Исследование физических процессов в импульсных лазерах на красителях, определяющих возможности поляризационной ВРЛС тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

-в ол

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННА УНИВЕРСИТЕТ

$ \\0п »¿3 •

На правах рукописи

АРХИПОВ Михаил Т .сторович

ИССЩОВАШЕ «ИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ в ишшьсных ЛАЗЕРАХ НА КРАСИТЕЛЯХ, ОПРВДШЩИХ ВОЗШНОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ ВРЛС

Специальность 01.04.05 - оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1994

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте физики Санкт-Петербургского государственного университета.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент РЯЗАНОВ Н.С.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор СВИРВДЕНКОВ Э.А.; кандидат физико-математических наук МОРОЗОВ А.О.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский институт точной механики и оптики

К 0 по присуждению ученой степени кандидата физико-

математических наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб. 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. Ц.Горького Санкт-Петербургского государственного университета.

в

[та диссертации состоится ' _ час. на заседании специг

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат физико-математических наук ТИМОФЕЕВ Н.А.

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми диссертации. Разработка физических основ внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС) как высокочувствительного и эффективного метода спектроскопических исследований была начата в работах по абсорбционной ВРЛС с применением широкополосных лазероз /I/. Позднее на основе лазеров, обладающих1 резонансным откликом на модуляцию добротности их резонаторов на частоте релаксационных колебаний, был реализован метод модуляционной ВРЛС /2/, а затем метод фазовой и интерференционной ВРЛС /3/.

Высокая чувствительность методов ВРЛС основана на эффектах увеличения измеряемой величины, возникающих при определенных условиях за счет многократного прохождения излучения за время генерации через расположенный внутри резонатора исследуемый объект. В такой ситуации лазер является не просто источником оптического излучения, а фактически сам становится измерительной системой, где формируется излучение, в той или иной форде содержащее в себе информацию об оптических характеристиках исследуемого вещества.

Используя лазеры на красителях, можно проводить внутри-резонаторные измерения, сопровоздамциеся увеличением изменений не только амплитуды и фазы, но и состояния поляризации световой волны. Нами было показано /4/, что это происходит в изотропном импульсном лазере на красителях с оптически активным объектом в резонаторе з случае инжехции в последний излучения двух длин волн с ортогональными линейными состояниями поляризации. Полученное в таких условиях усиление оптического вращения (ОВ) соответствует числу проходов излучения через резонатор за импульс генерации и может быть использовало для проведения измерений в поляризационной ВРЯС. Однако круг физических проблем, с которым пришлось столкнуться при создании такого варианта поляризационной ВРЛС, оказался выходящим за рамки вопросов, возникавших ранее в других методах ВРЛС. Поэтому осталось до конца не ясным, может ли эффект лазерного внутрирезонаторного усиления ОВ в лазерах на красителях (пропорционально числу проходов) быть использован для проведения высокочувствительных лазерных виутрирезонаторных поляризацион-

ных измерений.

Учитывая перспективы, которые дает создание нового высокочувствительного метода, дальнейшие работы, направленные на исследование его возможностей, являются несомненно актуальными.

Задачи исследования. В созданных ранее установках для поляризационной ВРЛС /4/ величина усиления ОВ составляла только 15 раз. Поэтому дальнейшее развитие метода требует практического решения следующих вопросов: каким может быть дальнейшее увеличение числа проходов, .ведущее к усилению ОВ, и будет ли оно сопровождаться ростом пороговой чувствительности (1Н) измерений; дает ли метод поляризационной ВРЛС с импульсными лазерами на красителях рост ПЧ импульсных поляризационных измерений относительно однопроходных иетодов. Для ответа на эти вопросы необходимо решение следующих конкретных задач:

- определить Ш импульсных однопроходных поляризационных измерений (необходимые денные о которой в литературе отсутствуют), чтобы сравнить ее с Ш поляризационной ВРЛС с импульсными лазерами на красителях;

- выявить и исследовать физические процессы в импульсном изотропном лазере на красителях, определяющие формирование поляризации генерируемого излучения и внутрирезонаторное лазерное усиление ОВ; •

- найти условия в лазере на гасителях, при которых возможен рост 1И поляризационных измерений за счет увеличения числа проходов, используя для этих целей лазеры на красителях с ламповой накачкой;

- разработать и создать лазерную аппаратуру, необходимую для поляризационной ВРЛС, на основе лазеров на красителях с ламповой накачкой.

