды лазера необходимо выбирать с учетом
интенсивности затухания лазерного излучения в
кювете 4 с исследуемым веществом и обеспече-
ния требуемого для измерений уровня выходной
мощности. Такую измерительную установку
можно переоборудовать для исследования твер-
дых или жидких веществ.
Разработанные методы с использованием
ТГц-лазера открывают широкие возможности
измерения ПП прозрачных веществ в ТГц-диапа-
зоне. Они дают возможность производить как
оперативные экспресс-измерения, не требующие
высокой точности, так и высокоточные измере-
ния. Измерениям могут подвергаться твердые,
жидкие и газообразные материалы и вещества.
Газообразные вещества могут исследоваться при
различных давлениях. Общим требованием к ис-
следуемым веществам является достаточная их
прозрачность, чтобы определенная часть ТГц-
излучения проходила через эти вещества. Разра-
ботанные методы могут найти применение как в
научных исследованиях, так и в соответствующих
конструкторских разработках.
9.2. Использование ТГц-лазеров в меди-
цине и биологии. На протяжении нескольких деся-
тилетий проводились многочисленные исследо-
вания воздействия ТГц лазерного излучения на
различные биообъекты. Исследованы различные
режимы воздействия ТГц-излучения на различ-
ных лабораторных животных [64–70]. Было вы-
явлено позитивное воздействие низкоинтенсив-
ного ТГц-излучения при заживлении ран и вос-
становлении костных тканей. Установлено, что
модуляция лазерного излучения оказывает сущест-
венное влияние на эффективность воздействия.
Выявлено, что лазерное ТГц-излучение ускоряет
заживление инфицированных ран, но не оказывает
непосредственного бактерицидного воздействия.
Непосредственное облучение бактериальных ко-
лоний ускоряет их рост. Это позволяет предпо-
3 4 5
6
1 2
Lк
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
76 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
ложить, что полезный эффект ТГц-излучения за-
ключается в его положительном влиянии на им-
мунную систему живых организмов. На основа-
нии этого проведены исследования влияния
ТГц-излучения на онкологические заболевания,
при борьбе с которыми иммунная система играет
ключевую роль. Опыты проводились на лабора-
торных животных [68–70]. Установлено, что
ТГц-излучение оказывает замедляющее воздейст-
вие на рост опухолей, приближающееся по эф-
фективности к рентгеновскому излучению. При
этом побочных эффектов от воздействия ТГц-
излучения не обнаружено. Проведенные исследо-
вания позволяют сделать вывод о целесообраз-
ности дальнейших исследований в этой области.
Выводы. Работы по исследованию
и совершенствованию газоразрядных лазеров
ТГц-диапазона проводились в ИРЭ АН Украины
им. А. Я. Усикова, совместно с другими организа-
циями, на протяжении более 30 лет. По этой те-
матике опубликовано более 200 печатных трудов.
В статье приведены основные результаты
экспериментальных и теоретических исследова-
ний газоразрядных лазеров ТГц-диапазона, кото-
рые проводились в ИРЭ НАН Украины им.
А. Я. Усикова как самостоятельно, так и в со-
трудничестве с другими организациями. В ходе
этих исследований было дано объяснение некото-
рым эффектам и особенностям процесса генера-
ции лазерного излучения. На основании прове-
денных исследований были разработаны новые
пути и технические решения, которые позволили
улучшить параметры ТГц-лазеров и расширить
область их применения.
Основные результаты проведенных работ
заключаются в следующем.
Разработаны и созданы новые типы ла-
зерных резонаторов:
– резонаторы с плавной регулировкой вывода
излучения;
– резонаторы, не требующие точной юсти-
ровки зеркал;
– многочастотные резонаторы с плавной
настройкой частот без использования частотно-
измерительной аппаратуры.
Усовершенствованы и разработаны новые
способы накачки газоразрядных лазеров.
Предложены новые пути повышения
мощности и КПД лазеров.
