Характеристика лазеров на красителях с накачкой импульсным лазерным излучением и резонансным фазово-поляризационным управлением параметрами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РГВ од

- ! ."»'.И'

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ИМ. Б.И. СТЕПАНОВА

УДК 621.378.325

ТЕШШШИН Леонид Леонидович

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ НА КРАСИТЕЛЯХ С НАКАЧКОЙ

ИМПУЛЬСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ И РЕЗОНАНСНЫМ ФАЗОВО-ПОЛЯРИЗАЦИОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПАРАМЕТРАМИ

(01.04.21 - лазерная физика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата Зязико-математических наук

Минск - 1995

Работа выполнена в Институте молекулярной и атомной физики Академии наук Беларуси

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, член-корреспондент АНБ, профессор Войтович А.П.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Смирнов А.Я.

доктор физико-математических наук, профессор Грузинский В.В,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Батище С.А.

Оппонирующая организация:

Институт электроники АНБ

IV

Защита состоится дРЗ" /ц^Аг»^/_1996 г. в/Г часов на

заседании совета по защите диссертаций Д 01.05.01. в Институте физики АНБ (220602, г. Минск, пр. Ф. Скорины, 70).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФ АНБ.

Автореферат разослан ^//¿¿/РГй 1996 г.

Ученый секретарь

совета по защите диссертаций

доктор физ.-мат. наук,

профессор Афанасьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ- В настоящее време не найден универсальный способ управления характеристиками выходного излучения различных лазеров" и, следовательно, разработка нового способа или распространение известного на новые лазерные объекты позволяет расширить диапазон применений лазеров или улучшить результаты при их использовании для решения различных задач.

Наиболее сложной задачей при управлении спектром излучения лазера является настройка его узкополосного излучения на выбранную длину волны. Обычно в непрерывных и частотных лазерах эта задача решается с помощью эталонного источника излучения и системы обратной связи, что значительно усложняет и удорожает прибор или промышленную установку, использующую такой лазер. В лазерах, работающих в режиме редких одиночных импульсов, система обратной связи вообще не может быть применена. В этом случае должна применяться некая специальная система настройки, при которой длина волны каздого отдельного лазерного импульса точно настраивается на выбранную длину волны' без использования сигнала обратной связи. Такая система сужения и настройки излучения лазера к выбранным линиям поглощения создана на основе фазово-поляризанионных методов и получила название фазово-поляризационного (ФП) селектора.

Цель диссертационной работы заключалась в выявлении закономерностей изменения характеристик выходного излучения лазеров на красителях с моноимпульсной лазерной накачкой и различными вариантами ФП-селекторов при изменении параметров этих селекторов и в создании на основе полученных данных источников узкополосного лазерного излучения со стабилизированными длинами волн, настроенными на выбранные линии поглощения вещества.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем.

1. Экспериментально найдены условия сужения и привязки спектра излучения лазера на красителях с моноимпульсной лазерной накачкой к линиям поглощения различных веществ.

2. Рассчитаны зависимости пропускания резонатора для различных вариантов ФП-селекторов при однородном и неоднородном уширении линий поглощения вещества резонансного фарадеевского вращателя (РФВ). Найдены параметры и режимы работы лазеров с ФП-селектором, при которых осуществляется сужение и привязка спектра излучения к центру линии поглощения. Получена привязка спектра

излучения к центру линий поглощения широкого круга атомарных веществ.

3. Показано, что при неоднородно уширенной линии поглощения вещества РФВ одиночная бесструктурная линия пропускания резонатора имеет наибольшее пропускание в максимуме, более чем в два раза превышающее наибольшее пропускание в максимуме одиночной бесструктурной линии при однородно уширенной линии поглощения РФВ. При неоднородно уширенной линии поглощения согласованное уменьшение оптической плотности поглощения и напряженности магнитного поля в поглощающей среде приводит к уменьшению ширины одиночной бесструктурной линии пропускания резонатора, в то время как при однородно уширенной линии поглощения аналогичные изменения приводят к появлению структурной линии с несколькими ярко выраженными максимумами.

4. Найдено, что при величине оптической плотности к01 в центре линии поглощения вещества резонансного фарадеевского вращателя, большей величины минимальной оптической плотности (1^1)^, и величине магнитного расщепления более чем в 1,5 раза превышающей ширину линии поглощения ¿V, кривая пропускания резонатора имеет два горизонтальных участка, величина пропускания в которых в зависимости от варианта ФП- селектора равна 0,25 или 0,0625 и не изменяется с ростом Ио1 и Центры горизонтальных участков совпадают с центрами <*±- линий поглощения.

5. Теоретически показано, что в результате влияния насыщения поглощения вещества РФВ импульс узкополосного лазерного излучения, действующего на частоте , самоограничивается по интенсивности и, вследствие этого, имеет уплощенную вершину. Величина максимальной мгновенной' интенсивности узкоцолосного излучения определяется режимом работы ФП-селектора и величиной интенсивности насыщения атомного перехода, к которому осуществляется привязка спектра излучения.

