Интенсивность резонансов насыщенного поглощения в газе низкого давления тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Р Г Б ОД

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

- I ДПР

ПОКАСОВ ПАВЕЛ ВИКТОРОВИЧ

ИНТЕНСИВНОСТЬ РЕЗОНАНСОВ НАСЫЩЕННОГО ПОГЛОЩЕНИЯ В ГАЗЕ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК

НОВОСИБИРСК-1996

Работа выполнена в Институте лазерной физики Сибирского Отделения Российской Академии Наук

Научные руководители:

- академик Багаев Сергей Николаевич

- кандидат физико-математических наук Дмитриев Александр Капитонович

Официальные оппоненты:

- доктор физико-математических наук профессор Проценко Евгений Дмитриевич

- доктор физико-математических наук профессор Троицкий Юрий Владимирович

Ведущая организация: Физический Институт Санкт-Петербургского государственного университета

¡¿о

Защита состоится "// " ¡995 г н 45 часов на заседании

диссертационного совета К200.18.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте лазерной физики СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 13/3. (факс:3832 350767)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института лазерной физики СО РАН.

Автореферат разослан "/Г" 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н.

1. Обшая характеристика работы

Актуальность темы

Повышение разрешающей способности нелинейной лазерной спектроскопии и улучшение характеристик стабильности оптических стандартов частоты связаны с исследованием и развитием существующих, а так же с разработкой новых методов получения сверхузких оптических резонансов с относительной шириной ~1(Г12-1(Г13. Большая часть спектроскопических данных [1] и высокая воспроизводимость и стабильность частоты лазеров ~10~14-1(Г15 получены с использованием резонансов насыщенного поглощения [2]. Экспериментальная реализация эффекта оптической селекции молекул по скоростям в газе низкого давления [3] подтвердила указанную в [4] возможность применения метода насыщенного поглощения для получения узких нелинейных резонансов, свободных от пролетного уширения. В последующих многочисленных экспериментальных и теоретических работах различных авторов, обобщенных в [5], были заложены основы нового научного направления - нелинейной лазерной спектроскопии, свободной от квадратичного эффекта Доплера. Исследования интенсивности и формы узких резонансов насыщенного поглощения [1*-3*] в широкой области изменения пролетного параметра Гт0 (Г - однородная полуширина линии поглощения, т0 - время пролета поглощающей частицы со среднетепловон скоростью и через световой пучок) позволили оценить реальную возможность регистрации узких резонансов и их практическую ценность.

Самостоятельный научный интерес, вместе с тем, тесно связанный с общей темой работы, представляет явление усиленной оптической бистабилыюсти, впервые наблюдавшееся н описанное в [4*]. Этот новый тип оптической бистабильности, характерной особенностью которого является аномально высокий контраст бистабилыюго перехода [4*,5*], со временем может найти широкое использование, например, при детектировании и исследовании слабоинтенсивных оптических сигналов, в качестве которых могут выступать как сверхузкие оптические

* - ссылки на публикации автора

резонансы [6*,7*,6], так и слабые сигналы, возникающие в оптических схемах гетеродинного приёма, большебазовой интерферометрии и т.д..

1. Проведение детальных экспериментальных исследований поведения интенсивности и ширины узких оптических резонансов в мощности излучения лазера с внутренней нелинейно-поглощающей ячейкой в широкой области изменения пролетного параметра Гто и величины насыщающего поля в резонаторе лазера.

2. Экспериментальное наблюдение и качественное рассмотрение эффекта усиленной оптической бистабильности в активном интерферометре с насыщающимися поглощающей и усиливающей средами и демонстрация возможности его использования для повышения интенсивности резонансов насыщенного поглощения.

Основные задачи:

1. Создать автоматизированный лазерный спектрометр с разрешением лучше Ю10 на базе Не-Ие/СН* -лазера на Х=3.39мкм для наблюдения и исследования формы оптических резонансов в метане в пролетной области (при Гто«\).

2. Провести исследования поведения интенсивности и ширины нелинейного резонанса в метане (линия Р2<2)Р(7)у3) в широкой области изменения давления поглощающего газа (когда 1»Ао>1) при слабом и сильном насыщении поглощения.

3. Исследовать особенности полевого уширения резонанса" насыщенного поглощения в пролетной области.

4. Разработать методику эксперимента, создать экспериментальную установку и осуществить наблюдение нового типа бистабильности -усиленной оптической бистабильности в активном интерферометре, содержащем усиливающую и поглощающую среды, насыщающиеся под действием внешнего излучения лазера.

5. Провести качественное рассмотрение явления усиленной оптической бистабильности и установить его характерные особенности.

