Экспериментальное исследование эффектов кулоновских столкновений трехуровневой спектроскопии плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

„ ОЛ

На правах рукописи

Каблуков Сергей Иванович

Экспериментальное исследование ффектов кулоновских столкновений трехуровневой спектроскопии плазмы

Специальность: 01.04.05 - оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 1997

Работа выполнена в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук

Научные руководители: кандидат физико-математических наук С.А. Бабин доктор физико-математических наук Д.А. Шапиро

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор И.М. Бетеров, Институт физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск,

доктор физико-математических наук, профессор А.К. Попов, Институт физики им. Л.В.Кире-нского СО РАН, г. Красноярск,

Ведущая организация: Московский государственный

университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва

Защита состоится 1997 г. в "Л1" часов

на заседании диссертационного совета К003.06.01 в Институте автоматики и электрометрии СО РАН ¡630090, г.Новосибирск, пр. академика В. Коптюга 1/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и электрометрии СО РАН.

Автореферат разослан »_2£» й-^^/иХ 1997

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук / Л.В. Ильичёв

Ч ■< ■

! и. I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время одной из основных проблем квантовой электроники является создание новых лазерных источников в коротковолновой области спектра. С этой целью предлагаются различные методы генерации и преобразования частоты. Одним из наиболее успешно развиваемых направлений является метод преобразования частоты излучения в коротковолновую область, получивший название - ан-тистоксов комбинационный лазер. Основная идея таких лазеров состоит в использовании высокой населенности метаста-бильных уровней. 11о сравнению с атомами и молекулами ионы имеют более коротковолновые оптические переходы, поэтому ионные лазеры в принципе позволяют продвинуться в УФ спектр. Однако некоторые традиционные представления нелинейной спектроскопии неприменимы для заряженных частиц. 13 частности, кулоновские столкновения имеют принципиально многочастичный характер, что проявляется, например, в специфическом типе уширения резонансов насыщения в спектрах ионов - кулоновском уширении. Исследование влияния кулоновского рассеяния ионов на нелинейные резонансы в трехуровневых схемах со стартовым метастабильным уровнем позволяет выявить основные эффекты, определяющие параметры комбинационного лазера, и оптимизировать коэффициент конверсии.

Цель работы состояла в следующем:

1. Исследование уширения резонансов насыщения на мета-стабильных уровнях и определение параметров этих уровней;

2. Реализация комбинационного лазера в 3-уровнепой схеме со стартовым метастабильным уровнем и исследование влияния столкновений на генерационные характеристики.

3. Исследование формы нелинейного интерференционного резонанса в присутствие кулоновских столкновений.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование насыщения комбинационной генерации. Полученные результаты свидетельствуют об увеличении эффективности такого лазера за счет дополнительного вовлечения кулонопски-

ми столкновениями частиц в область резонансного взаимодействия с излучением. Провал Беннета на метастабильном уровне уширяется почти в 100 раз.

Кроме того,

• впервые зарегистрирована диффузионная форма нелинейного интерференционного резонанса;

• впервые получена непрерывная генерация на новых фиолетовых линиях 430.9, 436.2 и 438.4 нм и измерены параметры слабого интеркомбинационного перехода;

• константы релаксации метастабильных уровней Aril измерены непосредственно в плазме газового разряда и показана определяющая роль электронного тушения.

Автор выносит на защиту:

• идентификацию новых линий непрерывной генерации 430.£ 436.2, 438.4 нм и измерения спектроскопических характеристик на слабом интеркомбинационном переходе по кривой насыщения,

• наблюдение гигантского кулоновского уширения провала Беннета на метастабильном уровне Aril и экспоненциальной формы крыльев линии, измерение скоростей релаксации и выяснение механизма тушения метастабильного уровня в плазме,

• получение антистоксовой комбинационной генерации на 5 новых переходах иона аргона в А-схеме со стартовыми метастабильными уровнями, исследование генерационных характеристик комбинационного лазера,