Научная новизна. Перечисленные задачи возникли в связи с работой по дальнейшему развитие нового метода поляризационной ВРЛС, поэтому были поставлены и реиены впервые. Приоритет работы защищен авторским свидетельством № 1194144 на способ определения свойств оптически активных объектов и устройство для его осуществления.

Научная и практическая значимость работы.

Научная значимость работы состоит в том, что теоретически и экспериментально изучены физические эффекты в импульсных

лазерах на красителях, возникающие при использовании последних в поляризационной ВРЛС, и определено влияние этих эффектов на возможности метода. Показана возможность повышения ПЧ импульсных поляризационных измерений в поляризационной ВРЛС.

Практическая значимость работы состоит в том, что, помимо дальнейшего практического развития метода поляризационной ВРЛС, содержалргеся в работе материалы могут быть использованы при создании высокочувствительных импульсных поляриметров, при исследованиях процессов формирования спектральных и поляризационных параметров излучения лазеров на красителях, при разработке и создании лазерных систем, в которых управление генерацией осуществляется инжекцией излучения извне.

Автор защищает:

- результата теоретического и экспериментального исследования ПЧ импульсных однопроходных поляризационных измерений;

- экспериментально обнаруженную оптическую анизотропии (ОА) в активной среде (АС) импульсного изотропного лазера на красителях, генерирующего двухволновое излучение с ортогональными линейными состояниями поляризации, и возникающую в процессе взаимодействия излучения с АС лазера;

- экспериментально обнаруженный эффект изменения формы полосы усиления растворов красителей в поле интенсивного узкополосного излучения;

- эффекты изменения спектрального и поляризационного состава излучения импульсных лазеров на красителях, возникающие вследствие изменения формы полосы усиления красителя;

- изотропный импульсный лазер на красителях с ламповой накачкой и созданную на его основе установку для поляризационной ВРЛС;

- обнаруженное в работе влияние процессов нелинейного взаимодействия излучения с АС лазера на величину внутрирезона-торного усиления ОВ и ПЧ измерений в поляризационной ВРЛС с импульсными лазерами на красителях;

- теоретические модели, описывающие взаимодействие излучения с АС лазера на красителях, и динамику изменения состояния поляризации лазерного излучения..

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Ш Всесоюзной конференции молодых ученых и специа-

листов "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград, 1988), на XX Всесоюзном съезде го спектроскопии (Киев, 1988), на I рабочем совещании "Нелинейные и когерентные эффекты в методе внутриреэонаторной лазерной спектроскопии" (Кировоград, 1983), на У1 Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990), на П Всесоюзном совещании по нелинейным и когерентным эффектам в ВРЛС (Ленинград, 1991)..

Публикации. Материал, представленный в диссертационной работе, содержится в 5 научных статьях, одном авторском свидетельстве и в 8 тезисах докладов на указанных конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений; содержит 149 страниц машинописного текста, включая приложения, 45 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 150 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ PA.EOTU

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследования и кратко изложено содержание работы.

Первая глава носит обзорный характер. В ней рассмотрены известные работы по однопроходной и внутриреэонаторной поляризационной спектроскопии. При обзоре литературы главное внимание уделено методам достижения высокой чувствительности в схемах однопроходных поляризационных измерений и физическим принципам, на которых базируется известные способы внутрирезона-торного лазерного усиления OA в твердотельных и газовых лазерах. В круг затронутых вопросов включено рассмотрение факторов, ограничивших ПЧ поляризационных измерений. Показано, что внутрирезонаторньэ лазерные методы в принципе позволяют достичь лучших значений ГО поляризационных измерений. При этом основными ограничивающими ее факторами являются процессы, протекавшие внутри самого лазера. На основании проведенного анализа сделан вывод, что успешная практическая реализация новых внут-рирезонагорных лазерных методов поляризационных измерений требует детального изучения физических особенностей действия таких лазерных систем.