6. Показано, что в экспериментальных условиях собственное узкополосное излучение лазера, действующее в области частоты 1>о, с ростом интенсивности накачки не успевает до появления излучения суперлюминесценции (СЛ) достичь интенсивности, достаточной для заметного насыщения поглощения РФВ. Излучение СЛ в основном и определяет эффекты насыщения. Под ее воздействием ФП- селектор работает как оптический затвор: в начальный момент времени он максимально открыт для излучения на одних частотах и закрыт для

излучения на других частотах. По мере возрастания интенсивности СЛ изменяется пропускание резонатора на различных частотах, что приводит или к сокращению импульса узкополосной _ генерации с одновременным уменьшением его амплитуда и изменением частотного распределения в спектре или еще и к изменению его временной формы (появлению новых максимумов).

7. Найдено, что при двухволновом режиме генерации линейное изменение величины магнитного расщепления не приводит к пропорциональному изменению интервала между линиями генерации, а в некотором интервале изменений магнитного расщепления длины волн линий генерации остаются неизменными. Выяснено, что такая зависимость интервала между линиями генерации от величины магнитного расщепления определяется тем, что потери за счет остаточного поглощения и фазово- поляризационных эффектов при некоторых режимах работы ФП-селектора с изменением магнитного расщепления изменяются в противоположных направлениях и по различным законам.

8. Экспериментально исследована воспроизводимость спектра излучения лазера и выявлены основные факторы, влияющие на нее: интерференционные эффекты, автоззхват частоты генерации, насыщение поглощения. Найдено, что воспроизводимость спектра излучения имеет наибольшее значение, когда он состоит из одной узкой линии, привязанной к центру лилии поглощения.

9. Определена эффективность сужения спектра при различных режимах работы ФП-селектора. Показано, что для каждой схемы лазера с ФП-селектором существует оптимальная, энергия накачки, при которой эффективность сужения максимальна. Рассмотрены физические процессы, ограничивающие эффективность сужения спектра и энергию узкой линии.

10. Экспериментально исследована воспроизводимость энергии излучения лазера. Найдено, что воспроизводимость энергии сильно зависит от режима работы ФП-селектора и уменьшается с уменьшением ширины линии пропускания резонатора.

11. Исследованы различные схемы резонаторов с различными вариантами ФП-селекторов с целью получения наибольшего отношения сигнал/фон в выходном излучении лазера. Предложена схема линейного резонатора с двумя ФП-селекторами, позволившая получить отношение сигнал/фон=165. (По сравнению с обычными схемами, имеющими один ФП- селектор, увеличение более чем в 50 раз).

12. В лазерах на красителях с. наносекундной длительностью импульсов генерации при использовании составного резонатора с ФП-селектором получен полный захват и сужение широкополосного излучения (<5\=20 нм) инжекционным узкополосным излучением

=0,002 нм) без применения дополнительных селектирующих элементов.

13. Создан лабораторный макет источника узкополосного лазерного излучения с применением ФП-селектора для флуоресцентного спектрофотометра. При использовании данного источника и простейшей системы регистрации получен порог обнаружения атомов натрия яЯСРат/см3.

Связь с крупными научными программами- Работа выполнена в рамках Общесоюзных программ по постановлениям директивных органов: Лазер 2, Спектрометр, Прибор-4, а также Республиканских комплексных программ и тем в области естественных наук: Оптика 2, Спектроскопия 0,8, Спектроскопия 2, Лазер 3, Приборостроение I, Приборостроение 2.

Практическая ценность. Результаты исследований и разработок использовались при создании лазерных приборов в ГИПО г. Казань, НПО "Зенит" г. Москва.

Защищаемые положения.

1. Бесструктурную узкую линию излучения лазера, привязанную к центру линии поглощения вещества резонансного фарадеевского вращателя, можно получить при моноимпульсной лазерной накачке только при оптических плотностях на линии поглощения, при которых угол поворота плоскости поляризации в резонансном фарадеевском вращателе не превосходит значения л/4 для фазово-поляризационного селектора с дополнительным нерезонансным фарадеевским вращателем и значения n/Z для фазово-поляризационного селектора со скрещенными поляризаторами.

2. При больших значениях оптической плотности на линии поглощения вещества резонансного фарадеевского вращателя и малых значениях напряженности магнитного поля в поглощающем веществе существует режим работы фазово- поляризационного селектора, при котором лазер генерирует две узкие линии излучения, привязанные к внешним крыльям о±- линий поглощения, и длины волн линий излучения немонотонно зависят от величины напряженности магнитного поля, а в некоторых интервалах изменения величины напряженности магнитного поля длины волн линий излучения

практически не изменяются.

3. Определяющую роль в насыщении поглощения вещества

резонансного_____ фарадеевского вращателя играет излучение

суперлюминесцэнции, которое в зависимости от начального режима работы фазово- поляризационного селектора приводит к ограничению интенсивности импульса узкополосного излучения, изменению его временной формы (уплощается вершина или появляются два максимума), длительности (может происходить уменьшение длительности импульса) и спектрального состава (ассиметричность спектра относительно центра линии поглощения).