• измерение формы двухфотонного резонанса в ионном спектре в трехуровневой К-конфигурации методом магнитного сканирования.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих международных конференциях: 12 Международная конференция по форме спектральных линий (Торонто, Канада, 1995), 8 Международная конференция "Оптика лазеров 95" (С.-Петербург, 1995), 28 Европейская конференция по

атомной спектроскопии (Грац, Австрия, 1996), 13 Международная конференция по форме спектральных линий (Флоренция, Италия, 1996), Европейская конференция по лазерам и электрооптике CLEO / Europe - EQEC'96 (Гамбург, Германия, 1996), 11 Международная Вавиловская конференция по нелинейной оптике (Новосибирск, 1997). Основные результаты диссертации отражены в статьях [1-3] и материалах конференций [4-9], список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Принята сквозная нумерация параграфов, рисунков и литературных ссылок, а таблицы нумеруются по главам. Диссертация содержит 116 страниц текста, включая 25 рисунков и 6 таблиц. Библиография включает 76 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ приведены результаты работ (см., например, обзор [1]), доказывающие основную роль кулоновского рассеяния в уширения провала Лэмба в спектре генерации сильноточного ионного лазера. Вместе с этим, отмечается недостаточное исследование эффектов кулоновских столкновений в трехуровневых схемах. Сформулированы основные цели и задачи исследования, описана структура диссертации.

В ГЛАВЕ I рассматриваются основные положения теории кулоновского уширения и описывается используемая в эксперименте техника. В сильноточной плазме ионных лазеров радиус Дебая превышает межатомные расстояния и ионы постоянно взаимодействуют друг с другом. Кулоновское рассеяние ионов приводит к изменению скорости и соответственно резонансной частоты. Причем преобладает рассеяние на малые углы, приводящее к диффузионному изменению скорости. В результате таких столкновений за время жизни иона на уровне с константой релаксации Tj, его скорость изменяется на величину

Avj ~ кг Когда скорость распада уровня Tj приближается к эффективной частоте ион-ионных столкновений i/ц, ширина провала Беннета достигает kvx- Вводный § 1 носит обзорный характер. В нем описывается интеграл столкновений и фоккер-планковское приближение, анализируется специфика уширения провала Беннета на метастабилыгом уровне, когда кулоновское уширение kAvj значительно превышает

полевое Г, = Ту у/1 + ае (где ае - безразмерный параметр насыщения модели релаксационных констант [2]). В этом случае провал Беннета на уровне центрированный на резонансной скорости уг = Я/к, приобретает специфическую заостренную экспоненциальную форму

а насыщение на переходе тп принимает становится однородным, с интенсивностью насыщения:

+ (2)

Значительное поглощение на переходах с метастабильных уровней (оптическая плотность а/ ~ 2) делает необходимым учет оптической толщины среды при измерениях насыщения поглощения. Для однородного насыщения, связь между интенсивно-стями на входе /; и выходе I/ среды приобретает вид:

Измеряя насыщение поглощения, можно найти 13 и выразить скорость распада Гп через Гто.

Кроме того, в § 1 для трехуровневой системы в рамках теории возмущений приводится выражение, характеризующие двухфотонный резонанс, а также обсуждается план экспериментов. В § 2 описываются особенности конструкции разрядной трубки, используемые методы измерения параметров плазмы, лазер на красителе и система регистрации спектра. Характерные параметры системы сопоставляются с оценками наблюдаемых эффектов.

ГЛАВА II посвящена исследованию населенностей и скоростей распада метастабильных и верхних лазерных уровней. Знание параметров уровней и плазмы позволяет количественно сравнить результаты расчетов кулоновского уширения и измерений. § 3 посвящен исследованию обычной генерации в

сине-фиолетовой области спектра. Впервые получена непрерывная генерация на слабой линии 438.4 нм, принадлежащей интеркомбинационному переходу 4р453/2 452Р3/2, а также на линиях 436.2 (4р'2£>5/2 ->• Зй2£>3/2) и 430.9 нм (5р2Р3/2 45,'251/2). Причем, о генерации из 5р-состояния еще не сообщалось. Результаты § 3 позволили также отобрать из схемы комбинационной генерации, предложенных в [3], пригодные для практической реализации.