Во второй главе теоретически и экспериментально исследован вопрос о предельной ПЧ однопроходных импульсных поляризационных измерений. Во введении (разд.2.1) отмечено отсутствие

достаточных сведений о ГИ импульсных поляризационных измерений. Поэтому возникает необходимость самостоятельного изучения этого вопроса с целы? определения уровня поляриметрической чувствительности, от которого может отсчитываться усиление 03 в поляризационной ВРЛС. Поставленная задача решалась следующим образом. Выполнен расчет (разд.2.2) предельной 1Н импульсных поляризационных измерений с учетом дробовых шумов фототока. На основе распространенных представлений о процессе фоторегистрации кратковременного импульса оптического излучения определена величина минимально регистрируемого в отдельном импульсе угла поворота плоскости поляризации света в идеальном импульсном поляриметре при наличии лиаь пуассановских шумов фототока = нИ'ИАУ • где Я" кезитсшьй выход фотопри-

емника; Л - число фотонов в световом, зондирующем объект, импульсе; и. ¡с - ширина спектра частот светового импульса; д - ширина полосы частот регистрирующего тракта. При одинаковой средней мощности зондирующего излучения в импульсном и непрерывном поляриметрах предельная ОТ непрерывного оказывается раз лучше. В типичных случаях разница в предельной ПЧ составляет 1-2 порядка величины. Такое различие связано с невозможностью применения модуляционных методик непрерывной поляриметрии в импульсных измерениях.

В следующих разделах гл.2 определена ПЧ измерений, практически достигаемая в лазерных однопроходных поляриметрах, и выявлены основные факторы, существенно (по сравнению с непрерывной поляркметрией) ограничивающие эту величину. Эта часть работы была выполнена на ряде оригинальных импульсных поляриметров. В разд.2.3 приводится описание непрерывного лазерного поляриметра, разработанного для определения параметров качества поляризующих элементов и методик проведения измерений. Приводится таблица, в которой представлены средние значения изменений по - сечению лазерного пучка, направления азимута поляризации, эллиптичности, параметра экстинкции и величины пропускания для набора из в высококачественных кристаллических поляризационных призм и 5 пленочных поляроидов. Обнаружен неизвестный нам ранее поляризационный эффект, заключающийся в изменении ('•'Ю"4 рад.) направления азимута поляризации выходящего из кристаллического поляризатора света в зависимости от состояния поляризации падающего на него излучения. Для трех комплек-

гов импульсных фоголриешинов разных типов (528, ИЗ, ВД24К) проведены измерения их фотометрических характеристик. Для последующей работы отобраны лучшие экземпляры, обладающие наименьшим уровнем собственных шумов. На созданных макетах импульсных лазерных поляриметров (разд.2.4) получены следующие величины ПЧ измерений ОВ в отдельном импульсе: для 45-градусной поляризационной геометрии 1,3.10"^ рад., для частично ' скрещенной схемы - 4.10"^ рад. Показано, что в рассмотренных случаях ограничивающими Щ факторами являлись дефекты реальных поляризаторов и нестабильность работы фотоприемников. Значения этих величин определяли достигаемый уровень ПЧ. Самое высокое значение ПЧ (1,4.10"^ рад.) удалось получить при введении в схему импульсного поляриметра стопы Брюстера с соответствующим дополнительным пассивным усилением ОВ.

Все эксперименты проводились с необходимой тщательностью. Параметры отобранных для экспериментов экземпляров поляризаторов и фотоприемников характеризовались достаточно высоким качеством. Несмотря на это, реально достижимые значения ГО оказались примерно на два порядка величины хуже теоретических значений и составили величину около 10"^ рад. в отдельном импульсе. Такое различие обусловлено действием различных факторов: несовершенством поляризационных элементов; невысокой точностью фотометрирования кратковременных импульсов излучения; значительными флуктуациями энергетических, пространственных и поляризационных параметров излучения импульсных лазеров. В связи с этим отмечено, что практически реализовать предельную ПЧ чрезвычайно сложно, поскольку для этого в первую очередь требуется качественное улучшение технологии изготовления поляризующих элементов и приемников света. Для того, чтобы показать принципиальное различие в требованиях к качеству элементной базы высокочувствительных импульсных и непрерывных поляриметров, бш проведен своеобразный контрольный эксперимент. На основе поляризаторов, ячеек Фарадея и фотоприемников, входивших в состав импульсного лазерного поляриметра, бьи собран поляриметр с непрерывным Не-А'е лазером мощностью I мВт. Используя стандартную модуляционную методику измерений, в эксперименте не составило труда получить теоретически предельную ПЧ поляризационных измерений на уровне 8.10"® рад., которая определялась дробовым шумом процесса фоторегистрации. Проводить изморе-

ния угла поворота плоскости поляризации света в течение импульса лазерного излучения рассмотренные вше схемы не позволяли. Такая методика была разработана и реализована наш в разд.2.5. В результате, продемонстрирована возможность проводить измерения ОВ с ПЧ 8.10"^ рад. при временном разрепении 5.10"^ с. Насколько нам известно, это лучшие значения ЕЧ и временного разрешения в импульсной поляриметрии, достигнутые к настоящему времени.