4. Флуктуации магнитного поля на Р5В и НФВ слабо влияют на частотную воспроизводимость узкополосного спектра излучения, привязанного к центру линии поглощения вещества РФВ, так как они практически не изменяют форму контура пропускания резонатора, но приводят к значительному уменьшению (приблизительно на 6%) воспроизводимости энергии и отношения сигнал/шум в выходном излучении. Основной причиной нестабильности частоты узкополосного излучения является паразитная интерференционная структура, возникающая при отражении от элементов фазово- поляризационного селектора и резонатора,

5. Источник узкополосного лазерного излучения, спектр которого сужается и привязывается к выбранной линии поглощения ФГГ-способом, по своим параметрам оптимально подходит для флуоресцентного атомного анализа, поскольку линия излучения автоматически настроена на анализируемую линию поглощения, ее спектральная ширина совпадает с шириной линии поглощения, а интенсивность излучения значительно превосходит интенсивность насыщения линии поглощения.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на III Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1982г.), VII Республиканской конференции молодых ученых по физике (Могилев, 1983г.), XIX Всесоюзном съезде по спектроскопии (Томск, 1983г.), Межреспубликанском научном семинаре "Квантовая электроника и лазерная спектроскопия" (Вильнюс, 1984г.), Межреспубликанской школе-семинаре молодых ученых (Минск, 1987г.), II Всесоюзной научно- технической конференции "Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров" (Харьков, 1990г.), II Всесоюзном совещании по нелинейным и когерентным эффектам во ВРЛС (Ленинград, 1991г.).

ДИЫЫИЙ вклад автора. Содержание диссертации отражает личный вклад автора в выполненных исследованиях. Научные руководители А.П. Войтович и А.Я. Смирнов сформулировали и поставили задачу исследований, оказывали методическую помощь при ее выполнении, участвовали в обсуждении результатов исследований. . O.E. Костик участвовал в постановке эксперимента по исследованию энергетических характеристик излучения лазера на красителе, спектр которого привязывался к линиям поглощения калия. Н.В. Бандалет участвовал в создании экспериментальной установки для исследования характеристик выходного излучения кольцевого лазера на красителе с фазово- поляризационным селектором. Другие соавторы занимались изучением вопросов, не вошедших в настоящую диссертацию.

Структура и обьеы работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, выводов и списка используемых источников. Полный объем диссертации -169 страниц. Иллюстрации занимают 42 страницы. Список использованных источников занимает 10 страниц и содержит 134 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и обшей характеристике работы обосновывается актуальность темы исследований, сформулирована цель работы, отражена ее новизна, изложены краткое содержание диссертации и защищаемые положения.

В первой главе .проведен обзор основных работ, отражающих развитие методов и устройств управления выходными -характеристиками лазерного излучения, достигнутые успехи в этом направлении и нерешеннные задачи.

Во второй главе методом матриц Дконса проводится расчет пропускания резонатора лазера с различными вариантами фазово-поляризационных селекторов с учетом типа уширения линии поглощения вещества, используемого в селекторах, и насыщения поглощения.

В 2.1 описывается методика расчета пропускания резонатора и определяются начальные параметры фазово-поляризационного селектора, при которых возможно осуществить привязку и сужение спектра излучения лазера к линии поглощения вещества.

В 2.2 выводится аналитическое выражения для энергетического пропускания линейного резонатора с фазово-поляризационным

селектором, имеющим нерезонансный фарадеевский вращатель:

Т^О.г^^е^-в-** )2cgs2?'M (еЛЧе-Лк fslrfZф] г^,

"где г12- амплитудные коэффициенты отражения зеркал резонатора, Ф(»)~ зависящий от частоты угол поворота плоскости поляризации в РФВ,

k±- амплитудный коэффициент поглощения излучения с правой (+) и левой (-) круговыми поляризациями, 1-длина поглощающей среды,

л-0.5(!с +)с >1

ап + - •

Пропускание резонатора определяется тремя основными факторами: углом поворота плоскости поляризации излучения ф, оптической плотностью поглощения ко1 и дихроизмом поглощения D=(k-k_)l. Для детального анализа пропускания резонатора были проведены численные расчеты с помощью ЭВМ. Пропускание определялось как функция, зависящая от отстройки частоты ди (&v=uo-u), а величина магнитного расщепления и плотность атомного пара N задавались в качестве параметров: тв=Тмду Разработана методика

определения параметров фазово-поляризационного селектора, при которых кривая пропускания резонатора имеет максимум на центральной частоте vQ нерасщепленного контура линии поглощения. Выявлены закономерности изменения пропускания резонатора при изменении параметров фазово-поляризационного селектора.

Далее в 2.2 сравниваются зависимости пропускания резонатора Т(д^н,ди,Ю при однородном и неоднородном уширвнии линий поглощения вещества РФВ. Показано, что эти зависимости имеют ряд характерных различий. Во-первых, в случае однородно уширенной линии поглощения, относительно бесструктурная линия пропускания резонатора имеет наибольшее пропускание в максимуме Т(ь>о)=0,-19 и ширину <5v =4,45<5i>, в то время как при неоднородно уширенной линии поглощения Т(^о)=0,46 и <5^=1,Во-вторых, если линия поглощения уширена неоднородно, то согласованным уменьшением величин N и удается значительно уменьшить ширину

бесструктурной линии 6» с одновременным уменьшением пропускания в максимуме; в случае однородно уширенной линии поглощения согласованное уменьшение N и приводит к появлению структурной линии с двумя или тремя ярко выраженными максимумами.