Разработаны новые лазерные установки
для проведения ряда физических исследований и
измерений, а также для применения в области
медицинских исследований.
Библиографический список
1. Gebbie H. A., Stone X. W., Findlay F. D. Stimulated Emis-
sion 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 миллиметро-
вого и субмиллиметрового диапазонов длин волн, выпол-
ненные 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 субмиллимет-
ровый лазерный интерферометр для диагностики плазмы.
Приборы и техника эксперимента. 1981. № 1. С. 149–151.
5. Горбунов Е. П., Кулешов Е. М., Нестеров П. К., Скосы-
рев 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., Радио-
нов 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. Радио-
физика 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. Валито-
ва. 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. Радиофи-
зика 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., Шев-
цов Б. Н., Гращенкова Т. Н. Гипервысокочастотная лазер-
ная установка для биомедицинских исследований. Радио-
физика 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. Индуктив-
ный 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
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 77
Waves (MSMW): proc. (Kharkov, 25–30 June 2007). Khar-
kov, 2007. Vol. 1. Р. 272–274.
18. Газорозрядний субміліметровий лазер: пат. 86298 Украї-
на: 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 термо-
стабилизацией 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 рассея-
ние волн. Киев: Наукова думка, 1986. Т. 1. 227 с.
25. Каменев Ю. Е., Кулешов, Е. М., Радионов, В. П., Филимо-
нова А. А. Деполяризация излучения в HCN-лазере. Кван-
товая электроника. 1994. Т. 21, № 10. С. 941–942.
26. Горшунов Б. П., Лебедев С. П., Масалов С. А. Использо-
вание металлических решеток в качестве фазовых пласти-
нок 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 elec-
tromagnetic 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 Engi-
neering. 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 gradi-
ent grating period guided-mode resonance filter. IEEE Pho-
tonics 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. Op-
tics 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., Филимо-
нова А. А. Субмиллиметровый HCN лазер с уголковыми
отражателями. Межд. симп. «Физика и техника милли-
метровых 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 субмиллимет-
рового 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 юсти-
ровки зеркал в лазерах терагерцевого диапазона. Кванто-
вая электроника. 2014. Т. 44, № 10. С. 981–983.
37. Radionov V. P., Kiseliov V. K. Conical 90° Mirrors for Te-
rahertz Laser Resonator. Telecommunications and Radio En-
gineering. 2015. Vol. 74, N 4. P. 337–343.
38. Вивідне дзеркало лазерного резонатора: пат. 78870
Укpаїнa: МПК7 H01S3/08 / Ю. Ю. Каменєв, Г. О. Філімо-
нова. 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 про-
волочных 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 перемен-
ной 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. Приме-
нение субмиллиметровго HCN-лазера для определения
электродинамических параметров одномерных проволоч-
ных 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 випромінюван-
ня 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 випромінюван-
ня 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 wave-
guide 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. Радио-
нов, 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 випромінюван-
ня 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. Многоча-
стотное излучение в субмиллиметровых лазерах. Кванто-
вая электроника. 1984. T. 11. № 1. С. 213–214.
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
78 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
56. Каменев Ю. Е., Кулешов Е. М. Двухчастотная генерация с
ортогональными поляризациями в HCN лазере. Кванто-
вая 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. Не-
стеров. № 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 пере-
стройкой частоты излучения в пределах контура усиле-
ния. Радиофизика и электроника. Сб. науч. тр. Ин-т ра-
диофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2005.
Т. 10, № 1. С. 150–153.
61. Спосіб визначення показника заломлення прозорих речо-
вин: 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 Sub-
stance 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 измере-
ния показателя преломления прозрачных веществ в тера-
герцевом 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., Шев-
цов Б. Н., Гращенкова Т. Н. Гипервысокочастотная лазер-
ная установка для биомедицинских исследований. Радио-
физика 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 регулиро-
вания 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., Каме-
нев Ю. Е., Корж В. Г. Взаимодействие макромолекуляр-
ных структур эритроцитов с электромагнитным излучени-
ем 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. Tele-
communications 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 investi-
gation of the influence of HHF-radiation on the tumor pro-
cesses. 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 Micro-
wave radiation: Generation, Detection and Applications
(TERA 2012): Abstract book., Moscow, Russia, 20–22 June
2012. P.133.
REFERENCES
1. Gebbie, H. A., Stone, X. W., Findlay, F. D., 1964. Stimulated
Emission Source at 0.34 Millimeter Wave-Length. Nature,
202(4933), p. 685.