6. Выполнить наблюдение нелинейного резонанса в ноле стоячей волны в активном интерферометре с поглощением.

Научная новизна работы определяется следующими, впервые

полученными результатами:

1. Экспериментально исследовано влияние пролетных эффектов на форму узких нелинейных резонансов в мощности излучения Не-№ -лазера на Х=3.39мкм с внутренней СНЦ -поглощающей ячейкой при изменении давления метана в области 0.05<р<50 мТорр (диапазон изменения пролетного параметра Гт0 ~0.05 - 6 ) :

а) При малой величине параметра насыщения поглощения аэ~0.1 получена нелинейная зависимость интенсивности резонанса от изменения пролетного параметра (давления поглощающего газа). В области низких давлений р поглощающего газа (в эксперименте Гт0 <0.1) интенсивность резонанса уменьшается пропорционально /Л а при Гг0>1 меняется ~ р.

б) Выявлена зависимость поведения величины оптимальной интенсивности резонанса Д/0Пт (т.е. интенсивности, соответстветствующей максимальной амплитуде резонанса) от давления поглощающего газа. При /г0<0.1 Д/0пт меняется линейно от давления поглощающего газа, а с увеличением давления газа в области Гт0>1 растет, как /Л

в) При Гго<0.1 установлены особенности полевого уширения резонанса и первой производной резонанса по частоте. В области слабых насыщений (аз«]) полуширина резонанса у ~(/7ть)ш, а полуширина его первой производной (расстояние от нуля до максимума производной)

При увеличении амплитуды 2Е насыщающего поля (Г«с1Е/Ь «т0~1, (1 - дипольный матричный элемент поглощающего перехода) y~i.dE/b то)1/2, ■^Х)~(4ЕГЬ). С дальнейшим ростом насыщения (йЕГЬ-го~') у и описываются корневой зависимостью от мощности ^го'1(1+а5(Лг0)2)"2,

2. Представлена модель абсорбционной бистабилыюсти во внешнем интерферометре, содержащем поглощающую и усиливающую среды, насыщающиеся под действием внешнего когерентного поля.- На качественном уровне показано, что введение в интерферометр усиливающей среды и учет характера насыщения последней, приводят к изменению механизма возникновения чисто абсорбционной бистабилыюсти таким образом, что она возникает даже в случае неоднородно уширенной линии используемого поглотителя, что принципиально невозможно в аналогичной пассивной системе.

3. Создана экспериментальная схема, разработана методика измерений и осуществлено наблюдение нового типа оптической бистабильности - усиленной оптической бистабилыюсти. Экспериментально установлены характерные особенности данного явления. Зарегистрированный контраст бистабилыюго перехода составил ~104, достигнута добротность интерферометра ~10и.

4,- Предложен и продемонстрирован метод повышения интенсивности резонанса насыщенного поглощения с использованием режима дифференциального усиления системы с усиленной оптической бистабнлыюстыо.

Практическая ценность работы

1. Полученные зависимости поведения интенсивности и ширины оптических ' резонансов в метане использованы при разработке транспортируемого Не-Ые/СЩ оптического стандарта частоты на Х=3.39мкм с долговременной стабильностью ~5х10-15 и шириной линии излучения ~10Гц, созданного в Институте лазерной физики СО РАН [8*]. Аналогичный образец стандарта частоты был изготовлен по контракту с Институтом Макса Планка (г. Garching, Германия), где он использовался в качестве частотного репера при измерении абсолютного значения частоты перехода 1S-2S атома водорода и уточнения величины постоянной Ридберга, выполненных сегодня с рекордной точностью [7].

2. Система с усиленной оптической бистабнлыюстыо может использоваться для регистрации слабоинтенсивных оптических сигналов, например, узких оптических резонансов [6*,7*,6], а так же при создании лазерного стабилитрона [8] и стабилизированного но частоте лазера [9*].

Защищаемые положения

1. В пролетной области при малом параметре насыщения поглощения (аэ«1) интенсивность резонанса в мощности излучения лазера с внутренней поглощающей ячейкой Д/ пропорциональна кубу давления р поглощающего газа. При этом полуширина резонанса на полувысоте /~(/7го)ш, а полуширина его первой производной (где Г -

однородная полуширина линии поглощения, то -время взаимодействия поглощающей частицы со среднетепловой скоростью со световым полем).

2. В случае сильного насыщения поглощения (ж(/г0)2>1), при Лг0«1 оптимальная интенсивность резонанса Д/опт меняется линейно от давления поглощающего газа, а с увеличением давления газа в области Лг0>1 растет, как ръ.

