Е.В. Богатырев1, Р.Г. Галеев2, К.А. Игнатков3, А.С. Лучинин4, В.Я. Носков5

1,2 АО «НПП «Радиосвязь» (г. Красноярск, Россия)

1,2 Сибирский федеральный университет (г. Красноярск, Россия)

3‑5 Уральский федеральный университет имени первого Президента России (г. Екатеринбург, Россия)

3‑5 Институт радиоэлектроники и информационных технологий (г. Екатеринбург, Россия)

1,2 info@krtz.su, 3 k.a.ignatkov@urfu.ru, 4 r303las@mail.ru, 5 v.y.noskov@urfu.ru

Постановка проблемы. Автодинные датчики и измерители параметров движения объектов на основе полупроводниковых лазерных модулей находят широкое применение в различных отраслях науки и техники. Принцип действия этих устройств основан на том, что часть рассеянного исследуемым объектом лазерного излучения вновь направляется в его резонатор
лазера, где нелинейно взаимодействет с активной средой лазера, вызывая так называемый автодинный эффект, состоящий в изменении генерируемого лазером поля излучения. Другой вариант выполнения автодинного датчика предусматривает
выделение сигнала в цепи смещения лазера, что дополнительно упрощает конструкцию устройства.

Цель. Расширить теорию лазерных автодинов для малых расстояний до отражающего объекта для условия быстрого движения отражателя.

Результаты. Проведено моделирование сигналов лазерных автодинных датчиков в условиях быстрого движения отражателя, когда необходимо учитывать произвольное соотношение периода автодинного сигнала и времени запаздывания отраженного излучения. Показано решение исходных уравнений путем разложения в ряд функций запаздывающего воздействия.
Выполнены расчеты сигнальных характеристик при различных нормированных дальностях до объекта локации и уровнях
отраженного излучения, характеризуемых обобщенным параметром обратной связи. Получены новые в теории лазерных
автодинных датчиков результаты, из которых следует, что с увеличением скорости объекта локации, когда время запаздывания отраженного излучения становится соизмеримым или более периода автодинного сигнала, уровень его ангармонических искажений существенно уменьшается.

Практическая значимость. Полученные в данной работе результаты необходимо учитывать при обработке сигналов в аппаратуре, использующей автодинный принцип построения лазерных приемопередатчиков.

Богатырев Е.В., Галеев Р.Г., Игнатков К.А., Лучинин А.С., Носков В.Я. Моделирование сигналов лазерных автодинов при быстро движущемся отражателе // Успехи современной радиоэлектроники. 2025. T. 79. № 1. С. 17–29. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202501-02