2. Hocker, L. O., Javan, A., 1968. Absolute friquency measure-
ments on new СW DCN submillimeter laser lines. Appl. Phys.
Lett., 12(8), pp. 124–125.
3. Svich, V. A., Dyubko, S. F., Kuzmitchov, V. M., Shulga, V. M.,
2004. Investigations in the framework of the problem of
mastering the millimeter and submillimeter wavelength ranges
performed at the Department of Radiophysics. Physical sur-
face engineering, 2(1–2), pp. 79–95 (in Russian).
4. Epishin, V. A., Pokormyakho, N. G., Svich, V. A., Topkov, A. N.,
Urinson, A. S., Yundev, D. N., 1981. Waveguide submillime-
ter laser interferometer for plasma diagnostics. Pribory i
tekhnika eksperimenta, 1, pp. 149–151 (in Russian).
5. Gorbunov, E. P., Kuleshov, E. M., Nesterov, P. K., Skosyrev, Yu. V.,
Khilil', V. V., 1994. Laser interferometer-polarimeter of sub-
millimeter range for measurement of poloidal field on Toka-
mak 15. Fizika plazmy, 20(1), pp. 17–19 (in Russian).
6. Kiseliov, V. K., Makolinets, V. I., Mitryaeva, N. A., Radio-
nov, V. P., 2012. Application of terahertz laser technology to
investigate the influence of HFO radiation on the tumor pro-
cess. Radiofizika i elektronika, 3(17)(2), pp. 95–101 (in Russian).
7. Kiselev, V. K., Kuleshov, E. M., Laptiy, V. K., 2005. Investi-
gation of a gas-liquid HCN laser of the terahertz frequency
range with a hollow cathode of anomalous secondary emis-
sion. In: V. M. Yakovenko, ed. 2005. Radiofizika i elektronika.
Kharkov: IRE NAS of Ukraine Publ., 10(2), pp. 315–320
(in Russian).
8. Kamenev, Yu. E., 1999. HCN laser with cathode hollow.
Kvantovaya elektronika, 26(3), pp. 269–270 (in Russian).
9. Valitov, R. A. ed., 1969. The technique of submillimeter
waves. Мoscow: Sovetskoe radio Publ. (in Russian).
10. Dakhov, N. F., Kamenev, Yu. E., Kiselev, V. K., Kuleshov, E. M.,
Radionov, V. P., 1998. Submillimeter gas-discharge HCN laser
with internal film electrodes. In: V. M. Yakovenko, ed. 1998.
Radiofizika i elektronika. Kharkov: IRE NAS of Ukraine Publ.,
3(2), pp. 64–65 (in Russian).
11. Dahov, M. F., Kisel'ov, V. K., Kuljeshov, Je. M., Radionov, V. P.
Gas discharge submillimeter laser with external electrodes.
Ukraine. Pat. 60384 (in Ukrainian).
12. Kiselev, V. K., Kuleshov, E. M., Radionov, V. P., Dahov, N. F.,
Janovskij, M. S., Makolinec, V. I., Leont'eva, F. S., Shevcov, B. N.,
Grashhenkova, T. N., 2002. Hyper-high-frequency laser de-
vice for biomedical research. In: V. M. Yakovenko, ed. 2002.
Radiofizika i elektronika. Kharkov: IRE NAS of Ukraine Publ.,
7(1), pp. 133–136 (in Russian).
