Фазово-поляризационная внутрирезонаторная селективная лазерная спектроскопия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ТБ О* , ц р

\ ^ ^НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И АТОМНОЙ ФИЗИКИ

УДК 535.33/.34

' МАШКО ВАСИЛИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ФАЗОВО-ПОЛЯРИЗАДИОННАЯ ВНУТРИРЕЗОНАТОРНАЯ СЕЛЕКТИВНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

01.04.05 - Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Минск - 1998

Работа выполнена в Институте молекулярной и атомной физики Национальной академии наук Беларуси

Научный консультант -

академик HAH Беларуси,

доктор физико-математических наук,

профессор Войтович А.П.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Казак Н:С.

доктор физико-математических наук, профессор Воропай Е.С.

доктор физико-математических наук, профессор Янковский АА.

Оппонирующая

организация - Научно-исследовательский институт

физики Санкт-Петербургского государственного университета

Защита состоится 22 декабря 1998 г. в 1430 на заседании совета по защите диссертаций Д 01.01.01 при Институте молекулярной и атомной физики HAH Беларуси (220072, Минск, пр. Ф. Скорины, 70, тел. 2841725).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института молекулярной и атомной физики HAH Беларуси.

Автореферат разослан ноября 1998 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций

кандидат физ.-мат. наук / " В А. Кузьмицкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Использование свойств лазерного излучения, таких как высокая спектральная плотность, когерентность, регулируемость спектральных, временных, поляризационных и пространствешгых характеристик в широких диапазонах позволило поставить спектроскопические исследования на качественно новый уровень, значительно расширить сферу их применений и получить огромный объем новой информации.

В настоящее время в ряду наиболее чувствительных стоят внутрирезонаторные методы лазерной спектроскопии (ВРЛС), дающие возможность регистрировать спектральные линии сред с коэффициентом поглощения до 10*11 см-1.

Высокая чувствительность характеристик выходного излучения лазеров к слабому изменению потерь резонатора вначале была использована для исследования поглощения и усиления газовых сред. При этом ширина спектра генерации была порядка ширины контура исследуемой спектральной линии среды, т.е. реализован неселективный вариант ВРЛС. Вскоре независимым образом появились селективные методы внутрирезонаторных исследовашш, основанные на применении широкополосных лазеров, имеющие наряду с общими чертами и существенные принципиальные отличия от неселективных, а также ряд преимуществ. В дальнейшем именно селективные методы получили наиболее широкое распространение.

Методы ВРЛС с высокой эффективностью применены для исследования слабопоглощающих сред с узкими спектральными линиями. Наиболее впечатляющие результаты получены в области оптики атмосферы, при изучении быстропротекающих химических реакций, плазмы, ряда нелинейных эффектов. Следует отметить, что обеспечивающие наибольшие преимущества ВРЛС селективные методы применялись в основном для абсорбционных измерений.

Внутрирезонаторная спектроскопия мало использовалась для исследования анизотропных сред и поляризационных явлений. Немногочисленные работы в этих направлениях были

выполнены в основном с узкополосными лазерами. Например, внутрирезонаторный эффект был применен для увеличения чувствительности измерений вращения плоскости поляризации света и фазовой анизотропии помещенной в лазерный резонатор среды по частотному расщеплению генерируемых ортогонально поляризованных мод. Были также предложены и реализованы внутрирезонаторные поляризационные методы нелинейной спектроскопии высокого разрешения.

Несмотря на то, что к настоящему времени достигнута чрезвычайно высокая предельная чувствительность внутрирезонаторных измерений, задача ее увеличения остается актуальной. Дело в том, что не всегда принципиально возможно реализовать оптимальные для получения наибольшей чувствительности условия измерений. Такая ситуация имеет место, например, при исследовании методами ВРЛС быстро протекающих процессов, когда используются лазеры с коротким импульсом генерации, либо при необходимости помещения в резонаторе дополнительных оптических элементов, что приводит к возрастанию интерференционных шумов в спектре генерации.

Указанные выше задачи можно эффективно решать с помощью фазово-поляризационных методов. Суть последних состоит в создании дополнительных частотно-зависимых потерь, возникающих за счет индуцированной в среде анизотропии. Эти потери несут информацию об анизотропии среды, в частности - о преобразовании поляризации света в ней. Таким образом, открываются перспективы исследования анизотропных сред и резонансных поляризационных явлений высокочувствительными методами селективной ВРЛС.

Поскольку фазово-поляризационные потери однозначно связаны с оптической плотностью среды и их частотный диапазон перекрывается с диапазоном поглощения, они мо1ут непосредственно влиять на чувствительность

внутрирезонаторных измерений. Особый интерес представляет выявление возможности и условий повышения чувствительности.

Помещение поглощающей среды в лазерный резонатор позволяет не только исследовать ее спектроскопические характеристики, но и решать важную обратную задачу управления параметрами генерируемого излучения. Эта задача

остается актуальной в связи с расширением сферы разнообразных применений лазеров. В ряде работ продемонстрирована высокая эффективность использования для этих целей резонансных фазово-поляризационных методов. При этом была осуществлена селекция генерируемых частот вблизи линий однофотонных атомных переходов с использованием поляризационных резонансов, индуцируемых продольным или поперечным магнитным полем в среде. Такие источники необходимы для решения многих задач спектроскопии, голографии, лазерной фотохимии, медицины и др. Актуальной задачей здесь является поиск других поляризационных эффектов, перспективных для создания узкополосных лазерных источников, а также продвижение в область многофотонных переходов. Ее решение требует детального изучения таких эффектов методами внутрирезонаторной спектроскопии и выявления условий, при которых абсорбционные провалы в спектре могут преобразовываться в резонансы мощности генерации широкополосного лазера.

Дополнительные потери оптического резонатора могут быть индуцированы не только фазово-поляризационными, но и фазовыми методами, основанными на быстром изменении его базы. Развитие фазовых методов представляет большой интерес для интерферометрии, оптической обработки информации, модуляции параметров лазерного излучения и др. При этом далеко не все принципиальные вопросы в фазовых методах были достаточно хорошо разработаны и совсем не изучены их возможности применительно к задачам ВРЛС. Такие исследования представляют несомненный интерес.

Таким образом, к моменту постановки настоящей работы были заложены прочные основы и продемонстрированы возможности в отдельности внутрирезонаторных селективных и фазово-поляризационных методов лазерной спектроскопии. Последние во внутрирезонаторном варианте только начинали использоваться для управления характеристиками генерации узкополосных газовых и широкополосных лазеров (в дальнейшем эти исследования получили широкое развитие как отдельное направление).

Распространение фазово-поляризационных методов в область внутрирезонаторной селективной лазерной

спектроскопии и развитие на этой основе новых применений ВРЛС является актуальной научной задачей. Она включает в себя исследование закономерностей внутрирезонаторного взаимодействия излучения с анизотропными средами и выяснение возможностей использования этих закономерностей для изучения резонансных поляризационных явлений, анизотропных сред, для точных измерений и управления характеристиками лазерного излучения.

Настоящая работа выполнепа с целью разработки физических основ фазово-поляризационной

впутрирезонаторной селективной лазерной спектроскопии, ее применения для исследования резонансных поляризационных явлений, выяснения новых возможностей повышения чувствительности внутрирезонаторных абсорбционных измерений, создания новых эффективных методов прецизионных измерений и управления характеристиками генерации широкополосных лазеров.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

-исследовать влияние анизотропии, индуцируемой внешними полями в поглощающей газовой среде, на параметры, определяющие чувствительность

внутрирезонаторных измерений, в том числе потери, вносимые средой с учетом насыщения поглощения световым; полем;

-изучить влияние характеристик анизотропных элементов лазерного внутрирезонаторного спектрометра на параметры используемого в аналитических целях абсорбционного провала в спектре внутрирезонаторного поглощения;

-разработать методику извлечения информации о резонансных поляризационных явлениях из спектров внутрирезонаторного поглощения;

-установить оптимальные условия проведения измерений методами фазово-поляризационной ВРЛС;

-подробно изучить свойства оптических резонаторов с быстро изменяющейся базой и выяснить возможности применения фазовых методов для целей ВРЛС.

Решение перечисленных задач позволило получить ряд новых научных результатов, среди которых наиболее важными являются следующие.