В разделе 2.3 проводятся численные расчеты различных

а

вариантов ФП-селекторов, сравниваются их параметры и выясняются основные преимущества и особенности их работы при сужении спектра излучения лазера. Предлагается схема кольцевого лазера на красителе с фазово-поляризационным селектором, в которой в качестве нерезонансного вращателя используются зеркала резонатора.

Практическое использование того или иного типа ФП- селектора определяется конкретными требованиями к параметрам лазерного излучения и техническими возможностями его осуществления.

В 2.4 численные расчеты пропускания резонатора проводятся с учетом насыщения поглощения вещества резонансного фарадеевского вращателя.

Расчеты показали, что под воздействием широкополосного излучения суперлюминесценции ФП-селектор действует как оптический затвор. В начальный момент времени 1=0, когда интенсивность излучения суперлюминесценции 1СЛ=0, в зависимости от начального режима работы ФП- селектор максимально открыт на одних частотах и закрыт для излучения на других частотах. Если в момент времени 1=0 угол Ф(»0)<п/А и интенсивность СЛ одинакова в области частот то результатом воздействия излучения СЛ на поглощающее вещество РФВ будет сокращение длительности импульса узкополосного излучения с одновременным уменьшением его амплитуды и изменением частотного распределения в его спектре. Если в момент времени 1=0 угол ф{ 1>0)>я/4, то в зависимости от конкретного значения этого угла под воздействием СЛ может также сокращаться длительность импульса генерации или значительно изменяться его форма. При (Зп/4)^ф(мо,0)<яг импульс генерации может иметь два максимума. Первый максимум (при достаточном значении интенсивности СЛ) соответствует моменту времени, когда 0(^о)~Зт/4, а второй -моменту времени, когда Ф(»0)~"/4. За время действия импульса генерации спектральное распределение излучения в нем также изменяется, оставаясь симметричным относительно частоты

В третьей главе излагаются результаты экспериментальных исследований спектральных, энергетических и временных характеристик излучения лазеров при различных режимах работы ФП-селектора и выявляются основные факторы, влияющие на эти характеристики.

В 3.1 описывается экспериментальная установка для определения спектральных, энергетических и временных

характеристик излучения лазера и методика измерений.

В 3.2 исследуются спектральные характеристики излучения лазера с фазово-поляризационным селектором и определяются "закономерности изменения ~ спектрального состава излучения при изменении параметров фазово-поляризационоого селектора.

Экспериментальные исследования спектральных характеристик лазеров на красителях с ФП-селектором проводились при сужении и привязке спектра генерации к возбужденным в электрическом разряде линиям поглощения неона с длинами волн х=585,25; 588,2; 594,5; 603,0 ; 607,5; 714,4 и 724,5 нм, резонансным линиям поглощения калия с х=766,5 и 769,9 нм, натрия с х=588,99 и 589,6 нм, цезия с х=455,5 И 459,3 НМ.

Исследования показали, что спектры излучения у всех используемых лазеров при селекции частот ФП- способом в целом подобны и состоят из одной или нескольких узких линий в области контура линии поглощения Р1В. Различными являются лишь условия получения идентичных спектров, вид которых определяется тремя параметрами лазера с ФП-селектором: оптической плотностью поглощающего вещества РВФ, напряженностью магнитного поля в поглощающей среде и превышением V накачки над пороговым значением. Подбором величин этих параметров удается получить любой из возможных режимов генерации, вытекающих из численных расчетов. Найдено, что не при всех параметрах ФП-селектора изменением величины магнитного поля можно эффективно изменять длину волны излучения лазера. Такое поведение спектра излучения можно объяснить тем, что при больших к.о1 и малых аун генерация возникает на длине волны, для которой наименьшими являются суммарные потери, обусловленные остаточным поглощением и фазово-поляризационными эф|ектами. При изменении потери за счет остаточного поглощения и • фазово-поляризационных эффектов изменяются в противоположных направлениях: если потери за счет остаточного поглощения увеличиваются, то потери за счет фазово-поляризационных эффектов уменьшаются и наоборот. Поэтому значительное изменение д»>н приводит к незначительному изменению длины волны генерации.

Наименьшая спектральная ширина линии излучения лазера, полученная экспериментально, равна О.ОООЗнм (приязка к линии цезия с х=455,5нм).

В 3.3 определяются основные факторы, влияющие на

спектральный состав и воспроизводимость спектра излучения лазера на красителе при различных режимах работы фазово-поляризационного селектора.

Воспроизводимость длины волны излучения лазера имеет наибольшее значение, когда спектр излучения состоит из одной узкой линии, привязанной к центру линии поглощения вещества РФВ. В этом случае воспроизводимость длины волны излучения от импульса к импульсу при интервале между импульсами д-!;=2мин и общем числе импульсов N=20 составила ^>7x10°. Отстройка длины волны центра линии излучения лазера от центра линии поглощения вещества РФВ не превышает половину дошхлеровской ширины этой линии поглощения.