13. Dzjubenko, M. I., Litvinenko, L. N., Shevchenko, V. V.,
Dal'chenko, P. G., Danilevich, S. B., Mishhenko, V. P.,
Pjatikop, A. P., 1979. Creation of continuous lasers operating
in the wave band from 0.05 to 0.5 mm with an output power of
up to 500 mW for the diagnosis of high-temperature plasma:
report on R D "Dunaj". Kharkov: IRE NAS of Ukraine
Publ. GR no. 77.076.126 (in Russian).
14. Kuleshov, E. M., Kamenev, Ju. E., Radionov, V. P., 1989.
Inductive high-frequency discharge in sub-mm range lasers.
In: 2nd Vsesojuznoe soveshhanie "High-frequency discharge
in wave fields": proc. Kuibyshev, 1989. (in Russian).
15. Dahov, M. F., Kisel'ov, V. K., Kuljeshov, Je. M., Radionov, V. P.,
2003. Gas-discharge submillimeter laser. Ukraine. Pat. 55720А
(in Ukrainian).
16. Kiseliov, V. K., Radionov, V. P., Dachov, N. F., 2010. Influ-
ence of synthesis time of the lasant and intensity of on
terahertz gas-discharge HCN-laser parameters. Telecommuni-
cation and Radio Еngineering, 69(14), pp. 1277–1283.
17. Kiseliov, V. K., Radionov, V. P., 2007. Terahertz gas-
discharge laser with additional dicharge section. In: 2007 Int.
Kharkov Symp. Physics and Engineering of Millimeter and
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 79
Sub-Millimeter Waves (MSMW): proc. Kharkov, Ukraine,
25–30 June 2007. IEEE.
18. Kisel'ov, V. K., Radionov, V. P., 2009. Gas-discharge submilli-
meter laser. Ukraine. Pat. 86298 (in Ukrainian).
19. Dakhov, N. F., Kiselev, V. K., Kuleshov, E. M., Radionov, V. P.,
2003. Biomedical hyperhigh-frequency laser with thermal sta-
bilization of the discharge tube. Proc. XX Int. Scientific and
Practical Conf. Application of Lasers in Medicine and Biology.
Yalta, Ukraine, 8–11 oct. 2003 (in Russian).
20. Mathias, L. E., Crocker, A., Wills, M. S., 1965. Laser oscilla-
tions at submillimetre wavelengths from pulsed gas discharges
in compounds of hydrogen, carron, and nitrogen. Electron.
Lett., 1(2), pp. 45–46.
21. Sachar, V., Braner, E., 1967. Time dependence of the power
otput at 337 in a CN laser. Appl. phys. lett., 10(8), pp. 232–234.
22. Kiseliov, V. K., Radionov, V. P., 2010. Phenomenon of pulse
lasing bifurcation in the alternating current pumped HCN
laser. Telecommunication and Radio Еngineering, 69(14),
pp. 1293–1299.
23. Kiseliov, V. K., Radionov, V. P., 2011. Graphical Modeling
of THz Gas-Discharge Laser Radiation Pulse Shape. Radio-
fizika i elektronika, 2(16)(3), pp. 95–101 (in Russian).
24. Shestopalov, V. P., Kirilenko, A. A., Masalov, S. A.,
Sirenko, Yu. K., 1986. Diffraction gratings. Resonance scat-
tering of waves. Vol. 1. Kiev: Naukova dumka Publ. (in Rus-
sian).
25. Kamenev, Yu. E., Kuleshov, E. M., Radionov, V. P., Filimo-
nova, A. A., 1994. Depolarisation of the output radiation of an
HCN laser. Quantum Electron., 24(10), pp. 878–879.
26. Gorshunov, B. P. Lebedev, S. P., Masalov, S. A., 1984. The
use of metal gratings as phase plates of the submillimeter
range. Zh. Tekh. Fiz., 54(4), pp. 825–827 (in Russian).