3. В активном интерферометре с насыщающимися усиливающей и поглощающей средами наблюдается новый тип оптической бистабилыюсти - усиленная оптическая бистабильность, характерной особенностью которой является возможность получать высокий контраст бнетабилыюго перехода к. Величина к зависит главным образом, от соотношения параметров насыщения усиливающей и поглощающей сред и может превышать 104.

4. Использование режима дифференциального усиления системы с усиленной оптической бистабильностью для наблюдения узких оптических резонансов позволяет увеличить амплитуду и контраст полезного сигнала.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на конференциях:

1. IX-ая Международная Вавиловская конференция но нелинейной оптике, Новосибирск, 16 - 18 июня 1987.

2. Eight International Conference on Laser Spectroscopi VIII, Are, Sweden, June 22 - 26, 1987.

3. Fourth Symposium on Frequency Standards and Metrology, Ancona,

Italia, September, 1988.

4. Tenth International Conference on Laser Spectroscopi (TENICOLS'91); Font-Romeu, France, June 17 - 21, 1991.

5. Международная конференция "Оптика лазеров'93", С-Петербург, 21 - 25 июня, 1993.

6. International Conference on Precision Electromagnetic Measurements, Boulder, USA, June 27 - Jule 1, 1994.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения, заключения и списка литературы из 76 наименований. Общий объем диссертации, включая 39 рисупков, составляет 109 страниц.

2. Содержание диссертации

Во введении коротко рассматривается состояние проблемы, обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цель и задачи исследований, кратко излагается содержание диссертации.

Глава 1. Влияние пролетных эффектов на форму резонансов насыщенного поглощения.

Вьшолнено качественное рассмотрение влияния пролетных эс|х!)ектов на ширину и интенсивность резонансов насыщенного поглощения. Изложены результаты [9,3*] теоретических исследований формы узких резонансов в газе низкого давления. Проанализировано поведение интенсивности резонансов насыщенного поглощения при их наблюдении методами внешней и внутренней поглощающих ячеек.

Важным требованием для получения узких резонансов насыщенного поглощения является использование поглощающего газа низкого давления. В пролетной области давлений, когда длина свободного пробега поглощающей частицы сравнивается либо начинает превышать радиус а светового поля, с которым она взаимодействует, возникает необходимость учета влияния конечного времени пролета частицы через ноле на поведение ширины резонанса 2у [4]. Характерной величиной в этом случае, является пролетный параметр Гг(), которьш определяет соотношение между столкновительной полушириной резонанса Г и его пролетной полушириной -Гпр-го-'-

При Гто«\ возникает новое проявление механизма неоднородного насыщения поглощения. Насыщение зависит от времени взаимодействия частиц с полем, а значит зависит от их поперечной скорости иг из максвелловского распределения частиц по скоростям. При скоростях и,>аГ параметр насыщения гЁ(иг)=(2с]Е/Ь)2(а/иг)2. где с1 -дипольный матричный элемент резонансного перехода, 2Е - амплитуда ноля, и минимальная ширина резонанса оказывается ~г0"'. Для медленных частиц, скорости которых иг<аГ параметр насыщения можно считать постоянным п не зависящим от скорости ее=(2сШ/Ъ Г)2, что открывает возможность получать сужение резонанса по сравнению с его пролетной шириной. Влияние таких частиц на форму резонанса, проявляется в резком

сужении и заострении его вершины. Соответствующая температура частиц, дающих вклад в резонанс вблизи его максимума ~(Гг0)2 Т0 , где То - температура газа. Например, при Лг0~0.1 и Г0=ЗООК температура медленных ("холодных") частиц 7^фф~ЗК. Принципиальным моментом, особенно для создания высокостабилышх по частоте лазеров [2], является возможность устранять пролетное уширение для производных резонанса но частоте [4,9] и резонанса в коэффициенте преломления [10]. Так при Лго«1 минимальная полуширина первой производной резонанса мощности по частоте оказывается =.\АГ, а второй /2> =0.6/^[9,3*].

Отрицательным проявлением влияния пролетных эг|х[)ектов является резкое уменьшение интенсшшостп резонансов насыщенного поглощения в пролетной области, вследствие уменьшения числа частиц эффективно взаимодействующих с полем и требуемой насыщающей мощности в поглощении. Получение структур с ншриной ~Г возможно при Гг0«1 и малом параметре насыщения: аэ=(2<'//Г/Г1 Л2=(///_)<1, где /=(с/871)(2Д)25' - насыщающая мощность одной бегущей волны (величина, которая может быть прямо измерена); /_=(с/8тс)(11 Г/(Г)23-(Гт())2Рп -мощность, характеризующая насьпцение поглощающей среды, Б=тш2/2 -площадь занимаемая гауссовским пучком в поглощении, с - скорость света, Ро=с(11 иа/4(1)2 - размерный параметр насыщения поглощающего перехода. Для Рг<2)Р(7)Уз - линии метана Ро=1мВт [11], следовательно при Гго=10"1-10~2 насьпцающая мощность должна быть /</_=1(Г'-1СГ7Вт.