Показано, что резонансная анизотропия, индуцируемая внешним полем в атомарной поглощающей газовой среде, может, влияя на линейную и нелинейную части вносимых средой потерь, изменять глубину абсорбционного провала в спектре внутрирезонаторного поглощения.

Предложен метод фазово-поляризационной селективной внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, основанный на преобразовании анизотропии исследуемой среды в селективные потери резонатора широкополосного лазера.

Предложен принципиально новый путь увеличения чувствительности внутрирезонаторных измерений,

заключающийся в создании дополнительных потерь лазерного спектрометра на частотах поглощения среды. Реально при индуцировании циркулярной фазовой анизотропии в среде продольным магнитным полем достигнут рост чувствительности не менее чем на порядок.

Впервые экспериментально зарегистрирован и исследован нелинейный магнитооптический эффект - вращение плоскости поляризации света на частотах двухфотонного поглощения атомарной газовой среды в продольном магнитном поле.

Обнаружены, интерпретированы и исследованы резонансы в спектре внутрирезонаторного поглощения при изучении оптически плотных сред, помещенных в продольное магнитное поле. На этой основе предложен новый метод определения больших (до ~2х105 и выше) оптических плотностей.

Методами фазово-поляризационной ВРЛС исследованы и впервые применены для селекции частот генерации широкополосного лазера светоиндуцированные

поляризационные резонансы на частотах одно- и двухфотонного поглощения атомарной газовой среды. При этом привязка генерируемого спектра к линиям двухфотонного поглощения осуществлена впервые.

Разделен вклад амплитудных и фазовых эффектов при взаимодействии импульсного излучения с нестационарным интерферометром в характеристики выходного сигнала.

Предложен и реализован новый способ перестройки рабочей области интерферометра, использующий дисперсию фазовых характеристик при быстрой внутренней фазовой модуляции излучения.

Предложены новые методы определения расстояний, а также малых (порядка длины световой волны) амплитуд колебаний оптической базы интерферометра и на этой основе -измерения электрооптических и пьезоэлектрических констант материалов в широком диапазоне частот модуляции.

Впервые экспериментально измерены и исследованы в зависимости от различных факторов эффективные потери оптического резонатора, индуцируемые быстрым изменением его базы.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

Предложены и развиты фазово-поляризационные методы селективной ВРЛС, что позволило существенно продвинуть высокочувствительные внутрирезонаторные исследования в область спектроскопии резонансных анизотропных сред и поляризационных явлений.

Выявлены принципиально новые возможности увеличения чувствительности ВРЛС за счет использования индуцируемой в среде анизотропии.

Результаты проведенных исследований могут быть использованы для определения спектроскопических параметров оптически плотных сред.

Результаты исследований светоиндуцированных поляризационных резонансов перспективны для создания узкополосных лазерных источников, спектр генерации которых привязан к линиям одно- и двухфотонного поглощения атомарных газов.

Методы, основанные на быстром изменении базы оптических резонаторов, могут быть применены для перестройки рабочей области интерферометров без использования дополнительных монохроматизирующих устройств; для измерения элекгрооптических и пьезоэлектрических констант материалов в широком диапазоне частот модуляции, выходящем за пределы частотной характеристики фоторегистрирующей системы; для измерения расстояний.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Индуцирование внешним полем резонансной анизотропии в исследуемой методом ВРЛС среде при наличии специального вида нерезонансной анизотропии спектрометра

вызывает изменение линейной и нелинейной по световому полю частей вносимых средой селективных потерь и глубины используемого для аналитических целей абсорбционного провала в спектре внутрирезонаторного поглощения, что лежит в основе фазово-поляризационных методов селективной внутрирезонаторной лазерной спектроскопии.

Чувствительность фазово-поляризационной ВРЛС максимальна при примерном равенстве величин амплитудной и фазовой анизотропии спектрометра, включая анизотропию исследуемой среды. Индуцирование в среде резонансной анизотропии позволяет увеличить чувствительность абсорбционной ВРЛС.

2. Наложение продольного магнитного поля на атомарную газовую среду приводит к асимметрии зависимостей глубины абсорбционного провала па частотах двухфотошюго поглощения от напряженности магнитного поля и от величины циркулярной фазовой анизотропии спектрометра, что указывает на наличие магнитооптического вращения плоскости поляризации света на этих частотах и может быть использовано для экспериментальной регистрации и исследования двухфотонного аналога резонансного эффекта Фарадея.

3. Наложение продольного магнитного поля на оптически плотную поглощающую газовую среду вызывает появление в широком спектре внутрирезонаторного поглощения узких максимумов испускания, проявляющихся в виде одной или нескольких пар, компоненты которых расположены симметрично относительно центра нерасщепленного контура линии поглощения и обусловлены вращением плоскости поляризации света на крыльях линии при кратности угла вращения величине ±к/2. На основе измерения разности частот этих максимумов могут быть определены большие (до -2x105 единиц и выше) оптические плотности сред и соответствующие концентрации поглощающих частиц.

4. Индуцирование мощной световой волной анизотропии в среде на частотах одно- и двухфотошюго поглощения при наличии сильной амплитудной анизотропии внутрирезонаторного спектрометра приводит к трансформации абсорбционных провалов в спектре внутрирезонаторного поглощения на указанных частотах в максимумы мощности излучения, что может быть использовано для исследования

светоиндуцированных резонансных поляризационных явлений и управления спектром генерации широкополосных лазеров вблизи линий одно- и двухфотонных переходов.

5. Дополнительные потери излучения, вызванные быстрым изменением оптической базы интерферометра Фабри-Перо, определяются произведением порядка интерференции на относительную скорость изменения базы, причем зависимость этих потерь от указанного произведения носит периодический характер с периодом 0.5, а максимальные потери могут достигать значений порядка единицы.

6. Быстрая модуляция базы интерферометров может быть использована для перестройки их рабочей области, для определения элекгрооптических и пьезоэлектрических констант материалов в широком диапазоне частот модуляции, выходящем за пределы частотной характеристики фоторегистрирующей системы, а также для измерения расстояний.

Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора в развитие фазово-поляризационной внутрирезонаторной селективной лазерной спектроскопии. Этот вклад заключается в выборе направления исследований, постановке конкретных задач, получении основных результатов и их , интерпретации. Научный консультант академик А.П. Войтович принимал участие в формировании данного научного направления на начальной стадии, являлся научным руководителем ряда тем, в рамках которых выполнялась работа, принимал участие в обсуждении полученных результатов. Ряд работ выполнен совместно с учениками Д.А. Войтовичем и O.E. Костиком. В.Г. Дубовцу и А.Ч. Измайлову принадлежат расчеты восприимчивостей активной и поглощающей сред. Остальные соавторы оказывали помощь в проведении отдельных экспериментов либо принимали участие в исследованиях, не вошедших в настоящую диссертацию.

Связь работы с крупными научными программами. Исследования по диссертационной работе проводились в рамках Республиканских программ важнейших НИР "Спектроскопия" (темы "Спектроскопия 08. Исследование взаимодействия лазерного излучения с анизотропными средами и разработка фазово-поляризационных методов лазерной

спектроскопии", 1981-1984 гг.; "Спектроскопия 2.40. Развитие фазовых и фазово-поляризационных методов внутрирезонаторной спектроскопии", 1986-1988 гг.), "Оптика" (тема "Оптика 2.64. Исследование свойств лазеров и интерферометров с быстроизменяющимися фазовыми и поляризационными параметрами", 1989-1991 гг.), "Фотон" (тема "Фотон 39. Исследования поляризационной динамики нелинейных оптических систем и их применения в спектроскопии и биологии", 1996-1997 гг.) и проекта "Взаимодействие электромагнитных волн оптического диапазона с динамическими резонансными системами", финансируемого в 1992-1994 гг. Фондом фундаментальных исследований Республики Беларусь.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 20й и 25й конференциях Европейской группы по атомной спектроскопии (Грац, Австрия, 1988 г. и Каен, Франция, 1993 г.); 5й Международной школе по квантовой электронике (Солнечный берег, Болгария, 1988 г.); 6м Советско-Западногерманском семинаре по лазерной спектроскопии (Мюнхен, ФРГ, 1984 г.); 7й и 10й Международных Вавиловских конференциях по нелинейной оптике (Новосибирск, 1981 и 1990 гг.); 10й, 11й и 12й Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1980 г.; Ереван, 1982 г.; Москва, 1985 г.); 5й и 6й Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1987 и 1990 гг.); 6м Симпозиуме по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения (Томск, 1982 г.); Всесоюзном семинаре "Применение лазерных интерферометрических систем для прецизионных измерений (Эльбрус, 1986 г.); Iм и 2м Всесоюзных совещаниях "Когерентные и нелинейные эффекты во внутрирезонаторной лазерной спектроскопии" (Кировоград, 1988 г. и Ленинград, 1991 г.); 2й Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение измерений частоты и спектральных характеристик излучения лазеров (Харьков, 1990 г.); Iй Югославской конференции по форме спектральных линий (Белград, Югославия, 1995 г.), 3й конференции по лазерной физике и спектроскопии (Гродно, 1997 г.).

Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 41 работе: 23 статьях, 3 препринтах , 4 авторских свидетельствах и 11 тезисах докладов на конференциях. Общее количество страниц опубликованных материалов - 265.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Полный объем составляет 294 страницы, в т.ч. 92 страницы с иллюстрациями и 29 страниц со списком использованных источников из 318 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ и ОБЩЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ РАБОТЫ дана оценка современного состояния исследований по ВРЛС, обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи работы, показаны новизна полученных результатов и их практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор работ по внутрирезонаторной лазерной спектроскопии: изложены основы, показано развитие и рассмотрены различные варианты и применения ВРЛС, включая фазово-поляризационные методы. На основе анализа литературных данных сделан вывод о том, что до появления настоящей работы оставались практически не разработанными и не реализованными высокие возможности методов селективной ВРЛС в области исследования представляющих широкие классы резонансных анизотропных сред и поляризационных явлений. Это определило выбор темы диссертации.

Во второй главе рассматривается проявление однофотонных магнитооптических явлений в атомарных газах в селективной ВРЛС и на этой базе разрабатываются физические основы фазово-поляризационной селективной внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. Обосновывается необходимость сочетания экспериментальных и теоретических методов исследования для надежной и правильной интерпретации получаемых результатов и излагаются

соответствующие методики. Для расчета характеристик спектров впутрирезонаторного поглощения выбрана методика на основе формализма матриц Джонса, позволяющая учесть векторный характер поля лазерного излучения и порядок расположения оптических элементов внутри спектрометра, что важно в решаемых задачах.

В рамках приближения высокодобротного резонатора получены аналитические выражения для интенсивности выходного излучения спектрометра на частотах поглощения исследуемой среды и вблизи них.

Экспериментальные исследования выполнены с применением импульсных лазеров на красителях нано- и микросекундного диапазонов времен генерации. Изучалось поглощение неона в газоразрядной плазме и калия в парообразном состоянии.

Схема спектрометра, в дополнение к традиционной для ВРЛС, содержала нерезонансный фарадеевский элемент, осуществляющий вращение плоскости поляризации света примерно на одинаковый угол во всем диапазоне генерируемых частот. Исследуемая среда помещалась в продольное магнитное поле, создаваемое соленоидом, вследствие чего обладала резонансной циркулярной фазовой и амплитудной анизотропией. Резонатор лазера содержал также нерезонансный амплитудно анизотропный элемент частичный линейный поляризатор.

В разделе 2.2 раскрывается физический механизм преобразования резонансной анизотропии исследуемой среды в изменение параметров абсорбционного провала в спектре впутрирезонаторного поглощения в методе ВРЛС. Такое преобразование лежит в основе фазово-поляризационной селективной ВРЛС.

Интенсивность выходного излучения на частоте провала пропорциональна разности ненасыщенных усиления О активной среды и потерь резонатора лазера (неселективных кь и селективных Дк, вносимых поглощающей средой) и обратно пропорциональна сумме параметров насыщения усиления (Оо) и селективных потерь (9). Каждая из величин Дк, 0 в присутствии магнитного поля состоит из двух частей, соответственно определяемых поглощением (Дка, 6а) и дисперсией среды (Дк^, 0^), т.е. резонансным вращением

плоскости поляризации света в ней. При этом вклад показателя преломления среды в селективные внутрирезонаторные потери и параметр их насыщения возникает только в случае несовпадения собственных базисов анизотропии среды и амплитудной анизотропии резонатора.

Части Ака, 8а являются четными функциями напряженности Н магнитного поля (расщепления Д линии поглощения; величины Н, А меняют знак при изменении направления продольного магнитного поля на противоположное), а части Ак^, 6,^ - нечетными. Вследствие этого зависимости суммарных селективных потерь и параметра их насыщения от напряженности Н несимметричны относительно оси ординат, причем магнитное поле, в зависимости от направления и величины, может как уменьшать, так и увеличивать по абсолютной величине потери Дк и параметр насыщения 0 по сравнению со случаем Н=0.

Сильное влияние магнитного поля на селективные потери и нелинейные свойства среды приводит к зависимости от его напряженности параметров абсорбционного провала в спектре внутрирезонаторного поглощения на частоте исследуемого перехода. В качестве величины, описывающей воздействие поля Н на глубину провала, в рассмотрение введен параметр контраста С, равный отношению глубин провала в присутствии и в отсутствие магнитного поля. Последнее, как показывают данные расчета, может эффективно изменять контраст провала, увеличивая его (С>1) , уменьшая (С)<1 или даже делая отрицательным. При С<0 вместо абсорбционного провала в спектре выходного излучения появляется пик мощности на частоте исследуемой линии. Экспериментальные результаты полностью подтверждают выводы расчета.

Далее выясняется существенный вопрос об условиях, при которых влияние индуцируемой магнитным полем анизотропии среды на контраст С максимально. Названные условия заключаются в том, что величины линейной амплитудной и циркулярной фазовой анизотропии спектрометра, включая анизотропию среды, должны быть примерно одинаковой величины. Это связано с тем, что дисперсионные части Ак^, б^ селективных потерь и параметра их насыщения содержат множитель Ь, резонансным образом возрастающий при выполнении указанного равенства. Таким

образом, роль нерезонансного фарадеевского элемента сводится к созданию дополнительной круговой фазовой анизотропии при заданных параметрах частичного поляризатора для обеспечения условия наибольшей чувствительности спектра внутрирезонаторного поглощения к индуцированной анизотропии среды.

В разделе 2.3 выявляется роль нелинейности поглощения среды в формировании характеристик абсорбционного провала в спектре внутрирезонаторного поглощения излучения магнитоанизотропной атомарной газовой средой. Постановка этого вопроса обусловлена тем, что интенсивность светового поля внутри резонатора велика й исследования по ВРЛС часто проводятся на частотах хорошо разрешенных электродипольных переходов в атомах (именно на таких переходах достигается, например, наиболее высокая концентрационная чувствительность метода).

Эффекты насыщения исследуемого перехода при наличии анизотропии спектрометра проявляются специфическим образом в ВРЛС даже в отсутствие продольного магнитного поля в поглощающей среде. Это связано с зависимостью параметра 0 насыщения поглощения от поляризации излучения и типа перехода (значений .и, j2 полных моментов нижнего и верхнего уровней). Для переходов параметр 0 имеет

большее по абсолютной величине значение при круговой, а для переходов .¡-^ - при линейной поляризации света, вследствие чего среда становится анизотропной в присутствии мощного излучения. В результате при одной и той же ее ненасыщенной оптической плотности глубина абсорбционного провала на частотах исследуемой линии зависит от типа изучаемого перехода и поляризации лазерного излучения.

В присутствии магнитного поля нелинейность поглощения, в дополнение к отмеченным закономерностям, добавляет зависимость контраста С (эффективности воздействия магнитного поля на глубину абсорбционного провала) от оптической плотности среды. В частности, если поле Н уменьшает по абсолютной величине параметр насыщения селективных потерь Дк, то величина С возрастает с уменьшением оптической плотности среды. Кроме того, из-за насыщения перехода в зависимости контраста С от

напряженности магнитного поля появляется немонотонность вблизи значений Н=0.

