Исследование нестационарных оптико-физических процессов наносекундного диапазона в газах и стекловолоконных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

л и 2 2

САЮСТ-ПЕТЕИЙИТСЖИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СМИРНОВ Валерий Борисович

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕСС»» ИАНОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА В ГАЗАХ И СГЕКЛОВШОКОННЫХ СРЕДАХ.

Специальность 01.04.05 - оптика

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 1995

ОДучнонисследовэтеяьский инсппуг физики Санкт-Пстербургакош государственного университета

Официальные ошюнешы:

доктор физико-математических наук, профессор Н-ШСоротеев.

Ведущая организация:

профессор А.СБеланов.

доктор фюико-штематических наук, профессор НЛЗанадворов.

Иыгпцух радиотехники и элеетроники Российской академии наук.

Защита состоятся 15 июня 1995 г. в 1532 часов на тагелангот досер-тационнош совета Д 063.57.28. по защите дихфгадий на соискание ученой степени доктора наук в Санкт-Петербурпжом государственном универаггете по адресу: 199034, Санкт-Петербургский государственный университет, Университетская наб., 7/9, ауд. 317.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомится в библиотеке Санкт-Петербургского посударственного университета.

Диссертация в ввде научного доклада разослана 12 мая 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физ.-мат. наук

В.СЕгоров

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы. Общая характеристика работы.

Основное направление докладываемой работы относится к исследованиям в области физики быстронрогекающих оптических процессов различного происхождения и природы. Создание и развигте нргпвзнонных средств оптических исследований не теряет своей актуальности. Задачи современной оптики требуют перехода к комплексным исследованиям, связанным с получением, хранением и обработкой больших объемов информации в реальном масштабе времени. Новая отшлектроншя и 1Шфпто№о-вычиатагельная техника заметно уменьшили ограничения на постановку таких исследований, включая модельные эксперименты с большим объеме»! данных, и позволили не только автоматизировать трудоемкий процесс измерений, но и оптимизировать его путем рационального выбора схемы эксперимента, реализуемой под управлением ЭВМ.

Многоканальный временной анализ - современный прецизионный метод

исследования быстронрогекающих оптических процессов. Исследуемая информация

заключена в длительности, форме, амплитуде, поляризационных характеристиках

и др. импульсов оптического излучения, а также в изменении указанных величин

во времени или в зависимости от внешних воздействий на источник излучения.

Регистрация оптического излучения происходит на уровне детектирования

10 2

одиночных световых квантов в интервале от 10 до 10" с от момента возбуждения источника. Информация накапливается в памяти многоканальных анализаторов или микро-ЭВМ и обрабатывается.

Классические задачи оптической спектроскопии инертных газов были выбраны как отправные точки исследований. Общая сшуация в данной области науки в 70-е годы требовала новых подходов и методов исследований для дальнейшего развитая, хотя бы потому, что накопленные экспериментальные данные не всегда укладывались во взаимосвязанные модели, механизмы и теории. Один из возможных выходов виделся в использовании средств прямого временного анализа; т.е. непосредственного наблюдения аппаратными средствами кинетики заселения и распада возбужденных состояний, в классических условиях вариации комплекса внешних воздействий на исследуемый ансамбль атомов. Однако здесь, после решения вопросов технического плана, на первое место выпша задача математического анализа полученных результатов - разложения многоэкспоненциальных кривых распада отягощенных шумами, а иногда и "sin", "cos" -

компонентами. Следует признать, что данная проблема оказалась намного сложнее самих экспериментов.

Спектроскопия квантовых биений, б которой исследуются временные изменения поляризации излучения ансамбля атомов, возбужденных коршхими оптическими или электронными импульсами б когерентное сулериозиционное состояние, в последние годы все шире используется для определения атомных констант в рамках спектроскопии сверхвысокого разрешения. Она открывает новые возможности для решения многих задач физики низкотемпературной плазмы, ошической спектроскопии и др.

Метод исследования оптических сред путем их возбуждения короткими оптическими импульсами с известными параметрами (от полупроводниковых или твердотельных лазеров) и последующего совокупною анализа исходных и прошедших (или отраженных и рахеянных) сигналов - основной метод изучения параметров волоконных световодов н природы протекающих в них оптико-физических процессов как в линейном, так и в нелинейном режимах взаимодействия излучения с материал с»! световодов. В настоящее время он широко применяется для целей волоконно-оптической связи и создания новых типов оптических датчиков физических полей,

Устанрые мегом объединяют общие требования, и стдздй .тородл к решению .задачи прецизионного определения формы оптических ситналов пзно-и микросекундной длительности на базе единой измерительной техники, способам накопления информятщи и методам ее обработки с применением микро- и мини-ЭВМ. Эффективность методов прямо зависит от достигнутой темности определения формы исследуемого оптического сигнала.

Научные исследования и научно-технические работы автора доклада, проведенные им как самостоятельно, так и в совместных трудах с созданным и возглавляемым им научным коллективом и представленные к защите, вьшолнешы в период с 1970 по 1994 годы.

Эта работы идейно и методологически связаны между собой как составные части широкопланового применения, развития и разработки методов счета фотонов и многоканального временного анализа в таких областях физики, как оптическая спектроскопия, оптическая связь, лазерная физика. Для автора доклада реальное начало этих работ относится к шесщдесятым годам, коща он выполнял исследования по ядерной спектроскопии [Ц1], экспериментальная техника которых, /фактически без изменения своей сущности, была впоследствии перенесена в атомную

спектроскопию. Метод у-7 и Р~7 совпадений, ФЭУ в счетном и временном режимах, многоканальный и корреляционный временной анализ, интерфейс КАМАК, разнообразные приборы и методы ядерной электроники н их оригинальные модификации и многое другое, составили основу последующих работ автора в приложении к оптической и волповодной спектроскопии.

Пионерской работой в указанном направлении следует призвать работу Наш [Ц2], выполненную в 1954 году. Позднее появились публикации за рубежом-Bennet [ЦЗ] и в Союзе - Опкрович AJT. [Ц4], Демчук МЛ. [Ц5] и др. Оригинальные в деталях они составили основу плодотворного экспериментального направления в современной оптике - спектроскопии с временным разрешением (time resolved spectroscopy), в первых радах которого автор доклада и его научный коллектив занимают свое самостоятельное место.

Работа выполнена в рамках комплексных государственных программ, постановлений, приказов и координационных планов Минвуза, Академии наук, Комиссии по спектроскопии.

Цель работы.

В процессе работы были поставлены и решены следующие задачи: -разработка и развитое экспериментальных методов спектроскопии с временным разрешением;

-разработка и развитие методов математическою анализа сложных процессов, характеризуемых многоэкспоненциальными и колебательными кривыми, отягощенными шумами; методов математического моделирования при решении конкретных задач современной оптической спектроскопии, лазерной физики и оптической связи;

-комплексное исследование нестационарных оптпхо-физических процессов в газах методами спектроскопии высокого временного разрешения, пополнение банка спектроскопических данных;

-комплексное исследование линейных и нелинейных оптико-физических процессов в новых типах стекловадокогапых оптических сред, в тем числе для решения практических задач волоконно-оптической связи;

-разработка и исследование волоконно-оптических источников и преобразователей когерентного излучения на базе новых типов стекловолоконных оптических сред;

-разработка, создание и исследование новых стекловолоконных, моно и поликристалпических. сред для визуализации ИК-излучения, создания элементов сшювой оптики, в медицинских и других применениях;

-сознание на основе результатов исследований и разработанных методов, приборов и устройств для целей практического применения.

Научная новизна работы состоит:

1. в развитии и модификации дая целей оптической спектроскопии с высоким временным разрешением высокоточного метода исследования импульсных оптических сигналов на основе многоканального временного анализа и детектирования одиночных световых квантов, с применением современных измерительно-вычислительных средств;

2. во внедрении данного метода, с целью создания экспериментальной базы новых разделов современной спектроскопии: спектроскопии квантовых биений, волнованной спектроскопии, спектроскопии стекловалоконных оптических сред, a также решения конкретных задач оптико-физических измерений;

3. в создании оригинальных, прецизионных экспериментальных методик и установок, развитии методов анализа многокомпонентных экспериментальных кривых, отягощенных шумами и методов их обработки с применением ЭВМ;

4. в реализации па основе развитых методов, комплексных исследований процессов релаксации и переноса энергии возбуждения, когерентных явлений в газах при электронном возбуждении, на примере гелия, разработке адекватных моделей обнаруженных явлений и процессов;

5. в исследовании нестационарных оптических процессов, протекающих при возбуждении стекловодоконных оптических срея в линейном и нелинейном режимах взаимодействия оптического излучения со средой распространения, обнаружении и интерпретации новых явлений и создании их адекватных моделей;

6. в создании и исследовании новых стекловолокошшх оптических сред для решения задач волоконно-оптической связи;

7. в создании и исследовании стекловодоконных преобразователей частоты и длительности лазерного излучения на основе новых многослойных и гибридных стекловолоконных оптических сред;

8. в исследовании эффективных визуализаторов слабого ИК-излучепия, созданных на основе новых типов антистоксовых люминофоров;

9. в создании комплекса измерительных методик и основанных на них приборах, освоенных промышленностью; оптимизации технологических процессов производства оптических волокон и оптических кабелей.

На защипу выносятся следующие положения:

1. Комплекс оригинальных мещдик и установок, предназначепый дн создания экспериментальной базы новых разделов современной оптической спектроскопии с высоким временным разрешением: спектроскопии квантовых биений, спектроскопии стекловолоконных оптических сред, волноасдной спектроскопии. Комплексный подхся к обработке сложных многокомпонентных кривых, отягощенных шумами, получаемых в экспериментах методами прямого времгнного анализа.

2. Новые данные о значительной роли вторичных процессов, сопровождающих релаксацию возбужденных состояний гелия, возбуждаемых электронным ударом. Многоуровневая модель переноса энергии возбуждения в гелии для состояний с п £ 5, парциальные и суммарные сечения соответствующих реакций переноса Новое явление в гелии - формирование блоков, смешанных по I состояний с данным л (п > 5), определяющее появление рада долгоживущих компонент в распаде гелиевой плазмы.

3. Практический вклад в развитие спектроскопии квантовых биений -разработку методов анализа сигналов квантовых биений и извлечения из них значений соответствующих атомных констант. Радиационные времена жизни 25 уровней гелия, определенные с учетом коррекции на основные искажающие факторы.

4. Экспериментальные методики, математический аппарат и результаты исследования дисперсионных свойств созданных новых типов стекловолоконных сред (далее СВС), а также их амшнпудно и фазово-частотных характеристик по результатам измерений во временной области.

5. Способы расчета и прогнозирования передаточных характеристик СВС по данным совместных временных и угловых измерений. Теоретически и экспериментально выявленные зависимости передаточных характеристик СВС со ступенчатым и градиентным профилем показателя преломления от условий их возбуждения. Эффект группировки мод распространяющегося в реальных СВС оптического излучения, как результат дисперсии профиля показателя преломления и связи мод.

6. Эффект и результаты исследования спиралевидного состояния волокон внутри полостей и трубок. Оригинальный смеситель мод на этой основе дня стандартизации условий измерения параметров СВС.

7. Результаты систематических исследований нелинейных эфекгов в многослойных гибридных СВС, предложенных как новый класс СВС для эффективного преобразования частоты и длительности лазерного излучения. Оригинальная систематика нелинейных процессов в СВС.

8. Новые пути визуализации ИК-изпучения с исмощыо перспективных антистоксовых люминофоров активированных РЗИ3* и практические устройства и изделия с рекордной чувствительностью в полосе 1,5 мкм.

9. Комплекс внедренных в организации-производители компонент волоконно-оптической связи методик, установок, методов расчета передаточных параметров СВС и нромышпенно изготовленные приборы для целей волоконно-оптической связи и технологии изготовления кабелей с волоконно-оптическими компонентами.

Апробация работы.

Научные результаты, составляющие содержание защищаемой работы, разработанные методики исследования, научно-технические разработки, выполненные на их основе, докладывались и обсуждались на: I и VI Всесоюзных конференциях но спектроскопии низкотемпературной плазмы (Ленинград, 1973 и 1983 гг.); VI и VII Всесоюзных конференциях по физике электронных и атомных столкновений ( Тбилиси 1975 г., Ленинград 1981 г.); I и II Всесоюзных конференциях по проблеме "Волоконно-оптические линии связи" (Москва, 1976 и 1978 гг.); X Международной конференции по физике атомных столкновений (Париж, 1980 г.); VII Симпозиуме СССР - Япония по волоконной оптике (Москва, 1980 г.); 1и II Всесоюзных совещаниях "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы" (Ленишрад, 1982 и 1985 г.); Республиканской конференции "Волоконно-оптические линии связи" (Киев, 1983г.); XIX Всесоюзном съезде по спектроскопии (Томск, 1983г.); Всесоюзном научно-техническом совещании "Измерительные устройства на диэлектрических волноводах оптического диапазона" (Могилев, 1983 г.); Межународном совешзнии-семинаре "Применение ЭВМ в Вузах" (Ленинград, 1984 г.); Ш Всесоюзном симпозиуме по световому эху и когерентной спектроскопии (Харьков, 1985 г.); Всесоюзном семинаре "Процессы ионизации с участей возбужденных атомов" (Ленинград, 1985 и 1988 гг.); XI Национальной конференции по атомной спектроскопии (Болгария, Варна, 1986 г.); VIII Всесоюзной конференции "Планирование и автоматизация

эксперимента в научных исследованиях" (Ленинград, 1986 г.); Всесоюзном совещании НТК "Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразрушающего контроля" (Могилев, 1989 г.); VI Всесоюзном совещании "Физика, химия и технология люминофоров" (Ставрополь, 1989 г.); VII Всесоюзном совещании "Кристаллические оптические материалы" (Ленинград, 1989 г.); Всесоюзной конференции "Волоконная оптика" (Москва, 1990 г.); Всесоюзном совещании-симпозиуме "Солитоны, нелинейная вычислительная и волоконная оптика" (Симферополь, 1990 г.); VII Всесоюзном и I Международном совещании "Физика, химия и технология люминофоров" (Ставрополь, 1992 г.); Международном конгрессе по компьютерным системам и прикладной математике (Санкт-Петербург, 1993 г.), Российско-Германском симпозиуме по лазерной физике (ФРГ, Кассель, 1994 г.).

Вклад автора.

Основная часть работы выполнена автором в Научно-исследовательском институте физики Санкт-Петербургского государственного университета.

Вклад автора выразился в его определяющей роли при выборе и постановке экспериментальных методик для решения задач спектроскопии с высоким временным разрешением, определении н разработке тематики выполненных научных работ. Автор лично участвовал в большинстве экспериментальных исследований, проводимых в созданной и руководимой им лаборатории его учениками и сотрудниками, на протяжении всех лет работа. Работы по анализу данных, их обработке и представлении материалов к печати также проводились при непосредственном участии автора.

Ряд работ по исследованию и созданию СВС выполнен совместно с профессором Д.К.Сатгаровым и его сотрудниками из ГОИ им-СЛВавилова и профессором В .В.Грширьящем из ИРЭ РАН. Автор и его научный коллектив выполнили физические исследования, их обработку и анализ. Антистоксовые люминофоры для ИК-визуализаторов изготовлены в НПО "Люминофор" ОЯ-Манашировым. Аппарат математического анализа многоэкспонепциальных кривых разработан совместно с СА-Багаевым, СА.Ивановым и БЗ.Тайбиным.

Автор осуществлял научное руководство и принял личное участие в разработке, создании и запуске в промышленное производство приборов дли целей ВОЛС и внедрении разработанных методик в организации- производители элементов ВОЛС.

На различных стадиях исследований, в создании приборов и установок принимали участие ученики автора (впоследствии сотрудники его лаборатории): О.В.Огинец, В.Ю.Черепанов, М.А.Зальнов, НД.Нечаев, Л.П.Николаева, ИЖЕгаушенко. ДЛЛезров, А-В-Курсякин, ААМеркуиов, В.ВАртсмов, а также его коллега по научной работе: ЮАЛгамачгв, 1СМ.Фрейверт, Т.В.Бабкина. Всем им, включая многочисленных студентов, принимавших участие в работе, автор выражает свою искреннюю признательность и благодарность.

Отдельную благодарность автор выражает профессорам НЛ.Кашпвевскому и МЛ Лайке при участии которых произошло его становление в оптической спектроскопии и лазерной физике.

Актор не может не упомянул, с благодарностью доброго имени профессора Г.С.Кватера с которым ему довелось работать как в ядерной физике, так и в оптике.

Публикации.

На защиту диссертации представлено 58 работ, в которых изложены осноеныс материалы доклада, опубликованные в журналах: Оптика и спектроскопия, Квантовая эжклроника, Физика и техника полупроводников, Светотехника, Журнал прикладной спектроскопии и трудах международных и всесоюзных конференций, совещаний и симпозиумов. Б их числе одна коллективная монография, три обзора, шпь авторских свидетельств. Общее число публикаций автора - 155 работ, включая тезисы докладов на конференциях.

PA4fTF.ni I. РАЗРАБОТКА И РАЗВИТИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЬК МЕТОДОВ СПЕКТРОСКОПИИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НАНООЖУНДНОГО ДИАПАЗОНА.

и. metfbt регистрации пгсипгяшлх' гякпжых квантов в задачах спектроскопии с высоким временным рачринкникм. мнотканагодый временной анализ.

1.1. Детектирование одиночных световых квантов.

Метод регистрации одиночных световых квантов (метод счета фотонов или МСФ) в настоящее время является признанной методикой регистрации световых потоков малой интенсивности. Нашими работами, начатыми свыше тридцати лег назад, сделан определенный вклад в разработку данного метода.