При многополосном режиме генерации, когда привязка излучения осуществляется к крыльям о^-линий поглощения, наблюдаются следующие особенности в спектрах излучения: соответствующие линии излучения расположены несимметрично относительно \о и их интенсивности неодинаковы.

Отмеченные несоответствия экспериментальных результатов и расчётных являются следствием дополнительного влияния на формирование результирующих селективных потерь резонатора интерференционных эффектов, полностью устранить которые не удавалось, и явления автозахвата частоты вблизи контура линии поглощения, наблюдавшегося в экспериментах с одной из сторон контура при невыполнении условий привязки спектра излучения ФП-способом (Н=0). Возможно влияние насыщения поглощения в поле сильной лазерной волны на селективные потери резонатора, но это влияние проявляется опять же через интерференционную структуру излучения. Результирующее пропускание резонатора определяется совокупностью всех выше перечисленных факторов.

В 3.4 приводятся результаты изучения энергетических характеристик излучения лазера, определяются эффективность сужения спектра излучения и воспроизводимость его энергии. Исследуется влияние различных эффектов на энергетические характеристики излучения.

Найдено, что эффективность сужения спектра зависит от типа и режима работы фазово- поляризационного селектора и от уровня энергии накачки активного вещества лазера. Для кавдого режима работы фазово-поляризационного селектора существует оптимальная энергия накачки, при которой эффективность сужения максимальна.

При экстремально узкой линии излучения лазера с шириной

<5х=0,001нм и оптимальной энергией накачки, спектральная плотность

излучения возрастала в 10,4 раза по сравнению со спектральной плотностью широкополосного излучения. В режиме генерации двух линий- с шириной бх=0,002нм спектральная плотность излучения возрастала в 20 раз.

Далее в 3.4 исследуется влияние излучения СЛ на энергетические характеристики излучения лазера. Под воздействием СЛ изменяется форма и уменьшается анергия импульса излучения лазера.

Воспроизводимость энергии излучения лазера -определяется стабильностью величины пропускания фазово-голяризационного селектора и стабильностью неконтролируемых внутрирезонаторных интерферометров, образованных различными оптическими элементами. В режиме генерации одиночной узкой линии, привязанной к центру линии поглощения, воспроизводимость энергии 3=3, относительная нестабильность ±32%.

1 четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования применимости различных схем резонаторов для сужения спектра ФП- способом, определения отношения сигнал/фон для кавдой схемы резонатора, а также нахождения оптимальных конфигураций резонатора и режимов работы ФП- селектора, при которых отношение сигнал/фон имеет наибольшее значение. Приводятся данные исследования лазера с составным резонатором и инжекционнкм усилением узкополосного излучения. На основании результатов экспериментов вырабатываются требования к параметрам элементов ФП- селектора для оптимизации условий сужения и привязки спектра генерации.

В 4.1 предложена схема линейного резонатора с двумя фазово-поляризационными селекторами. Использование второго ФП- селектора приводит к увеличению энергий узкополосного излучения и к увеличению отношения сигнал/шум. Улучшение характеристик выходного излучения происходит из-за уменьшения двухпроходовой СЛ, которая влияет на коэффициент усиления активной среды и характеристики ФП- селектора, и из-за уменьшения доли однопроходовой СЛ в выходном излучении лазера вследствие наличия второго ФП- селектора. При энергии узкополосного излучения Еуг=1,1мкДж получено отношение сигнал/фон=165.

В 4.2 экспериментально исследуется лазер с кольцевым резонатором и фазово-поляризационным селектором, нерезонансное

вращение плоскости поляризации излучения которого обеспечивается зеркалами резонатора.

Найдены оптимальное расположение элементов резонатора и условия получения однонаправленной генерации. Получено максимальное отношение сигнал/фон=17.

В 4.3 приводятся данные исследования лазера с составным резонатором и инжекционным усилением узкополосного излучения.

Сужение спектра ФП-способом в Ж с моноимпульсной лазерной накачкой обычно сопровождается уменьшением энергии генерации на 2-3 порядка. С помощью метода инжекции в несложной схеме резонатора получена 100%-ная перекачка энергии широкополосной генерации исполняющего лазера в узкую линию и тем самым более чем на порядок увеличена энергия узкополосного излучения.

В 4.4 на основании результатов экспериментов вырабатываются требования к параметрам элементов ФП-селектора для оптимизации условий сужения и привязки спектра генерации и предлагаются оптимальные конструкции фарадеевских вращателей, поляризаторов и атомизаторов.

В пятой главе описан макет источника узкополосного лазерного излучения, изложены результаты исследования его характеристик и опробации его работы в составе флуоресцентного спектрофотометра на примере определения малых концентраций атомов натрия.