Вклады поглощения и дисперсии исследуемой среды в характеристики абсорбционного провала в спектре внутрирезонаторного поглощения обсуждены в разделе 2.4. При варьировании условий измерений (величин амплитудной и фазовой анизотропии спектрометра, напряженности магнитного поля в среде) соотношение этих вкладов может значительно изменяться от преобладания вклада поглощения, как и в традиционной ВРЛС, до преобладания вклада дисперсии. Это необходимо учитывать для правильной интерпретации получаемых результатов.

В разделе 2.5 обсуждаются возможности извлечения информации о магнитооптических эффектах из спектров внутрирезонаторного поглощения. Поскольку эти эффекты влияют на глубину абсорбционного провала через величины Ак, б, параметры провала позволяют судить как об изменении поглощения, так и о трансформации нелинейных свойств среды магнитным полем

Использование сильного поляризатора внутри резонатора лазерного спектрометра, когда дисперсия исследуемой среды незначительно влияет на контраст провала, позволяет изучать эффект Зеемана.

При приблизительном равенстве величин амплитудной и фазовой анизотропии резонатора резко возрастает вклад дисперсии, так что появляется возможность исследовать эффект Фарадея. При этом контраст С сильно зависит не только от напряженности, но и от направления магнитного поля, так что сам факт асимметрии относительно оси ординат зависимости С(Н) позволяет судить о наличии резонансного изменения поляризации света на частотах поглощения исследуемой среды.

Сравнение зависимостей глубины провала в спектре внутрирезонаторного поглощения от напряженности магнитного поля в среде при малых и больших (насыщающих) интенсивностях лазерного излучения может дать информацию о трансформации магнитным полем нелинейных свойств среды и о величине параметра насыщения исследуемого перехода. Сравнение же таких зависимостей при различных

поляризациях излучения, в принципе, дает возможность определения типа перехода.

В третьей главе описываются результаты исследований одно- и двухфотонных магнито- и светоиндуцированных резонансных поляризационных явлений в атомарных газах фазово-поляризационными методами селективной ВРЛС.

В разделе 3.1 рассмотрены возможности применения этих методов для изучения ранее теоретически предсказанного двухфотонного аналога резонансного эффекта Фарадея1, который заключается в повороте плоскости поляризации волны, участвующей в двухфотошюм поглощении света атомарной газовой средой, в присутствии в среде продольного магнитного поля.

Произведен расчет поляризационных и спектрально-энергетических характеристик выходного излучения спектрометра на частоте двухквантового поглощения исследуемой среды. При наличии магнитного поля в среде зависимость контраста соответствующего двухфотонного абсорбционного провала в спектре внутрирезонаторного поглощения от величины дополнительной нерезонансной циркулярной фазовой анизотропии резонатора становится асимметричной относительно оси ординат, что обусловлено вращением плоскости поляризации света на частоте провала.

Это подтверждается данными эксперимента, результаты которого изложены в разделе 3.2. Исследовалось двухфотонное поглощение света парами калия на переходе 428)/2->42Бз/2, в котором участвовало излучение лазера на рубине (1=694,3 нм), специально вводимое в поглощающую среду, и узкая спектральная область излучения лазера на красителе (X—169,11 нм), в резонатор которого помещались пары. Измерялись параметры абсорбционного провала на длине волны 769,11 нм. В отсутствие магнитного поля в среде контраст С провала не зависит от величины 2ср0 циркулярной фазовой анизотропии резонатора (ср0 - угол поворота плоскости поляризации света в фарадеевском элементе). При включении поля Н зависимость С(2фо) становится сильно асимметричной относительно оси

1 Войтович А.П., Измайлов А.Ч. О влиянии постоянных магнитных и электрических полей на двухфотонные процессы

в газах // Опт. и спектроск.- 1986,- Т. 61, вып. 6.- С. 11871191.

ординат, что однозначно свидетельствует о наличии двухфотонного вращения плоскости поляризации света в присутствии магнитного поля. Такое вращение экспериментально зарегистрировано впервые.

Резонансная анизотропия среды на частотах одно- и двухфотонного поглощения может индуцироваться не только магнитным, но и мощным световым полем. Ее проявление в фазово-поляризационной селективной ВРЛС описывается в разделе 3.3. Особенность внутрирезонаторного изучения светоиндуцированных резонансов состоит в том, что, поскольку они обусловлены нелинейными процессами, для их наблюдения необходимо сравнительно большое в условиях ВРЛС поглощение среды. Но при этом в спектре поглощения наблюдается полный провал (генерация отсутствует) и из его характеристик невозможно извлечь информацию о трансформации поляризации излучения. Выход найден в изменении режима работы спектрометра, когда вместо провала возникает пик интенсивности выходного излучения (параметр контраста С<0), который, вопреки поглощению, обусловлен исследуемым поляризационным резонансом. Для этого применена оригинальная трехзеркальная схема кольцевого резонатора лазера с двумя сильными скрещенными поляризаторами. Три зеркала обеспечивали линейную фазовую анизотропию, эквивалентную анизотропии полуволновой пластинки, благодаря чему отпала необходимость в дополнительном нерезонансном фазовом элементе. Анизотропия паров калия на частотах однофотонного (резонансный дублет) и двухфотонного поглощения (Х=766,01 нм, переход 4281/2-»628з/2) индуцировалась излучением лазера на рубине с круговой или линейной поляризацией.

При варьировании поляризации и интенсивности сильной волны и концентрации паров калия получены и исследованы узкие (не шире 10"2 нм) резонансы на длинах волн линии двухфотонного поглощения, резонансной линии с Х,=766,5 нм, обеих линиях одновременно, а также широкий (~10-1 нм) резонанс в спектральном интервале между этими линиями. Экспериментально установлено существование оптимальной для получения наиболее интенсивных двухфотонных резонансов концентрации паров калия, обусловленной конкурирующими вкладами поглощения и изменения

поляризации света в среде. Данные эксперимента хорошо согласуются с результатами выполненных расчетов.

В ряде случаев в методе ВРЛС в резонатор лазера вносится сильно поглощающая среда, например - при изучении двухфотонных процессов. При этом оптическая плотность среды на частотах одноквантовых переходов может значительно превышать единицу и в спектре внутрирезонаторного поглощения возникают широкие провалы, внутри которых генерация отсутствует. Обнаруженные именно в такой ситуации при наложении на пары калия продольного магнитного поля узкие резонансы (максимумы) интенсивности излучения внутри широких провалов описываются в разделе 3.4.

Линейный резонатор используемого в спектрометре лазера содержал частичный поляризатор. Резонансы возникали попарно в каждом из провалов, соответствующих линиям резонансного дублета, симметрично относительно центральных частот переходов при определенных пороговых значениях концентрации N атомов и напряженности Н магнитного поля. С ростом N и Н расстояние между резонансами и их интенсивность увеличиваются, а также могут появляться новые внутренние пары резонансов. Расстояние между компонентами одной пары составляет величину порядка 011 - 1 нм и линейно зависит от напряженности Н.

Для интерпретации обнаруженных резонансов произведен расчет спектра вносимых исследуемой средой внутрирезонаторных потерь. Выяснено, что резонансы формируются на крыльях линии поглощения, где вклад дисперсии среды в энергетические характеристики выходного излучения значительно превышает вклад поглощения. Они возникают на частотах, где выполняется условие кратности угла вращения плоскости поляризации излучения в среде величине тс/2.

Потери оптического резонатора могут быть связаны с фазовыми характеристиками излучения и в отсутствие анизотропии системы1. Это происходит при быстром

1 Войтович А.П. О фазовых методах управления спектром генерируемого излучения // ДАН БССР,- 1983,- Т. 27, № 9,- С. 798-800.

нарушении фазового условия стационарного режима за счет модуляции базы резонатора. Под быстрым понимается изменение, приводящее к заметному по сравнению с величиной 2к дополнительному набегу фазы световой волны за полный обход резонатора. Основанные на таком нарушении методы создания потерь оптического резонатора называют фазовыми. Представляет несомненный интерес развитие фазовых методов и изучение возможностей их использования для целей ВРЛС. Связанный с этим круг задач рассматривается в четвертой главе диссертации.