Заметное место заняло исследование параметров отечественных ФЭУ различных топов. Бывш предложены оригинальные методы исследования их

одноалектронных характеристик и паспортизации ФЭУ по этому параметру. Разработана концепция одноалектронного импульсного отклика ФЭУ на воздействие одиночного светового кванта. Исследованы вопросы точности фиксации импульса ФЭУ на временной шкапе измерительных утронсга

В рабою [1] предложен способ, позволивший значительно снизить величину паразитной ионной и оптической связи в ФЭУ за счет специального подбора режима питания. Достигнут оптимальный импульсный отклик для многих отечественных ФЭУ, что, в совокупности с эффективной послеяетекгорной обработкой сигналов и фокусировкой оптического излучения в центре фотокатода, позволило добшъся фиксации импульсов ФЭУ на временной шкале измерителей интервалов времени не хуже + 50 псек. Детали этих работ обсуждались нами на различных конференциях и совещаниях и опубликованы во многих трупах .

Развитие экспериментальных методик с применением ФЭУ проводилось в нескольких направлениях:

- счет фотонов для регистрации предельно слабых световых потоков;

- высокоскоростной счет фотонов;

- счет фотонов с временной привязкой к моменту фиксации того или иного события для измерения импульсных световых потоков.

Широко применялись комбинации указанных методик.

Источник высокой точности МСФ (в сравнении, например, с режимом постоянного тока) лежит в принципиально ином характере шумов. На число сосчитанных импульсов слабо влияют флуктуации коэффициента усиления ФЭУ и дробовой шум катодной камеры, применение пороговых устройств заметно уменьшает шумы диноцной камеры ФЭУ. Основной недостаток МСФ состоит в наличии просчетов при высоких скоростях счета. В работе [2] приведен пример решения проблемы просчетов путем оригинальной схемной корректировки результата. При просчетах не более 1% достигнуто значение Гщах = 14 МГц с ФЭУ-79, что обеспечило динамический диапазон - 70 дБ.

В 1989 г. мы опубликовали работу [3] по детальному исследованию источников погрешностей и методам их минимизации при создании прецизионных измерителей интенсивности световых потоков. Позднее эти идеи лети в основу создания промышленных приборов (см. разиел IV).

12. Многоканальный времешюй анализ.

Одним го решающих достоинств МСФ является возможность не только сосчитать число фотонов в единицу времени, но и исследовать их временное

распределение, а также организовать временные и корреляционные исследования одновременно с фотометрическими. Такое использование МСФ в литературе встречается (в зависимости от акцентов) под различными названиями: однофотонный счет с временной разверткой, метод задержанных совпадений, многоканальный временной анализ (МВД) и другие. В [4] опубликован реализованный в наших работах вариант MB А, модифицированный для исследований в области оптической связи. Реально же при проведении исследований нами было создано несколько модификаций МВА: для решения задач атомной спектроскопии (см. раздел II), исследования нестационарных процессов в стскловолоконных оптических средах ( см. раздел Ш) и для создания локаторов обратно-рассеянною излучения (см. раздел IV).

В основе метода МВА лежит принцип накопления часплы появления временных интервалов. Для ею реализации интенсивность излучения (или эффективность его регистрации) ослабляется так, чтобы на каждый акт запуска источника сигнала регистрировалось не более одного фотона. Измеряется частота появления дискретных временных интервалов от фиксированного момента запуска источника сигнала, до момента регистрации первого фотона. Тоща в течение времени измерения Т накапливается информация о распределении, пропорциональном вероятности появления различных временных интервалов в исследуемом оптическом импульсе. Очевидно что (с точностью до флуктуации), оно совпадает с формой оптического импульса.

Собственно устройством для измерения Ершенных интервалов является {ременной кодировщик. Он позволяет измерять временные интервалы вплоть до пикосекундного диапазона. Кодировщик вырабатывает цифровой или аналоговый код заданного типа, пропорциональный интервалу времени между моментами запуска источника ("старт"-ситлал) и первым появившимся импульсом ФЭУ ("стш"-сшпал) в соответствии, например, с выражением k(t) = (t - to) / At -прямой пропорциональный код Здесь At- длительность дискретною шага (ширина канала). Полученный цифровой код, определяет адрес канала накопителя информации и прибавляется в виде единицы информации в соответствующем канале. Статистическая точность определения формы сигнала может быть сделана достаточно высокой. Увеличением времени измерения и частота запуска v, набор в максимуме сигнала может составил, li^-lO6 вмп. При этом значение Vn/n составит менее 0,1% и ограничивается собственными флуктуациями формы сигнала.

Практическая реализация метода МВА для трех типов применений (в сокращенном варианте) изображена па рис. 1. В подписях к рисунку разделены общие и индивидуальные узлы и устройства. Одноэлектронные импульсы ФЭУ (10) обрабатываются специальной схемой (11) для минимизации влияния амплшупдой дисперсии. Дисперсия времени пролета электронов в ФЭУ, для приборов с микрокаыалъными пластинами или со скрещенными полями, лежит в диапазоне нескольких десятков пикосекунд для центральной части фотокатода. Суммарные погрешности измерения единичных интервалов не превосход ят 50-100 пс при полном диапазоне измерения до нескольких десятков микросекунд. При обработке сигналов учитывается дифференциальная и интегральная нелинейность временной шкалы (аппаратная функция), учитываются распределения отсчетов в каждом канале и закон распределения ошибок отсчетов.

Отметим, что для реализации в потном объеме метода МВА было решено большое число сопутствующих задач, среди которых: прецизионная калибровка временных шкал в пико, нано и микросекучдпом диапазонах, вопросы обеспечения (и поддержания на время измерений) высокой дифференциальной и интегральной линейности шкал, автоматическое вычитание фона, стабильность параметров и воспроизводимость результатов на больших сериях измерений и многое другое. В [5, 6] опубликованы результаты применения метода МВА для исследования кинетики переходных процессов в полупроводниковых структурах.

пготисанипих оптако^жичкских ПРОПЕРТОЙ,

По мере развитая аппаратных и вычислительных средств удается находить новые эффективные пути развития метола МВА. На сегодняшний день мы проводим исследования на основе созданного универсального спектрально-временного комплекса с развитыми возможностями обработки результатов. В нижней часта рис.1 приведена модификация, реализованная для решения задач спектроскопии квантовых биений, в которой реализуется метод МВА, на основе микро-ЭВМ "Электрошжа-бО" и мсщулей КАМАК.

Микро-ЭВМ осуществляет управление работой комплекса, при этом ее память, «роке хранения служебных программ и результатов расчетов, выполняет функции накопления экспериментальной информации. По сравнению с обычным методам МВА, использующим для набора и хранения информации многоканальные амплитудные анализаторы, установка с ЭВМ и системой КАМАК, содержит необходимую базу для эффективной автоматизации измерений. Появляются

-ОО—г 14"!

Общие УУ1Ы и блоки:

1 - генератор электрических импульсов;

2 - блок запуска; 4 - полупрозрачное зеркало; 5,17 - фильтры; 6,18 - объективы;

10 - ФЭУ с блоком питания; И - блок Ершенной нршшки;

12 - (ременной кодировщик;

13 - анализатор кода; 14 - блок пахши; 15 - блок вывода информации; 16 - ЭВМ;

19 - ФЭУ опорного канала;

20 - блок временной привязки опорного канала;

21 - блек задержки опорного канала.

Индивидуальные ушы и блоки:

3 - источник излучения (а - свсгодаод, полупроводниковый лазер, б, в - электронная пушка;

7 - капилляр с входным концом волокна;

8 - бобина с волокном;

9 - капилляр с выходным концом волокна;

22 - клушка Гелшгальца;

23 - монохромагор (МДР-2, МДР-6); 24- КАМАК;

25 - блок управления пушкой; 26- вакуумная система.

£8

г

1

11 и

1

||

№ г < и. н

^ [

ч г

С

яд < -

С

магистраль камак

8г

1| С 5

~Г

ОБЩАЯ ШИНА

11 1 I

г 5 « х 2

к?

8 ^

,и

I?

^Р) ¡2

Рнс.1. Блок-схема измерительного комплекса.

>

возможности организации гибких алгоритмов измерений, оперативного расширения функций отдельных узлов и модулей путем изменения программного обеспечения. Мензульный принцип создания установки на основе крейта КАМАК обеспечивает максимальную гибкость и быстроту изменения конфигурации установки.

Были решены вопросы создания нестандартных модулей (временная привязка, генератор задержек, специальные преобразователи время-амплитуда и др.) в стандарте КАМАК Число каналов накопления информации - 1024, минимальное временное разрешение -50 псек. Отображение информации (графики, числа и текст) производится на экране цветного телевизора. Тексты и графики распечатываются на устройствах широкоформатной печати. Работа комплекса поддержана необходимым программным обеспечением, написанным па макроассемблере. Обработка измеренных кривых осущалвляетея непосредственно в ЭВМ.

В [7] обсуждается другая модификация - автоматизированный двух канальный комплекс для спектральных исследований, также созданный па базе ЭВМ и системы КАМАК. Сканирование спектра осуществляется под управлением ЭВМ с помощью монохромагора со сменными решетками и шагового двигателя. В сочетании с набором фогоприемников (ФЭУ, фоторезисторы и фотодиоды) это позволяет регистрировать излучение в спектральном диапазоне 400-2200 нм. Разработаны оригинальные усилители (постоянного тока и импульсные) с программно управляемыми параметрами. Реализовано программное управление мощностью источников возбуждения для измерения динамики развития спектров.

"Открытая" конфигурация электронной часта комплекса и большой пакет программного обеспечения позволяет легко перестраивать установку п адаптировать ее к требуемым условиям измерения спектров.

В кратких рамках доклада мы не обсуждаем другие варианты реализованных установок. Отметим лишь, что появление персональных компьютеров настолько раздвинуло горизонты в направлении автоматизации измерений и обработки данных, та) многие проблемы ранее казавшиеся неразрешимыми, сейчас относятся к числу ординарных и решенных.

13. развитие методов анализа и окрашгки экоги'пмиггальтгых лащгьгх в гпкктроскгмтии с пршптм разркп гением.

3.1. Постановка задачи.

В различных областях физики, химии, биодопш и техники часто вегречаются процессы, описываемые суммой нескольких затухающих экспонент:

м

/°0)=ЕаУехр(-1А]) • (ад

н

Определение параметров Ц , г] } по значениям возмущенного сигнала

= + /í = f(f■д),«п = й(п-1) , (3.12)

п=1,2,...,М; (оп-1ггум; <} - временная ширина канала регистрации; представляет собой весьма сложную магемшическую задачу, поскольку сини и те же данные { /п } могут быть хороню аппроксимированы различными функциями вида (3.1.1).

В значительной мере в силу этого обстоэтельсгаа, для нахождения су, ^ предложено большое число методов, основанных на различных математических подходах. В [8] мы отмечали, что, например, для задач атомной спектроскопии характерна слеу^ующая ситуация:

1. Число компонент сигнала М может бьпь довольно велико (до М=6).

2. Порядок величин т j меняется от 10° до 103 и более.

3. Шум сигнала является статистическим, то есть:

= + Р < . (3.13)

где } - независимые нормально распределенные случайньге величины с нулевым средним и единичной дисперсией, ар- фон, который может бьпь удален из сигнала при предварительной обработке.

Таким образом, возникает зада1» подучить "приближенные" значения (оценки) {а/ для "истинных" значений [а] параметров по случайным величинам

/п •

3.2. Описание обобщешюго подхода. Сравнительные особенности методов разложения и анализа.

Данная проблема исследовалась нами на протяжение многих лет для различных экспериментальных ситуаций. Естественно, что основные трудности возникают при сложных распадах, когда число экспоненциальных компонент превышает три-четыре, или же когда распад отягощен колебательным процессом того или иного вида. Надо сказать, что количество экспериментальных ситуаций столь велико, что вряд ли возможно говорить о глобальном решении задачи много-экспоненциалъпого анализа. На рис.2 отражены те возможности для анализа, которыми мы уже располагаем в данное время в виде алгоритмов и программ (жирные линии), а также перспективные, включенные в развитие пакета "РАСПАД",

Feelrng-off методы (графические, в гом числе на ЭВМ Трансформационные методы Геометрические методы

Мепзд Лагагаса-Паде ZP-мегод Метод Прони (Преобразование | Фурье

Преобразование Лапласа

Падс аппроксимация

^преобразование Метод разностных уравнений

Паае аппроксимация

Метод дробно-рапно-налыюй аппроксимации

Метода минимизации

погрешности (нелинейное программирование)

Мсто-1 Гради- Метода Комби-

ды 1 ентные типа пиро-

поиска! методы Нюгонг вашые

;н>яеа>| (1-го (2-го методы

го порядка)! порядка) порядка)

Пламфоваияе эксперимента

Эксперимент

Предварительная обработка

Анализ

Выход

1.Энергетические соображения (выбор шкалы шага, времени).

2. Опенка Крамера-Рао.

З.Опорныс точки.

См. Выбор

раздел зиачи-

П. мои

части

и iN Г» Iй

4ВД0) Ы,

фильт-

рация

Quick Middle

Уровни,

ZP, лекаль-

Прони ный ми-

нимум

GkM Сеть, ограпичешш, локальный мииимум

quick

middle

giobal

Допустимые сип галы

W.

Рнс. Z Методы обработки эьсперименгапьных кривых.

в соответствии с которым ведется подготовка эксперимента и обработка результатов с помощью спектрально-временного комплекса (естественно, что отдельные часта пакета ммуг использоваться в независимых экспериментах и при обработке данных). Часть из этих материалов изложена нами в [8, 9, 10, 11, 12]. Сделаем некоторые комментарии:

1. "Графический" метод (рееШщ-ой) состоит в последовательном определении экспоненциальных компонент, начиная с "самой длинной" (наибольшее т^ ). Способы определения компонент могут отличаться, и некоторые из них страдают субъективностью. В целом эта труши методов не имеет глубокой математической основы. Тем не менее этот подход, по-видимому не уступает другим, если ставится задача лишь качественной детекции (требуется наши число экспонент и примерную величину ^ ).

Данный метод широко использовался нами для анализа несложных распадов и для выбора начальных приближений (см. раздел Ц).

2. ¿^преобразование Г81- СТ-метои. Ъ - преобразованием дискрегаого множества г ,14

шп | (сигнала) называют функцию переменной 7, вила:

N

Р(г) = Р[{фп}](2) = £фп/2п . (32.1)

п=1

Ометам, что г-преобразование, есть дискретный аналог преобразования Лапласа.

Аппроксимацией Паде порядка [Р / £)] функции относительно точки го называют рациональную функцию (г), у которой порядок числителя равен Р, знаменателя - ¡2 и такую, что:

¥(г) = Кт{х) + 0 [(г-го)^1] . (322)

При этом значение знаменателя в точке 2о полагается равным единице.

Входными параметрами 2Р - метода являются: сигнал /п , точка го,

п=1

относительно которой считается аппроксимация Пале и порядок М знаменателя аппроксимации (т.е. число экспоненциальных компонент в аппроксимации исходного сигнала).

Алгоритм гР-метода состоит из следующих шагов. - В точке го считаем функцию И (г) (^преобразование сигнала) и ее производные до порядка 2М -1 .

- По значениям р(2о) , . . . , И (2М_1)(го) находим аппроксимацию Паде порядка [(М — 1)/М ] относительно го (отметим, что нахождение коэффициентов аппроксимации Паде - линейная задача).

- Определяем полюса 1^0 = 1, ...,М) знаменателя аппроксимации Паде и находим по ним значения т j исходя из формул:

1^ + 2о = ехр (-ё/-^), ] = ...,М; (323)

Огбрасываем "нефизические" экспоненты, т.е. те экспоненты, у которых Ке т] отрицательна. Число оставшихся компонент обозначат через М] . Затем находим амплитуды с^ ,..., ам, из задачи минимизации: N М1

Е(/п~/п)2-^ тш , /п = Е «] ехр (- 1п/г ]), 1п = с1(п-1). (3.2.4)

п—1 ]=1

Подчеркнем, что эта задача сводится к решению системы линейных уравнений.

- Относительные погрешности приближения {/„} к сигналу |/п} равны:

Л/Ь.-,.,,^

82=\Х(7П-/П)2 / УЕ(/я) '

П=1 11=1

1 к

^ =^Е(/п-/п)2 /1/п1 • (3-2.6)

П=1

Считаем, что сигнал |/п} представим в виде (3.1.1). Тоща при /п = среднее значение равно единице. Следовательно, можно судить о качестве приближения по тому, насколько величина близка к единице. Отметим, что ^преобразование обладает замечательным свойством: оно является точным на экспоненциально затухающих сигналах:

{а е^'^Г Л , щ = . 02.1)

Разумеется конечность набора данных ( N < со ) приводит к ошибке. Образ N

„ [ уже не будет, как при N = да , рациональной функцией вида: М

, = . (32.8)

М 1

3. Метод преобразования Лапласа с последующей Паде-аппроксимацией [Цб]. В этом методе вместо ^преобразования используется преобразование Лапласа. Для того, чтобы численное интегрирование не вносило заметной погрешности, при использовании этого метода необходима большая плотность данных.

4. Метод Прони [Ц7]. С точки зрения "чистой" математики, этот метод, основная идея которого насчитывает почта 200 лег, оказывается вариантом 2Р-метода при го = °° . Достоинство метода Прони состоит в том, что он сравнительно мало чувствителен к "обрезанию" сигнала, т.е. не требуется, чтобы значения /п при больших п обратились бы в нуль (с точностью до шумовой составляющей). По сравнению с методом Прони, 2Р-метод имеет дополнительный параметр то выбор которого может существенно улучшить разрешение.