Детальный теоретический анализ поведения интенсивности резонансов нелинейного поглощения в пролетной области для случаев их наблюдения во внешней и внутренней поглощающих ячейках был выполнен В.М.Семибаламутом и Е.А.Титовым [3*]. Для внутренней поглощающей ячейки выражение для интенсивности резонанса мощности можно представить в виде Д/= /?(/+/+), /?=[а(0=со)-а(0=0)|//(2 -амплитуда резонанса, пропорциональная разности коэффициентов поглощения а на крыле п в центре линии; / -длина поглощения; £) -потери в резонаторе; 1+ -постоянная мощность, характеризующая насыщение усиливающей среды. Когда усиление сильно насыщено />>/+ , мы имеем случай внешней ячейки Д/=/?/. При слабых насыщениях (аэ<<1), в области Гг0«1 выражения для интенсивности резонанса имеют вид:

= аор1-(Гт0)2\>1[-]——-яа2 {внешняя ячейка) (1),

2 (ГТо) 2я

зв 1 Т

ь! =<Х0р1—(Гг{>)2'\п[-] — /+ (внутренняя ячейка) (2),

2 (Л-,,) £?

где а0 -линейный коэффициент поглощения, Г -пропускание выходного зеркала лазера. Видно, что применение внутренней поглощающей ячейки дает возможность иметь выигрыш в интенсивности резонанса минимум на два порядка по сравнению с внешней ячейкой, поскольку в (1) Д 1~р5 (Е2~Г2~ р2), в (2) Д 1~ръ. Для оценки подставим в (2) следующие значения: для молекулы СН4 а0~0.2см_1Торр'1. При (770«1, /;=10~3Торр, /=10см, /го»0.1, «=0.1, /+а200[мВт/см2]х5+[см2] (экспериментальная оценка) и площади поперечного сечения поля в усиливающей среде 5+=0.1см2 получим Д/«10"8Вт. Дня повышения Д/ во внутренней ячейке необходимо увеличивать 5'+, т.е. диаметр поля в усиливающей среде.

Глава 2. Экспериментальные исследования интенсивности и

ширины резонансов насыщенного поглощения в газе низкого давления.

Представлены результаты [1*-3*] экспериментальных исследований формы нелинейных резонансов в мощности Iплучения Не-Ие/СН., -лазера с внутренней поглощающей ячейкой. В начале главы дано объяснение выбора использованного молекулярного перехода в качестве объекта исследований. Эксперименты были выполнены в метане (линия Р2(2)Р(7)у3) на Х=3.39мкм. Диапазон исследованных давлений метана составил /;~0.1-50 мТорр при изменении величины пролетного параметра и поля в резонаторе лазера более, чем на порядок. Далее описаны две схемы лазерных спектрометров использованных в работе. Приведены условия эксперимента и методика измерений. В сравнении с теорией [9,3*], выполнен анализ полученных экспериментальных зависимостей интенсивности и ширины нелинейных резонансов в мощности излучения лазера с внутренней поглощающей ячейкой. Отмечены наблюдавшиеся особенности полевого уширения резонансов в пролетной области.

Вследствие большого диапазона изменений давления метана и насыщающей .мощности в поглощении использовались два различных Не-Ие/СН, -лазера. В одном случае, использовался лазер с длиной

резонатора Ь г5м, образованного плоским и сферическим /?=20м зеркалами, поглощающей ячейкой / =3м и размером поля в поглощении 2а =0.5см. При этом применялась традиционная схема спектрометра- из трех лазеров, когда запись резонанса в исследуемом лазере осуществляется непосредственно в зависимости от величины расстройки частоты относительно другого стабильного лазера.

Значительно более простым является другой вариант, специально созданного спектрометра [10*], который содержит только исследуемый лазер и автоматизированный измерительный комплекс. Принцип работы спектрометра основан на регистрации изменения мощности излучения лазера при сканировании его частоты вблизи центра линии поглощения. Частотным репером, относительно которого формируется выбранный диапазон сканирования, является максимум самого исследуемого резонанса. Резонатор исследуемого лазера имел полуконфокальную геометрию. При длине резонатора £=50см радиус кривизны сферического зеркала был 100см, длина поглощающей ячейки /=10см, размер я=0.08см. Ширина линии излучения лазера в свободном режиме генерации составляла ~10кГц. Тепловой дрейф частоты после прогрева апаратуры не превышал 1 МГц/мин.