Третья глава посвящена исследованию спектральных и поляризационных эффектов, возникавших в поляризационной ВРЛС в импульсных лазерах на красителях. Превде всего (разд.3.2) мы провели сравнение Ш однопроходных импульсных поляризационных измерений с ПЧ установки для поляризационной ВРЛС, в состав которой входили: лазер инжекции, генерирующий излучение двух длин волн с ортогональными линейными состояниями поляризации; исполняющий изотропный лазер, в резонаторе которого располагалась ячейка Фарадея или объект, обладающий двойным лучепреломлением; источник когерентной накачки АС обоих лазеров; схема регистрации 0В, В результате детального исследования разработанной лазерной системы было установлено, что при 30 проходах импульса излучения через резонатор достигаемая ПЧ ( 2.10 рад.) не превосходит ПЧ при однопроходных измерениях из-за следующих обстоятельств: степень линейной поляризации генерации исполняющего лазера (0,99) оказалась значительно хуже, чем у излучения инжекции (0,9999); имели место флуктуации направления азимутов поляризации {— 10"^ рад.), превышающие уровень собственных шумов схемы регистрации; наблюдались различия форм импульсов излучения двух генерируемых исполняющим лазером волн; наконец, внутрирезонаторное лазерное усиление величины двулучепреломления оказалось меньше числа проходов излучения через резонатор за время импульса генерации.

Полученные результаты позволили сделать однозначный вывод. Во-первых, источником наблюдавшихся эффектов может быть только 0А в резонаторе исполняющего лазера; во-вторых, эта анизотропия появляется в АС лазера под действием излучения генерации, поскольку сама установка была собрана из элементов высокого поляризационного качества. Поэтому в следующих разделах гл.З были проведены экспериментальные исследования 0А АС и механизмов ее возникновения. Для измерения ОА необходимо использовать

э.

АС действующего лазера в качестве объекта исследования в специальном импульсном поляриметре. Такой путь достаточно сложен. Поэтому поставленная задача бьиа решена другим способом (разд. 3.3). Были разработаны лазеры, генерирующие две волны с ортогональными линейными состояниями поляризации, резонаторы которых содержали определенные поляризационные и спектрально-селективные элементы. За счет последних излучение, идущее в АС, имело строго определенный спектральный состав и поляризацию. При этом появлялась возможность вносить следующие изменения в состояния поляризации двух волн: нарушать их ортогональность; создавать эллиптическую поляризацию; менять спектральный интервал между волнами; варьировать интенсивность излучения. Если в АС имеется ОА излучения, то после усиления его поляризация должна измениться. В результате проведенных экспериментов было установлено, что под действием двухволнового излучения в АС возникает нелинейная светоивдуцированная анизотропия. На длинах волн генерации изотропно возбужденная АС становится подобной дихроич-ному кристаллу. Оптические оси наводимой ОА ориентируются вдоль направления азимутов поляризации обеих волн. Именно такая анизотропия не препятствует одновременному повороту плоскостей поляризации обеих волн, и усиление ОБ происходит прямо пропорционально числу проходов света через резонатор. Однако величина усиления двупреломиения в таком случае может быть меньше числа проходов, что и наблюдалось экспериментально.

Изменения состояния поляризации двух волн в АС в зависимости от величины спектрального интервала между ними и их интенсивности позволяют сделать вывод о том, что причиной этих эффектов являются изменения усиления раствора красителя под воздействием интенсивного узкополосного излучения. В разд.3.4 проведены специальные исследования с целью получения необходимых экспериментальных данных об особенностях изменений фор-га полосы усиления раствора красителя. Создана экспериментальная установка, в состав которой входили два импульсных перестраиваемых лазера на красителях. Их излучение направлялось в исследуемый усиливающий раствор красителя, и затем регистрировались спектры усиленного излучения. Оказалось, что вблизи интенсивной линии в спектре пробного широкополосного излучения (зондирующего раствор красителя одновременно с интенсивным узкополосным) возникал "провал" с синей стороны и появлялся максимум с