Описание свойств оптических резонаторов с нестационарностью базы ведется от простого случая двухлучевого интерферометра Майкельсона (раздел 4.1) к более сложному случаю интерферометра Фабри-Перо (раздел 4.2). В первом случае отсутствуют переходные процессы и поэтому при любых скоростях модуляции длины одного из плечей интерферометра его моды сканируются по спектру без изменения формы и амплитуды. О быстрой фазовой модуляции при этом имеет смысл говорить тогда, когда ее частота выходит за пределы частотного диапазона фоторегистрирующей системы. При этом зависимость усредненной во времени интенсивности излучения на выходе интерферометра от амплитуды А колебаний оптической длины плеча имеет вид затухающих осцилляций. ш-й максимум (минимум) зависимости наблюдается при условии 2АД=ш+т' (2АД=т+т'-1/2; поправка т' при модуляции базы по гармоническому закону равна 0.12). Это открывает возможность измерения малых (порядка длины световой волны) амплитуд колебаний оптической длины плеча интерферометра, что подтверждается данными эксперимента.

В интерферометре Фабри-Перо присутствуют переходные процессы и поэтому его собственные моды могут сильно трансформироваться из-за нестационарности базы. Выражения для фаз интерферирующих пучков При этом содержат, в отличие от стационарного случая, числа обходов резонатора в степенях выше первой, как и в случае интерференции света в тонком оптическом клине.

При реально достижимых скоростях V движения зеркала (оно предполагается равномерным) дополнительные набеги фаз пучков из-за нестационарности базы резонатора

пропорциональны произведению тр (т - порядок интерференции, р=у/с, с - скорость света).

В общем случае нестационарность базы приводит к ухудшению, вплоть до полной потери, селектирующих свойств интерферометра. При прочих одинаковых условиях это проявляется тем сильнее, чем выше добротность резонатора. При относительно малых значениях тр (0<тр<~10"2 при коэффициенте отражения зеркал 0.9) происходит деформация мод - их уширение, уменьшение амплитуды, появляются осцилляции на крыльях, максимумы не совпадают с положением, определяемым мгновенным значением базы.

Форма мод интерферометра восстанавливается при шр^О.5, когда за полный обход излучением резонатора база изменяется на пол-длины волны. При дальнейшем увеличении т(3 описанные закономерности повторяются периодически. Аналогичным образом изменяются и фазовые характеристики резонатора.

Слабые изменения мод при малых тр (уширение и уменьшение амплитуды при сохранении в целом формы) можно трактовать как следствие индуцирования дополнительных потерь оптического резонатора вследствие его нестационарности. Получено выражение и произведен расчет зависимостей таких потерь от произведения тр, при различных значениях К коэффициентов отражения зеркал. Максимальные потери достигаются при относительно малых скоростях изменения базы интерферометра (тр~10~2 - 1(И) и могут иметь значение порядка единицы, т.е. оказывать существенное влияние на энергетические характеристики генерации, в том числе и в методе ВРЛС, при использовании нестационарного интерферометра Фабри-Перо в качестве лазерного резонатора. ,

В разделе 4.3 рассмотрен более общий случай взаимодействия импульсного излучения с нестационарным интерферометром Фабри-Перо. При этом изменение параметров выходного импульса по отношению к входному может быть обусловлено двумя факторами: непостоянством во времени интенсивности входного сигнала (амплитудные эффекты) и нестационарностью базы резонатора (фазовые эффекты). Выясняется роль каждого из названных факторов, для чего рассматриваются два варианта: 1) взаимодействие

световых импульсов со стационарным резонатором и 2) взаимодействие стационарного излучения с резонатором, база которого подвержена импульсному изменению. В целом и амплитудные, и фазовые эффекты приводят к изменению формы выходных импульсов, увеличению их длительности, уменьшению амплитуды и смещению максимумов. При длительностях импульсов и возмущений базы, превышающих время обхода резонатора, амплитудные эффекты вызывают плавное затягивание заднего фронта выходного импульса, в то время как фазовые - появление на нем осцилляций. Если же характерное время возмущения базы меньше времени обхода и амплитуда возмущения достаточно мала, то форма выходных импульсов точно воспроизводит закон изменения базы резонатора. Это может быть использовано для преобразования импульсов различной природы (электрических, механических и др.) в световые при сохранении формы с высокой степенью точности, а также для изучения быстрых процессов, приводящих к изменению оптической базы резонатора.

В разделе 4.4 описываются результаты экспериментальных исследований методами внутрирезонаторной спектроскопии потерь резонатора, индуцируемых вследствие его нестационарности. Методика измерений основана на высокой чувствительности к таким потерям характеристик генерации лазера, в котором обратная связь осуществляется интерферометром Фабри-Перо с изменяющейся базой.

Модуляция оптической длины резонатора осуществлялась электрооптическим кристаллом, а возникающие дополнительные потери измерялись путем внесения в резонатор калиброванных потерь, приводящих к идентичному изменению выходной мощности. Эксперименты выполнены с использованием гелий-неонового лазера, работающего на длинах волн 0.63 и 1.15 мкм. Результаты измерений хорошо согласуются с данными расчета, приведенными в разделе 4.2.

Нестационарность базы оптического резонатора может быть вызвана не только движением его зеркал или электрооптической модуляцией, но и изменением показателя преломления помещенной внутрь него среды под действием мощного светового поля. В частности, такая ситуация возможна в импульсных лазерах, т.к. оптические свойства активной среды подвержены быстрому изменению в процессе

накачки и генерации. В разделе 4.5 описывается применение внутрирезонаторной методики для исследования нелинейного изменения показателя преломления активной среды импульсного лазера. Методика основана на внесении в резонатор дополнительного фазового элемента (электрооптический кристалл), который может быстро увеличивать либо уменьшать оптическую длину резонатора во время генерации и тем самым компенсировать или увеличивать потери, возникающие из-за изменения показателя преломления активной среды. По различию в характеристиках излучения на выходе для этих двух случаев можно судить об исследуемом процессе.

Эксперименты выполнены с использованием лазеров на рубине и на красителе родамин 6Ж с длительностями импульсов генерации около 30 не. Анализ результатов, полученных для рубина, показал, что основной вклад в изменение интенсивности выходного излучения дает рост показателя преломления из-за нагревания рубинового стержня в процессе накачки. Компенсация такого роста с помощью фазового элемента приводит к небольшому (около 10%) увеличению интенсивности генерации.

В растворе красителя тепловые эффекты в условиях проведенного эксперимента несущественны. Тем не менее, в этом случае обнаружено небольшое уширение спектра генерации, преимущественно в длинноволновую область, когда фазовый элемент увеличивает оптическую длину резонатора. Это свидетельствует о том, что преимущественный вклад эффектов нестационарности резонатора в формирование спектра генерации осуществляется в предгенерационный период и начальный периоды генерации, когда рост коэффициента усиления и уменьшение коэффициента поглощения красителя приводят к уменьшению оптической длины резонатора.

Приведенные в этой главе результаты демонстрируют эффективность применения внутрирезонаторных методов для исследования нестационарностей оптических резонаторов, вызванных быстрым изменением базы, а также нелинейными и тепловыми процессами в помещенной в резонатор среде.

В пятой главе раскрываются возможности применений фазово-поляризационных и фазовых методов для прецизионных измерений и интерферометрии.

В разделе 5.1 указывается принципиально новый путь повышения чувствительности внутрирезонаторных

абсорбционных измерений, заключающийся в индуцировании на частоте исследуемой линии дополнительных селективных потерь, однозначно связанных с оптической плотностью среды. Это приводит к увеличению глубины абсорбционного провала в спектре внутрирезонаторного поглощения на соответствующих частотах без изменения шумов. Такая возможность следует из данных раздела 2.2. При наложении на поглощающую среду продольного магнитного поля и создании линейной амплитудной и циркулярной фазовой анизотропии резонатора, когда направления вращений плоскости поляризации света в среде и фарадеевском элементе совпадают, возможно увеличение селективных потерь и уменьшение параметра их насыщения, что вызывает рост контраста провала. Реально при использовании импульсных лазеров на красителях нано- и микросекундного диапазонов длительностей генерации удалось повысить соотношение сигнал/шум, т.е. чувствительность ВРЛС, на порядок.

Узкие резонансы внутри абсорбционных провалов на частотах поглощения оптически плотных сред, описанные в разделе 3.4, могут быть использованы для определения больших оптических плотностей и концентраций частиц. Соответствующая методика излагается в разделе 5.2. Она основана на том, что расстояние между двумя резонансами одной пары связано с оптической плотностью среды на центральной частоте нерасщепленного контура поглощения. С ее применением измерены оптические плотности паров калия на частотах резонансного дублета вплоть до значений 2x105, что не является пределом. Верхний предел измерений может быть поднят еще на порядок и принципиально ограничен лишь шириной спектра лазерного излучения.