П § 4 описывается методика нахождения коэффициента Эйнштейна Лтп или скорости распада верхнего уровня Гт по параметрам кривой насыщения многочастотной генерации. Измеряется насыщение на интеркомбинационных переходах. Для новой линии 438.4 нм интенсивность насыщения составляет 0.5 кВт/см2, а коэффициент усиления 10~2м-1 на токе 140 А в разрядной трубке диаметром 7 мм. Полученные данные позволили сравнить населенности и скорости возбуждения квартетных 4р-уровней. Показано, что близкая величина скоростей возбуждения верхнего уровня для хорошо известной 514.5 и новой 438.4 нм линии объясняет получения в последнем случае интенсивной генерации на уровне 1 Вт.

В § 5 описываются измерения распределения населенностей по метастабилыгым уровням. Используется метод измерения контура поглощения с помощью перестраиваемого лазера на красителе, позволяющего также вычислить и температуру ионов. Населенность метастабильных уровней растет практически линейно с током (измерения проводились в области малых токов, позволяющей пренебречь двукратной ионизацией), а также увеличивается с уменьшением давления. Выявляются основные особенности и проводится сравнение с результатами других работ.

В § 6 экспериментально продемонстрировано увеличение интенсивности насыщения переходов с метастабильного уровня из-за кулоновских столкновений (рис. 1) и найдена константа релаксации. Исследуется относительная роль различных механизмов тушения метастабильного уровня. На основе зависимости интенсивности насыщения I, поглощения от электронной концентрации (выражение (2) с учетом линейной зависимости частоты столкновений от Йг) сделан вывод о доминирующей роли электронной дезактивации. Проведено сравнение методов и результатов измерений других работ. В

AI, Вт/см2

Рисунок 1: Зависимость поглощенной мощности /, — Ij на линии 617 нм (Zd'^ÖTji —► 4p'2Fg/2) от интенсивности падающего излучения /,. Квадратики соответствуют экспериментально полученным значениям. Теоретическая зависимость (3) проведена методом наименьших квадратов. Точками показана кривая, соответствующая неоднородному насыщению в пренебрежении кулоновской диффузией.

результате проведенных измерений составлена сводная таблица 1 распределения населенностей и скоростей возбуждения на метастабильных 3d, 4s и верхних лазерных 4р, 4р'-уровнях.

В ГЛАВЕ III проводится подробное исследование влияния кулоновских столкновений на эффективность переноса населенности и комбинационную генерацию. В § 7 методом пробного поля продемонстрирована специфическая заостренная экспоненциальная форма провала Беннета на метастабилыюм уровне. В соответствии с выражением (1) профиль задается "двойной" экспонентой ехр (—2 In 2 ^"д^)' см- 1ШС- 2. В эксперименте частоты сильного и пробного полей совпадали, поэто-

Таблица 1: Распределение населенностей и скоростям возбуждения в расчете на магнитный подуровень для долгоживущих Зс?, 4з и верхних лазерных 4р, 4р' уровней.

Конфигурация/ Энергия Населен- Скорость

состояние уровня, ность, возбуждения,

102 см-1 относ.ед. относ.ед.

4р'2 Г 1705 2/5 2/5

4р дублеты 1587-1611 1 1

4р квартеты 1550-1610 2 2

3 ¿'2 в 1542 4 2/3

34 2 Р 1450 10 3/2 -г- 3

'Л г! 1 /'' 1430 10 3

4 влР 1350 20 [4] —

3<*4£> 1325 30 [4] —

му полная ширина резонанса на полувысоте в 2 раза меньше, чем для провала Беннета Д. Экспериментально доказано, что его ширина Д = (3.0 ± 0.3) ГГц приближается к полной доп-плеровской ширине на полувысоте А^о = (5.3 ± 0.1) ГГц и почти на два порядка величины превышает однородную с учетом полевого уширения Т8/2тт ~ 50 МГц. Получено согласие величины кулоновского уширения с большой величиной интенсивности насыщения поглощения с метастабильного уровня. Проверка применимости использованных аналитических зависимостей проведена на основе численного решения уравнения для матрицы плотности. Продемонстрировано хорошее согласие результатов аналитического и численного расчета.