27. Baron, T., Euphrasie, S., Mbarek, S. B., Vairac, P., Cretin, B.,
2009. Design of metallic mesh absorbers for high bandwidth
electromagnetic waves. Progress In Electromagnetics Re-
search C, 8, pp. 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., 2014. Generation
of transverse modes with azimuthal polarization in a terahertz
band waveguide laser. Telecommunications and Radio Engi-
neering, 73(20), pp. 1819–1830.
29. Verslegers, L., Catrysse, P. B., Yu, Z., White, J. S., 2009.
Planar lenses based on nanoscale slit arrays in a metallic film.
Nano Lett., 9(1), pp. 235–238.
30. Lin, H.-A., Huang, C.-S., 2016. Linear variable filter based on
a gradient grating period guided-mode resonance filter. IEEE
Photonics Technol. Lett., 28(9), pp. 1042–1045.
31. Shi, H., Wang, C., Du, C., Luo, X., Dong, X., Gao, H., 2005.
Beam manipulating by metallic nano-slits with variant widths.
Optics Express, 13(18), pp. 6815–6820.
32. Dzjubenko, M. I., Maslov, V. O., Radionov, V. P., 2017.
Azimuthal output mirror of laser resonator. Ukraine. Pat.
115126 (in Ukrainian).
33. Dzyubenko, M. I., Maslov, V. A., Radionov, V. P., 2016.
Applying of the flat circular metal gratings as spherical output
mirrors of terahertz lasers. In: Proc. Int. Symp. Physics and
Engineering of mm and Sub-mm Waves (MSMW-16). Khar-
kov, Ukraine, June 2016.
34. Kuleshov, E. M., Kamenev, Ju. E., Radionov, V. P., Filimo-
nova, A. A., 1994. Submillimeter HCN laser corner reflectors.
In: Proc. Int. Symp. Physics and Engineering of mm and Sub-
mm Waves. Kharkov, Ukraine, 1994 (in Russian).
35. Kamenev, Yu. E., Kuleshov, E. M., 1995. Characteristics of
the application of retroreflectors in submillimetre laser. Quan-
tum Electron., 25(8). Р. 817–818.
36. Radionov, V. P., Kiseliov, V. K., 2014. Application of conical
90-degree reflectors for solving the problem of mirror align-
ment in terahertz-range lasers. Quantum Electron., 44(10),
pp. 981–983.
37. Radionov, V. P., Kiseliov, V. K., 2015. Conical 90° Mirrors
for Terahertz Laser Resonator. Telecommunications and
Radio Engineering,74(4), pp. 337–343.
38. Kamenjev, Ju. Ju., Filimonova, G. O., 2007. Оutput mirror of
laser resonator. Ukraine. Pat. 78870 (in Ukrainian).
39. Kamenev, Yu. E., Маsаlоv, S. А., Filimonova, А. А., 2006.
HCN laser with an adaptive output mirror. Quantum Electron.,
36(9), pp. 849–852.
40. Kamenev, Ju. E., Masalov, S. A., Filimonova, A. A., 2006.
HCN laser with hybrid output mirror. In: V. M. Yakovenko,
ed. 2006. Radiofizika i elektronika. Kharkov: IRE NAS of
Ukraine Publ., 11(2), pp. 270–274 (in Russian).
41. Andrenko, S. A., Kamenev, Ju. E., 2011. Application of HCN-
laser for measuring phase characteristics of one-dimensional
wire gratings. Radiofizika i elektronika, 2(16)(1), pp. 50–53 (in
Russian).
42. Kisel'ov, V. K., Radyonov, V. P., 2016. Оutput mirror of laser
resonator. Ukraine. Pat. 111353 (in Ukrainian).
43. Kamenev, Ju. E., Kuleshov, E. M., Kiselev, V. K., Litvinov, D. D.,
Polupanov, V. N., 1984. Waveguide gas laser. USSR Autorsʼ
Certificate 111,165,7 (in Russian).
44. Kamenev, Ju. E., Kuleshov, E. M., 1989. Subm-lasers with
variable quasi-optical coupling. In: E. M. Kuleshov, ed. 1989.