В разделе 5.3 демонстрируются возможности применения результатов исследования свойств двухлучевых интерферометров с быстрой внутренней фазовой модуляцией (частота модуляции выходит за пределы частотного диапазона регистрирующей системы) для измерения электрооптических и

пьезоэлектрических констант материалов. В разделе 4.1 было показано, что зависимость сигнала на выходе фоторегистрирующей системы от амплитуды А колебаний оптической длины плеча имеет ряд максимумов и минимумов, причем значение А легко определяется по номеру экстремума (нумерация возрастает с ростом А). Если оптическую длину плеча изменять электрооптическим кристаллом или перемещать зеркало с помощью пьезокерамики, то, измерив напряжение на них, при котором получается экстремум выходного сигнала, зная их геометрические размеры и определив при этом амплитуду А, можно найти электрооптическую или пьезоэлектрическую константу соответствующего материала. Следует подчеркнуть, что измерения возможны в широком частотном диапазоне, выходящем за пределы диапазона системы регистрации. В качестве экспериментальной апробации методики определены амплитудно-частотная характеристика пьезокорректора КП-1 и электрооптические константы г13 и Г33 ниобата лития. Значение последних хорошо соответствует литературным данным.

Внутренняя фазовая модуляция света в интерферометре приводит к понижению контраста интерференционной картины на выходе вплоть до получения равномерного распределения освещенности. Если использовать два элемента, модулирующих излучение в противофазе, то при различающихся спектральных зависимостях фазовых набегов в них, подбирая амплитуды модуляции, можно на заданной частоте \'о скомпенсировать суммарный фазовый набег в обоих элементах до нуля. При этом на частоте уо наблюдается четкая интерференционная картина, в то время как на других частотах она отсутствует. Таким образом, открывается возможность перестройки рабочей области интерферометра без использования дополнительных монохроматизирующих устройств. Это . подтверждается данными расчета и эксперимента, приведенными в разделе 5.4.

Эксперимент выполнен с интерферометром Майкельсона, содержащим два элемента, модулирующих базу его плеча -колеблющееся зеркало, прикрепленное к пьезокерамике, и электрооптический кристалл. Подбором напряжений на этих элементах выделялись интерференционные картины на каждой из длин волн излучения гелий-неонового (А.—632.8 нм) либо

гелий-кадмиевого (1=441,6 нм) лазеров при создании равномерно распределенного фона излучением на другой длине волны.

В разделе 5.5 описывается предложенные на основе фазовых методов схемы измерения расстояний. Одна из них содержит интерферометр Майкельсона с внутренней фазовой модуляцией. Переменный сигнал на выходе интерферометра отсутствует, если за пол-периода модуляции свет проходит расстояние от модулятора до объекта, на котором установлено одно из зеркал интерферометра, и обратно. Измерив соответствующую частоту, можно определить расстояние до объекта.

В случае движущегося объекта предлагается схема измерения его скорости и перемещения на основе лазера, работающего в режиме синхронизации мод. В процессе измерений перемещение сравнивается с расстоянием в пространстве между импульсами генерации, т.е. с длиной резонатора.

Наконец, в разделе 5.6 обсуждаются возможности управления спектром генерации широкополосных лазеров с использованием светоиндуцированных резонансов

поляризационных характеристик излучения. Впервые при использовании светоиндуцированной анизотропии получено сужение до ~10~2 нм и привязка спектра генерации к линиям одно- и двухфотонного поглощения атомарной газовой среды (пары калия).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненных в рамках данной диссертационной работы исследований позволяют сделать следующие основные выводы.

1. Предложены методы фазово-поляризационной селективной внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, основанные на использовании резонансной анизотропии, индуцируемой в исследуемой среде внешним полем, и развиты применения этих методов, что открыло новые возможности исследования анизотропных сред и поляризационных явлений [8,12,21,4,32-34].

2. Установлено, что показатель преломления исследуемой среды может давать вклад в параметры абсорбционного провала в фазово-ноляризационном методе ВРЛС, сравнимый или даже больший, чем вклад поглощения, а вклад первого из перечисленных факторов максимален, если величина фазовой анизотропии спектрометра, включая среду, примерно равна величине его амплитудной анизотропии [1,3,5,11,17,19,33,34].

3. Предложен принципиально новый подход к решению задачи повышения чувствительности ВРЛС, основанный на индуцировании дополнительных селективных потерь на частотах исследуемой линии поглощения. Такой подход реализован при использовании продольного магнитного поля в поглощающей среде, вызывающего резонансное вращение плоскости поляризации света в ней, при наличии линейной амплитудной и циркулярной фазовой анизотропии спектрометра. Получено увеличение чувствительности на порядок. Установлено, что нелинейность поглощения приводит к зависимости чувствительности внутрирезонаторных измерений от типа исследуемого перехода и поляризации излучения, а также к возрастанию выигрыша в чувствительности с ростом мощности генерации лазера и с уменьшением оптической плотности среды [1,2,6,7,27,31].

4. Обнаружена асимметрия зависимости глубины абсорбционного провала в спектре внутрирезонаторного поглощения на частотах излучения, участвующего в двухфотонном переходе в атомарной поглощающей среде, помещенной в продольное магнитное поле, от величины и знака угла поворота плоскости поляризации излучения в дополнительном нерезонансном фарадеевском элементе, что является экспериментальным доказательством существования ранее теоретически предсказанного нового нелинейного магнитооптического явления - вращения плоскости поляризации световой волны, участвующей в двухфотонном переходе в присутствии продольного магнитного поля в среде. Это явление экспериментально зарегистрировано и исследовано в данной работе впервые [13,14,25,36,37].

5. Показано, что фазово-поляризационные методы ВРЛС применимы для изучения не только слабопоглощающих, но и оптически плотных сред в режиме работы внутрирезонаторного спектрометра, когда внутри широких провалов на частотах

поглощения среды в спектре выходного излучения наблюдаются пики мощности. Разработан и реализован новый метод определения больших (до ~105 единиц и выше) оптических плотностей сред, основанный на измерении разности частот таких пиков [7,19,21,41].

6. Впервые показано, что светоиндуцированная анизотропия резонансной среды может быть использована для эффективного управления параметрами лазерного излучения на линиях одно- и двухфотонного поглощения атомарных сред. Осуществлено сужение спектра генерации широкополосного лазера и его локализация на указанных линиях, получены различные режимы генерации [15,23,38-40].

7. Показано, что фазово-поляризационные методы ВРЛС дают возможность количественно исследовать потери оптического резонатора, вызванные его нестационарностью. Впервые проведено измерение таких потерь и его результаты сопоставлены с данными расчета, что позволило оценить реально достижимую величину потерь и определить закономерности их изменения в зависимости от различных факторов, таких, например, как скорость изменения базы резонатора и порядок интерференции [16,18,20,24,26,35].

8. На основании изучения свойств интерферометров с быстрой внутренней фазовой модуляцией света предложены и экспериментально апробированы новые методы определения электрооптических и пьезоэлектрических констант материалов в широком диапазоне частот модуляции, выходящем за пределы частотной характеристики регистрирующей системы, а также перестройки рабочей области интерферометров без использования дополнительных монохроматизирующих устройств. Предложены новые эффективные методы измерения расстояний и скоростей перемещений [9,10,28-30].

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Влияние анизотропии поглощающей среды, размещенной в резонаторе лазера на красителе, на характеристики генерируемого излучения / А.П. Войтович, В.В. Машко, B.C. Калинов, Л.П. Рунец // ДАН БССР.- 1979.- Т. 23, № 12.- С. 1092-1095.

2. Войтович А.П., Дубовец В.Г., Машко В.В. Влияние поглощающей ячейки, помещенной в продольное магнитное поле, на характеристики лазера с анизотропным резонатором и конденсированной активной средой // Квант, электрон.- 1981,- Т. 8, № 11.- С. 2439-2446.