В § 8 в рамках теории возмущений вычисляются возможные параметры комбинационного лазера с метастабильными уровнями в качестве стартового и конечного. Показано, что описание комбинационной генерации в центре линии требует выхода за рамки теории возмущений. Поэтому в § 10 численно решается задача об усилении пробного поля в трехуровневой системе. В случае больших отстроек от резонанса по сравне-

0,5

0

-4 -2 0 2 4

^/2тг, ГГц

Рисунок 2: Зависимость формы нелинейного резонанса в схеме пробного поля с встречным распространением волн от отстройки П, проведенная через экспериментальные точки. Крестики и квадратики соответствуют двум сериям измерений. Для сравнения на вставке приведена форма невозмущенного полем распределения населенности и провала Беннета по скорости на метастабильном уровне.

нию с допплеровской шириной линии установлено, что для возникновения комбинационной генерации требуется относительно высокое значение пороговой интенсивности поля накачки I ~ 100 Вт/см2.

В § 9 исследуются различные схемы комбинационной генерации с быстрораспадающимся конечным уровнем. Впервые экспериментально получено насыщение генерации комбинационного ионного лазера. На правой части рисунка 3 изображена схема уровней антистоксова комбинационного лазера. Стартовый метастабильный уровень п наиболее заселен. Сильное поле дозаселяет промежуточный уровень т (верхний лазерный),

отн. ед.

Ig, отн. ед.

4р С D)2F5^

20

30

10

I

3d (Ч

П

501.7

1

3d СР^Озя

0

0

2

4

6

/, Вт/см2

Рисунок 3: Интенсивность комбинационной генерации 1д на линии 502 нм в резонаторе со стоячей волной в зависимости от интенсивности поля I накачки на смежном переходе (617 нм). Параметры плазмы такие же, как и в измерениях насыщения поглощения на линии 617 нм (рис 1). Крестом обозначена, характерная погрешность отдельной точки. Справа изображена схема уровней антистоксова комбинационного лазера.

откуда наблюдае тся антистоксова комбинационная генерация с переходом на конечный уровень I (нижний лазерный). На примере преобразования полны 617—+502 нм в численном расчете показана определяющая роль переноса населенности в процессе генерации такого лазера и увеличение кулоновскими столкновениями мощности комбинационной генерации. Экспериментально демонстрируется согласие между уровнями насыщения перехода сильным полем и насыщения комбинационной генерации в зависимости от интенсивности накачки (рис. 1 и 3).

В ГЛАВЕ IV исследуется влияние диффузии на нелинейные интерференционные резонансы. В § 10 численным методом решается система уравнений на матрицу плотности в А-схеме с учетом кулоновских столкновений в полях с рабиевской частотой ~ 0.1 kvj и предсказывается возможность наблюдения

столкновительно-индуцированного изменения знака амплитуды дублета Аутлера-Таунса. Наблюдение эффекта в эксперименте требовало относительно высоких мощностей лазера накачки (~2 Вт), поэтому дальнейшее исследование узких нелинейных резонансов проводилось в другой схеме.

Для выделения нелинейного интерференционного резонанса необходимо рассматривать схемы с малым изменением длины волны, чтоб разность допплеровских сдвигов частоты \к^—к\ут была меньше ширины двухквантового перехода, поэтому выбиралось кц = к. Такая схема может реализовываться, когда две электромагнитные волны являются циркулярными компонентами линейно поляризованного излучения. Известно, что для поляризованного по кругу излучения разрешенными являются переходы с изменением проекции магнитного момента АМ = +1 или —1 в зависимости от знака поляризации. Таким образом переход Jm = 3/2 —♦ «/„ = 1/2 можно представить в виде двух независимых У-схем, в которых которых в нулевом магнитном поле циркулярно поляризованные компоненты, составляющие линейно поляризованное излучение, находятся в точном резонансе. Включение магнитного поля, направленного параллельно волновым векторам, позволяет сдвигать магнитные подуровни и тем самым осуществлять отстройку от резонанса [5]. Интерференционный резонанс в У-схеме выделяется на фоне населенностного, когда ширины верхних уровней Гт много меньше, чем нижних Гп. Такая ситуация реализуется на лазерных переходах. Таким образом, исследования можно проводить для выходной мощности генерации в зависимости от величины магнитного поля. В § 11 по теории возмущений рассчитывается нелинейный интерференционный резонанс в зависимости мощности генерации для резонатора со стоячей волной от магнитного поля Я на переходе 3 = (3/2 —>■ 1/2). Учитывается влияние кулоновских столкновений и анализируется применимость асимптотического разложения полученных интегральных выражений.