В 5.1 приводятся оптимальные параметры излучения лазера для определения микропримесей вещества в различных образцах методом атомно-флуоресцентного анализа и затем эти параметры сравниваются с параметрами излучения предлагаемого лазерного источника с целью выявления возможности его использования в составе флуоресцентного спектрофотометра. При сужении и привязке спектра излучения к линии дублета натрия получена спектральная плотность интенсивности лазерного источника Х^хКУ^ВтЛ^Гц, значительно превышающая спектральную плотность насыщения

1^ас=1,15хЮ"3Вт/мгГц данного перехода, а так как длительность импульса генерации лазера ти приблизительно равна времени жизни возбужденного состояния атома т, то условие сильного насыщения '1лхти>>1насхт ^ атомного перехода выполняется, что позволяет работать спектрофотометру в режиме насыщения сигнала флуоресценции.

В 5.2 представлен макет лазерного источника, генерирующий узкополосное излучение (<5\ %0,001нм) на следующих длинах влон:

455,5 и 459,3 нм (Об); 588,99 и 589,6 НМ (Иа); 607 нм (Ы).

Приведены спектральные и энергетические характеристики излучения.

Далее в 5.2 лазерный макет испытан в качестве источника излучения в лабораторном атомно-флуоресцентном спектрофотометре с простейшей системой регистрации для определения малых концентраций атомов натрия. Получен порог регистрации 10аат/см3. Показано, что при используемой интенсивности происходит насыщение сигнала флуоресценции и дальнейшее уменьшение порога регистрации возможно за счет улучшения системы регистрации.

Выводы содержат краткий перечень основных результатов.

1. Рассчитаны зависимости пропускания резонатора ■ с различными вариантами фазово- поляризационных селекторов при однородном и неоднородном уширении линии поглощения вещества резонансного фарадеевского вращателя. Найдено, что при неоднородно уширенной линии поглощения вещества резонансного фарадеевского вращателя одиночная бесструктурная линия пропускания резонатора имеет наибольшее пропускание в максимуме, более чем в два раза превышающее наибольшее пропускание в максимуме одиночной бесструктурной линии при однородном упгорении.

2. Выявлены закономерности изменения линий пропускания резонаторов. При неоднородно уширенной линии поглощения вещества резонансного фарадеевского вращателя согласованное уменьшение оптической плотности поглощения и напряженности магнитного шля в поглощающей среде приводит к уменьшению ширины одиночной бесструктурной линии пропускания резонатора, в то время как при однородно уширенной линии поглощения аналогичные изменения приводят к появлению структурной линии с несколькими ярко выраженными максимумами. При больших значениях оптической плотности поглощения и напряженности магнитного поля в поглощающей среде кривая пропускания резонатора (независимо от типа уширения) имеет два горизонтальных участка, величина пропускания в которых в зависимости от типа фазово-поляризанионного селектора равна 0.25 или 0,0625 и не изменяется с дальнейшим увеличением оптической плотности поглощения и напряженности магнитного поля. Центры горизонтальных участков совпадают с центрами линий поглощения.

3. Найденные расчетным путем режимы работы лазера получены экспериментально при привязке его спектра к линиям поглощения широкого круга веществ. Определена эффективность сужения спектра

излучения лазера при различных режимах работы ФП- селектора. Показано, что для каждого типа ФП- селектора и режима его работы существует оптимальная энергия накачки красителя, при которой эффективность сужения максимальна.

4. Исследованы закономерности перестройки .длины волны генерации лазера. Экспериментально найдено, что при двухволновом режиме генерации зависимость величины частотного интервала между линиями генерации от величины магнитного расщепления не является линейной, а в некоторых интервалах изменений магнитного расщепления длины волн линий генерации остаются неизменными. Выяснено, что такая зависимость величины частотного интервала между линиями генерации от величины магнитного расщепления определяется тем, что потери за счет остаточного поглощения и фазозо- поляризационных эффектов при некоторых режимах работы ФП-селектора с изменением магнитного расщепления изменяются в противоположных направлениях и по различным законам.

5. Изучено влияние эффекта насыщения поглощения вещества резонансного фарадеевского вращателя на характеристики лазерного излучения. Теоретически показано, что из-за эффекта насыщения импульс узкополосного лазерного излучения, действующего на частоте ^о, должен самоограничиваться по величине интенсивности и, вследствие этого, иметь уплощенную верщину. Величина максимальной мгновенной интенсивности узкополосного излучения определяется режимом работы ФП- селектора и параметрами атомного перехода, к которому осуществляется привязка спектра излучения. Экспериментально найдэно, что собственное узкополосное излучение лазера, действующее в области частоты с ростом интенсивности накачки не успевает до появления излучения суперлюминесценции (СЛ) достичь интенсивности, достаточной для заметного насыщения поглощения. Излучение СЛ в основном и определяет эффекты насыщения. Под ее воздействием ФП- селектор работает как оптический затвор: в начальный момент. времени он максимально открыт для излучения на одних частотах и закрыт для излучения на других частотах. По мере возрастания интенсивности СЛ изменяется пропускание резонатора на различных частотах, что приводит или к сокращению импульса узкополосной генерации с одновременным уменьшением его амплитуда и изменением распределения интенсивности в спектре или еще и к изменению его формы (появлению новых максимумов).