Линия Р2<2)Р(7)у;, молекулы метана имеет три сильных, мало отличающихся по интенсивности компонента магнитной сверхтонкой структуры (СТС) с расстояниями между максимумами ~11.2кГц и два слабых. Поведение ншрины и интенсивности резонансов в метане, главным образом, исследовалось в условиях, когда компоненты СТС не разрешены. Методика измерений состояла в регистрации формы резонанса, измерении его ншрины и интенсивности для различных давлений метана и плотности поля в поглощающей ячейке. Регистрация резонанса осуществлялась посредством прямой его записи либо методом синхронного детектирования сигнала первой гармоники в мощности излучения лазера при модуляции частоты последнего. В ходе экспериментов измерялись и контролировались мопшость генерации и профиль поля в резонаторе исследуемого лазера, давление метана в ячейке, индекс модуляции частоты лазера (при регистрации производной резонанса мощности по частоте). Величина параметра насыщения аз определялась следуюнпш образом. Для каждого исследуемого давления метана измерялась зависимость амплитуды резонанса от уровня выходной мощности лазера Р, по которой определялась мощность в резонаторе

1=Р/Т (Т -пропускание выходного зеркала). Полученная зависимость сравнивалась с расчетом [3*], после чего устанавливалось соответствие между / и гг.

Экспериментальные зависимости изменения интенсивности Д/ резонанса от величины мощности в резонаторе лазера I для различных давлений СН4 были использованы для анализа поведения величины /тах (значение величины /, при котором амплитуда резонанса максимальна), которой соответствует оптимальная интенсивность резонанса Д/0Пт и построения зависимости Д/0Пт как функции от давления мегана р (пролетного параметра Ггь). В области Лг0>1 Д/опт меняется ~/Л а при Аь<1 уменьшается ~р. В лазере с короткой поглощающей ячейкой была получена зависимость интенсивности резонанса от давления метана при слабом насыщении «=0.1. В области давлений р «1мТорр (Гг0 =0.14) интенсивность резонанса имела порядок величины 1(Г8 Вт и уменьшалась что согласуется с оценкой по формуле (2), а при увеличении р до ЮмТорр возрастала на 4-5 порядков и менялась ~р. Наблюдавшееся при этом поведение ширины резонанса, с точностью не хуже 20%, удовлетворяло решению у=\.5(Пто)ш вплоть до значений Гт0 ^0.5.

Исследования зависимостей у(Г) и /"(/) позволили детально проследить нелинейный характер полевого уширения резонанса и его первой производной в пролетной области. Экспериментально установлено, что при аэ«1 определяется только однородной

полушириной линии поглощения Г. При Гт0 «1 в области слабых полей (в эксперименте / <20мкВт) =1.4Л С ростом насыщающей мощности (область / ~100мкВт) Г«(с1Е/Ь)« Го-1, роль однородной ширины линии шрает частота Раби, соответственно ~(с1Е/Ь), а у ~((1Е/Ь т0)ш. При относительно больших мощностях (/ >1мВт) полуширина резонанса описывается обычной корневой зависимостью от моншости

М1/го)(1+//Ро)1Д.

Глава 3. Усиленная оптическая бистабильность и некоторые возможности ее использования для повышения интенсивности узких оптических резонансов.

Представлены результаты первых экспериментальных исследований нового типа бистабильности - усиленной оптической бистабильности, наблюдавшейся в активном интерферометре с насыщающимися

поглощающей и усиливающей средами [4*,5*]. Дана качественная теория эффекта. Описаны схема и методика эксперимента. Экспериментально выявлены отличительные особенности наблюдавшегося явления. Продемонстрирована возможность использования режима дифференциального усиления системы с усиленной оптической бистабилыюстыо для повышения интенсивности узких нелинейных оптических резонансов.

Оптическая бпстабнлыюсть, впервые наблюдавшаяся в He-Ne/Ne лазере [12] (активная бистабилыюсть) и позднее в пассивном интерферометре с нелинейно-поглощающей средой [13] (пассивная бистабилыюсть), сегодня представляет отдельное направление современных исследований.