3. Фазово-поляризационные методы лазерной спектроскопии / А.П. Войтович, В.Г. Дубовец, А.Я. Смирнов, В.В. Машко, Л.П. Рунец // Нелинейная оптика: Труды VII Вавиловской конференции. / Новосибирск, 1982.- Ч. II.-С. 188-191.

4. Машко В.В. Об-определении коэффициентов усиления и поглощения по фарадеевскому повороту плоскости поляризации излучения // ЖПС,- 1980.- Т. 37, вып. 2,- С. 250-256.

5. Войтович А.П., Машко В.В. Чувствительность фазово-поляризациониой внутрирезонаторной абсорбционной лазерной спектроскопии при различных величинах линейного дихроизма резонатора // Опт. и спектроск.-1984,- Т. 56, № 6,- С. 1088-1093.

6. Войтович А.П., Машко В.В. Энергетические характеристики лазера с насыщающейся анизотропной средой в резонаторе // ЖПС.- 1984,- Т. 41, № 6.- С. 899904.

7. Войтович А.П., Машко В.В. Влияние типа перехода в поглощающей среде и поляризации генерируемого излучения па чувствительность внутрирезонаторной лазерной спектроскопии // ЖПС.- 1985,- Т. 42, № 1.- С. 128-131.

8. Войтович А.П., Машко В.В. Исследование магнитооптических явлений методами внутрирезонаторной спектроскопии // Изв. АН СССР. Сер. физич,- 1986,- Т. 50, № 4,- С. 745-750.

9. Войтович Д.А., Комяк А.И., Машко В.В. Перестройка рабочей области интерферометров с помощью внутренней фазовой модуляции излучения // Опт. и спектроск.- 1987.Т. 62, вып. 1,- С. 176-181.

10. Интерферометр с быстрой внутренней фазовой модуляцией излучения и его применение для точных измерений / Д.А. Войтович, Э.М. Гринцевич, А.И. Комяк, В.В. Машко // Опт. и спектроск.- 1987,- Т. 63, вып. 1.- С. 195-199-

11. Бандалет Н.В., Машко В.В. О вкладах действительной и мнимой частей поляризуемости активной среды газового лазера в магнитном поле в энергетические характеристики генерации // Вестник БГУ. Сер. 1. Физ., мат., мех. - 1988,-№ 2,- С. 9-11.

12. Intracavity laser absorption spectroscopy / V.S. Burakov, A. P. Voitovich, V.V. Mashko, S.N. Raikov // In Lasers - physics and applications; Ed. A. Y. Spasov.- Singapore: World Scientific,

1989.- P. 39-85.

13. Влияние магнитного поля на спектры двухфотонного поглощения, регистрируемые методом внутрирезонаторной спектроскопии / А.П. Войтович, А.Ч. Измайлов, О.Е. Костик, В.В. Машко // Опт. и спектроск.- 1989.- Т. 66, вып. 3.- С. 543-549.

14. О возможностях исследования двухфотонных магнитооптических явлений методами внутрирезонаторной спектроскопии / А.П. Войтович, А.Ч. Измайлов, О.Е. Костик, В.В. Машко // ЖПС,- 1990.- Т. 52, вып. 6.- С. 925-930.

15. Войтович А.П., Костик О.Е., Машко В.В. Сужение и захват спектра генерации широкополосного лазера к одно-и двухфотонным линиям поглощения среды со светоиндуцированной анизотропией // Квант, электрон.-

1990,- Т. 17, № 7,- С. 912-913.

16. Войтович Д.А., Комяк А.И., Машко В.В. Изменение энергетических характеристик лазеров при нарушении фазового условия генерации // Весщ Акадэми навук БССР.- Сер. ф1з.-мат. навук.- 1991.- № 5,- С. 52-58.

17. Войтович А.П., Костик О.Е., Машко В.В. Резонансы в спектре генерации широкополосного лазера, содержащего в резонаторе сильно поглощающую атомарную среду в магнитном поле // Квант, электрон.- 1992,- Т. 19, № 5.- С. 476-478.

18. Войтович, В.В. Машко. О характеристиках интерферометра Фабри-Перо с изменяющейся базой // Вестник БГУ. Сер. 1. Физ., мат., мех. - 1992.- № 1.- С. 13-18.

19. Войтович А.П., Костик О.Е., Машко В.В. Магнитооптические резонансы в спектре генерации широкополосного лазера с сильно поглощающей средой и их использование для определения больших оптических

плотностей // Квант, электрон.- 1993,- Т. 20, № 3,- С. 289292.

20. Войтович А.П., Емельянов А.П., Машко В.В. Увеличение энергии и трансформация спектра излучения импульсного лазера при быстром изменении базы резонатора // Докл. АНБ.- 1995.- Т. 39, № 1,- С. 37-40.

21. Investigation of spectral line shapes by intracavity laser spectroscopy method / V.S. Burakov, A. P. Voitovich, V.V. Mashico, S.N. Raikov // Publ. Obs. Astron. Belgrade.- 1995.-№ 50,- P. 39-42.

22. Voitovich A.P., Izmailov A.Ch., Mashko V.V. Resonant polarization phenomena in broad-band lasers with anisotropic absorbing medium // Laser Physics.- 1995,- V. 5, № 5,- P. 927951.

23. Костик O.E., Машко B.B. Исследование светоиндуцированных двухфотонных поляризационных явлений методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии // Лазерная физика и спектроскопия: Труды конференции / Минск, 1997. - Ч. 2. - С. 300-303.

24. Машко В.В., Войтович Д.А. Характеристики мод нестационарного резонатора Фабри-Перо,- Препринт № 539 / Ин-т физики АН БССР,- Минск, 1989.- 21 с.

25. Измайлов А.Ч., Костик O.E., Машко В.В. Проявление двухфотонных мапштооптических резонансов в спектрах внутрирезонаторного поглощения света атомарными газовыми средами.- Препринт № 534 / Ин-т физики АН БССР,- Минск, 1989.- 26 с.

26. Емельянов А.П., Машко В.В. Амплитудные и фазовые эффекты при взаимодействии нестационарного оптического резонатора с импульсным излучением.-Препринт № 692 / Ин-т физики АНБ.- Минск, 1994.- 17 с.

27. A.c. 788923 СССР, МКИ3 G 01 J 3/42. Способ внутрирезонаторной абсорбционной спектроскопии / А.П. Войтович, В.В. Машко (СССР).- № 2717320/18-25; Заявлено 26.01.79; Опубл. 30.03.82, Бюл. № 12 // Открытия. Изобретения. - 1982. - № 12. -С. 288.

28. A.c. 1190683 СССР, МКИ G 01 J 3/26. Интерферометр Майкельсона (его варианты) / А.П. Войтович, Д.А. Войтович, В.В. Машко (СССР).- № 3708386; Заявлено

13.01.84; Опубл. 30.03.86, Бюл. № 12 // Открытия. Изобретения. - 1986. - № 12. -С. 276.

29. A.c. 1404812 СССР, МКИ4 G 01 В 9/02. Способ измерения отрезков расстояний / В.В. Машко, Д.А. Войтович, А.И. Комяк (СССР).- № 4143735; Заявлено 04.11.86; Опубл. 23.06.88, Бюл. № 23 // Открытия. Изобретения. - 1988. - № 23. -С. 166.

30. A.c. 1612697 СССР, МКИ4 G 01 В 9/02. Устройство для определения перемещения объекта / В.В. Машко, Д.А. Войтович, А.И. Комяк, А.А.Ставров, В.В. Щановский (СССР).- № 4359439; Заявлено 26.10.87; Разрешение на публикацию от 07.02.97.

31. Войтович А.П., Машко В.В. Исследование эффектов насыщения, обусловленных фазовой анизотропией среды // 10я Всесоюзн. конф. по когерентной и нелинейной оптике: Тез. докл. конф. / М., 1980,- С. 89-90.

32. Войтович А.П., Машко В.В. Фазово-поляризационные внутрирезонаторные методы лазерной абсорбционной спектроскопии // 6й симпозиум по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения: Тез. докл. конф. / Томск, 1982.- Ч. 2.- С. 192-194.

33. Войтович А.П., Машко В.В. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия анизотропных поглощающих газовых сред // 11я Всесоюзн. конф. по когерентной и нелинейной оптике: Тез. докл. конф. / Ереван, 1982.- С. 272-273.