6. Экспериментально исследованы воспроизводимость спектра и

энергии излучения лазера и выявлены основные факторы, влияющие на них. Найдено, что воспроизводимость спектра излучения имеет наибольшее значение," когда он состоит из одной узкой линии, привязанной к центру линии поглощения. Воспроизводимость энергии сильно зависит от режима работы ФП-селектора и имеет минимальное значение, когда спектр излучения состоит из одной узкой линии, привязанной к центру линии поглощения.

7. Проведены экспериментальные сравнения различных схем резонаторов лазаров, содержащих различные варианты ФП-селекторов, с целью получения наибольшего отношения сигнал/фон в выходном излучении. Предложена схема линейного резонатора с двумя ФП-селекторами, позволившая получить отношение сигнал/фон=165. (По сравнению с обычными схемами увеличение более чем в 50 раз). Исследовано усиление инжекционного сигнала при использовании составного резонатора с ФП- селектором. Получен полный захват и сужение широкополосного излучения исполняющего лазера (6x^=20 нм) инжекционным узкополосным излучением задающего лазера (-5*. -Ю,002 ям) без применения дополнительных селектирующих элементов.

8. На основе проведенных исследований создан лабораторный макет источника узкополосного лазерного излучения с применением ФП- селектора для флуоресцентного спектрофотометра. При использовании данного источника и простейшей системы регистрации получен порог обнаружения атомов натрия «Юяат/см3.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Войтович A.n., Калинов B.C., Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л. Влияние индуцированной в активной среде .линейной фазовой анизотропии на характеристики излучения гззоеого лазера // ЖПС.-1982.-Т.36.-Яб. ■-С .717-722.

2. Смирнов А.Я., Костик O.E., Тепляшин Л.Л. Характеристики излучения лазеров на красителе с лазерной накачкой при управлении спектром генерации фазово-поляризационным способом// Квант.электр.-1Э87.-т.14.-MI.-С.2224-2230.

3. Войтович А.П., Емельянов А.П., Рунец Л.П., Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л. О роли эффектов насыщения внутрирезонаторного поглощения в лазерах с управлением спектром генерации фазово-поляризационным способом// Тезисы докл. II Все союз, совещания по нелинейным и когерентным эффектам во

внутрирезонаторной лазерной спектроскопии.- Ленинград, 1991. С.50-51.

4. Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л. Влияние насыщения поглощения на генерационные характеристики лазеров на красителях с фазово-поляризационным селектором длин волн// ЖПС.- 19 93. -Т.59.-ЛБ.-С.510-515.

5. Войтович А.П., Калинов B.C., Рунец Л.П., Смирнов А.Я., Тепляшн Л.Л. Управление спектром излучения лазеров с помощью линейной фазовой анизотропии, индуцируемой в усиливающей или поглошающей среде внешним магнитным полем// Изв.АН СССР. Сер.физ.- 1982.-т.46.-СЛ992-1995

6. Войтович _A.il., Калинов B.C., Рунец Л.П., Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л. Управление спектром излучения лазеров с помощью линейной фазовой анизотропии, индуцируемой в поглощающей или усиливающей среде внешним магнитным полем// Тез. докл. на III Всес. конф. "Оптика лазеров". Ленинград, 1982.- С.233.

7. Войтович А.П., Калинов B.C., Рунец Л.П., Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л. Влияние индуцированной в активной среде линейной фазовой анизотропии на характеристики излучения газового лазера// Тез. докл. на VII Респуб. конф. молодых ученых по физике (Могилев, июнь 1982) -Минск, 1982.-С. 41.

8. Войтович А.П., Калинов B.C., Рунец Л.П., Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л. Узкополосные и стабильные по частоте лазерные источники света для атомного спектрального анализа// Тезисы докл. XIX Всесоюз. съезда по спектроскопии, 4.VI. Томск, 1983.-С.12-14.

9. Войтович А.П., Жуковский В.В., Исаевич A.B., Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л. Сужение и привязка спектра излучения перестраиваемых лазеров с когерентной импульсной накачкой// Материалы IV Всесоюз. конф. "Перестраиваемые по частоте лазеры". Дек., 1983. Новосибирск, 1984.-С.364-366.

10. Костик O.E., Тепляшин Л.Л. Исследование частотных характеристик излучения лазера на красителе с лазерной накачкой и фазово-поляризационным сужением спектра генерации// Материалы XIII Республ. конф. молодых ученых по физике.-Минск, 21-23 июня, 1984.-С.17.

11. Войтович A.n., Калинов B.C., Рунец Л.П., Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л. Перестраиваемые по частоте лазеры с узким спектром излучения, привязанным к атомным линиям

поглощения//Тез. докл. VI Межресп. науч. семинара "Квант, электрон, и лаз. спектроск."-Вильнюс, 1984.-С.3.

12. Войтович А.П., Емельянов А.П., Попов П.Н., Рунец Л.П., Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л. Узкополосные импульсные лазеры на красителях со стабильной длиной волны генерации для научных и прикладных целей.//Тезисы II Всесоюз. НТК "Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик лазерного излучения".-Харьков, 1990.-С.150-151.