1. Giuliani G., Norgia M., Donati S., Bosch T. Laser diode self-mixing technique for sensing applications (Review article) // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 2002. Vol. 4. P. 283–294. DOI: 10.1088/1464-4258/4/6/371.
2. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та. 2003.
3. Усанов Д.А., Скрипаль А.В. Полупроводниковые лазерные автодины для измерения параметров движения при микро- и наносмещениях. Саратов: Издательство Саратовского университета. 2014.
4. Donati S., Norgia M. Overview of self-mixing interferometer applications to mechanical engineering // Optical Engineering. 2018. V. 57. № 5. 051506. DOI: 10.1117/1.OE.57.5.051506.
5. Fluckiger D.U., Keyes R. J., Shapiro J.Н. David Fluckiger. Optical autodyne detection: theory and experiment // Applied Optics. 1987. V. 26. № 2. P. 318–325. DOI: 10.1364/AO.26.000318.
6. Lacot E., Glastre W., Jacquin O., Hugon O., de Chatellus H.G. Optimization of an autodyne laser interferometer for high-speed confocal imaging. Journal of the Optical Society of America A. // 2013. V. 30. № 1. P. 60–70. DOI: 10.1364/JOSAA.30.000060.
7. Patent US5825465A. Autodyne detection laser velocimeter / Nerin P., Besesty P., Giraud H., Mouttet A. Publication of Oct. 20, 1998.
8. Берштейн И.Л. Воздействие отраженного сигнала на работу лазера // Известия вузов. Радиофизика. 1973. Т. 16. № 4. C. 526–530.
9. Казаринов Р.Ф., Сурис Р.А. Гетеродинный прием света инжекционным лазером // ЖТФ. 1974. Т. 66. Вып. 3. C. 1067–1078.
10. Туманов Б.Н., Левит Б.И., Бабич А.С. Автодинный эффект в газовых лазерах // Известия вузов. Радиофизика. 1978. Т. 21. № 9. C. 1260–1267.
11. Левит Б.И. Исследование автодинного эффекта в квантовых генераторах: диссертация канд. физ.-мат. наук. Н. Тагил. 1981.
12. Гершензон Е.М., Туманов Б.Н., Бузыкин В.Т., Калыгина В.М., Левит Б.И. Общие характеристики и особенности автодинного эффекта в автогенераторах // Радиотехника и электроника. 1982. Т. 27. № 1. C. 104–112.
13. Lang R., Kobayashi S. External optical feedback effects on semiconductor injection laser properties // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1980. V. 16. № 3. Р. 347–355. DOI: 10.1109/JQE.1980.1070479.
14. Kobayashi S., Yamamoto Yо., Ito М., Kimura Т. Direct frequency modulation in AIGaAs semiconductor lasers // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1982. V. 18. № 4. Р. 582–595. DOI: 10.1109/JQE.1982.1071603.
15. Ohtsubo J. Semiconductor Lasers: Stability, Instability and Chaos (4-th Ed). Springer. 2017.
16. Соболев В.С., Уткин Е.Н., Щербаченко А.М., Столповский А.А., Кащеева Г.А. Активная лазерная интерферометрия: состояние и перспективы // Автометрия. 2004. Т. 40. № 6. С. 4–18.
17. Taimre T., Nikolic M., Bertling K., Lim Y.L., Rakic A.D., Bosch T. Laser Feedback Interferometry: A Tutorial on the Self-Mixing Effect for Coherent Sensing // Advances in Optics and Photonics. 2015. V. 7. № 3. P. 570–631. DOI: 10.1364/AOP.7.000570.
18. Acket G.A., Lenstra D., Boef J. den, Verbeek B.H. The influence of feedback intensity on longitudinal mode properties and optical noise in index-guided semiconductor lasers // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1984. V. 20. № 10. P. 1163–1169. DOI: 10.1109/JQE.1984.1072281.
19. Taimre T., Rakic A.D. On the nature of Acket’s characteristic parameter C in semiconductor lasers // Applied Optics. 2014. V. 53. P. 1001–1006. DOI: 10.1364/AO.53.001001.
20. Кальянов Э.В. Автопараметрическая система с запаздыванием и инерционностью // Журнал технической физики. 2007. Т. 77. № 8. С. 1–5.
21. Солодов А.В., Солодова Е.А. Системы с переменным запаздыванием. М.: Наука. 1980.
22. Коронкевич В.П., Соболев В.С., Дубнищев Ю.Н. Лазерная интерферометрия. Новосибирск: Наука. 1983.
23. Носков В.Я., Игнатков К.А. Динамические особенности автодинных сигналов // Известия вузов. Физика. 2013. Т. 56. № 4. С. 56–64.
24. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A. Autodyne signals in case of random delay time of the reflected radiation // Telecommunication and Radio Engineering. 2013. V. 72. № 16. P. 1521–1536. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v72.i16.70.
25. Носков В.Я., Игнатков К.А. Динамика формирования автодинного отклика СВЧ генераторов // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2013. Т. 56. № 5. С. 21–41. DOI: 10.20535/S0021347013050026.
26. Носков В.Я., Богатырев Е.В., Галеев Р.Г., Игнатков К.А., Вишняков Д.С. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 17. Переходные процессы радиоимпульсных автодинов // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. Т. 77. № 11. С. 5–36. DOI: 10.18127/j20700784-202311-01.