Quasioptic equipment of mm and submm wave bands. Khar-
kov: IRE AS of UkrSSR Publ. Pp. 156–162 (in Russian).
45. Kamenev, Yu. E., Маsаlоv, S. А., Filimonova, А. А., 2005.
Application of a submillimetre HCN laser for determining the
electrodynamic parameters of one-dimensional wire gratings
Quantum Electron., 35(4), pp. 375–377.
46. Kisel'ov, V. K., Radionov, V. P., 2010. Laser with smooth
regulation of radiation output from the resonator. Ukraine.
Pat. 91610 (in Ukrainian).
47. Kisel'ov, V. K., Radionov, V. P., 2014. Laser with smooth
regulation of radiation output from the resonator. Ukraine.
Pat. 105802 (in Ukrainian).
48. Radionov, V. P., Maslov, V. O., 2016. Laser with smooth
regulation of radiation output from the resonator. Ukraine.
Pat. 110672 (in Ukrainian).
49. Dzjubenko, M. I., Maslov, V. O., Radionov, V. P., 2016.
Laser with smooth regulation of radiation output from the reso-
nator. Ukraine. Pat. 113216 (in Ukrainian).
50. Dzyubenko, M. I., Maslov, V. A., Radionov, V. P., 2016.
Terahertz waveguide laser with smooth adjustment of feed-
back. In: Proc. 7th Int. Conf. Advanced Optoelectronics and
Lasers (CAOL*2016). Odessa, Ukraine, 12–15 Sept. 2016.
51. Korobov, A. M., Radyonov, V. P., Kamenev, Ju. E., 1992.
Laser. USSR Autorsʼ Certificate 182,983,2 (in Russian).
52. Dzyubenko, M. I., Maslov, V. A., Radionov, V. P., 2016.
Laser resonator with infinitely adjustable of light output. In:
13th Int. Conf. Laser and Fiber-optical Networks Modeling,
(LFNM*2016). Odessa, Ukraine, 13–15 Sept. 2016.
53. Dzjubenko, M. I., Maslov, V. O., Radionov, V. P., 2017.
Laser with smooth regulation of radiation output from the reso-
nator. Ukraine. Pat. 114127 (in Ukrainian).
54. Kisel'ov, V. K., Radionov, V. P., 2007. Two-frequency annu-
lar gas-discharge laser. Ukraine. Pat. 78871 (in Ukrainian).
55. Kamenev, Ju. E., Kuleshov, E. M., Lebedenko, A. N., 1984.
Multifrequency emission from submillimeter lasers. Kvanto-
vaja elektronika., 11(1), pp. 213–214 (in Russian).
56. Kamenev, Ju. E., Kuleshov, E. M., 1987. Two-frequency
stimulated emission of radiation with orthogonal polarizations
from an HCN laser. Kvantovaja elektronika., 14(12), pp. 236–
238 (in Russian).
57. Kamenev, Ju. E., Kuleshov, E. M., 1989. Submillimeter laser
with internal amplitude modulation. USSR. Pat. 1127515 (in
Russian).
58. Kisel'ov, V. K., Radionov, V. P., Nesterov, P. K., 2014. Multi-
frequency terahertz laser. Ukraine. Pat. 106643 (in Ukrainian).
59. Radionov, V. P., Nesterov, P. K., Kiseliov, V. K., 2015.
Methods of producing multifrequency generation in the laser
terahertz resonator. Radiofizika i elektronika., 6(20)(2),
pp. 78–82 (in Russian).
60. Radionov, V. P., 2005. Submillimeter laser with continuous
tuning of frequency of radiation within the limits of cutout
signal multiplication. In: V. M. Yakovenko, ed. 2005.
М. И. Дзюбенко и др. / Газоразрядные лазеры терагерцевого…
_________________________________________________________________________________________________________________
80 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
Radiofizika i elektronika. Kharkov: IRE NAS of Ukraine Publ.,
10(1), pp. 150–153 (in Russian).