34. Войтович А.П., Машко В.В. Исследование магнитооптических явлений методами внутрирезонаторной спектроскопии // 12я Всесоюзн. конф. по когерентной и нелинейной оптике: Тез. докл. конф. / М., 1985.- Ч. 2.- С. 675-676.

35. Управление параметрами генерации при быстрой внутрирезонаторной фазовой модуляции излучения / Д.А. Войтович, А.И. Комяк, В.В. Машко и др. // 5я Всесоюзн. конф. "Оптика лазеров": Тез. докл. конф. / Ленинград, 1987.- С. 195.

36. Регистрация двухфотонного вращения плоскости поляризации излучения в намагниченной газовой среде по спектрам внутрирезонаторного поглощения / А.П. Войтович, А.Ч. Измайлов, O.E. Костик, В.В. Машко // 1 рабочее совещание "Нелинейные и когерентные эффекты

в методе ВРЛС": Тез. докл. конф. / Кировоград, 1988,- С. 33-34.

37. Voitovich А.P., 'Mashko V.V. Magnetooptic two-photon resonances in atomic spectra and their investigation by method of intracavity laser absorption spectroscopy // 20th EGAS Conference: Abstracts. / Graz, Austria, 1988,- P. 332-334.

38. Войтович А.П., Костик O.E., Машко B.B. Использование одно- и двухфотонных светоиндуцированных поляризационных резонансов в атомных спектрах для селекции и привязки частот генерации широкополосного лазера // 11я Всесоюзная научи.-техн. конф. "Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров": Тез. докл. конф. / Харьков, 1990,- С. 24-25.

39. Войтович А.П., Костик О.Е., Машко В.В. Управление параметрами излучения широкополосного лазера на частотах одно- и двухфотонного поглощения размещенной в резонаторе среды // VI Всесоюзная конф. "Оптика лазеров": Тез. докл. конф. / Ленинград, 1990,- С. 423.

40. Войтович А.П., Костик О.Е., Машко В В. Светоиндуцированные одно- и двухфотонные резонансы в методе ВРЛС при исследовании паров калия // Второе Всесоюзн. совещание по нелинейным и когерентным эффектам во внутрирезонаторной лазерной спектроскопии: Тез. докл. конф. / Ленинград, 1991.- С. 24.

41. An intracavity laser spectroscopy of atomic absorbing media with the use of spectral peaks in a broad-band lasers emission / A.P. Voitovich, O.E. Kostik, V.V. Mashko and oth. // 25* EGAS Conference: Abstracts. / Caen, France, 1993,- P. Pl-052.

РЭЗЮМЭ. Машко Васкь Вячаславав1ч. Фазава-палярызацыйная унутрырэзанатарная селектыуная лазерная спектраскатя.

Ключавыя словы: фаза, палярызацыя, ашзатратя, атамы, газы, аптычны рэзанатар, база, змяненне, унутрырэзанатарная спектраскатя.

Дысертацыя выканана з мэтай распрацоуи ф1з1чных асноу фазава-палярызацыйнай унутрырэзанатарнай селектыунай лазернай спектраскапИ, яе прымяненняу для даследавання рэзанансных палярызацыйных з'яу, высвятлення новых магчымасцей павышэння адчувальнасщ унутрырэзанатарных абсарбцыйных вымярэнняу, стварэння новых эфектыуных метадау прэцызшных вымярэнняу 1 ыравання характарыстыкам1 генерацьн шырокапалосных лазерау.

Прапанаваны 1 развггы метады фазава-палярызацыйнай селектыунай унутрырэзанатарнай спектраскапИ. Яны грунтуюцца на выкарыстанн! ашзатрагш, якая ¿ндуцыравана у даследуемым асяроддз1 знешшм полем. Пры гэтым рэал^заваны прынцыпова новы падыход да павел1чэнпя адчувальнасщ вымярэнняу, яи дазваляе павысщь яе на парадак.

Унутрырэзанатарныя метады выкарыстаны для даследавання разнастайыых адна- I двухфатонных рэзанансных палярызацыйных з'яу у атамарных газавых асяроддзях, а таксама эфектау, якш звязаны з хулам змяненнем базы аптычнага рэзанатара.

Распрацаваны новыя эфектыуныя метады вымярэнняу электрааптычных 1 п'езаэлектрычных канстант матэрыялау, вызначэння вялшх (да ~105 { вышэй) аптычных шчьшьнасцей асяроддзяу, иравання спектрам генерацьп шырокапалосных лазерау на частотах адна- 1 двухфатоных пераходау у атамах, перастройк! рабочай вобласщ штэрферометрау, вызначэння адлегласцей 1 скорасцей перамяшчэнняу.

Атрыманью вынш могуць быць выкарыстаны у спектраскапИ, штэрфераметрьй, дальнаметрьп, лазернай ф1зщы.

РЕЗЮМЕ. Машко Василий Вячеславович. Фазово-поляризационная внутрирезонаторная селективная лазерная спектроскопия.

Ключевые слова: фаза, поляризация, анизотропия, атомы, газы, оптический резонатор, база, изменение, внутрирезонаторная спектроскопия.

Диссертация выполнена с целью разработки физических основ фазово-поляризационной внутрирезонаторной селективной лазерной спектроскопии, ее применений для исследования резонансных поляризационных явлений, выяснения новых возможностей повышения чувствительности внутрирезонаторных абсорбционных измерений, создания новых эффективных методов прецизионных измерений и управления характеристиками генерации широкополосных лазеров.

Предложены и развиты методы фазово-поляризационной селективной внутрирезонаторной спектроскопии, основанные на использовании анизотропии, индуцируемой в исследуемой среде внешним полем. При этом реализован принципиально новый подход к увеличению чувствительности измерений, позволяющий повысить ее на порядок.

Внутрирезонаторные методы применены для исследования разнообразных одно- и двухфотонных магнито- и светоиндуцированных резонансных поляризационных явлений в атомарных газовых средах, а также эффектов, связанных с быстрым изменением базы оптического резонатора.

Разработаны новые эффективные методы измерений электрооптических и пьезоэлектрических констант материалов, определения больших (до ~105 и выше) оптических плотностей сред, управления спектром генерации широкополосных лазеров на частотах одно- и двухфотонных переходов в атомах, перестройки рабочей области интерферометров, определения расстояний и скоростей перемещений.

Полученные результаты могут быть использованы в спектроскопии, интерферометрии, дальнометрии, лазерной физике.

ABSTRACT. Mashko Vasilii Vyacheslavovich. Phase-Polarization Intracavity Selective Laser Spectroscopy.

Key words: phase, polarization, anisotropy, atoms, gases, optical resonator, base, alteration, intracavity spectroscopy.

Purposes of the thesis are the development of physical basis of phase-polarization intracavity selective laser spectroscopy, it application to investigation of resonant polarization phenomena, study of new possibilities of the intracavity measurements sensitivity improvement, creation of new effective methods of precise measurements and broad-band lasers parameters control.

Methods of phase-polarization intracavity selective laser spectroscopy are proposed. They are based on using of the external field induced anisotropy of a medium under investigation. A principally new approach to the improvement of intracavity spectroscopy sensitivity up to one order is realized.

Intracavity methods are applied to the investigation of various one- and two-photon magneto- and light-induced resonant polarization phenomena in atomic gases as well as optical resonator base nonstationarity effects.

New effective methods have been developed: measuring of electrooptical and piezoelectric constants of materials; determining of large optical densities of media, up to ~105 and more; control of broad-band lasers output spectra on the one- and two-photon atomic transitions frequencies; tuning of the interferometers operation region; determining of the distances and velocities.

The results obtained can be used in spectroscopy, interferometry, range finding and laser physics.

МАШКО ВАСИЛИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ФАЗОВО-ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ВНУТРИРЕЗОНАТОРНАЯ СЕЛЕКТИВНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

Подписано к печати 17.11.1998. Формат 60x90 1/16. Тип бумаги - офисная. Печать офсетная. Печ. л. 2,2. Уч. изд. л. 2.0. Тираж 100 экз. Заказ 118. Бесплатно. Институт физики им. Б.И. Степанова HAH Беларуси 220072, Минск, пр. Ф Скорины, 68. Отпечатано на ризографе Института физики им. Б.И. Степанова HAH Беларуси. Лицензия ЛП №20 от 20.08.1997 г.