красной стороны. Величина изменений в спектре зависела от интенсивности узкополосного излучения. Особенности изменений усиления в провалах контура интенсивной линии были исследованы, когда пробная и интенсивная волны имели ортогональные поляризации. Применение поляризационного спектрографа позволяло раздельно регистрировать спектры пробного и интенсивного излучения. В этом случае в спектре усиленного красителем пробного излучения наблюдался "провал" в пределах коротковолновой части и рост интенсивности в пределах длинноволновой части контура линии узкополосного излучения. Смена наводимого поглощения на усиление происходила внутри интенсивной линии вблизи ее центра. Эффект изменения формы полосы усиления красителя наблюдался в исследованных нами эганояьнцх растворах голимегиновых красителей, родамине 61, родамине С и родамине незамеченном. Далее было обнаружено, что этот эффзкт приводит к трансформациям формы линий узкополосной генерации импульсных лазеров на красителях. С ростом мощности генерации в лазерах с дисперсионным резонатором линия генерации уширялась и приобретала асимметричную форму с резким спадом в синем крыле и подъемом в красном.

Соответствующие исследования бши выполнены также в лазерах о неселекгивным резонатором, при инжекции в них узкополосного лазерного излучения. Обнаруженные при этом изменения в спектре имели следующий нетривиальный характер. При небольшой мощности генерации спектр излучения лазера повторял спектр задающего излучения. Затем при ее увеличении наблюдалось несовпадение их спектральных составов, линия генерации становилась в несколько раз шире. Это уширение росло, и контур линии асиммет-ризовался. В итоге спектр генерации смещался относительно спектра инжекции в красную область и не совпадал с ним по форме. При дальнейшем росте интенсивности в спектре дополнительно к исходной линии появлялся новый компонент, который располагался в длинноволновой области. Профиль компонентов бия различен, а спектральный интервал между ними увеличивался пропорционально мощности импульса излучения. В таком режиме временной ход интенсивности генерации был промоделирован пичками с периодом, равным времени обхода резонатора.

Подобные эффекты (что особенно важно для поляризационной ВРЛС) наблюдались при инжекции двух волн с ортогональными линейными состояниями поляризации в резонатор изотропного лазера.

Начиная с определенного уровня мощности генерации, спектральный состав излучения изотропного лазера не совпадал со спектральным составом инжектированного излучения. Происходил сдвиг максимумов линий в красную область с одновременным уширением до двух раз какдой из них. Степень линейной поллризации волн уменьшалась с увеличением мощности генерации и была значительно хуже, чем у инжектированного излучения, неодинакова по величине в каждом компоненте и зависела от спектрального расстояния между ними. Относительные интенсивности волн также зависели от спектрального интервала и при уменьшении от I нм интенсивность коротковолнового компонента резко падала.

Вся совокупность полученных экспериментальных результатов показала, что форма полосы усиления красителя под воздействием интенсивного излучения испытывает многосторонние изменения, которые способны приводить к суцесгвенной трансформации спект-рополкрнзационного состава излучения импульсных лазеров на красителях при их использовании в поляризационной ВРЛС.

Для объяснения наблюдавшихся эффектов предложен и рассмотрен следующий механизм взаимодействия излучения с раствором красителя. При распространении в среде нескольких, например, двух монохроматических волн, их мгновенная интенсивность периодически изменяется с частотой, равной разности частот волн. Такая волна с переменной интенсивностью определенным образом модулирует мгновенную разность заселенностей лазерных уровней красителя. Следовательно, коэффициент усиления и показатель преломления среды периодически иэыеняются во времени. В свою очередь, среда с переменным усилением модулирует на соответствующих частотах амплитуды распространяющихся в ней волн. Каждая волна дает излучение с новыми частотами, причем некоторые из них совпадают с частотами исходного излучения, имевшегося в среде. Эти волны складываются мезду'собой конструктивно или деструктивно, Б результате интенсивность исходных волн изменяется. Соответствующий расчет механизма изменения формы полосы усиления красителя в поле интенсивного узкополосного излучения и спектра пробного широкополосного излучения выполнен в приложении I к диссертационной работе.