61. Kisel'ov, V. K., Dzjubenko, M. I., Radyonov, V. P., 2013.
Method of determining refractive index of transparent sub-
stances. Ukraine. Pat. 103393 (in Ukrainian).
62. Dzyubenko, М. I., Kiseliov, V. K., Radionov, V. P., 2015.
Resonator Methods of Measuring Refractive Index of a
Transparent Substance in the Terahertz Band. Telecommuni-
cations and Radio Engineering, 74(8), pp. 725–733.
63. Dzjubenko, M. I., Radionov, V. P., 2017. Laser method for
measuring the refractive index of transparent substances in the
terahertz range. Ukrai'ns'kyj metrologychnyj zhurnal, 1,
pp. 11–14 (in Russian).
64. Kiselev, V. K., Kuleshov, E. M., Radionov, V. P., Dahov, N. F.,
Janovskij, M. S., Makolinec, V. I., Leont'eva, F. S., Shevcov, B. N.,
Grashhenkova, T. N., 2002. Hyper-high-frequency laser instal-
lation for biomedical research. In: V. M. Yakovenko, ed. 2002.
Radiofizika i elektronika. Kharkov: IRE NAS of Ukraine Publ.
7(1), pp. 133–136 (in Russian).
65. Kamenev, Yu. E., Kuleshov, E. M., Kiselev, V. K., Makoli-
nets, V. I., Timoshenko, O. P., Shevtsov, B. N., 1994. Consid-
eration of the possibility of using coherent EHF radiation to
regulate the intensity of metabolic reactions in the body. In:
A. A. Vertiy, ed. 1994. Application of radio waves mm and
submm ranges. Kharkov: IRE NAS of Ukraine Publ. Pp. 47–
49 (in Russian).
66. Kolesnikov, V. G., Dreval', N. V., Kondakova, A. K., Kame-
nev, Yu. E., Korzh, V. G., 2007. Interaction of macromolecu-
lar structures of erythrocytes with electromagnetic radiation of
the terahertz range of radio waves. Dermatologija ta
venerologija, 2(36), pp. 9–14 (in Russian).
67. Skolozhabskij, A. A., Kiselev, V. K., Mizrahi, S. V., Radio-
nov, V. P., Tihona, G. S., Bezvesil'naja, A. V., 2010. Study of
the ultrastructural morphology of a bioobject under irradiation
conditions Zagal'na patologija ta patologichna fiziologija,
5(4), pp. 80–93 (in Russian).
68. Kiseliov, V. K., Makolinets, V. I., Mitryaeva, N. A., Radio-
nov, V. P., 2012. Application of terahertz laser technology to
investigate the influence of HHF radiation on the tumor pro-
cess. Telecommunications and Radio Engineering, 71(17),
pp. 1617–1626.
69. Kiseliov, V. K., Makolinets, V. I., Mitryaeva, N. A., Radi-
onov, V. P., 2012. Application of terahertz lasers setup for the
investigation of the influence of HHF-radiation on the tumor
processes. In: The 37th Int. Conf. Infrared, Millimeter and
Terahertz Waves (IRMMW-THz). Wollongong, Australia,
23–28 Sept. 2012.
70. Kiseliov, V. K., Makolinets, V. I., Mitryaeva, N. A., Radi-
onov, V. P., 2012. The research of the terahertz radiation in-
fluence on the tumor processes. In: The 2nd Int. Conf. Te-
rahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and
Applications (TERA 2012): Abstract book. Moscow, Russia,
20–22 June 2012.
Рукопись поступила 11.07.2017.