5. Метод дробно-раниональной аппроксимации (МДРА) основывается на преобразовании Фурье с последующем представлением спектральной функции в виде отношения двух полиномов от частоты с коэффициентами, определяемыми га условия минимума квадрата модуля разносш произведения спектра на знаменатель отношения полиномов и числителя этого отношения.

6. Методы нелинейного программирования широко использовались при выполнении наших экспериментальных работ и оформлены в самостоятельный блок программ [9]. Минимизировалась остаточная сумма квадратов (ОСК)

т

Ф = 1>(у1-/02 , где в базисе п экспоненциальных компонент модель

1=1

п

разложения имеет вид = ^ Ос , здесь Ск = ац , = 1/т j в ранних

к=1

обозначениях, т - число каналов накопшеля, у-! - отсчет в канале накопителя, имеющего ширину а&й , ^ - сгагасгаческий вес, который принимался равным

= у;Минимизация проводилась полудшейньгм методом с модификацией Левенберга-Маркварта, обеспечивающей сходимость итерационной процедуры. Сначала находились значения линейных параметров Ос из обычной системы линейных уравнений методом наименьших квадратов (МНК) и затем проводилась итерация классическим методом Гаусса в пространстве нелинейных параметров у - (у1,..., у„ ) с учетом зависимости Ос = Ос (у) .

Полулинейный метод требует задания числа компонент, т.е. размерности базиса и начальных приближений для нелинейных параметров. В программе проводилась минимизация ОСК последовательно в базисе п, п+1, . . . экспоненциальных компонент. Для уменьшения верояпюсти попадания в локальный минимум ОСК задача в каждом базисе решалась при различных начальных приближениях у0 > которые менялись случайным образом в заданных пределах.

В качестве критерия значимости применялась величина = , где

Ф „¿и - минимум ОСК в базисе п заданных функций, а % - число степеней свободы (в нашем случае ч = ш - 2п). Модель считается значимой, если увеличение размерности на единицу не меняет в пределах статисшстической точности величины абсолютного минимума Ф . Для идеальной модели и нормального закона распределения отсчетов в канале, значимая модель должна дать нормальное распределение Б со средним 1 и дисперсией Щ.

В реальной модели необходимо учитывать нелинейность аппаратной функции установки, дисперсию временных измерений и тд. В этом случае необходимо вычислил, другой критерий значимости, который должен быть больше единицы.

2

Оказалось, что для нашей установки Э распределено приблизительно по нормальному закону со средним 1.02 и дисперсией 0.03 . В программе проводилось сравнение минимумов ОСК в базисах экспоненциальных компонент, число которых увеличивалось от первоначально заданного По до тех пор, пока не

—2

удавалось удовлетворить экспериментальному значению Б . Также задавался вектор начальных приближений у0 = (У1. • • -, Уп) • Д™ последующих базисов начальные приближения у0 выбирались программой случайным образом в заданных пределах.

Отметим, что в настоящее время в пакет включен большой блок новых программ, включающий методы Лапласа, Прони и МДРА.

33. Допустимые и неразличимые процессы. Оценка Крамера-Р&о.

Частично эти вопросы опубликованы нами в [10,11]. Пусть испитый процесс

М

имеет вид: Р°: = {/ £} , = е'1^ . (3.3.1)

1

Критерием оценки истинности этого сигнала может служить величина погрешности.

Исхода из характера шума положим:

N ~

. (3.32)

1

Глобальный минимум по всем р° этой величины есть наиболее правдоподобный

N

2

процесс. Рассмотрим случайную величину % ( Б, Б" ), имеем % (Р, Р°) =У] ^еа^ ,

1

о

т.е. % распределение с N степенями свободы. Заменяя % на нормальное распределение, получим х^-Р0^1. гае £ - стандартное нормальное распределение, а ом = V 2/Ы . В соответствии с эгам процесс считаем недопустимым (неправдоподобным), если:

Р°)>1 + Зак (Зст - правило).

Все другие процессы считаем допустимыми. Другими словами процессы Р° и Б0 неразличимы, если:

■ (33.3)

1 &

В математической статистике известно неравенство Крамера-Рао, которое утверждает, что среднеквадратичная ошибка в определении параметров (у нас а\ , т j ) не может бьггь меньше некоторой величины, которая не зависит от метода

определения параметров р Л {51, ...ам,гГ1...тм},а зависит от имеющейся в сигнале Р информации. Этот вопрос мы детально рассмотрели в [8,11] на примерах одно, двух, трех и пятикомпонентных сигналах, ще оценили уровни шума, при которых еще можно определять искомые параметры и исследовали ситуацию приближения трехкомпонешного сигнала двухкомпонентным.

На рисЗ изображена графически ситуация с деггекцией сложного сигнала.

Параметры Б процесса Р° рассмотрим как точку на плоскости. Пусть для всех

процессов Р° мы нашли погрешность х ( Р, Р°) • Отметим следующее:

1. Размеры допустимых областей и области Крамера-Рао пропорциональны

\HfiQ).

2. При увеличении сигнала в 4 раза картинка изменится следующим образом: допустимые области уменьшатся в 2 раза и некоторые фиктивные области вообще пропадут.

min x

F°

P

Сгагпн-Rao bound

Рис. 3. Здесь: « - истинное значение Э ( истинный процесс);

В - точка глобального минимума X ( Р. ) - наибатее правдоподобньм процесс; (рРк - область в которой по правилу За могут находиться параметры. Граница получай из неравенства Крамера-Рао; - область допустимых процессов х ( Г. ) < 1+ Зо^ .

3. Хороший "локальный" метод вроде Прони, 7Р, рее1н^-ой дает лишь одну точку в допустимой области, причем, возможно, в фиктивной области. Плохой "локальный" метод может дать точку (процесс) вне допустимой области.

В связи со столь сложной структурой допустимых сигналов, задача детекции состоит из двух связанных задач:

1) Качественный анализ: определение числа М значимых компонент и примерных величин т ] .Па рис.3 это отвечает тому, что отбросили фиктивные области (при М=5 множество процессов /множество наборов параметров/ имеет размерность 10 н картина может бьгп. чрезвычайно сложной) .

2) Количественный анализ - уточнение параметров. Очевидно, что эта задача полностью осмыслена лишь для "истинной" области.

Как итог сказанного выше, мы изобразили на рис.2 (нижняя часть) схему, определяющую работу спектрально-временного комплекса. Большая часть схемы понятна из предыдущего изложения. Сделаем короткие комментарии: - энергетика процесса определяет основные установочные параметры: диапазон и гремя измерений, шаг измерений (постоянный, переменный и закон его изменения);

- оценка Крамера-Рао служит для быстрота определения нижних границ разброса параметров;

- опорные точки: тщательно рассчитанные (на моделях) конкретные ситуации, поиск ложных сигналов;

- предварительная обработка - выделение значимой части, фильтрация (по необходимости);

- быстрый (Quick) анализ: отбраковка недопустимых сигналов;

- средний (Middle) анализ: продолжение Quick - по любому допустимому сигналу ищем локальный минимум погрешности % (лучше искать зоны допустимых сигналов, т.е. линии уровня 3 <т, ограничивающие данный допустимый сигнал);

- полный (Global) анализ: поиск всех допустимых сигналов;

- окончательный анализ, сравнение с моделью.

В заключении укажем, что работоспособность изложенных выше идей, алгоритмов и программ проверялась как на десятках модельных ситуаций, так и на многих сотнях реальных кривых.

РАЗЛИТ П. ПРОЦЕССЫ РЕЛАКСАЦИИ. ПЕРЕНОС ЭНЕРГИИ ВОЗБУЖДЕНИЯ И КОГЕРЕНТНЫЕ ЭФФЕКТЫ В АНСАМБЛЕ АТОМОВ ПШИЯ ВОЗБУЖДАЕМОМ ЭЛЕКТРОННЫМ УДАРОМ.

ПА ЖХЖЖШНЙЕ ГГЛАКСАПИИ ПЛШ1КШЮСП! ШЖУЖШШЫХ ОКТГОЯИИЙ

АТОМОВ ГЕЛИЯ,

4.1. Постановка задачи

Исследования процессов релаксации населенности возбужденных состояний атомов методами спектроскопии с временным разрешением были реализованы с гелием.

Атом гелия представляет собой одну из самых простых систем с точки зрения квантово-механических расчетов и получение надежных экспериментальных данных есть способ оценить достоверность и точность примененных методов расчета. Схема уровней гелия (диаграмма Гротриана) приведена на рис.4.

Важную роль играют исследования процессов, обусловленных переносом энергии возбуждения (ПЭВ) при неупругих соударениях, поскольку эти процессы существенным образом определяют заселение возбужденных состояний гелия для п > 5 (это связано с малой величиной энергетических зазоров для разных I) и связаны с рассмотрением принципиальных для теории атома гелия вопросами.

Рис. 4. Схема уровней гелия.

"Р

7 JL и 1ДЛЯ»

•"í.í.J

»r-

г.'А

nf В

7* №л< гз,7+

ilfeV-

tí Тонкое расщепление, ей

H tllU*-%)

Анализ ситуации, произведенный нами к началу работы, выявил заметное расхождение как экспериментальных результатов различных авторов по значениям Трэд и Ост (радиационное время жизни и сечение столкновений), так и взглядов на модели возбуждения и разрушения заселенности уровней гелия, особенно для больших значений п и а именно:

1) при определении эффективных сечений были использованы упрощенные модели, учитывающие взаимодействие, как правило, только двух состояний;

2) в величинах сечений ПЭВ, которые могут достигать 10"14 см2 и более, существуют очень большие расхождения;

3) поскольку для разных уровней с данным п вероятность столкновений имеет одинаковый порядок величины, при создании математической модели процессов ПЭВ невозможно заранее предпочесть один из каналов переноса другим. Необходимо проводить комплексный анализ процессов возбуждения с учетом всех уровней с данными п.

42. Условия эксперюиапа.

При малых давлениях и малой степени ионизации кинетическое уравнение, описывающее заселенность г - ш состояния атома гелия, характеризуемого квантовыми числами п, I, 5, запишем:

к к'>к к<а

- N¡N0 < С1кОа > - N¡N0 < ЩОа > , (42.1)

к

где N11 - заселенность состояния, характеризуемого квантовыми числами (л, /, л), Гг описывает возбуждение 1-го состояния внешними воздействиями, например, электронным ударом или излучением, ст& - сеяния переноса энергии возбуждения (ПЭВ) при столкновениях возбужденных атомов с нормальными, сч - сечение ассоциативной ионизации. В данном уравнении пренебрегается тройными столкновениями, соударениями возбужденных атомов с электронами и рекомбина-ционным заселением возбужденных состояний. Такая возможность реализована за счет выбора условий эксперимента. Основная часть работы проведена при возбуждении импульсным пучком монокингшяееких электронов (А Ее ~ 0,4 еУ) в электронной пушке. Остаточное давление поддерживалось на уровне 10~7 мм.рт£т.

Комплексное исследование процессов заселения и дезактивации возбужденных состояний атомов гелия было начато нами с 1970 года. Выбор состояний

ограничивался, в основном, достигнутой областью спектральной чувствительности установки от УФ до ближнего ИК диапазона. Были исследованы состояния п'Бо (п=3-б), п'р (п=3-8), пЪ (п=3-6), п381 (п=3-8), п3Р (п=3-5), п3Б (п=3-10). Варьировались следующие параметры эксперимента: геометрия и размер зоны возбуждения, длительность импульсов возбуждения, частота их следования, энергия возбуждающих электронов в импульсе, давление гелия в исследуемом объеме, величина и направление внешнего магнитного поля (при экспериментах то квантовым биениям, для отклонения электронного пучка от зоны наблюдения и компенсации магнитного поля земли), диапазон наблюдения сигналов распада (от десятков до тысяч наносекунд), время накопления сигналов.

Указанные выше возможности варьирования условий эксперимента преследовали даль обеспечить максимальную достоверность подученных результатов и, по возможности, избавиться как от аппаратных погрешностей, так и от привносимых эффектов при анализе сложных многокомпонентных кривых, какими оказались в своем большинстве измеренные кривые. Наиболее эффективным инструментом оказалось варьирование Тимп, меняющее соотношение интенсивности "долгоживуших" и "корелкоживущих" компонент в момент прекращения импульса, изменение энергии возбуждающих электронов (с установкой Ее в максимумах функций возбуждения соответствующих уровней) и изменение давления газа, изменяющего соотношение вторичных и первичных процессов при неупругих столкновениях. Впоследствии была выявлена искажающая роль (при определении Трад) лабораторных малиггных полей, земного магнитного поля и когерентных эффектов, действие которых было наиболее значимо при коротких импульсах возбуждения ~ 5-10 не. Выполнение подобных условий, связанных с проведением многих сотен экспериментов, стало возможным при реализации комплекса мер, основанных на автоматизации, хранении и обработке данных с помощью спектрально-временного комплекса, разработанного для этих целей.

Были измерены и обработаны многие сотни кривых распада. При этом особое внимание придавалось минимизации величины абсолютной погрешности измерения времени путем тщательных калибровок временной шкалы несколькими независимыми методами, опирающимися на скорость света, стандарты частоты и другие. По мере развития математического аппарата обработки, каждая серия кривых подвергалась независимому анализу двуш-тремя методами.

Отметим, что высказанные выше соображения и реализованные методики и подходы имеют общий характер и пригодны д ля исследования других газообразных

Тш — 80 нс а = 2,31 вс

1-р = 50 мгор. т = 204 нс

IgN(a)

turn = 80 вс а ж 2,31 нс

1-р = 50 мггор, = 58 вс

т2 = 150 вс

2-р = 450 игор, -ti = 54 вс

12 = 125 вс

50 100 150 200 250 50 100 150 200 250

а) Кривые раявда заселенности уровня 6'S0. ,б) Крипые распада заселенности уровня 43Si.

lg I N(n) I

lgN(n)

p = 400 мгор a ■ 11,24 не тша » lOO вс Еи = 38 эВ

в) Кривая распада засакнюст уровня 33Р при р = 10 шор.

г) Кривая распада заселенности уровня 33Р при р = 400 мгор.

I«N(n)

р = 40 мтор а = 11^4 вс Тшш = 109 НС Ем = 38 эВ

IgN(n)

д) Кривая расгщца засешшосги уровня 43Р при р = 40 мгор.

р = 300 ьггор а = 11,24 нс

Тцш = 100 пс

Ем = 38 зВ

е) Кривая распада заселенности уровня 43Р при р = 300 мгор.

Рис. 5. Примеры распадов nlSD, п1^, п3Р состояний.

I I_

4

, p. мтор

100 200 300 400

Рис. ба Зависимости эффективных вероятностей распада засежнности n^S - уровней оглавления.

l-4lS0,2-51S0,3-6lS0,4-43Si, S-^Si.e-^Sj.T.T^i.e-e^!.

Рви. 66. Зависимость эффективных вероятностей распада п3Р - уровни! гелия от давления.

Конегаигы нетпрупк столкновений

для уровней п п3Р. Таблица 1.

Уровень f" , HC <ava> ■ 1010 a - 1016

смЗс-1 CM2

4'S0 88±1 1.53*0.09 9.(k0.6

5lSn 145±6 114*0.09 13.4i0.5

6% 235±8 3.840.2 24±1

43Sj 59.2±0.6 1.2*0.3 8±2

53Si 111±1 1.5*0.1 91±0.9

63S, 179at4 2.98+0.15 18.<Ш).9

73Sj 26Qtl0 28±0J 17±2

83Sj 3684-7 3.0±0.1 18.410.7

43p 154±2 1.6*0.2 9*1

53P JML nmj

объектов (инертные тазы и их смеси, простые молекулы и т.п.). Подтверждением сказанному служат десятки работ, опубликованных в последнее десятилетие как нами, так и другими авторами, выполненными не только в оптике, но и в других областях физики.

43. Распад заселенности n1,3S и состоянии.

Систематическое исследование процессов распада населенности

возбужденных состояний гелия было

и 3 начато с уровней п ^S и n Р [13].

Результаты измерений позволили заключить, что начиная с самых малых давлений ~ 7 мхм рт.ст. и вплоть до р=500 мкм рт.ст. заселенность уровней n^So (п=4-6) описывается одной эштоненгой с погрешностью ~ 1%. При этом оказалось, что уже при давлении ~ 10 мкм ртгт. псяучаемь5е значения тэфф=1/уэфф значимо отличаются or расчетных Трэд. Значения трэд (соответственно урад) были получены экстраполяцией зависимости Тэфф (р) к р=0. Оказалось, что для всех изученных S состояний зависимость уэфф (р) носит линейный характер Уэфф = А + Bp , А - вероятность радиационного распада соответствующего уровня в изолированном атоме, В = N0(l) < стоа > , где N0(l) - концентрация нормальных атомов при р=1 тор. Пример распадов для 6*S состояния приведен на рис Л а. Ошгггим, что

увеличение р не приветило к значимым изменениям формы кривой, что свидетельствует об отсутствии процессов обратной передачи энергии при столкновениях.

а

Для состояния п 8] характерными оказались двухкомпешентные распады (третья долгоживушая компонента имела вклад не более 2% при р~400 мкм.ртхт.) для п = 3, 4, 5, 6, однако для более высоких п распады характеризовались сщной экспонентой с точностью ~ 2%. Основной вклад давала собственная компонента распада. Примеры приведены на рис.5 б. Сходным образом при изменении

з

давления менялся характер распада населенности и Р состояний (п = 3-5). При их анализе также было необходимо учитывать наличие второй компоненты распада, обусловленной каскадом с верхнею состояния и слабой дсигоживущей компоненты с вкладом ~ 2-5%. Отметим, что в [14] мы рассмотрели причины заметного расхождения Трад уровня З3? с расчетным значащем и показали, что причиной этого является влияние трудно обнаруживаемой каскадной компоненты с т = 60 не. В итоге было получено значение Трад= 95,6 ± 0,6 не, совпадающее с расчетным и снята гипотеза об его некорректности. Примеры распадов показаны на рис.5 в-е. На рис.6 а,б приведены зависимости Уэфф(Р)>по которым рассчитывались значения Трэд, < ооа > и а приведенные в таблице 1.