Сравнение результатов расчетов с результатами выполненных экспериментов сделано в разд.3.5, Рассчитанные зависимости изменения усиления совпадали е наблвдавшимися нами в эксперимен-

»ах. Разработанная модель позволила объяснить все обнаруженные спектрополяризационные эффекты в генерации импульсных лазеров, а также возникновение ОА в АС изотропного лазера на красителях. Отмечено, что рассмотренное взаимодействие способно приводить к деполяризации излучения двух линейно и ортогонально поляризованных волн и ограничивать величину внутрирезонатор-ного усиления ОВ.

Полученных результатов оказалось недостаточно, чтобы определить, насколько можно увеличить длительность генерации импульсного лазера, чтобы получить соответствующее числу проходов усиление 03, и каким при этом будет рост ПЧ. Соответствующие теоретические исследования сделаны в приложении П. Они показали, что для лазеров на красителях с л.шповой накачкой, работающих вблизи порога генерации, число проходов, за которое в процессе усиления 03 Судет происходить деполяризация линейно поляризованных компонентов излучения, практически долото быть не меньше 10^. Поэтому можно надеяться увеличить ПЧ импульсных поляризационных измерений в установках для поляризационной ВРЛС на базе лазеров на красителях с ламповой накачкой.

Четвертая глава посвящена исследованиям возможности повышения ПЧ внутрирезонаторных поляризационных измерений при увеличении длительности генерации импульсных лазеров на красителях. Использование лазеров на красителях с ламповым возбувдени-ем АС не меняет принципиальную схему установки для поляризационной ВРЛС, которая по-прежнему должна включать в себя изотропный исполняющий лазер и лазер инжекции, генерирующий излучение на двух длинах волн с ортогональными линейными состояниями поляризации. Однако здесь необходимо решить следующую достаточно непростую задачу: создать импульсный лазер с высокой изотропностью исходного усиления в АС.

В разд. 4.2 проанализированы особенности лампового возбуждения растворов красителей, влияющие на формирование изотропного усиления. Это позволило разработать и создать для поляризационной ВРЛС специальную лазерную головку, анизотропия усиления в которой не превышала М-^. Головка включала в себя одновременно две кюветы с растворами красителей, служившими АС исполняющего лазера и лазера инжекции. Отсутствие анизотропии было достигнуто за счет специальной геометрии взаимного расположения линейных ламп накачки относительно кювет с растворами

красителей и определенной $ рмы поверхности осветителя. Кюветы с растворами красителей размещались внутри дополнител-.ных коаксиальных кювет, заполненных специальными растворами, которые защищали краситель от термооптических искажений, создаваемых лампами накачки. Созданная на базе лазерной головки установка для поляризационной ЕРЛС обеспечивала число проходов до 104 в импульсе генерации исполняющего лазера. На данной установке прежде всего были выполнены эксперименты, в которых осуществлялась проверка результатов теории, развитой в приложении П. Сделанный теоретический анализ показал, что при большом числе проходов излучения через резонатор изотропного лазера на красителях взаимодействие между компонентами (модами) генерации является основной причиной изменения состояния их поляризации. В разд.4.3 проведены измерения времен изменения состояния поляризации в узких участках спектров широкополосной генерации импульсного изотропного лазера на красителях с ламповой накачкой для двух случаев изотропной генерации. В первом случае изотропная генерация навязывалась лазеру при помощи инжек-ции. Лазер инжекции в отих экспериментах генерировал широкополосный спектр, в пределах которого состояние поляризации несколько раз периодически изменялось от линейной до циркулярной. Во втором случае в изотропном лазере был обычный режим свободной генерации широкополосного излучения. Измерения показали, что при равной мощности генерации характерные времена изменения поляризации в своих случаях имели одинаковую величину. Время изменения поляризации определялось величиной средней мощности излучения импульса генерации и с ее ростом уменьшалось. Экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами теоретического анализа.

Исследования усиления ОБ и ГН установки для поляризационной ВРЛС с изотропным лазером на красителях с ламповой накачкой проведены б разд.4.4. В соответствии с полученными теоретическими результатами было обнаружено, что в процессе генерации исполняющего лазера происходит деполяризация исходно линейно поляризованных компонентов его излучения. Как и в предыдущем случае, время деполяризации зависело от мощности генерации и уменьшалось с ее увеличением. При этом, несмотря на деполяризацию компонентов в излучении лазера, усиление ОВ происходит прямо пропорционально числу проходов света через резонатор.