Исходя из чисто абсорбционной модели было выполнено рассмотрение эффекта усиленной оптической бистабилыюсти в интерферометре, содержащем поглощающую и усиливающую среды, насыщающиеся под действием внешнего лазерного излучения. На основе полученного выражения для уравнения состояния системы, определяющего входную интенсивность, как функцию выходной проведено численное моделирование поведения пропускания активного интерферометра с поглощением. Показано, что введение насыщающейся усиливающей среды приводит к изменению механизма возникновения чисто абсорбционной бистабилыюсти таким образом, что последняя возникает даже в случае неоднородно уширенной линии используемого поглотителя, что невозможно в обычной пассивной системе.

Для наблюдения усиленной оптической бистабилыюсти были созданы активный интерферометр с усилительной трубкой на смеси газов С02-Не при суммарном давлении ~8-10Торр и поглощающей ячейкой с SF6 -газом при давлении ~5-10мТорр. и обычный электроразрядный С02-лазер. Интерферометр длиной ~2.5м был образован сферическим-R= 15м зеркалом,'пропусканием 7=7% и дифракционной решеткой 150 нггр./мм. с отражением ~95% в первый порядок и мог находиться как выше, так и ниже порога собственной лазерной генерации. Эксперимент был выполнен на линии Р(18) СОг-лазера (ЯаЮ.бмкм). С помощью предварительно расчитанной схемы согласования волновых фронтов лазера и интерферометра, излучение лазера направлялось в интерферометр, регистрация прошедшего сигнала осуществлялась от дифракционной решетки по излучению отраженному в нулевой порядок.

Регистрировалась зависимость мощности излучения Р на выходе интерферометра вблизи центра линии поглощения от изменения мощности /о инжектируемого сигнала, последнее достигалось изменением тока разряда лазера по пилообразному закону на линейном участке изменения /о и внесением калиброванных ослабителей в виде полированных пластин из СаР2.

При выключенной усилительной трубке интерферометра измеренная ширина его полосы пропускания составила Ау^1.8МГц. При включении усиления, минимально зарегистрированная величина составила Ду<0.5кГц, что соответствовало добротности резонатора ~10п, при этом абсолютное усиление внешнего сигнала достигало величины ~104.

В диапазоне изменения /о ~30-60мкВт были получены зависимости г=/(/0) для различных значений усиления в активной части интерферометра. Последовательно регистрировались режимы дифференциального усиления и собственно бистабилыюсти с контрастом эффекта ~102. При уменьшении величины /о до ~1мкВт наблюдался новый режим бистабилыюсти сопровождающийся в верхней ветви бистабильной характеристики вынужденным выходом интерферометра в генерацию. В интерферометре, в этот момент присутствуют два поля -сильное, для которого насыщенное усиление меньше линейных потерь и слабое на собственной частоте резонатора, для которого усиление больше потерь только в присутствии внешнего сигнала. Контраст бнетабильного перехода в этом режиме составил ~104 и, главным образом, определяется соотношением параметров насыщения поглощающей и усиливающей сред (в эксперименте (аэ/аэ+ЫО5). При дальнейшем повышении усиления наблюдался режим "жесткого возбуждения", когда генерация возникает только в присутствии внешнего поля, однако возникнув, она уже не зависит от существования последнего. Анализ полученных экспериментальных результатов позволил считать наблюдавшиеся режимы характерными признаками усиленной оплгческой бистабильности.

Была исследована возможность применения системы с усиленной оптической бистабильностыо для повышения амплитуды узких оптических резонансов. Сделанные оценки показали, что использование режима дифференциального усиления активного интерферометра с поглощением позволяет достигать выигрыша в амплитуде полезного сигнала, по сравнению с аналогичным пассивным интерферометром, примерно на два порядка в области ее <1. Был создан лазерный

спектрометр диапазона 9-10мкм на базе активного интерферометра с нелинейным поглощением [6*,7*], с помощью которого осуществлена запись узкого резонанса насыщенного поглощения в С02-газе при давлении /?«5х1(Г*Торр, что в условиях эксперимента соответствовало величине сф/~4х1(Г5. Эксперимент был выполнен на Х^10.23мкм (линия И(24) С02 -лазера) в режиме компенсации собственных потерь интерферометра за счет усиления до £,~1%. Методом синхронного детектирования регистрировалась форма сигнала первой гармоники от контура пропускания интерферометра при медленной перестройке частоты опорного лазера вблизи центра линии поглощения. Частота модуляции и девиация пробного сигнала, поступавшего на пьезокерамику зеркала интерферометра были равны и составляли 15кГц. При настройке максимума пропускания интерферометра в центр линии поглощения С02 вблизи нуля первой гармоники от основного контура наблюдался дополнительный сигнал первой гармоники от резонанса поглощения с полушириной ~20кГц и контрастом ~20% по отношению к основному контуру. При устранении недостатков схемы спектрометра, отмеченных и диссертации, возможно проведение детальных исследований поведения формы оптических резонансов в различных режимах работы активного интерферометра [5], что может составить предмет отдельной задачи, представляющей интерес для повышения разрешающей способности спектроскопии и создания лазерных стандартов частоты.