Анализ различных механизмов показал, что наиболее вероятным процессом

тушения исследованных состояний представляется процесс ассоциативной * +

ионизации: Не + Нео -> Нег + е + ДЕ .

Отметим, что в материалах наиболее полной и точной к настоящему времени теоретической работы [Ц8], широко цитируются наши данные по Трщ. Они хорошо согласуются с полученными расчетными значениями. Впоследствии в литературе были опубликованы новые данные по значениям а, хорошо согласующиеся с нашими результатами. Омегам, что в случае сложных распадов совпадение найденного значения Трэд и Трасч есть определенное свидетельство в пользу правильности разложения.

Укажем, что для гелия можно считать твердо установленным фактом, что при давлениях > 10 мкм.ртхт. измеряемые т и у являются эффективными величинами и переход к радиационным значениям оптимально реализуется в исследовании: зависимости у(р), хотя в ряде случаев она нелинейная. В серии последующих работ нами были получены значения Трэд для остальных исследованных уровней гелия.

4А Распад населенности 51?, 5г0г и 5ЭБ состояний.

При исследования кривых распада была отработана определенная исследовательская методика. Сущность ее состояла в том, чтобы на первом этапе выделить наиболее простые распады и идти по пути анализа более сложных случаев, куда простые входят составной частью с хорошо определенными параметрами, используемыми при анализе как априорна» информация. Эта, та первый взгляд, тривиальная идет оказалась весьма плодотворной, так как сложность кривых не возрастала монотонно при увеличении отавного квантового числа, а наоборот, наиболее сложные распады оказались при п = 3 и 4, что связано с заметной долей каскадных переходов. Оптимальным случаем оказалось значение п = 5, для которого вклад каскадов не превышал 3-5%. На этом примере были решены многие вопросы, связанные с переносом энергии возбуждения по состояниям с

ДОО.)

р = 400 мтор а= 11,19 нс 1юга = 100 лс Ей = 38 эВ

а) Кривая распада заселенности уроии 5'Р] при р = 5 шор.

б) Кривая распада заселенности уровня 5]Р] при р = 400 мтор.

р = 0,8 мтор а = 11,64 не Теш = 100 вс Езл = 38 эВ

ДОСп)

р = 400 мтор а = 11,64 вс Тюя1 = 100 пс Ем = 38 эВ

в) Кривая распада заэелапюсти уровня 51Е>2 г) Кривая распада заселенности уровня З'Цг при р = 0,8 мтор. при р = 400 мтор.

Рис.7. Примеры распадов б'Р) и З'Оз состояний при различных давлениях.

200

равным п, но разными /. Ранее нами было показано, «по уровни 51,38 и 53Р практически не принимают участия в переносе эверпш возбуждения (ПЭВ). Прямое изучение 51,3Р и б1^ состояний нам было недоступно, поскольку соответствующие переходы лежат в ИК области спектра, вне даны чувствительности счетчиков фотонов. Поэтому основные исследования были предприняли для 5*Р, 5*1)2 и 53Б уровней [15, 16, 17].

Основная идея экспериментов состояла в обнаружении факта идентичности

распадов тех уровней, которые связаны процессами ПЭВ. Эта идея оказалась правильной, хотя анализ экспериментальных кривых представил весьма непростую задачу. Практически с давлений р > 10 MXM.pT.cr. кривые распада оказались многокомпонентными. Примеры даны на рис.7 а,бдг. Количество компонент уже при давлениях р > 50 мкм.рт.сг. равнялось гопи-шеста. Две далгоживущие компоненты давали вклад не более 5% (на момент прекращения импульса возбуждения) и при первичном анализе вычитались из кривой.

Значения совокупности эффективной вероятности остальных четырех компонент в функции давления у0 - уз показаны на рис.8 а,б. В пределах погрешностей оба набора у* оказались идентичными. В последующих работах данная процедура использовалась нами неоднократно и успешно при исследовании 3,4^, 3,41&2 и 3,4%) состояний [18, 19]. При этом как априорная информация принималось наличие в их распадах компонент у о - Уз за счет каскадных переходов с уровней с п = 5 (6).

Рис. 8. Зависимости эффективных версяшо сгей у о - уз рашаиа заселешюсти уровней З'Цг и 54>1 от давпаш. Значки - эксперимент, сплошные линии -расчет, а) Сд._п=4010"16 см2, ,

а5л-ш=250'Ю"16 см2; б) <1* 0=0, СТ5рр=40-10"16 см2, а;ю.ю=270-10'"16 а«2.

Появление компонент у0 и уз объясняется следующим образом. После прекращения импульса возбуждения источником дополнительного заселения

состояний з'е>2 и 5'pi могут был. только уровни 5lr3F и 51,3G, 7^=6,99-10б

с* (тя= = 143 не) и у!^ =4,17-Ю6 (г» = 240 не). Взяпые в отдельности эти состояния не могут объяснить появления компоненты у3 . Мы предположили, что между состояниями 5F и 5G возможна эффективная передача энергии при неупругих столкповепиях с нормальными атомами гелия:

Не (5F) + Нео -е> Не (5G) + Не + ДЕ .

13

При а этой реакции - 10 см и р > 5 - 10 мкм.рт.ст. между этими уровнями, за время меньше радиационного, будет устанавливаться равновесное распределение заселенности. Это пример двухуровневой системы - вероятность ПЭВ между ними больше ПЭВ с остальными состояниями и вероятности спонтанного излучения. Тогда в излучении и в столкновительных процессах оба эти состояния должны проявляться как единый уровень 5FG. С учетом смешивания синпгет-тршхлетных состояний с / > 3 эффективная вероятность 5FG равна:

Af GP + Ag Go б -1

y = ———---= 5,4-10 с

up + ijo

Экспериментально найденное значение (5,0 ± 0,5>10б с"1 совпадает с расчетной величиной. Удачным обстоятельством оказалась возможность выделить компоненту Уо, которая описывает релаксацию заселенности 5F и 5G уровней. По зависимости у0 (р) было вычислено эффективное сечение ПЭВ Оэфф = (1700 ± 300)-10"16 см2. При этап стяо = (1000 ± 200>10"16 см2 и стет = (780 ± 1б0)-10"16 см2. Экстраполяцией к нулевому давлению yj (р) было получено значение yj (0) = 14-10® с"1.

Это значение близко к расчетному y^f1 = 13,6- 10б с"1 . При этом расчитанное значение <vD =(270 ± 70)10"16 см2.

Совокупность точек относящихся к у2 (р) естественно связать с радиационным распадом 5*Р состояния, искаженным неупрушми столкновениями и пленением резонансного излучения. Оценка сечения сверху дает значение 5» S 40-10'16 см2 .

а) Кривая распада засслешюсги уровня 530 при р = 10 мгор.

б) Кривая распада засслаиюста >ровш 530 при р = 250 мгор.

в) Зависимосги эффективных пероггностей Уо ~ У2 распада зассипюсги уровня

Кинетика послесвечения состояния отличается большим своеобразием [20, 21] ( она характерна также для всех 1АЭ при п > 5 ). При давлениях р > 200 мкм.рт.ст. распад 5^0 уровня представляется практически мопоэкспопепхщальньгм, однако реально в нем присутствует компонента с "отрицательным вкладом", а при детальном анализе выделяется до четырех-шпи экспонент (рис. 9 а,б). Три из них с Уо . 71 » Уг можно уверенно отнести к значимым величинам. Зависимость у; (р) изображена на рис.9 в. Значения у0 и у2 совпадают с уо и уз полученными из распадов 51Р и 5'Е)2 состояния, что свидетельствует в пользу эффективного обмена с 5ГО. Вклады Уо и у2 сравниваются уже при р - 0,04 MKM.pT.cr. Зависимость У! (р) приводит к значению у1 (0) = (17Д±0,8)106 с"1, что совпадает с

№ = 16,6-Ю6 с1.

Отметим, что в распаде 53!} состояния мы не обнаружили присутствия компонент распада 5*Р и 5*1)2 состояний. Это серьезный аргумент в пользу модели, в которой переносом из сивтлетной в тршшетную системьт и обратно, можно пренебречь в рассматриваемых условиях.

Рис 9. Примеры распадов 53Б состояния.

DL5L гткряюс энергии вожужггипня межлу кигапими «хггояпиями Д-фМА ГЕШЯГ ПРИ тштттих СОУДАРЕНИЯМ ГЕПИЙТЕЛИЙ.

5.1. Моделирование и анализ процессов ПЭВ.

Располагая надежными данными о распадах состояний с п = 5 оказалось возможным провести математические модельные эксперименты по зависимости Yajj}» от условий эксперимента, в частости от давления. Вычислялись значения 7ай> (Р) W51 различных наборов сечений ПЭВ по отдельным каналам переноса. Суммарные сечения неупругах столкновений для уровней 5*02 и 5*Pi сохранялись равными экспериментально найденным значениям, которье задавали граничные условия. В первом приближении они должны определять ход зависимостей Уэфф (р). На рис.8 показаны Уэфф (р)> давшие наилучшее совпадение теория и эксперимента. Для определения парциальных сечений по отдельным каналам переноса необходимо знать абсолютные ингевсивностя. Для сравнения на рис.10 а,б приведены результаты расчетов, выполненные нами по опубликованным в литературе материалам в рамках двухуровневых моделей P-F и P-D переноса. Налицо несоответствие теории и эксперимента, возникшее из-за недостаточно точного анализа многокомпонентных кривых распада, о чем говорилось в 4.1.

5.2. Многоуровневая модель ПЭВ.

В работах [9,22] мы опубликовали модель ПЭВ в гелии дан п=5. Электронным ударом возбуждается вся совокупность уровней атома гелия. После прекращения возбуждения основными процессами, изменяющими заселенности уровней, являются

yt.ioV

а) Зависимости ук (р). Сплошные линии-

раект, значки - жпсримсяг, — 700-10"16 си2,----с5„ „ = 35- 1(Нб см2.

Г

■ft ДО® с"'

б) Зависимости у^ (р). Сплошные лиши-

растет, значки - эксперимент,-а^ =

5S010-16 си2,----с5Г_я = 35- КГ16 см2.

Рис. 10. Зависимость у^(р) по литературным данным.

^ 1р ир 13о Ъ зР з§

Рис. 11. Основные шши переноса между уровнями с п =5.

спонтанное излучение и псреяюс энергии возбуждения между уровнями с данными п при неупрушх столкновениях возбужденных атомов с нормальными. Доля каскадного заселения синтетных состояний с п = 5, по нашим оценкам не превышает 5%.

Основные каналы переноса зперпш показаны на рис.11.

Наиболее важные особенности рассматриваемых процессов ПЭВ состоят в следующем:

1. Уровни 5 5 и 5 Р в послесвечении проявляют себя как несвязанные, или слабо связанные, переносом энергии возбуждения с остальной системой уровней атома гелия.

2. В результате столкновений возбужденных атомов в состояниях 5Б и 50 с нормапшыми происходит перенос энерши возбуждения по реакции:

Не (510 + Нео <н> Не (50) + Нео + ДЕ ,

<сгиа> = (18±5)10~9 см3*"1 , а = (1000 ± 200)-1016 см2 .

При давлениях р > 5 мкм.рг.ст. за время, меньшее радиационного времени жизни, между этими уровнями устанавливается квазиравновесное распределение заселенности. В излучении и в процессах переноса энерши возбуждения они проявляются как единый смешанный уровень с эффективной вероятностью распада уэфф_ 5.10б с-1

3. Между уровнями 5*Р1 , 5*1)2 и 5КЗ происходит перенос энергии возбуждения при реакциях;

Не (51Е>2) + Нео <-> Не (5ГО) + Нео + ДЕ , <сгоа><(4.8 ±0.5>КГ10 смЗ-с1 , сг< 270-10"16 см2 ;

Не (5!Р1) + Нео о Не (5ГО) + Нео + ДЕ , < <тиа>£ 1.5-10-9 смЗ-е"1 , с< 80-10"16 см2 .

Ранее при анализе процессов ПЭВ в гелии определяющим обычно считался перенос энерши возбуждения с п*Р1 - уровней. Наши исследования показали,

что в общей картине переноса между уровнями с н=5 в исследованном диапазоне давлений и длительности возбуждающею импульса, при энергии электронов Еап=38 эВ заметное участие принимает также уровень 5'е>2 • Подчеркнем важную роль в этих условиях реакций переноса В-в и Е)-ГО, что ранее никем не отмечалось, но оказалось принципиальным для решения задачи в целом.

4. Уровень обменивается энергией возбуждения со смешанным 5ГС-сосгояпием в хере реакции:

Не (531)) + Нее, о Не (5ГО) + Нео + ЛЕ , <сша><1.8-10"9 см^с"1 , а<, 10"14 см2 .

Поскольку уровень заселяется прямым электронным ударом слабее, чем синтетные уровни, неупругае столкновения шрают в его заселении очень важную роль. Нами показано, что уже при давлениях р= 10 мкмрггг. и выше, заселение состояния 5^0, в результате неупругах соударений возбужденных атомов с нормальными, превосходит заседание каскадными переходами с вышележащих пКЗ-уроЕпей. Тог факт, что перенос энергии возбуждения из синглегаой системы уровней в триплетную происходит только через смешанное 5КЗ-состшние, подтверждает выполнимость правила Вишера для уровней атома гелия с п=5. Из сопоставления величин сечений ПЭВ можно заключить, что при неупругах столкновениях атомов гелия, возбужденных в состояния с л=5, с нормальными атомами, для квантового числа / более вероятно правило отбора А1 = ± 1, чем Д/= 0, ±2 .

5. В [23] мы рассчитали сечение передачи орбитального момента при

*

столкновении тождественных частиц А (и, I) и Во и показали, что сечение * *

процесса А (п, 0 + Во Ао + В (п, Г) намного меньше сечения прямых * *

процессов А (п, 0 + Во -> А (п, О + Во . Эти данные получены для п = 4*8 и / = 2*3, 3*4.

53. О долгожнвущих состояниях в геш

Естественно предположить, что образование смешанного 5ГС-сосгояшя не является особенностью ПЭВ по уровням с п - 5. С ростом ставного квантового числа я в процессы ПЭВ может вовлекаться все большее число уровней I > 3, энергетические зазоры между которыми быстро уменьшаются с увеличением п.

Обмен энергией возбуждения между уровнями с / й 3 при данном п приводит, с одной стороны, к увеличению числа компонент в кривых распада заселенности возбужденных состояний, а с другой стороны, к установлению квазиравновесной

Рис. 12 а. Зависимость от д авления эффективных вероятностей распада заселенности сишлетных уровней Не I с п = б.

тт«р,10-бс-1

100 200 300 400 500

Рис. 12 & Зависимость от давления эффективной вгроягеюсш распада зааленносш смешанного бЮН-тостшниа.

1 - a (6F-6G) =100010, см2, о (6G-6H) = ,

1000-Ю'16 см2, а (б'гъ-бр) = 500-10 см2;

2 - а (6F-6G) =100-10'" см2, с (6G-6H) = „

100-Ю с« , а (б'гъ-бВ = 500-10 г6 с«2;

3 - о (6Ft6G) - 50-10" см , о (6G-6H) = ,

50-Ю'16 см2, с (6 D2-6F) = 500-10" см2:

1 - riF-еосгояние; 2 - пО-сосгояние; 3 - смешанное nDFG-оосшяние; 5 - оосгоянис, смешанное по воем /; б - жсперименг.

заселенности между отдельными парами и группами уровней в результате неупрутих столкновений возбужденных атомов с нормальными (см. рис.12 а,б). Начиная с некоторого давления, как и в случае смешанного 5ГО-состояния, эти уровни должны проявляться в излучении и в столки овительных процессах, как еденье -состояния с эффективной вероятностью

распада ^Акёк^Хёк - где Ак" к к вероятность спонтанного распада заселенности для к-го состояния С ! '<> 3, статистический вес этого состояния [24].

Эксперименты были проведены для следующих состояний 6^1, б1^, 7*?!, 7% 81Рь 8130, 9гР], юЪ, пЪ и 12^ [23]. Было проанализировано несколько сотен кривых ("!:,„,=0,5-2 мкс, Евд=38 (100) эВ, р=50-500 мкм.рт.ст.). Характерам для них оказалось наличие основной компоненты с вкладом до 80% от общгго уровня.

После разложения экспериментальных кривых на составляющие, производилась идентификация отдельных компонент распада в рамках водородоподобной метели возбужденных состояний. Для этого для данного п сопоставлялись полученные в эксперименте значения

с расчетными для индивидуальных состояний и вероятных смешанных состояний - парных, тройных и тд. и нолпостыо смешанных по I -состояний.

На рисунке 13 показана часть полученных кривых, лежащих вблизи зоны экспериментальных значений у^ . Эффективная вероятность основной компоненты слабо зависит от давления и при р > 50 мкм.ртхгг. оказалась близкой к значениям у^ , характеризующим смешанные пГС-сосшяния. Это хорошо

видно на рисунке, где теоретические и экспериментальные значения у3^1 смапанных пГС-состояний практически совпадают для всех исследованных значений л=5-12 . В то же время различие в расчетных значениях у3^ для пБШ, пГОН-состояний и состояний, смешанных по всем I, с экспериментальными значениями у!^ превышает погрешность измерений.