Наглядно это бкло продемонстрировано следующим образом. Величина 03 в объекте выбиралась такой, чтобы за импульс генерации плоскость поляризации света совершала несколько оборотов. Затем излучение лазера пропускалось через спектральный селектор, взделяющий одну Еолну, и линейный поляризатор. Интенсивность излучения, прошедшего через такую систему, оказывалась промоделированной во времени. Наблюдаемый период модуляции строго соответствовал величине 03 в объекте и оптической длине лазерного резонатора. Поскольку одновременно с усилением 0В происходила деполяризация излучения, то глубина наблюдаемой модуляции в течение импульса уменьшалась, что позволило установить зависимость эффективного числа проходов, сопровождающихся усилением ОВ в данной установке, от мощности генерации. Эта зависимость показала, что с ростом мощности эффективное число проходов, при котором происходит усиление ОВ, сокращается. Для разработанной установки была определена наилучшая ПЧ измерений ОВ. ПЧ определялась при различной длительности генерации, менявшейся с изменением мощности ламповой накачки. Использованная схема регистрации ОВ имела невысокую ПЧ, равную 8.10"^ рад. При отом минимально регистрируемый угол поворота плоскости поляризации в объекте равнялся 2,3.10"^ рад. в отдельном импульсе длительностью 4 мке, при усилении 03 около 3.10^, что примерно на порядок оказалось лучше соответствующего значения для однопроходных измерений. При этом на величину ПЧ влияли следующие факторы. Во-первых, усиление 03 ограничивалось делоляричацией излучения, вследствие процесса взаимодействия компонентов мевду собой, и, во-вторых, в условиях нашей установки увеличение числа проходов сопровояадатюсь ростом мощности генерации, что автоматически вело к уменьшении внутрире-зонаторного лазерного усиления ОВ. Последнее ограничение являлось чисто техническим. Оно может быть устранено за счет использования соответствужщей схемы питания импульсных ламп накачки, которая позволяла бы увеличивать длительность импульсов накачки, не увеличивая мощности их свечения. Это должно привести к дальнейшему улучшению уже достигнутого значения ПЧ импульсных внутрирезонагорных поляризационных измерений.

В приложениях содержатся материалы теоретических расчетов. В приложении I выполнен расчет изменения формы полосы усиления красителя в поле интенсивного монохроматического излучения, а

в приложении П - теоретический анализ влияния взаимодействия мод в АС широкополосного изотропного лазера на красителях на состояние поляризации излучения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование предельной ПЧ импульсных однопроходных поляризационных измерений. Выполнен теоретический расчет значения предельйой ПЧ импульсных однопроходных поляризационных измерений. Показано, что в соответствующих условиях эта величина оказывается на один-два порядка хуже, чем при непрерывных измерениях. Выявлены основные факторы, определяющие ПЧ реальных импульсных поляриметров. Показано, что практически достижимые значения Ш в отдельном импульсе оказываются примерно на два порядка величины хуже теоретического предельного значения и составляют

10"'* рад. Предложена и реализована методика измерения импульсного ОВ, обладающая рекордным сочетанием временного разрешения 5 Л О"10 с и ПЧ на уровне 8. Ю-3 рад.

2. Создана оригинальная установка для исследования оптической анизотропии (ОА) активной среды (АС) импульсного изотропного лазера на красителях, генерирующего излучение двух длин волн с ортогональными линейными состояниями поляризации. В этих условиях обнаружена нелинейная светоиндуцированная ОА красителя и исследованы ее.основные особенности.

3. Создана специальная экспериментальная установка, на которой выполнены исследования механизма взаимодействия волн в АС, ведущего к возникновению ОА. Обнаружены и исследованы эффекты изменения спектральной формы полосы усиления красителей в поле интенсивного лазерного излучения, а также вызванные им спектрально-поляризационные эффекты в импульсных лазерах на красителях.

4. Разработана теоретическая модель, описывающая механизм взаимодействия излучения с АС, результаты которой согласуются с экспериментом. Проведен теоретический анализ влияния взаимодействия мод в АС широкополосного изотропного лазера на красителях на состояние поляризации его генерации.

5. Для поляризационной ВРЛС разработан специальный изотропный импульсный лазер на красителях с ламповой накачкой и проведены экспериментальные исследования изменения состояния

поляризации его излучения. Установлено, что изменения поляризации в таком лазере определяются процессами нелинейного взаимодействия мелвду компонентами излучения в АС и зависят от мощности генерации.