Приложение. Транспортируемый Не-Ие/СНл - стандарт частоты для прецизионных физических экспериментов.

Приведена схема транспортируемого Не-Ме/СЬЦ -лазерного стандарта частоты на Х^3.39мкм разработанного в Институте лазерной физике СО РАН. Представлены схема и результаты измерений кратковременной и долговременной стабильности и абсолютного значения частоты стандарта [8*,1Г].

Принцип достигнутого высокого значения долговременной стабильности частоты стандарта ~5х1(Г15 за времена т=10-103с основан на использовании эффекта селекции холодных частиц [Г,2*]. Стабилизация частоты лазера осуществлялась по разрешенному центральному 7-6 компоненту сверхтонкой структуры -линии метана.

3. Основные результаты работы

1. Создан автоматизированный лазерный спектрометр с разрешением лучше Ю10 на базе Не-Ые/СН» -лазера на Х=3.39мкм для наблюдения и исследования формы оптических резонансов в метане в пролетной области.

2. Выполнены экспериментальные исследования поведения интенсивности и ширины нелинейного резонанса в метане (линия Р2<2)Р(7)у3) в широкой области изменения давления поглощающего газа (0.1>/то>6) и величины насыщающего поля (параметра насыщения поглощения ае), что позволяет определять режимы, оптимальные для достижения узкой линии излучения и высокой стабильности частоты лазеров.

3. Экспериментально выявлены особенности полевого уширения резонанса насыщенного поглощения в условиях малости пролетного параметра (/го<0.1).

4. Разработана методика эксперимента, создана экспериментальная установка и осуществлено наблюдение нового типа бистабильностн -усиленной оптической бистабильностн. Экспериментально установлены характерные режимы усиленной оптической бистабильностн. Достигнута добротность оптического резонатора ~10и и абсолютное увеличение интенсивности сигнала на выходе бистабильного устройства ~104.

5. Исходя из чисто абсорбционной модели выполнено рассмотрение эффекта усиленной оптической бистабильностн. Показано, что введение в интерферометр усиливающей среды и учет характера насыщения последней, приводят к изменению механизма возникновения чисто абсорбционной бистабилыюсти таким образом, что она возникает даже в случае неоднородно уширенной линии используемого поглотителя, что невозможно в обычной пассивной системе.

6. Предложен и экспериментально продемонстрирован метод усиления интенсивности резонанса насыщенного поглощения в интерферометре с насыщающимися усиливающей и поглощающей средами.

7. Создана лазерная часть транспортируемого Не-Ие/СШ -стандарта частоты на А,=3.39мкм. Проведены оптимизация и измерения рабочих параметров стандарта. Экспериментально достигнуты ширина линии излучения транспортируемого оптического стандарта частоты ~10Гц и долговременная стабильность ~5х1(Г15 за времена усреднения т ~10-103с.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Bagayev S.N., Baklanov А.Е., Chebotayev V.P., Dychkov A.S., Pokasov P.V. Superhigh resolution laser spectroscopy with cold particles // Laser Spectroscopy VIII. -1987. - Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokio. - Springer ser. in optical sciencts -Vol.55. - P. 95-98.

2. Багаев C.H., Бакланов A.E., Дычков A.C., Покасов П.В, Чеботаев В.П. Лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения с холодными частицами // Письма в ЖЭТФ. -1987 -Т.45, Вып.8. - С. 371-374.

3. Багаев С.Н., Бакланов А.Е., Дычков А.С., Покасов П.В, Семибаламут В.М., Титов Е.А., Чеботаев В.П. Исследование формы узких резонаисов в газе низкого давления (пролетные эффекты). Новосибирск, 1985. - 49 с. - (Препринт / АН СССР Сиб. отд-ние. Ин-т теплофизики; №125-85).

4. Bagayev S.N., Chebotayev V.P., Ostromensky М.Р., Pokasov P.V. Amplified Bistability. // In Proc. of the tenth International Conference on Laser Spectroscopy; Font-Romeu, France, June 1721, -1991. -Editors M.Ducloy, E.Giacobino and G.Camy. World Scientific, Singapore, New Jersey, London, Hong Kong. -P.310-313.

5. Bagayev S.N., Chebotayev V.P., Ostromensky M.P., Pokasov P.V. Amplified optical bistability // Laser Physics. -1994. -Vol.4, №2 -P.299-301.