13. Войтович А.П., Рунец Л.П., Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л. Фазово-поляризационные системы управления спектром излучения широкополосных лазеров// Тезисы II Всесоюз. НТК "Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик лазерного излучения".- Харьков, 1990.-С.106.

14. Вандалет Н.В., Тепляшин Л.Л. Кольцевой лазер на красителе с узким спектром генерации// Материалы межреспуб. школы семинара молодых ученых.-Минск, 13-16 окт. 1987.-С.145-146- -

15. Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л. О фазово-поляризационном

управлении спектром излучения кольцевых лазеров на красителях// Квант.электр.- I988.-T.I5.-Ji5.-C.I032-I034.

16. Войтович А.П., Ненчов М.Н., Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л. Инжекционный захват частоты излучения в импульсном лазере на красителе с составным резонатором// Квант.электр.- 1988. -т. 15. -HQ. -С. 450-464.

17. Войтович А.П., Смирнов А.Я., Рунец Л.П., Тепляшин Л.Л. Двухволновой лазер.- A.c. Ш087025 с приоритетом от

08.09.1982.

18. Малашкевич Г.Е., Тадэуш В.Н., Мазовко A.B., Александров В.И., Блинов А.Л., Борик М.А., Тепляшин Л.Л. Магнитоактивное стекло,- A.c. J8II75I24 с приоритетом от 05.03.1983.

19. Бураков B.C., Войтович А.П., Жуковский В.В., йсаевич A.B., Тепляшин Л.Л. Лазер.- A.c. Ж158006 с приоритетом от

08.07.1983.

РЕЗЮМЕ. Тепляшин Леонид Леонидович. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ НА КРАСИТЕЛЯХ С НАКАЧКОЙ ИМПУЛЬСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ И РЕЗОНАНСНЫМ ФАЗОВО-ПОЛЯРИЗАВДОНШМ УПРАВЛЕНИЕМ ПАРАМЕТРАМИ.

Лазер, резонатор, селектор, краситель, излучение, спектр, интенсивность, насыщение, воспроизводимость, вращатель, поляризатор, атомизатор, • инкекция, суперлюминесценция, флуоресценция.

Экспериментально найдены условия сужения и привязки спектра излучения лазера на красителях с моноимпульсной лазерной накачкой и фазово-поляризационным селектором к линиям поглощения различных веществ.

Выявлены закономерности изменения характеристик выходного излучения лазера при изменении параметров фазово-поляризационных селекторов.

Исследовано влияние насыщения, автозахвата и интерференционных эффектов на частотные, энергетические и временные характеристики излучения лазера.

На основе полученных данных создан макет источника узкополосного лазерного излучения для флуоресцентного спектрофотометра.

РЭЗЮМЭ. Цепляшын Леан1д Леан1дав!ч. ХАРАКТАРЫСТЫКI ЛАЗЕРАУ НА ФАРБАВАЛЬНIКАХ 3 НАПАМПОУВАННЕМ 1МПУЛЬСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ВЫПРАМЕНЬВАННЕМ I РЭЗАНАНСНЫМ ФАЗАВА-ПАЛЯРЫЗАЦЫИНЫМ К1РАВАННЕМ ПАРАМЕТРАМI.

Лазер, рэзанатар, селектар, фарбавальн!к, выпраменьванне, спектр, 1нтэнс1Унасць, насычэнне, узнауляльнасць, вярчальн1к, палярызатар, атам!затар, 1нжэкцыя, суперлюм1несцэнцыя, флуарэсцэнцыя.

Экспериментальна знойдзены Умовы звужэяня 1 прычэпк! спектра выпраменьвання лазера на фарбавальн1ках з мана!мпульсным лазерным напампоУваннем 1 фазава-палярызацыйннм селектарам да Л1н1й паглынання розных рэчывау.

Выявлены заканамернасц! змянення характарыстык выхаднога выпраменьвання лазера пры змяненн! параметрау фазава-палярызацыйных селектараУ.

Даследаваны УплыУ насычэння, аутазахопу 1 1нтэрферэнцыйных эфектаУ на • часц1ню, энэргетычныя 1 часавыя характарыстык! выпраменьвання лазера.

На падставе атрыманых дадзеных створаны макет крынЩы вузкапалоснага лазернага выпраменьвашя для флуарэсцзнтнага спектрафатометра.

SUMMARY. Teplyashin Leonid Leonidovitch. CHARACTERISTICS OP DYE LASERS WIHT MONOPULSE POMP AND EESONENT PHASE-POLARIZATICN CONTROL OF PARAMETERS

Laser, cavity, selector, dye, radiation, spectrum, intensity, saturation, reproducibility, rotator, polariser, atomizer, injection, superluminescence, fluorescence.

Conditions of rnonopulse pumped dye laser radiation spectrum narrowing and locking to different media absobtion lines by phase-polarization selector have been experimentally found.

The dependences of output radiation characteristics on fhase-polarlzation selector parameters have been determined.

An influence of saturation, autolocking and interference effects on frequency, energy and temporal characteristics of laser radiation haz been investigated.

The results obtained have been used for creation cf model of nerrow-band laser souvee for fluorescent analysis.