6. На базе изотропного импульсного лазера на красителях

с ламповой накачкой создана установка для поляризационной ВРЛС, обеспечивающая до 10^ проходов излучения через резонатор за импульс генерации.

7. Исследована ПЧ установок для поляризационной ВРЛС и факторы, влияющие на ее величину. Показано, что на данном этапе развития поляризационной ВРЛС с импульсными лазерами на красителях основным фактором, влияющим на ПЧ, является обнаруженная в работе ОА, возникающая при взаимодействии двухволнового излучения с АС лазера, величина которой зависит от мощности генерации. Использование эффекта внутрирезонагорного усиления ОВ в импульсном лазере на красителях с ламповой накачкой в поляризационной ВРЛС позволило улучшить ГО импульсных поляризационных измерений на порядок. В отдельном импульсе достигнута ПЧ регистрации ОВ на уровне 10"® рад. при величине усиления

ОВ ЗЛО2.

Снижение плотности мощности излучения внутри резонатора лазера должно приводить к дальнейшему росту величины усиления ОВ и ПЧ поляризационной ВРЛС.

Автор считает своим долгом выразить благодарность ныне покойному заведующему кафедрой оптики физического факультета СПбГУ, профессору А.Г.Жиглинскому, который привлек автора к выполнению данной работы и своей постоянной заинтересованностью способствовал ее завершению.

Цитированная литература

1. Пахомычева Л.А., Свириденков Э.А., Сучков А.Ф. и др. // Письма в ГОТФ. 1970. Т. 12, К. С.60-63;

Баев В.И., Беликова Т.П., Свириденков Э.А. и др. // НЭТ5. 1978. Т.74, »Г. С.45-56.

2. Мак А.А., Орлов А.А., Устюгов В.И. // Квантовая электроника. 1982. Т.9, №. С.2412-2422.

к.

3. Жиглинский А.Г., Рязанов Н.С. // Опт. и спектр. 1992. Т.73, вып.З. С.610-630.

4. Архипов 11.В., Жиглинский А.Г., Павлов C.B., Рязанов Н.С. // Опт. и спектр. 1985. Т.59, вып.2. С.452-455.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Авт. свид. И194144 16.05.1984; Слоосб определения свойств оптически активных объектов и устройство для его осуществления /М.В.Архипов, А.Г.Жиглинский, С.В.Павлов, Н.С.Рязанов // Билл, изобр. 1985. МЗ.

2. Архипов Ы.В., Ниглинский А.Г., Павлов C.B., Рязанов Н.С. О новой возможности лазерных внутрирезонаторных измерений оптической активности // Курн. прикл. спектр. 1986. Т.45, в.6.

С.907-912.

3. Архипов М.В., Жиглинский А.Г., Павлов C.B., Рязанов Н.С. Условия и границы существования эффекта лазерного внутрирезо-наторного усиления оптического вращения // Опт. и спектр. I9S8. Т.65, в.1. С.171-175.

4. Архипов Ы.В., Павлов C.B., Рязанов Н,С. Измерения угла относительного вращения с субнаносекундным временным разрешением // Изв. вузов: Физика. 1990. 1Р9. С.34-39.

5. Архипов М.В., Рязанов Н.С. Исследование оптической анизотропии активной среды импульсного изотропного лазера на красителях, генерирующего двухволновое излучение с ортогональными линейными состояниями поляризации // Вестник Леникгр. ун-та. Сер.4. 1991. В.2 (MI). С. 12-18.

6. Архипов Ы.В., Рязанов Н.С. Изменения спектральной формы полосы усиления раствора красителя в поле интенсивного узкополосного излучения и его проявления в импульсных лазерах на красителях // Квантовая электроника. 1991. Т.18, №4. С.417-422.

7. Архипов М.В., Полянский H.H., Рязанов Н.С. Поляризация мод импульсного изотропного лазера на красителях и ее изменения // Тез. докл. П Всесоюз. совещ. то нелинейным и когерентным эффектам в ВРЛС. Л., 199I. С.55-56.

8. Архипов М.В., Рязанов Н.С. Особенности формирования состояния поляризации зондирующего излучения в поляризационной ВРЛС // Тез. докл. Л Всесоюз. совещ, по нелинейным и когерентным эффектам в ВРЛС. Л., 1991. С.56-58.