Отсюда можно заключить, что в результате веупругах столкновений с нормальными атомами с наибольшей вероятностью образуются смешанные пГО-состояния по реакции:

Не (пР) + Нео <-» Не (пО) + Не<, + ДЕ , п & 6 .

Образование смешанных долгоживущих состояний в результате обмена энергией возбуждения между уровнями /23 определяет следующие характерные особенности процессов заселения и опустошения возбужденных уровней атома гелия с п > 5.

1. Образующиеся при столкновениях долшживугцие состояния обладают очень большим статистическим весом и малой вероятностью спонтанного разрушения. По отношению к другим уровням с тем же значением главного квантового числа п при возбуждении короткими импульсами (Тщ,, « т3^ ) влияние долгоживущих состояний внешне проявляется как тушение коротко-живущих. Если длительность возбуждающих импульсов достаточно велика, заселенность долгоживущих состояний достигает равновесного значения и после прекращения возбуждающего импульса ПЭВ с долгоживущих состояний приводит к дополнительному заселению коротхожнвущих.

2. Образование долгоживущих состояний (другими словами, объединение состояний с/>3в "группы"), характеризующихся одной эффективной вероятностью излучения, приводит к тому, что по кюре увеличения п число компонент в кривых распада заселенности не должно возрастать неограниченно. Это обстоятельство особенно важно при учете каскадных переходов с уровней п > 5, где уровни с

I > 3 проявляются как одно состояние с у3**1 = ^ А^ а^/^] Ек ■

к к

При этом преимущественную роль играет блок ГО состояний.

3. Времена жизни каскадных компонент, наблюдаемых в послесвечении п'^-уровней, должны соответствовать эффективным, анерадяационным значениям времен жизни долгаживущвх состояний.

Как результат проделанной работы, нам удалось составить белее полную и детальную картину возбуждения и, дезакгавадии уровней цуда,

Ш. исглитованик когитатиыу ямпэдий в тулии тот сигналам К1ШПШЫХ ШИ1ИЙ

6.1. Введение

В настоящее время в различных областях физики широко изучаются когерентные явления. При этом затрагиваются вопросы экспериментального исследования ряда положении квантовой механики на основе когерентных состояний, которые проявляются, например, в таких нелинейных эффектах, как самоивдуцированная прозрачность, фотонное эхо, нутационный эффект и тд., а также в эффектах интерференции квантовых состояний. Излучение ансамбля атомов, возбужденных в когерентную суперпозицию состояний импульсом длительности, много меньшей характерного времени релаксационных процессов, несет важную информацию о комплексе параметров, характеризующих такую систему, об анизотропии излучателя, определяющей поляризационные характеристики интенсивности излучения; об энергетических интервалах между шггеферируютцими квантовыми уровнями, определяющих частоты осцилляции интенсивности излучения; о времени жизни возбужденного состояния; о времени когерентности ансамбля и тд.

Эксперименты по регистрации квантовых биепий проводились нами начиная с 1976 года и, в основном, были направлены па определение атомных констант и исследование когерентных явлений в гелии. При этом ранее подученная информация о гелии была существенно дополнена и уточнена. Остановимся на главных моментах наших исследований.

62. Исследование квантовых биений при импульсном атехтрош юм возбуждении синглетных 1>-сосгояний гелия

Явление интерференции невырожденных атомных состояний - квантовые биения (КБ) - наблюдалось в оптических экспериментах в 1961 г. [119]. Математическое представление осциллирующей интенсивности спонтанного излучения ансамбля атомов, импульсно возбуждаемого в когерентную суперпозицию

невырожденных состояний (сигнала квантовых биений КБ), дано в [Ц10] для случая интерференции эгемаповских подуровней ив [ЦП] для случая интерференции мультаплешой структуры уровней. Однако результаты работы [Ц10] непосредственно можно применял» лишь для описания экспериментов с возбуждением атомов светом резонансной частоты. Нами были разработаны методы расчета параметров сигналов КБ при импульсном электронном возбуждении [26].

Интенсивность излучения ïkA. при атомном переходе из возбужденною состояния с полным моментом J=Ji в конечное J=J2 дается выражением:

lu - loi (2К + 0 jjj jj I (-l)q P* (t) «S, (ekx) - (62.1)

X

Здесь k - вектор направления излучения с поляризацией X (X =1, 2), Ф_ч -компоненты поляризационного тензора наблюдения, pq - поляризационные моменты (q< | К | % фигурными скобками обозначены 6j - символы, 1о - коэффициент пропорциональности, равный произведению сомножителей, не зависящих от поляризации наблюдаемого света.

Информация о процессе возбуждения атомов содержится в компонентах статистического тензора pq (0), описывающих состояние ансамбля сразу после возбуждения. Развитие этих компонентов во времени находится из уравнения движения:

Pq = - (Yq - iqt»L)Pq + 3q . (622)

Здесь y^ - постоянная релаксации мультиполя ранга К, второй член описывает прецессию мультшюльного момента во внешнем магнитном поле (coL/2n - лармо-ровская частота), 3q - тензорный оператор возбуждения, ось Z натравлена вдоль мандатного поля. При нерезонансном возбуждении электронным ударом представим 3q в следующем виде:

3q = F (О с (Ем, К ) 0q (v°) . (62.3)

Здесь F(t) описывает временную зашсимость и интенсивность процесса возбуждения, с К ) - коэффициенты, зависящие от ранга К и энергии возбуждающих

электронов Еш; Фц (v°) - поляризационный тензор, зависящий от направления скорости электронов ( v°- v /1 v I ).

Если форма импульса возбуждения аппроксимируется 5-функцией, то решение уравнения (622) будет иметь вид:

PÍ = Fo С (Ea¡i, К ) (v°) t . (62.4)

Подставляя найденные компоненты поляризационных моментов в (62.1) и суммируя по К и q, окончательно получим выражение для Щ).

Б случае, когда оси наблюдения, напряженности магнитного поля и движения электронов взаимно перпендикулярны:

I(t) ~ 2А°е~Ч°* + ЗА2е^2( cos2© cos 2w,.t - aV^4 (3 sin2© - 1), (625)

rae

А0 = с (Еан, 0 ) ^ , А2 = с (Еэц, 2 ) ^ (62.6) '

0 - угол между осью пучка возбуждающих электронов и направлением поляризации наблюдаемого света.

При наблюдении вдоль вектора напряженности магнитного поля, перпендикулярного скорости возбуждающих электронов, имеем:

I(t) ~ 2А°е~^°1 + aV7*1 + 3 AV^' cos (2(oLt + 2ф) , (62.7)

гае ф - угол между осью пучка электронов и поляризацией наблюдаемого света.

Если в нервом случае, варьируя величины угла 0 , можно менять амплитуду биений на частоте 2o)t. , то во втором, при изменении <р меняется фаза биений.

Вследствие аксиальной симметрии возбуждения q=02; релаксация мульти-полышх моментов происходит в условиях изотропных столкновений, следовательно,

N ve

7q зависят только от ранга К .

Согласно выражению (625) в приближении у2 = у°, зависимость глубины мсиуляции интенсивности излучения при спонтанном распаде возбужденного состояния от направления поляризации наблюдаемого света имеет вид:

-------. (62.8)

2А / А - 3 sin О + 1)

о 2

Огаошение А / А можно определить из дополнительного эксперимента. В отсутствие магнитного паля:

Ы (0 ~ 2А°е^°с + aV^1 (3 cos2© - 1) . (62.9)

Огаошение интепсивпостей излучения с поляризациями, параллельной пучку ll(0 = 0) и перпендикулярной пучку Ii (0 = л/2), при у2 = у° равно:

I» А° + 2А2 = А°/А2 + 2 ГГ дОГдг ~А0/р2_1

(62.10)

отсюда

' . • (62.il) д2 1||/1] - 1

Таким образом, можпо рассчитать зависимость М (©), если измерить отношение 1| / 1х .

В наших первых работах [27, 28, 29] были рассмотрены методические аспекта этих исследований, связанные с учетом поправок на параметры установки, учета геометрии пучка, угловых размеров зоны наблюдения и тд. В [28] опубликованы разработанные методы обработки сигналов КБ. Параметры установки приведены в предыдущем разделе доклада

На рис.14 и 15 приведены сшнал КБ на переходе с Х.=4922 им и результат обработки по определению периода биений.

Записав степень поляризации света в виде:

1в — 11

р = Г т (62.12)

и используя выражение (62.8) и (62.9), получим, что при у0 = у2, глубина модуляции интенсивности излучения с поляризацией, параллельной пучку электронов, равна степени поляризации Р:

Мц = -—-------= Р . (62.13)

2 А /А + 1

При наблюдении вдоль магнитного поля степень поляризации, согласно (62.5), равна глубине модуляции М интенсивности, регистрируемой для любого направления поляризации наблюдаемого света.

Максимального значения (48 ± 2) % степень поляризации достигает при Ем = 38Д+02 эВ (см. рис.16). При уменьшении энергии возбуждающих электронов степень поляризации уменьшается. Наименьшее значение энергии, для которой удалось провеста измерения, Емр 27 эВ. Перейдя через максимум, степень поляризации уменьшается с ростом энергии электронов. В районе 50 эВ наблюдаются выбросы, превышающие случайную ошибку. В районе -350 эВ степень поляризации обращается в нуль и далее становится отрицательной, что выражается в изменении на п фазы биений.

♦Я»

№

пав

ж

(О

по по

т

Рж. 14. Сиаш КБ на переходе с X = 492^ нм.

I

а

« « Г,ие

в*

ас

Ркк. 15. Зависимость суммы остаточных квадратов от периода биений для сигнала биашй на линии Л, = 492Д нм Не Ь

V»*

Рмс. 16. Зависимость Шубины мод уляции сигналов КБ мц = Р от энергии возбуждающих, электронов.

ЗМ*

300"

270°

НО•

НО'

зо дЧ

го /]\

Ш'

30•

ю*

110'

«о*

Рис. 17. Зависимость щ^бины модуляции сигнала КБ от ута 0 между направлениями поляризации наблюдаемого свсга и сирости возбуждающих электронов. Наблюдение поперек магнитного пода, Я. =492.2 им. Ею » 38 эВ. Сплошная крнвах -расчет по 6.2.8. Точки - результат обработок юмереппш сигналов КБ.

М*

да* «0*

Рис. 18. Зависимость пцбины модулащш сигнала КБ от угла 0 между направлениями поляризации найледаемао свсга и скорости воабуждающих ¡текгоонов. % =447.2 вм (переход 4Т5-2 Р), Ей = 38 эВ. Сшгашпая криках - расчет согаасио (6). Точки-резулыат обработки измеренных сигналов КБ.

IIa рис.17 сплошной линией показана рассчитанная по (6.2.8) зависимость тубины модуляции интенсивности излучения сгг угла между поляризацией наблюдаемого света и осью пучка возбуждаемых электронов. Относительная погрешность при расчетах не превышает 8%. Точками даны экспериментальные значения. Хорошее совпадение результатов подтвердило обоснованность введения коэффициента с (Еэл, К ) и предложенных моделей.

63. Исследование квантовых биений при импульсном электронном возбуждении триплешых D-сосгояний гелия.

Выражение для интенсивности излучения при переходе с энергетического уровня, имеющего тонкую структуру, запишем в соответствиям с [Ц10]:

IU = Io I < Lirä SL2 > I'2 Z (2« + 1) (211 + 1) (2J'1 + 1) Фо (ею) ■

hJ'i

N=0,2

вде Li и L2 - орбитальные угловые моменты возбужденного и конечного состояний, iljj]'! - частотный интервал между состояниями с различными суммарными угловыми моментами J i и J'i. Значение остальных символов дано в 62. Выстраивание за счет каскадных переходов не учитывается. Как и в случае синшетных состояний, возбуждение электронным ударе»! буцет учитываться коэффициентами с (Еап, К ) . Топа для случая возбуждения 8 - импульсом компонента поляризационных моментов имеют вид:

LlPo (0) = Fo с (Езд, К ) Ф$ (v°) . (6.32)

Заменой Г -» учтем влияние изотропных столкновений на постоянные релаксации населенности (К = 0) и выстраивания (К = 2). Если наблюдение ведется перпендикулярно направлению движения электронов, то после суммирования по К в выражении (6.3.1) псотучим:

.о - f¿'и^ч^Лзсл-о. ii

.1(211 + 1) (2J'i + 1) £ JLj| eiiij,I lt . (6.33)

f fci Ll Li]

Здесь Вк = c (Еад Vi)-|T 1,0- угол между направлением движения

[L2 1 1J

возбуждающих электроне® и поляризацией регистрируемого света в плоскости, перпендикулярной направлению наблюдения: Для исследованных в даной работе переходов n^D - 23? Li=2, L2=1,S = 1, a J принимает значения 1,2,3. Окончательно временная зависимость интенсивности излучения определяется выражением:

ко - В0 £ Ь?Л + В2 е^ (3 cos2© - 1) £ Ь?Л + Ii Ji

+ 2В2 е"71 (3 cos2© - 1) ( b22 cos £2121 + Ьц cos Q13 t + by cos ^23 t ),(63.4) где

bjir, = (2Ji + 1) (2J'i +1)Ij 21 . (635)

Следовательно, интенсивность спонтанного излучения при распаде тршшетных D-состояний телия, наблюдаемая с высоким ременным разрешением, модулирована частотами, равными частотным интервалам между подуровнями с J=l,2,3. Эта частотные интервалы значительно различаются: П2З « Ol2, . Подбором экспериментальных условий можно усреднвпъ высокочастотные составляющие и исследовать сигналы распада с биениями только на частоте Ов . Угловая

зависимость глубины модуляции на частоте i>23 при у0 = у2 :

2b2s(3cos2&-l)/Ebjlh

М(0) = -—--—- " -2--. (63.6)

В £ bJtj/B2 S bjjjj + 3 cos2© - 1

Ji Ji

Неизвестное первое слагаемое в знаменателе этого выражения может быть найдено по измеренному огаошяшю 1а / Ц . Действительно, в случае усреднения биений, используя (6.3.4), получим:

„

—ii---(63.7)

vii-i (637)

Jl

В качестве примера приведены результаты эксперимента по квантовым биениям (КБ), наблюдаемым в излучении с X - 4472 нм (переход 431>23Р). Значения глубины модуляции сигналов КБ, измеренных для различных углов 0, показаны на рис.18 точками. Результаты расчета зависимости М(©) с использованием выражений (6.3.6) и (6.3.7) и с учетом угловых размеров области наблюдения, показаны на том же рисунке сплошной кривой. Погрешность при обработке и расчете не превышает 8%.

Для углов arceos(VJ/3) < © < я-aiccos (V3/3) наблюдается совпадение, в лредлах указанной погрешности, величины глубины модуляции, рассчитанной по (6.3.6) и (6.3.7) полученной при обработке экспериментально измеренных сигналов КБ. Значения М (©), полученные при обработке экспериментальных сигналов, для углов - arceos О/З/З) < © < arceos ф/3) меньше рассчитанных значении. Это связано с наличием несюомпенсированного магнитного поля. Отметим, что хотя полная интенсивность излучения ín = I;| + 2íj_ , согласно (6.3.4):

In(t)-В0 ^¡Г bjjjt еГ^ 1 (6.3.8), не имеетосциллирующихчленов,в зкеперямен-Ji

тах, проводимых без поляризатора в канале наблюдения, регистрируются кривые с явно выраженной синусоидой биений. Действительно, проинтегрировав выражение (6.3.4), с учетом поляризующих свойств установки и апертуры наблюдаемого излучения, по всем наблюдаемым поляризациям, можно получить выражение для глубины модуляции сигнала распада возбужденного состояния, измеренного без поляризатора в канале наблюдения. Обработка такого сигнала КБ для Еат = 38 эВ, измеренного на переходе 43D - 23Р, дат величину М=(2.б±0.6) %, а расчет -МЦ2.9+05) %.

11.7. оиркиужния атомных констант в гелии местами ппиктроосопии

г. íMraraffibiM TOTOiraffTOvi

Развитие фундаментальных а прикладньгх исследований в области физики плазмы, квантовой электроники, теории газовых лазеров, теории атомных спектров, теории столкновений и т.п. требует определения соответствующих атомных констант и развития методов, обеспечивающих надежность и необходимую точность измерений.

В этом смысле методы оптической спектроскопии с временным разрешением далеко не исчерпали своих возможностей. Однако, даже самая высокая точность

анализа экспериментального результата не гарантирует от ошибок в измерении искомой величины как атомной константы. В наших исследованиях было получено много тому свидетельств.

7.1. Влияние лабораторных магнитных полей на результаты измерения времени жизни.

В рабою [30] мы исследовали данный вопрос в условиях реального эксперимента. Ранее в [Ц12] этот вопрос обсуждался теоретически. Для проведения измерений в зоне наблюдения тщательно компенсировалось лабораторное магнитное -поле, а затем накладывалось контролируемое имитирующее магнитное поле. Максимальное искажение сигнала соответствовало полю, ориентированному перпендикулярно как направлению наблюдения, так и пучку электронов. Было найдено, что при малых полях Н ~ 1 Гс ввд распада практически не отличался от мопоэкспоненш (рис.19). Однако отклонение Дт/т составило ~ 16% и возрастало с увеличением Н. При Н > 2 Гс наблюдалось искажение экспоненты за счет эффекта квантовых биений, сщнако их частота была еще столь низкая, что при наблюдении в течении 3-4 времен жизни, даже при таких Н, сигнал может быть воспринят как экспоненциальный. Эффект особенно заметен для коротких возбуждающих сигналов, часто иснользуемьгх во временных методиках. В прецизионных измерениях констаггг отмеченными обстоятельствами пренебрегать недопустимо.