6. Остроменский М.П., Покасов П.В. Использование активного интерферометра для наблюдения узких резонансов насьпценного поглощения. // Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики: Сб. иауч. тр. - Новосибирск. - 1991. - С.290-291.

7. Покасов П.В., Остроменский М.П. Усиление интенсивности оптических резонаисов в активном интерферометре с нелинейным поглощением. // Тез. Докл. Международной конференции "Оптика лазеров - 93", 21-25 июня 1993. С-Петербург, С. 308.

i. Bagayev S.N., Dmitriyev А.К., Ohm А.Е., Pokasov P.V., Skvortsov B.N. Portable He-Nc/CH4 frequency standard on cold

particles: CPEM conference digest, Boulder, USA, June 27-Jule 1, -1994. -P.167-168.

9. Багаев C.H., Покасов П.В., Остроменский М.П. Стабилизированный по частоте лазер. Заявка на изобретение №93 -026886/25/026180 с приоритетом от 12 мая 1993г. Решение о выдаче патента от 28 августа 1995г.

10. Бакланов А.Е., Безродный А.Е., Покасов П.В. Лазерный спектрометр на Х=3.39мкм для исследования формы узких оптических резонансов. // Молекулярная физика неравновесных систем: Сб. науч. тр. - Новосибирск, -1984. - С.149-152.

11. Bagayev S.N., Dmitriyev А.К., Klementyev V.M., Ohm A.E., Okliapkin M.V., Pokasov P.V., Timchenko B.A., Zakharyash V.F. New Results of Absolute Measurement of Unperturbed Frequency of 7-»6 F22)P(7)V3- Transitionin Methane with Accuracy of 10"13: CPEM conference digest. Boulder, USA, June 27 - Jule 1, -1994. -P.319.

Цитируемая литература других авторов:

1. Летохов B.C., Чеботаев В.П. Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения. - М.: Физ.-мат. лит., 1990. -572с.

2. Багаев С.Н., Чеботаев В.П., Лазерные стандарты частоты. // УФН. -1986. -Т. 148, Вып.1. - С.143-178.

3. Багаев С.Н., Василенко Л.С., Дмитриев А.К., Скворцов М.Н., Чеботаев В.П. Сужение нелинейных резонансов в газах низкого давления. // Письма в ЖЭТФ. -1976. -Т.23, Вьш.7. -С.399-403.

4. Раутиан С.Г., Шалапш A.M. Эффекты насыщения для долгоживущих систем в пространственно ограниченных полях // ЖЭТФ, -1970. -Т.58, Вып.З. - С.962-974.

5. Bagayev S.N., Chebotayev V.P., Titov Е.А. Saturated absorption lineshape under the transit-time conditions // Laser Physics. -1994. -Vol.4, №2 - P.224-292.

6. Багаев C.H., Никулин B.A., Титов Е.А. Режимы усиленной оптической бистабильиости /./ Оптика спектроскопия, - 1995. -Т.79, №2. - С.274-281.

7. Andreae Т., Konig W„ Wynands R„ Leibfried F„ Schmidt-Kaler F., Hansch T.W. Absolute frequency measurement of the hydrogen 1S-2S transition and a new value of the Rydberg constant // Phys.Rev.Lett. -1992. -Vol.69. - P. 1923.

8. Beiuiet W.RJr., Chebotayev V.P. Laser stabilitron // Appl.Phys. -1992. - Vol. B52. - P.552-555.

9. Бакланов E.B., Дубецкий Б.Я., Семибаламут B.M., Титов Е.А. Пролетная ширина резонанса мощности в газах низкого давления // Квант. Электрон., -1975. -Т.2. №11. - С.2518-2520.

10. Алексеев В. А., Басов Н.Г., Губии М.А.. Никитин В.В., Онищенко Н.С. О предельной разрешающей способности лазерной спектроскопии, использующей частотные резонансы. // ЖЭТФ, -1983. -Т.84, Вып.6. -С.1980-1986.

11. Hall J.L. Saturated absolution spectroscopy with application to the 3.39pm methane transition // Atomic Physics. - N.Y.Plenum Press. - 1973. - Vol.3. - P.615-646.

12. Лисицын B.H., Чеботаев В.П. Гистерезис и "жесткое" возбуждение в газовом лазере // Письма в ЖЭТФ , -1968. -Т.7, Вып.1. -С.3-6.

13. Gibbs Н.М., McCall S.L., Vencatesan T.N.S. Differential gain and bistability using a sodium-filled Fabry-Perot interferometer // Phys. Rev. Lett. -1976,- Vol. 36, №19. - P. 1135-1138.