M. I. Dzyubenko, Y. E. Kamenev, V. P. Radionov
GAS-DISCHARGE LASERS
OF THE TERAHERTZ RANGE
The terahertz (THz) frequency range now attracts much
attention of researchers and consumers in connection with many
possibilities of using it for solving a number of practical problems in
science, technology and medicine. Therefore, the development of
new sources of radiation and the improvement of the existing ones
are actual. The results of experimental and theoretical studies of gas-
discharge THz-lasers, and numerous studies of the features of their
work have been summarized in the paper. A number of new devel-
opments aimed at increasing the efficiency and expanding the func-
tionality of gas-discharge terahertz lasers have been presented. New
methods of pumping gas-discharge lasers, which were developed,
have been presented. We have proposed new technical solutions
which allow increasing the power and efficiency of the laser by
optimizing the synthesis of the active substance and eliminating the
negative impact of synthesis by-products. New methods for model-
ing the shape of laser pulses in lasers pumped with pulsed current
and alternating low-frequency current have been presented. New
types of laser resonators and new varieties of mirrors have been
proposed and created and they have been presented in this work.
Laser resonators with mirrors that do not require accurate alignment
have been developed. Partially transparent mirrors, in the form of flat
periodic structures that combine the functions of concave mirrors
and focusing lenses, have been proposed. These mirrors can reduce
the diffraction loss of laser radiation. Resonators with new principles
of smooth regulation of radiation output from them, have been pre-
sented. Multifrequency lasers have been developed. Systems for the
smooth adjustment of the frequency of electromagnetic laser radia-
tion, in which adjustment is carried out without the use of frequency
measuring equipment, have been designed for these lasers. All these
new developments, presented here, have made it possible to improve
the parameters of terahertz lasers and to expand their field of applica-
tion. Some applications of THz lasers, in particular medical applica-
tions and in the field of measurement have been presented. New
ways of measuring the refractive indices of various substances and
materials in the THz range, using the developed lasers, have also
been presented in this work.
Key words: gas-discharge laser, terahertz range,
resonator, active substance.
М. І. Дзюбенко, Ю. Є. Каменєв, В. П. Радіонов
ГАЗОРОЗРЯДНІ ЛАЗЕРИ
ТЕРАГЕРЦОВОГО ДІАПАЗОНУ
Терагерцовий (ТГц) діапазон частот на цей час
привертає велику увагу дослідників і споживачів у зв’язку з
широкими можливостями застосування його для вирішення
цілої низки практичних завдань у науці, техніці та медицині.
Тому розробка нових джерел випромінювання і вдосконален-
ня вже існуючих є актуальною. В роботі наведено результати
експериментальних і теоретичних досліджень газорозряд-
них лазерів ТГц-діапазону, узагальнено численні досліджен-
ня особливостей їх роботи. Представлено низку розробок,
спрямованих на підвищення ефективності та розширення
функціональних можливостей газорозрядних ТГц-лазерів.
Розроблено нові способи накачування газорозрядних лазерів.
Запропоновано нові технічні рішення, що дозволяють підви-
щити потужність і ККД лазера завдяки оптимізації процесу
синтезу активної речовини та усуненню негативного впливу
побічних продуктів синтезу. Розроблено методики моделю-
вання форми імпульсів генерації в лазерах з накачуванням
імпульсним струмом і змінним струмом низької частоти. За-
пропоновано та створено нові типи лазерних резонаторів і
нові різновиди дзеркал. Розроблено лазерні резонатори з дзер-
калами, що не вимагають ретельного юстування. Запропоно-
вано частково прозорі дзеркала у вигляді плоских періодич-
них структур, що поєднують в собі функції увігнутих дзеркал
і фокусуючих лінз, що дозволяє знизити дифракційні втрати
лазерного випромінювання. Представлено резонатори з нови-
ми принципами плавного регулювання виведення випроміню-
вання. Розроблено багаточастотні лазери і системи плавного
регулювання частоти їх випромінювання без використання
частотовимірювальної апаратури. Все це дозволило поліпши-
ти параметри ТГц-лазерів і розширити область їх застосуван-
ня. Представлено деякі галузі застосування ТГц-лазерів, зок-
рема в медичних цілях і в області вимірювань. Розроблено
нові способи вимірювання показників заломлення різних
речовин і матеріалів у ТГц-діапазоні з використанням створе-
них лазерів.
Ключові слова: газорозрядний лазер, терагерцовий
діапазон, резонатор, активна речовина.
|