72. Определение множителя Ланде по свободным биениям в излучении.

Определение вектора напряженности магнитного паля.

В простейшем случае интерференции магнитных подуровней, копта их расщепление линейно по полю, период биений равен:

Т = = - . (7*1)

Дте 2% ро Н

Сам сигнал биений запишем как:

О) = [А + В ап(ю I + ф0) ] е_£/т . (722)

То есть, зная Н и определив Т, можно найти множитель Лавде Такие исследования мы проделали для гелия. На исследуемый объект накладывалось однородное магнитное поле, задаваемое током /в катушке Гельмгольца. Направление поля, ось электронного возбуждающего пучка и направление наблюдения были ориентированы взаимно перпендикулярно. Поляризатор в канале наблюдения выделял определенное

N10, вмп.

V, МГц

я та ю *> ш иа ш

18 N

I, мА

-1000 -500 01* 500 1000

Рис. 20. Зависимость частоты КБ от тока через катушку.

ю ю ир I» (« да ¡ю

шаиала

Рис. 19. Сигнал КБ в слабом магнитном поле.

а}

«КГ 8 НО

н, э

Рис. 21. Расчетная зависимость частот КБ от' величины мапипюго шля для интерферирующих

магнитных подуровней состой ам З30 * и результаты шмерагий. Сплошные линии соответствуют следующим подуровням (11; т;,), Ог, т 1г): 1 - (3; -2), (2,0); 2 - (3; -1), (2. +1); 3 - (3; 0), (2. +2); 4 - (3; +1), (3, +3); 5 - (3; 0), (3, +2); б - (3; 0), (3, +2); 7 - (3; 0). (3, -2); 8 - (2; 0), (2, -2); 9 - (2; +1), (2, -1); 10 - (2; 0), (2, +2); 11 - (3; -2). (2, -2); 12 - (3; -1). (2, -1); 13 - (3; 0), (2, 0); 14 - (3; +1), (2, +1); 15 - (3; +2). (2, +2); 16 - (3; +3). (2, +1); 17 - (3; +2), (2. 0); 18 - (3; +1), (2, -1); 19 - (1; +1), (1, -1); 20 - (3; 0), (2, -2);

* Расчет из работы - Г.П.Анисимова, Р.И.Семяюв. Отика и спектроскопия, 1983, Т.54, в.1, е. 41-47.

направление поляризации. Изучалось 4,5,6 1Е>2 состояния. На рис.14 представлена

типичная кривая биений на переходе X =492Д нм(21Р1 - 4'г>2). Условия эксперимента

варьировались. Дня исследуемого уровня степень поляризации составила 48 ± 2% .

При таких условиях кривые биений очень четкие и Тбиашй прекрасно определяется

из (722). Кривая распада домножается на экспоненту с положительным показателем

степени и получается синусоида. Если изменять Н, то в соответствии с (7.2.1) меняется

период (частота /) биений. Зависимость / (Н) или / (I) линейная (рис. 20).

Необходимо лишь знать реальную величину Н. Возможен путь расчета Н по

параметрам катушки или измерения магнитометром в зоне пучка.

В работе [31] мы предложили метод определения компонентов вектора'

напряженности магнитного поля по сигналам квантовых биений и получили

авторское свидетельство на такой способ определения напряженности однородного

магнитного поля, ишсльзуя линейную зависимость Н(1) и величину ^-фактора,

5 1

(известную с точностью не хуже 10 ) для уровня 5 Е>2 гелия (к = 438,8 им). Была показана возможность определения величины Н от 10"2 до 103 Э при временном разрешении установки ~ 5-Ю'11 с. Определение компонентов вектора напряженности лабораторного магнитного паля в зоне наблюдения играет принципиальную роль при проведении прецизионных оггтко-мапштных исследований. В таблице 2 приведены значения g-фaктopa тригтлегаых состояний гелия. В пределах погрешности они совпадают с их величинами, вычисленными в приближении ЬБ-связи.

^-факторы соггаяшш тЙ}г (п=3,4,5). _Та&тицд 2

I п = 3 п = 4 п= 5 15-связь

1 0.497 ±0.005 0.494 ±<1008 0501 ±0.007 1/2

2 1.167 ±0.008 1.162 ±аооб 1.166 ±0.009 7/6

3 134 ±0.02 134 ±0.02 133 ±0.02 4/3

73. Определение расщепления магнитных подуровней.

В [32, 33] были исследованы сигналы КБ, обусловленные интерференцией атомных состояний, вырождение которых снимается одновременно спин-орбитальным взаимодействием и внешним магнитным полем. Интенсивность спонтанного излучения в этом случае промодулирована большим количеством частот. При комбинированном эффекте внешнего воздействия и внутреннего поля нарушается сферическая инвариантность гамильтониана, что не позволяет

использовать простые выражения через неприводимые тензорные операторы для описания таких явлений. Используя приведенные выше выводы и то обстоятельство, что в работе применялись поля не более нескольких десятков эрстед, можно проанализировать сигналы КБ на присутствие в них различных частот биений при наложении магнитного поля.

Частоты тонкою растепления А (Лц - пЪз) (п=3-6) получены в нулевом магнитном поле [табл.3].

Частоты тонкого расщепления. Таблица 3

Д(п3Б2-п3Оз), Шг

п теор [ * ] теор {**] Данная работа

3 71 ±2 75,258 ±0,388 73,4 ±1,1

4 40 ± 5 36363 ±0360 35,83 ±0,14

5 19 ±3 19,543 ± 0.180 1932 ±0,15

6 - 11,575 ±0,134 1238 ± 0,20

* Вепу Н.й, БиЫШ Л. №к1еаг ЬвОг. апс! МеЛ., 1973, v 10, р. 321-325. ** Райсу Ш„ Mac-Ada.il КЛ. РЬуь Ясу., 1979. V 20А, N 5, р. 1754-1771

Изменение энергии ЛWm 11 магнтного подуровня с I -1] в попе Н равно:

А1^^,^^!! , (73.1)

тоща частотное расстояние между двумя подуровнями ш^иш ц равно:

Ь Ь

Здесь WJ1J'1 - энергетический интервал между уровнями тонкой структуры 11 и 1'1 . При 11 = :

§ III Лш л ! 2£ЦОН у= ь = —_ • (733)

Учитывая (732), (7.3.3) и подбор временного разрешения, при котором не наблюдаются сравнительно высокие частоты £1]з и £112, получим пять групп частот, наблюдаемых в сигнале КБ (рис.21). I, П и 1П - это группы возрастающих от нуля с увеличением магнитного пата частот биений, обусловленных интерференцией подуровней с I Ат ;1=11 = 2, I Ат ,1=2 1 = 2, и I Ат I = 2; IV и V - группы, убывающие и возрастающие соответственно с ростом поля, частота, обусловленные интерференцией подуровней с I Атгз I = 2. Частоты,

обусловленные интерференцией с I Лтгз 1=0, слабо зависят от Н и не наблюдаются при регистрации света с поляризацией, для которой 0 = л/2 - агссхв УЗ/З. ВIV группе частоты уменьшаются, исчезая при пересечении машитных подуровней, и начинают расти при дальнейшем увеличении Н. По зависимости ^(Н) для этой группы получены величины магнитных полей пересечения эеемаиовских подуровней с I Дш23 I = 2 (табл.4). Отметим, что теоретические расчеты для уровней с п > 4 в литературе отсутствуют и получение экспериментальных-значений играет принципиальную роль в стимулировании таких работ.

Положение пересечений машитных подуровней.__________Таблица 4

п т,(; пу, 1&<жязь Расчет * Эксперимент

(3; 1) 18.5 ±03 20.0 ±05 19.7 ±05

3 (% 0) 19.7 ± 03 22.2 ±1.0 21.9 ±0.8

(1; -1) 21.0 ±03 24.5 ± 1.0 24.2 ± 0.4

(»,-2) 225±03 26.0 ± 05 25.4 ±й8

(3; 1) 9.10 ±0.0* 9.3 ±0.5 9.6 ±0.4

4 (2; 0) 9.65 ± 0.0* 105 ±05 105 ±0.4

(1;-1) 10.25 ± ОМ 115 ± 05 11.8 ±0.4

№-2) 10.90 ±004 12.7 ±05 12.7 ± 0.4

5 (3; 1) 4.88 ±0.04 5.0 ±0.2

(2; 0) 5.18 ± 0.М - 55 ±0.1

(1; -1) 5.52 ± 0.04 - 63 ±0.1

№-2) 5.91 ± 0.04 - 6.7 ±0.2

* ГЛАкисимова, РЛ.Семшов. Оптика и спсктрсхжишя, 1982, т 53, в.1, с. 17-32.

7А Влияние стткнонительньи; процессов на расгхзд населенности и когерентности уровней.

Проведенные нами в [32, 33] исследования показали, что даже в случае полной компенсации лабораторных полей, в экспериментах по КБ в канале наблюдения необходимо устанавливать поляризатор с осью, ориентированной под углом © = агссов (л/3/3), иначе наряду с экспоненггой распада населенности будет

наблюдаться экспонента распада выстраивания.

О 1

Зная отношение А /А и проинтегрировав (62.9) по всем поляризациям с учетом поляризующих свойств установки, можно оценить вклад каждой из экспонент в общий сигнал распада изучаемого состояния. Такая оценка проведена нами для излучения на переходе 2*Р1 - 41Е)2 . В общем случае интенсивность регистрируемого света можно описать выражением:

I(t) ~ at^ l + £bke_rkt + S(t) . (7.4.1)

к

Здесь a выражается через A и коэффициент, характеризующий поляризационные свойства установки на данной длине волны; г к - корни характеристического уравнения системы линейных дифференциальных уравнений, описывающих взаимодействие рассматриваемого энергетического уровня и уровней, связанных с ним каскадным и стошсновительным переносом энергии возбуждения; S(t) - функция шума.

Выделить экспонешу распада выстраивания при обработке экспериментально зарегистрированной зависимости I(t) чаще всего не удается. Однако, наложив на

1

систему магнитное поле, можно наши у по экспоненциальному спаду амплитуды синусоиды биений. Оказалось, что в широком диапазоне давлений у0 и у2 близки,

-Л -Л

а множитель при е ' на порядок превосходит множитель при е ' даже для тех энергий электронов, при которых создается максимальное выстраивание. Поэтому при измерениях с высоким разрешением сумма компонентов распада выстраивания и населенности интерпретируется как одна экспонента, с постоянной у :

у= .Ьо о + 2 . (7.4.2)

а + bo а + Ь0

В результате измерений при давлении 100 мкм.рт.ст. и энергии возбуждающих

электронов 38.5 эВ мы получили, что у0 отличается от у на ~ 3%, что меньше случайной погрешности для большинства экспериментов. Такой же порядок чисел получен и для состояний 43D.

В работе [29] мы определили сечения разрушения населенности и выстраивания. Они приведены в таблице 5.

Сечения разрушения населенности и выстраивания. Та&пп» 5

4' D 43D

crMO-'6 ,см2 150 ± 20 250 ±20

а2-10~!б .см2 330 ±15 480 ±30

т-1(Г9,с 37 ±1 32 ± 2

15. Выводы.

Таким образом получении; результаты позволяют сделал, следующие основные рекомендации для исследований, выполнение которых повышает достоверность и теш ость измерений атомных констант.

1. При изучении распада населенности анизотропно возбужденного ансамбля атомов необходимо учитывать присутствие компоненты распада выстраивания.. Чтобы избавиться от последней в канале наблюдения необходим поляризатор, ось которого составляет угол© = arceos (V3/3) с осью анизотропии возбуждающею процесса.

2. При исследовании распада уровня со спектроскопически неразрешаемой мультиплстной структурой, биения присутствуют и при полной компенсации полей. Тем не менее установка в канале наблюдения поляризатора с осью, ориеягарованной лсд углом © = arecos (V3/3) к направлению оси анизотропии возбуждающего процесса, позволяет измерять сигнал распада возбужденного состояния, не искаженный сигналом интерференции уровней тонкой или сверхтонкой структуры и сигналом распада выстраивания.

3. Сигналы КБ, обусловленные интерференцией уровней тонкой структуры, при наложении на систему магнитного поля, перпендикулярного направлению наблюдения, содержат большое количество частот. Установкой оси поляризатора под углом © = тс/2 - arceos О/З/З) можно избавиться в сигналах КБ опт частот, обусловленных интерференцией магнитных подуровней с I Аш j,/, I = О, Jl Ф J'i , а под углом © = 90° - от частот, обусловленных интерференцией магнитных подуровней с I Ат I = 2, Ji J'i .

Для определенных интервалов величин магнитных полей можно, установкой оси поляризатора под определенным для каждого случая углом, убирать из сигнала КБ одну из групп частот.

4. При нескомпенсированных внешних палях, для исследования мультигшетных расцеплений или для определения сечений столкновений, ведущих к распаду когерентности, необходимо установить ось поляризатора под углом © = я/2 к оси анизотропии возбуждения.

5. Введение коэффициентов с (Еэд, К) позволяет по интегральному измерению отношения ингенсивностей света I| / Ij_ с поляризациями, параллельной и перпендикулярной оси пучка возбуждающих электронов, рассчитать щубшгу модуляции сигнала распада возбужденного состояния.

6. В оптимизированных условиях были определены Трщ для 25 состояний гелия. Значения для 17 из них приведены в таблице 6. Для сравнения так же приведены данные других авторов.

Времена жизни возбужденных состояний гелия трэд (не).

Таблица &

Уровень Wiese (ттор.) [1] Galariel Heddle (тоор.) 12] Teodosiou (пир.) 13] Tomcoii Фаупср (эксн.) [4] Бап ют Кивдслман (жш.) [5] Данная работа (экш.)

4>S 90 90 88,9 89±3 84 88 ± 1

5lS 150 151 1475 160 + 3 141 145 ±3

6lS 239 240 233,9 210 ±4 - 235 ±5

3JD 15.7 15,4 16 20 i-1 - 15 ±1

4'D 36,6 37,8 37 41 + 3 34+5 37 ± 1

5lD 71,6 72,7 71,6 56 110 59 74 ±3

43S 58,4 63,8 633 62 + 3 44 59Д ± 0,6

53S 111 110 109,9 120±20 65 111 ±1

183 183,2 179,8 - - 179 ±4

73S - 260 273,9 - - 268 ±5

8% - 372 398,2 - - 386 ± 7

33P 94,7 96,6 98,2 122 + 5 105 ±5 95,6 ±0,6

43p 1543 137,9 142,9 122 ±10 145 144 ±2

s¥ 230 224,7 225,0 180±30 166 223 ±5

33D 14Д 13,9 14,2 19,4 + 0,5 171 13,5 + 0,8

43D 31,5 32 32,1 28 + 10 37 J- 5 32 ± 1

53D 60,7 60,2 60,9 132 53 60± 2

1 WJLWiese. Ir. Atomic Trans. Prob., v. 1,1966, v. 2,1969-1971.

2 A.G.Gabriel, D.W.OJIeddJe. Proc. Roy. SoaL, A258, 124,1960.

3 C.E.Theodcsiou. Atomic data and Nuclear data tables, 36, p. 97-127, 1987.

4 R/T.Tompson, R.G.Folwer. J. Quant Spectr. Rad. Trans., 15, N 11.

5 WJ.Rindlmann, W.RBeonett. Jr. Bull, of Amer. Phys. Soc., 8, ser. 11, 87,1963.

РАЗДЕЛИЛ. НВСГЛЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СГЕКЛОВШОКОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ СРВД АХ-

ш& ПШД^ТОЧНЬ»К.ХАГАКГШ1СШКИ сгашжмоьшных огтшсквх шд ПРОФИЛЬ ПРКЛЗ^ШЯ ПРКДОМШШЯ.

Современные технологии производства стекловолоконных оптических сред (в дальнейшем волоконных световодов или ВС ) позволяют получать ВС с малым (1-10 дБ/км) и сверхмалым ( < 1 дБ/км) уровнем потерь. Задача измерения таких потерь н, соответственно, исследования их механизмов, достаточно сложная и в-значительной мере ориентируется на измерения потерь при больших длинах ВС. При этом предполагается однородность потерь по длине ВС

В наших работах [2, 3, 35], материалах совещаний и конференций данная проблема подробно обсуждалась (см. также раздел I), особенно в часта влияния механизма микроизшбов [36, 37] при различном геометрическом состоянии ВС и по вопросу о собственных характеристиках ВС (статических модах) и стандартизации узговий измерения потерь (смесители мод). В докладе данная проблема рассматривается также в разделе Ш.92 - Ш.95 и IV. 13 - IV. 14.

Другая важная передаточная характеристика ВС характеризует его информационную шш пропускную способность. Соответственно, она связана с прохождением но ВС импульсных оптических сигналов различной длительности и определяет их временную дтклкрсию (уширение, деформацию и тл.). Данная проблема раосмонрена ниже в рада» Ш.9. Ей посвящены наши работы [38-45]. Увеличение пропускной ci юсобносга ВС прямо связано с выбором профиля показателя преломления (ШШ). В докладе обсуждаются , в основном, многомедовые щи малгамодовые ВС На рил.??, а приведены основные типы ПГШ различных классов ВС.

Разнообразие 111111 таких ВС необычайно широко и связано, с одной стороны, со стремлением удовлетворить требованиям многообразных применений

В современной тучной литературе по данной проблеме используется ряд обозначений по существу для одного и того же объекта исследований. Это - оптическое волокно, оптический световод, волоконный световод, оптический волновод и их переводные аналот. В зависимости от материала, используемого для изготовления, это могут бьггь стеклянный, кварцевый, полимерный, кристаллический и другие объекты. В зависимости от способа изготовления они могут быть пленарные, волоконные и др. В данном докладе, гае речь идет о стеклянных, кварцевых и кристаллических объектах и рассматриваются вопросы взаимодействия излучения с их материалом (средой) мы остановились на термине стекловолоконная оптическая среда, что наиболее точно обозначает проблему во всех ее проявлениях. По тексту доклада используется сокращенный вариант СВС или ВС-волоконный световод, как это опубликовано в большинстве наших работ.