В § 12 описан эксперимент по наблюдению нелинейного интерференционного эффекта в системе магнитных подуровней перехода 3/2 —>1/2 (линия 528.7 нм). Для идентификации природы резонанса проводится сравнение с аналогичными результатами измерений на переходе 1/2 —> 1/2 (линия 457.9 нм), где смещение подуровней магнитным полем приводит только к широкому резонансу, связанному с переносом населенности.

P/P(0) 2.51-

1,5

2

1

О

100

200 Н,Э

Рисунок 4: Нормированные в нуле расчетные кривые для мощности генерации одномодового зеемановского лазера в зависимости от магнитного поля для нулевых отстроек от резонанса fí0 = 0 и отношения констант релаксации верхнего и нижнего уровней Гт/Гп = 0.1 без учета кулоновского рассеяния (1) и г учетом (2). Экспериментальные значения для перехода 3/2 —»• 1/2 (линия 528.7 нм) при различных значениях превышения усиления д над порогом генерации д„/д = 1.3(3); 1.5(4) и для перехода 1/2 —> 1/2 (линия 457.9 нм) при да/д = 1.3(5)

Сравнение с результатами расчетов демонстрирует влияние диффузии на НИОФ (см. рис. 4). Расчетные кривые проведены с использованием параметров, полученных в результате независимых измерений. Сравнение показывает, что использование метода для диагностики плазмы или вычисления констант релаксации требует адекватного развития теории для большйх превышений усиления над порогом генерации д0/д > 1.3.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ приведены основные результаты работы и обсуждаются перспективы дальнейшего исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Идентифицированы новые фиолетовые линии непрерывной генерации аргонового лазера 430.9, 436.2 и 438.4 нм. Измерены интенсивность насыщения многочастотной генерации 6.5 кВт/см2 и коэффициент усиления 10-2м-1 на слабом интеркомбинационном переходе 4p4S3/2 4s 2 Р3/2 Показано, что при малом коэффициенте Эйнштейна возможна мощная генерация благодаря высокой скорости возбуждения квартетного терма.

2. Получена антистоксова комбинационная генерация на 5 новых переходах аргона со стартовыми метастабильны-ми уровнями. Экспериментально подтверждено увеличение мощности комбинационного лазера в 3-4 раза за счет кулоновского рассеяния ионов.

3. Обнаружено гигантское кулоновское уширение провала Беннета на метастабилыюм уровне Aril. Ширина нелинейного резонанса в схеме пробного поля оказалась в 100 раз больше радиационной. Подтверждена экспоненциальная форма крыльев линии и измерено время жизни уровня 3d'2G7/2 в плазме (40 не).

4. Обнаружено насыщение поглощения на переходе с мета-стабильных уровней. Показано, что насыщение из-за ку-лоновской диффузии становится однородным, а интенсивность насыщения пропорциональна квадратному корню из частоты столкновений. По кривой насыщения измерены скорости релаксации метастабильных уровней Aril 3d'2G, 3d4F, 3d2P в плазме (3^-6)- lOV"1. На примере уровня 4.?7/2 показано, что релаксация определяется неупругими столкновениями с электронами и линейно зависит от электронной концентрации.

5. Впервые зарегистрирован профиль нелинейного интерференционного пичка в ионном спектре. Измерения методом магнитного сканирования уровней показали, что ширина резонанса составляет 100 МГц, что значительно меньше однородной ширины линии (500 МГц) и допплеровского уширения (5000 МГц).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Babin S.A., Kablukov S.I., Khorev S.V., Shapiro D.A. basing on a weak intercombination transition (4/j453/2 ~* 4s2P3/2) in Aril // JQSRT. - 1996. - V. 55, No 2. - P. 259-266.