*

n i п.

1±Ь_ rib

a a b г б аЪг

Ггфл fiftlr]

b r r

a b r

abre

a b г

Рнс. 22 a. Поперечные сечения и ППП Рис. 22 б. Различные ввды кварцевых ВС типичных ВС: а - ВС со гаутенчаплм с гибридным ППП

ППП; б - ВС с кольцевым ППП; «ВС W-типа; г - кольцевые ВС W-типа; е - ВС с осевым провалом в ППП.

/из скрантэшга "Вогокснпье свсгсооан"/

Рис. 22 в. Различные виды распределения показателя преломления на границе хила - оболочка в реальных двухслойных волоконных световодах; а - номинальное распределение показателя преломления; б, в. г, д - отклонения от номинального распределения.

ВС в различных сферах науки и практики, а с другой стороны отражает результаты реального технологического процесса производства ВС. Так, например, парафазная методика создания ВС со ступенчатым ППП может привести к М-образным или другим, более сложным, ГОШ с существенно иными, чем это было рассчитано теоретически, характеристиками. Среди таких ППП иногда оказываются весьма интересные и перспективные варианты. На рис.226 приведен набор ПИП, получаемых при едином технологическом процессе производства кварцевых ВС, а на рис.22в показаны границы реальных ППП стеклянных ВС. Видно, что код имеем дело с сочетанием в одном образце - ВС нескольких типов, если их рассматривать с точки зрения теории ВС и их ППП. В [45] мы подробно осветили этот вопрос на основании литературных и собственных данных. Естественно, что для многоходовых ВС гараншей высокой пропускной способности, является точное воспроизведение при производстве теоретически рассчитанного ППП (обычно параболического). В [Ц13] впервые предложен, а затем нами детально исследован на практике новый класс ВС - многослойные ВС Они обладают несомненными достоинствами для многих применении в оптической связи.

В развитие этих работ, в основном для нелинейной оптики ВС, мы предложили использовать гибридные ВС, включающие в свою структуру одномодовые или маломодовые ВС окруженные оболочкой со свойствами многомодовых ВС. Такие ВС обладают квазифокусируютцей способностью, обеспечивают самофильтрацию ненаправляемых мод, а также перспективны дня создания преобразователей частоты и длительности лазерного излучения.

Кратко остановимся на следующем вопросе. ППП в значительной мере определяет вид импульсного отклика ВС на его возбуждение коротким оптическим сигналом (в пределе 8 - функций). Соответственно, по мере прохождения сигнала по ВС, он испытывает воздействие особенностей всей его структуры и, прежде всего, ППП. По этой причине регулярные отклонения ППП от рассчитанного (профильная дисперсия) могут заметно исказить импульсный отклик. Другими словами, должна наблюдаться группировка мод ехсдиого излучения. Выходной импульс претерпевает заметные изменения вплоть до расщепления на отдельные сигналы. Эш эффекты обнаружены и исследованы нами для реальных ВС фугой эффект, связанный с группировкой мещ и появлением каналов наименьших потерь в мпогомодовых ВС приведен в HL9.4. Дисперсия импульсов в ВС с градиентным ППП рассмотрена в [39, 41].

Ш9. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ИСИШИЛ ДГОШШТВ РЛЯТКИЛТАШПИЯ

ия по вшококным световодам-

ш<1 ни I с» ад их*; тял кпд«; щ 1 с ц шг»; 1

9.1. Методы оценки дисперсионных свойств мшгомодовых волоконных светоиодоЕ. Функция импульсного отклика.

К настоящему времени насчитываются десзпки работ, в которых рассматриваются различные модели распространения импульсного оптического излучения по многомодовым ВС Однако, в силу многшараметрической сущности ВС, построение общгй медали достаточно затруднительно. Ргальную пользу приносят пока полуэмпирические модели, опирающиеся на и&крешше в эксперименте базовые параметры ВС Существующие многамодовые ВС отличаются большим разбросом информационных параметров, что в значительной мере зависит от несовершенства технодогаческих процессов при их изготовлении. Сами методы оценки информационных свойств ВС опираются на традиционные подходы, применяемые при расчетах электрических цедай. Они связаны, с одной стороны, с анализе»! переяаютной функции (ПФ) ВС н получением ее амплшудно-часгохной (АЧХ) и фазово-часгошой (ФЧХ) характеристик, при измерении параметров в частотной области; с другой стороны, с анализом импульсных характеристик ВС и получением импульсного отклика (ИО) как реакции ВС на единичный 5 - импульс, при измерении параметров во временной области.

Вычисление и анализ ИО позволяет нагляднее, чем при анализе ПФ, выявлять природу первичных процессов, приводящих к наблюдаемой трансформации испытательных сигналов.

Вообще говоря, форма ИО может оказаться довольно сложной. В ранних работах по ВС их информационные свойства характеризовались ушнрениш испытательного сигнала на уровне половины его мощности ( Ат^«« ,-т«*. или А-с^х2вьа.—г2«.). Этот метод оказался ограничен и чувствителен к форме испытательных сигналов. В наших работах данные вопросы явились предметом детального исследования. Отметим основные палучешшз результаты.

В экспериментальном плане при определении ИО ВС основным препятствием является то, что реальные источники излучают оптический импульс конечной ширины. Импульсы та входе ВС - х(1) и па его выходе - у(0 связаны между собой уравнением свертки:

I

у(0 = |х (Ъ-т) Ь (т) с! т = А 1т , ще А - интегральный оператор. (9.1.1)

Данный вопрос мы обсуждали в [40, 45], гае показали некорректность использования аналогии с ИО при пробных сигналах накосекундной (и даже пикосекундной) длительности и ввели для описания реальных ситуаций модифицированную величину - функцию импульсного отклика или ФИО. В работе [45] нами предложен вариант определения ФИО - как распределение плотности вероятности времени распространения по ВС фотона данной энергии, имеющего заданные полярные координаты на входе ВС. Такое определение не требует введения в рассмотрение "огибающей бесконечно короткого оптического импульса", а также позволяет не вводить требования "квазилшгейности" системы, так как при этом можно уесть конкретные условия возбуждения ВС. При таком (квантовом) определении ФИО она является первичной характеристикой световода, а частотная характеристика - вторичной, получаемой как фурье-образ ФИО. Такое определение ФИО и ЧХ уже является физически обоснованным и не требует проведения искусственных аналогий с характеристиками электрических цепей в линиях связи.

Конечно, при этом функция отклика по-прежнему остается зависящей от экспериментальных условий возбуждения и от параметров ВС Но подобная зависимость проистекает уже не из сравнения закономерностей распространения сигналов по волноводу в радиочастотном и оптическом диапазонах, а из прямого рассмотрения параметров, определяющих время прохождения фотона по ВС. При наличии математической модели, связывающей параметры ВС с временем прохождения по нему фотона, появляется возможность решать обратную задачу-по измеренной в эксперименте ФИО определять те или иные параметры ВС .

В [40] мы разработали методы определения ФИО, решив обратную некорректную задачу с использованием метода регуляризации Тихонова [Ц14]. Для указанных задач характерны неустойчивость решения и значительное усиление ошибок задания исходных данных. Расчет ФИО заключается в решении уравнения свертки (9.1.1) непосредственно во временной области путем замены интеграла интегральной суммой по одной из квадратурных формул (например, по формуле трапеций). В результате получается система линейных алгебраических уравнений, решение которой дает значения искомой ФИО в заданных в интегральной сумме узлах. Однако эта система получается, как правило, плохо обусловленной или даже вырожденной. Выходом из положения служит регуляризация найденной системы уравнений, что фактически аналогично замене интегрального уравнения Фредгшьма I рода на уравнение С^редгольма П рода :

t

y(t) = Jx (t-т) h (t) d т + d h (t) . (9.12)

o

При достаточно большом d решение (9.12) оказывается устойчивым, но несколько искаженным по отношению к "истинному". В [40] реализован метод регуляризации с использованием дискретизации краевой задачи дня уравнения Эйлера, которая минимизирует регуляризирующий функционал. Предполагается, что ядро x(t) интегрального оператора А известно точно, a y(t) известно приближенно. Топи приближенное решение уравнения (9.12) находится минимизацией сглаживающего функционала:

Ma[h,y] = IIAh-yll¿+allhl|2i . (9.13)

Второе слагаемое в правой части (9.13) играет стабилизирующую роль. Если h а -функция, на которой функционал (9.1.3) достигает минимума, то а находится как радение уравнения:

р (а) = I I A h а - у 11ц = 5 . (9.1.4)

Величиной S характеризуется точность задания исходных данных y(t), и в пространстве Lj она имеет вид:

т

5 = I I у (t) - уют. I lL2 = {J[y (t)-y 1CTH.(t)]2dt}'/2 . (9.1.5)

о

Функция ymow(0 представляет собой некоторую "точную" функцию, случайной реализацией которой является измеренный в эксперименте выходной импульс y(t). С pócima величина р (а) возрастая1 строго монотонно; следовательно, уравнение (9.1.4) имеет единственный корень ao . Параметр a обычно называют параметром

регуляризации решения. Не имеет смысла искать решение ha с точностью, превышающей точность задания исходных данных 8. В то же время задание a > ao будет приводил, к заметным искажениям искомого решения. Поэтому в

качестве приближенного решения взята функция ha°. В этом смысле ao является оптимальным значением гаршжтра регуляризации. Приведенный алгоритм выбора oto часто называют "методом невязки". Аналогичным способе».! можно учесть неточность задания ядра интеграла x(t) ("принцип обобщенной невязки") [Ц15]. При анализе ВС подобный способ определения a выгодно отличается от других способов тем, что учитывает информацию о погрешности измерения формы

оптических сигналов. По четкое математическое обоснование позволяет эффективно применять алгоритм регуляризации для любого вида функций x(t) и y(t) из класса Ьг, без дополнительного контроля на тестовых задачах.

На рис23 представлен результат обработки выходного и входного анналов с помощью описанной выше программы. Кривая 3 представляет собой ФИО кварцевого ВС с градиентным ППП. Видно хорошее совпадение "восстановленного" и истинного выходных сигналов, что говорит о высокой степени достоверности проведанной обработай.

Разработанная процедура определения ФИО использовалась нами для анализа десятков ВС различных типов ( см. примеры [40, 44] ) и показала устойчивые и надежные результаты. Впоследствии зш исследования были развиты в направлении анализа дифференциальных параметров ВС

Ptac. 23. ФО (3), полученная при совместной обработке входного (1) и выходного (2) импульсов.

Темные кружки - результат свертки напоенной ФО 3 и входного импульса 1.

92. Синтез интегрального импульсного отклика по дифференциальным характеристикам ВС Случай слабой связи мод.

В [46] нами исследована возможность и предложена процедура синтеза интегрального импульсного отклика (ИО) многомодовых волоконных световодов (ВО из измеренных дифференциальных характеристик в случае слабой и сильной связи мед. Оказалось, что для значительного числа практических задач можно получить приемлемую точность синтеза (-10 %) интегрального ИО, измерив интегральную шщикатриссу и 5-7 дифференциальных индикатрисе сканируя торец ВС параллельным пучком оптического излучения и измеряя в идентичных условиях дифференциальные ИО. При этом можно получить информацию достаточную

для решения задачи прогнозирования основных параметров ВС. Это может быть опенка затухания излучения или полосы пропускания ВС произвольной длины, при различных условиях ввода излучения и при различием состоянии ВС (изгиб, температура, давление) и тд.

Входное излучение, характеризуемое интегральной иццикатриссой 1} (8)

представим в виде линейной суперпозиции дифференциальных иодикатрисс

N

и | (0) : и (в) = X а/ Ц (в) . где в - угол между направленна! регистрации 1=1

и осью ВС, а\ - весовые коэффициенты разложения, N - число возбуждаемых

мод. Пусть каждой дифференциальной шщжатрнссе и! (8) соответствует свой

импульсный отклик (ИО) ВС Тоща справедливо:

N

§ (0 = £ ^ ¡к (0 • (9-2.1)

1=1

Бели условия возбуждения и регистрации ИО и входных индикатрисе идентичны, а ВС - линейная система, то щ - а/, то есть:

N

Е « = Е 0- (922)

1=1

Здесь^/^ шхедшхяпо методике приведеннойвыше(см. 92). Однако, за кажущейся простотой способа скрывается ряд практических сложностей, связанных с возбуждением выбранных групп мод или даже отельных мод. В связи с этим решается задача приближенного синтеза интегральных характеристик.

Допустим мы можем тем или иным способом возбудить в ВС группу мод [N1^21 где 1 ^ N1 < N2 < N. Тогда дадакатриеса (8), характеризующая такую труппу мед , может быть представлена следующим образом:

N2

ик(6) = 1 «М(в) - (92.3)

¡=N1

Ь

Множество трупп мод рЧ1№]к, таких что: ^ [ N2 ]к = [ 0, N ] образуют

неполный базис, который может быть использован для приближенного разложения

ь

интегральной ивдикатриссы и (8) : и (8) »Аь ик (8) . (92.4)

к=1

Точность такого разложения зависит от числа атементов выбранного базиса

Из выражений (9.2.1) - {925) следует, что с тем же нравом для интегрального ИО

L

можно записать : g (t) « ^ Ак gk(t) . (925)

к-1

Таким образом, задача синтеза сводится к измерению рада L входных шщикатриес и, соответствующих им ИО, нахождению коэффициентов Ак разложения интегральной шщикатрнссы U (0) по базису L и синтезу интегрального ИО g(t) в соответствии с (925) и использованием базиса из L атшентов. Критерием качества синтезированных ИО была сумма квадратов отклонений синтезированных ИО от измеренных, при различном числе базисных элементов, определяемых числом измеренных дифференциальных ивдикшрисс. В [46] показано, что для проведения синтеза достаточно взять небольшое (-5-6) число базисных ивдикшрисс. Рис.24 иллюстрирует два таких исследования. Пояснения даны в подписях к рисунку.

93. Анализ процессов распространения излучения в реальньтх ВС с промежуточной связью мод,

В [47] нами были развит изложенные выше вдеи в применении к реальным ВС со связью мод. Связь мод в реальных волоконных световодах (ВС) нарушает условие независимости распространения отдельных мод. Преобладающей оказывается связь между модами с одинаковым значением главного медового числа m = 2р. + v +1 . Формируется вырожденная группа мод , внутри которой мощность, затухание и задержка всех мод практически выравниваются. Число таких групп мод для многомодовых ВС -20-50 . Доминирует связь с разностью A m = ± 1 . Коэффициент связи существенно зависит от конкретного состояния ВС, что часто не позволяет использовать простые и доступные модели для расчета распространения излучения по ВС. Задачу приходится решать, используя эмпирически найденные характеристики.

Случай стационарного возбуждения. Процесс распространения излучения описывается уравнением [Ц16]: лр„ ярт

+ + I Drak(Pk-Pm) (9.3.1)

le

Здесь Pm - мощность, переносимая го ВС труппой мод с индексом т, т т -задержка, а т - коэффициент затухания, D m к - коэффициент связи групп мод

с индексами так. Запишем (9.3.1) че^з 0 (26 = ^ , а-рииус BQ:

д(Г).<хти1

Ряс. 24а Семейство входных индикатрис при различных устах ввода: 1-0°, 2-2,3-4,4-6,5-8,6-10,7-12а-а и соответствующие им ИО-б.

РВс. 246. Интегральные ивдикатриш при различных условиях ввода излучения - а и соотвясгвуюшие им синтезированные ИО-б.

к № н г,к

Рис. 24«. Интегральная (светлые кружки) и дифференциальная (темные кружки) входные индикатрисы ВС при апертурах возбуждения (0-12°) (а), и дифференциалы ше НО, ооотвстстеукшик: тем же апертурам (б), и интегральный (светлые кружки) и синтезированный (темные кружки) отклики, соответствующие шпоралыюй индикатрисе.

г,¡л

Рис. 24г. Ралет ИО для длин (м): 1-1, 2-2, 3-4, 4-8,5-16,6-32,7-64,8-128 -а и зависимость полуширины ИО от длины ВС-6,

НА

+ ' (0) " " ° (9> р<9> *1° Тф) Iо, " 6 ' »»

ЫА

^р /т г

Для стационарных световых потоков: " = ]К (0,0^ Р (9^ <1 9, , (933)

0 2

о

ще К (0,9!) = |еГ а (9) Б <0 - 0,) . (93.4)

Ядро К (6,01) описывает трансформацию углового распределения мощности излучения, распространяющегося по ВС. Рассматривая связь между соседними группами мод Д т = ± 1, получим:

= I а (6) Б (8 - 0^ . (9.3.5)

йв2 1в1

Угаовое распределение мощности измеряется при даскрегшых значениях углов. Так как число групп мод невелико, можно ограничился небольшим числом измеренных точек (20-50). Обозначим эти утлы 6;. В соответствии с этим запишем дискретный

¿1 р

аналог уравнения (933) в виде: -1 -- £ К,ш Рт , (93.6)

ш

^ К1т = (01ш+1-01и)-а15,т . (93.7)

Интегрируя (93.6), получим: р (г) = ехр {кг ] Р (0) • (9-3-8)

р (0) - ивдихатриса излучения 15® г=0. Обозначим А = ехр { кг }. Собственные векторы матрицы А, совпадающие с собственными векторами матрицы К имеют смысл обобщенных мод ВС, т.е. стационарного по длине ВС распределения мощности излучения по группам мед. Собственные значения X ■ матрицы А связаны с коэффициентами затухания обобщенных мод 5. ^

соотношением: а, - - 1п X ( . (939)

1 г '

В соответствии с (93.7), взяв логарифм матрицы А, можно найти коэффициент связи мод. В [48] разработаны необходимые вычислительные алгоритмы и определена процедура экспериментальных исследований. Определив материну А получаем вид углового распределения мощности, что дает возможность изучать его эволюцию по длине ВС (см. 95.)