2. Бабин C.A., Каблуков С.И., Кондратенко М.А., Шапиро Д.А. Нелинейный интерференционный эффект в зеема-новском ионном лазере // Письма в ЖЭТФ. - 1996. -Т 64, вып. 4. - С. 241-246.

3. Apolonsky A.A., Babin S.A., Kablukov S.I., Khorev S.V., Podivilov E.V., Chernykh A.I., Shapiro D.A. Giant Coulomb broadening and Raman lasing in ionic transitions // Phys. Rev. A. - 1997. - V. 55, No 1. - P. 661-667.

4. Babin S.A., Kablukov S.I., Khorev S.V., Shapiro D.A.. Lasing on a Weak Intercombination Transition (4р45"з/2 -1> 4s2 P3/2) in Aril Plasma. XII ICSLS (Toronto, June 13-17, 1994). AIP Conference Proceedings 328 (Spectral line shapes, V. 8).

- 1995. - New York. - P. 85-86.

5. Babin S.A., Kablukov S.I., Khorev S.V., Shapiro D.A. Laser action on a weak intercombination transision —' 4s2P3/2 ¡n the argon laser plasma // 8-th Laser Optics Conference, (St.Petersburg, June 27 - July 1 1995), Proceedings SPIE, Laser Optics'95, Gas Lasers.' - 1995. - V. 2773. -P. 186-111.

6. Apolonsky A.A, Babin S.A., Chernykh A.I., Kablukov S.I., Kliorev S.V., Podivilov E.V., Shapiro D.A. Observation of the giant Coulomb broadening in the gas discharge plasma // 13-th ICSLS (Fironze, June 16-21, 1996). AIP Conference Proceedings (Spectral line shapes, V. 9). - 1997. -New York. - P. 157-160.

7. Babin S.A., Kablukov S.I., Khorev S.V., Kobtsev S.M., Podivilov E.V., Chernykh A.I., Shapiro D.A. Saturation behavior of anti-Stokes Raman laser in plasmas // CLEO/Europe-EQEC'96 (Hamburg, 8-13 September, 1996). - Technical digest EQEC'96. - Publ. by IEEE. - 1996. - P. 182.

8. Babin S.A., Kablukov S.I., Kondratenko M.A., Shapiro D.A. Nonlinear interference effect in ionic Zeeman laser / / 13-th ICSLS (Firenze, June 16-21, 1996). AIP Conference Proceedings (Spectral line shapes, V. 9). - 1997. - New York. -P. 259-260.

9. Babin S.A., Kablukov S.I., Kondratenko M.A., Shapiro D.A. Nonlinear interference effect in ionic Zeeman laser // 28-th EGAS Conference (Graz, 16-19 July, 1996). Europhysics conference abstracts. - Publ. by European physical society. - 1996. - P. 392-393.

Литература

[1] Babin S. A., Shapiro D. A. Spectral line broadening due to the coulomb interaction in plasma. // Physics Reports. - 1994. -V. 241, No 3-4. - P. 119-217.

[2] Раутиан С.Г., Смирнов Г.И., Шалагин A.M. Нелинейные резонансы в спектрах атомов и молекул. - Новосибирск: Наука, 1979. - 312 с.

[3] Feitisch A., Schnier D., Miiller T., Wellegehausen В. Continuous anti-Stokes-Raman laser oscillation in an argonlaser plasma // IEEE J. Quant. Electr. - 1988. - V. QE-4, No 3. - P. 507-511.

[4] Ross J. N. The populations of some exited states of singly ionized argon laser discharge //J. Phys. D. - 1974. - V. 6, No 10. - P. 1426-1433.

[5] Дьяконов M.И., Перель В.И. О зависимости интенсивности излучения газового лазера от магнитного поля // ЖЭТФ. - 1966. - Т. 50, вып 2. - С. 448-456.