В случае нестационарного (импульсного) возбуждения уравнение (93.1) удобно анализировать в гаде :

t ( 1 - T^ = 5: KtePm , (9.3.10) 3(z+ -) 0 a(2-~) O m T0 T0 rae ю- средняя медовая задержка. В левой частя оставим только член, описывающий распространение света в положительном направлении оси г,

-JA (1_ 1а)я£ KtaPm . (9.3.11)

d (z - ) 0 то

Решение (93.11) запишем в виде:

Р, (z,t) = £ exp í-0- Kto (z - Pm (0,0) . (93.12)

m lT0 ~ T1 T0 J

Для функции импульсного отклика получим:

Н(М) = £ 21eXp{-Jb,V-Kto(z-~)}Pm(0,0), (9.3.13)

те 21- кратность вырождения Í - труппы мод.

9А Анализ и синтез характеристик ВС в условиях сильной связи мод.

В [46] нами исследованы методы расчета ФИО для ВС с сильной связью мод. Для таких ВС, излучение, описываемое пивным собственным вектором, («патетическая меда наименьших потерь) затухает как целое, то есть без изменения формы углового распределения мощности излучения, по длине ВС. Получив семейство шщикатрвсс и соответствующих им ФИО, можно вычислить набор собственных индикатрисе и набор собственных ФИО и составить таблицу затухания излучения, соответствующего собственным ивдикатриссам. Совокупность этих параметров позволяет по результатам измерения одной ивдикатриссы на выходе ВС вычислить ФИО.

Сильная связь мод в ВС достигалась путем помещения его в полимерную трубку и создания избытка ВС в ней (даже ЗПС-1 А1/1 = 0%, ЗПС-2 - 0,2%, ЗПС-З - 0,7%, ЗПС-4 - 1Д%,). В результате, как показано нами в [36,47], ВС принимал форму знакопеременной спирали и возпикало сильное давление ВС на стенки трубки. За счет неизбежно возникающих при этом микроизгабов обеспечивалась эффективная связь мод, происходило быстрое затухапие старших мод и устанавливалось стационарное распределение мощности по модам. Измерялись выходные нгдикатриссы как функции утла ввода параллельного пучка излучения

лазера, параметров знакопеременной спирали, длины ВС в трубке. Парамегром, характеризующим физическое состояние ВС в трубке (шаг стирали, средний радиу: кривизны и тд.) является избыток ВС в трубке. Для короткого отрезка ВС (меньше длины установления стационарного распределения) можно пренебречь связью мод и воспользовался дня расчета ФИО известным выражением для дифференциальных модовых задержек идеального ВС со ступенчатым профилем показателя преломления. При этом для расчета ФИО длинного ВС можно пренебречь возбуждением всех статистических мод, кроме спсшстческой моды наименьших потерь. Эпш определяется: наблюдаемый характер изменения длительности импульса с ростом длины ВС (см. ниже). Распределение мошност в статистической моде наименьших потерь в значительной мере определяется внешними условиями, в которых находится ВС. Форма пивной статистической моды несегг информацию о характере неошюроддостей.

Расчет ФИО для произвольной длины ВС производился через операцию свертки ФИО коротких отрезке®. На рис24г приведен пример такого расчета для длин ВС до 128 м. Сравнение с экспериментом показало совпадения в пределах нескольких процентов.

95. Эволюция индикатрисе по длине ВС

В [37] нами исследованы особенности связи мод в волоконном световоде в виде знакопеременной спирали (ЗПС) для трех типов ввода излучения в ВС: возбуждение старших трупп мод, возбуждение центральной группы мод, равномерное возбуждение младших и средних груш мед. Это типичные примеры для большинства проведенных нами исследований.

Рассмотрим передачу мощности из старших мод в младшие. Введем в ВС излучение с индикатрисой, приведенной на рпс25а На рис.256 приведена эволюция этой индикатрисы в ЗПС-2 и -3. Индикатрисы рассчитаны через каждые 0.5 м. Растет прекращался, кода доля мощности в старших модах становилась пренебрежимо малой. Анализ рис.256 показывает, что для ЗПС-2 введенная мощность передается непосредственно младгагй труппе мод, практически минуя средние. В ЗПС-З младшая труппа мод возбуждается вместе со средней и далее ее мощность убывает. Рис.25в соответствует избытку А1/1 = 12 % (ЗПС-4). На рис25г рассмотрен случай возбуждения ВС с ЗПС-4 пучком, параллельным оси ВС Индикатрисы расчитзны через 1 м. Видна постепенная передача мощности из младших групп мод в средние. Наконец, на рие25д приведена эволюция

Г t(e)

-я

,ч>«3

Эволюция индикатрис по длине ВС для ЗПС-2, -3, -4. а - индикатриса входного излучения, б - индикатрисы в ВС различной дайны с шагом 0.5 мм для ЗПС-2 и -3, в - то же для ЗПС4.

Эвшпопия индикатрис по длине ВС: г - при возбуждении ВС пучком излучения, параллельным оси ВС с ЗПС4; д - с индикатрисой в форме трапеции в ВС с ЗПС-2.

Pitc. 25. Эволюция индикатрис излучения по мере прохождения по ВС

ивдикатрисы в ЗПС-2 дня распределения мощности в виде трапеции. Видно, что структура индикатрис довольно сложная: наблюдаются выделенные группы средних и старших мод. Можно видеть, что, envera некоттуое расстояние, как следует из вышеизложенного, все дндикяпругел сближаются и стремятся к равновесной. Особенность и ценность проведенного анализа заключается в возможности рассчитать ее вид и оценить при этом роль различных механизмов смешения моя.

9& Часптю-и^яьеные характеристики ВС,

Для исследования ВС можно применял, два аппарата: передаточной функции (ПФ) и функции импульсного отклика (ФИО). Вообще говоря - оба аппарата равнозначны и выбор между ними зависит от удобства применения в конкретных случаях анализа ВС Так, функция отклика более информативна при изучении физики распространения света по ВС в то же время для системного анализа более удобна передаточная функция. В основе формализма частотных характеристик лежит фурье-преобразование импульсных оптических сигналов. Пусть на входе ВС имеем оптический импульс fex(t) со спектром IW(co), тоща на выходе ВС

оо Т

W(0 = 1 g (t - т) Ыт) d т = f g (t - т) ^(т) d т . (9.6.1)

- 00 О

Пусть h (со) - фурье-спектр функции отклика g(t), тоща по теореме о свертке получим lW(co) = h (со) им.(о>). Бели Uk.(cú) не имеет нулей, то:

h (и) = lW(o>) /и№(ю) , (9.62)

h (©) - комплексный коэффициент передачи. Функцию h (ю) более удобно рассматривать в экспоненциальном представлении:

h (ш) = | h (to) | eias = А (ш) ei<K<0) . (9.6.3)

Функпию I h (со) I = А (и) называют амплитудио-частогаой (АЧХ); ф (и)-фазово-частшной характеристиками ВС (ФЧХ). Частотная характеристика ВС в физическом смысле существует только в окрестностях несупюй. Но поскольку передаваемая информация заключена во временной зависимости огибающей несущей, то АЧХ ВС определяют как зависимость от частоты коэффициента передачи частот огибающей оптического сигнала при модуляции интенсивности.

В практическом плане из анализа приведенных выше формул, следуют два способа определения АЧХ-путем измерения во временной и частотной областях. В первом случае используется амплитудная модуляция интенсивности непрерывного

входного отпила на частотах от 0 до сотен мегагерц. Уменьшение коэффициента модуляции сигнала на выходе ВС, обусловленное особенностями распространения света, соответствует спаду передаточной функции, измеряемой в шкале частот модуляции. При таком методе формула (9.62) всегда справедлива, так как по определению амплитуда модуляции входного сигнала на данной о отлична от нуля. Однако реально такой пуп. достаточно трудоемок и технически сложен, особенно при измерении ФЧХ.

Временной метод основан на регистрации импульсных оптических сигналов на входе и выходе ВС и их совместной обработке во временной или в частотной области. Обработка ю временной области заключается в решении уравнения свертки для получения ФО и, как отмечалось, является обратной некорректной задачей. Обработка в частотной области предполагает нахождение фурье-спектров входного и выходного сигналов, после чего комплексное деление по формуле (9.62) приводит к получению АЧХ.

В литературе при описании свойств конкретных ВС часто приводится только АЧХ. В то же тремя ФЧХ играет весьма существенную роль при передаче импульсного сигнала по ВС Единственным случаем, когда ФЧХ можно не определять, а вычислять, является использование при передаче минимально-фазовой системы. Как известно, для таких систем АЧХ и ФЧХ связаны между собой преобразованием Гильберта:

Л 2 со Г 1п 1Ь(и)1 9 (ее)« — ] —2 2 ё<во • (9-6-4)

71 о юо~и

В работе [49] мы исследовали такую ситуацию и реализовали вычисление преобразования Гильберта на ЭВМ с использованием кусочно-линейной

аппроксимации логарифма АЧХ ВС что позволяет (9.6.4) записать суммой: 1 п

0(о) = - Ч [ (®т"®к) 111 |сйпГЮк 1 4 (Ит+сзк ) 1п I И т + йк I ] , (9.6.5) к-1

1п I Ь (Шь., ) I - 1п 111 (га I где Ьк = а.., - а,., ак =----------.

Вычисленная функция минимальной фазы (ФМФ) сравнивалась с реально найденной ФЧХ исследуемого образца ВС который возбуждался через смеситель мод.

Как показали наши исследования вид ФМФ ВС зависит от частоты окончания кусочно-линейной аппроксимации соогаетствуюгдай АЧХ, причем шумовой спектр

ВД), в (О, ОТН.СД.

г у

/ .

■ ^ / /Г

/\ с»

гх

ж

мв

Г, МГц

Л МГц

Рис.266. ФМФступенчатасВСдлиной 230м, полученного парафазиым методом.

Рис. 26а. ФМФ градиипного ВС длиной 800 м для рашичных частот окончания аппроксимации АХЧ.

приводят к существенным изменениям вида ФМФ. Экспериментальные исследования ВС длшюй 100-1000 м, подученных парофазным методом, показали, что градиентные ВС являются наиболее близкими к минимально-фазовым системам. В то же время ВС со ступенчатым и М-образпым профилем показателя преломления имеют ФЧХ, сильно отличающиеся от функции минимальной фазы, что связано прежде всего с трансформацией мо-довой структуры на оптико-геометрических неоднородно-стах, в том числе и профиля показателя преломления. Рис.26 иллюстрирует сказанное для двух типов ВС. Отметим, что чем более гладкой является ФИО, «км более она приближается к кодокодообразному виду, тем ближе ФЧХ ВС к минимальной-фазовой. Именно такую ФИО имеет ВС типа "градан". Наиболее сложную внутреннюю структуру имеет ФИО ВС со ступенчатым ППП, полученным парафаз-

ным меггодом. Для этого ВС ФЧХ весьма сильно отличается от ФМФ.

9.7. Связь условий возбуждения ВС и измеряемых частотных характеристик.

Существенным отличием ВС от радиотехнических линейных четырехполюсников является многомодовый режим распространения оптического излучения. Дисперсия ременных задержек мод определяет предельную частоту модуляции несущей. Соответственно вид АЧХ и ФЧХ зависит не только от собственных параметров ВС, но и от условий его возбуждения. Данный факт снижает ценность таких численных характеристик информационных свойств световода. Более корректно говорить о семействе частотных и фазовых характеристик, определяемом как параметрами ВС, так и условиями ввсяа излучения и его регистрации. ВС воздействует как на пространственную, так и на временную структуру входного оптического излучения, а его параметры оказываются, в свою очередь, чувствительными к условиям эксплуатации: важен учет условий ввсяа излучения в ВС, апертуры и геометрических размеров ВС, длины ВС, штабов ВС, температуры " ВС и тд. Ввиду отсутствия практически удовлетворяющей модели распространения излучения по ВС, описывающей влияние перечисленных параметров, необходимо проведать экспериментальное исследование частотных характеристик ВС при вариации условий.

Дадим несколько примеров в подтверждение сказанному. На рис.27 приведены выходные импульсы, ФИО, АЧХ и ФЧХ квазиступенчатого ВС различной длины [43, 44] (профиль 2 на рисунке 27в).

Рис27а. Функция отюшка ступенчатого световода щи 1=260(1), 500(2), 730(3), 1500(4), 2300 м (5) (а) и форма выходного импульса (б) световода при осевом кпбужлешш с апертурой -12 (штриховая линия и при возбуждении с апертурой 2° прн углах ввода 0(6), 5(7), 6° (8).

Рис. 276. АХЧ ступенчатого световода при Ь=260(1) 500(2). 730(3), 1500(4), 2300 м (5) (а) и его ПП в зависимости от длипы Ь (б).

Рнс. 27«. ППП образков длиной 400 м N8515 (1), N 97В (2) и N 162В (3).

Ряс. 27г. АЧХ ступенчатого световода при Ь=260(1), 500(2), 730(3), 1500(4), 2300 м (5).

in it в я в»я»л ¿мг<

б)

Ч S »

я т /,мгц

Рис. 28. АЧХ ступенчатого световода при anepiypax возбуждения 0 12(1), 4{2), 13° (3) (а) и зависимость ПП ступенчатого свсшвдца от 0 (б).

На рис.28 приведены АЧХ и ФЧХ ВС со ступенчатым 111111 при разных апертурах излучения на вхсое.

На обоих рисунках в рамке даны графики зависимости полосы пропускания от длины и апертуры. Подобные зависимости свойственны многим ВС со " ступенчатым ППП.

На рис.29 приведена зависимость полосы пропускания от угла ввода излучения в ВС со ступенчатым ППП.

Рис. 29, АЧХ и ФЧХ со стуиагагым ППП в зависимости от уша ввода излучения <р .

Данная зависимость является прямой поддержкой идеи о существовании статистической молы наименьших потерь. Для ВС с градиетным ППП, как уже отмечалось в 9.6, характерны более гладкие АЧХ и, особенно, ФЧХ. Один из примеров приведен на рис 30.

В [44] приведены результаты для значительно более широкого круга примеров, включающие практически все возможные ситуации эксплуатации ВС. В их числе разьюсгаровки, смесители мод, радиусы изгибов и многое другое.

Таким образом в цикле наших работ показано, что импульсный метод определения частотных характеристик волоконных световодов является достаточно точным методом и характеризуется высокой скоростью определения ЧХ.

411_<-1-1_I_| ■

* з V

в ко то за шглгь

РМе. 30а. Зависимость АЧХ (а) и полосы пропускан!« (б) градиешнсго световода от его длины: 1-300м, 2 - 450м,3 - 780м.

Рис. 306. ФЧХ градиешнош световода при разных апертура* возбуждения: 1-0,01; 2 -0,1; 3-0,4.

Так как метод ориентирован на цифровую обработку сигналов, его удобно - реализовьгоать на ЭВМ. Совокупность данных свойств делает импульсный метод определения ЧХ перспективным для применения в АСУ технологического процесса при производстве ВС с заданной полосой пропускания.

Проведенное исследование ЧХ конкретных ВС позволяет сделать следующий вывод: ЧХ ВС, как правило, проявляют зависимость от таких условий эксплуатации (эксперимента), как пространственная структура входного излучения, длина ВС, геометрия ВС (регулярная намотка на бобины), профиль показателя преломления, наличие соединений и рассогласования в них. Вследствие этого конкретные ВС необходимо, в зависимости от требований эксплуатации, либо паспортизовать путем измерения ЧХ при различных условиях, либо стандартизовать измерения ЧХ с использованием смесителя мод на входе ВС. Последний режим измерения ЧХ предстшяети наиболее.разумдым для публикаций результатов иишюганвв в силу наилучшей воспроизводимости результатов измерений.

ш.1(х нелинейные процессы в сгкюгсвошкопньк оптических стелах. прпкдрмы гигткматики ттглинкйтлх эффектов.

10.1. Нелинейная физика оптических волноводов и а/кктроно водов.

В работе [50] мы рассмотрели состояние дел по исследованию нелинейных процессов, протекающих в двух типах стекловодоконных сред: волоконных световодах (ВС) и волоконных алектроноводах (ЭВ). Ограничивающим определением "волоконные" подчеркивается особенность технологии их формирова-

ния, заключающейся в термодинамическом вышивании ВС и ЭВ из исходных протяженных шгабикоподобных заготовок или из расплавов стекол. ЭВ представляет собой полое волокно с диаметром электроноведущгго канала от единиц до сотен мкм. Внутренняя поверхность такою волокна сенсибилизирована материалом с высоким коэффициентом вторично-электронной эмиссии. При приложении электрического напряжения к концам вакуумированпого ЭВ каждый электрон (или другая элеклронноэмиссионно-активная частица), пришедший на вход ЭВ, при прохождении через ЭВ испытывает многократное каскадное умножение в Ю^-Ю8 раз. ЭВ отличается от ВС тем, что в ЭВ носителем сигнала является электрон и затухание электронного потока в ЭВ отрицательное.

В [50] вами была предпринята первая попытка сформулировать основное содержание и общие задачи нелинейной физики волоконно-оптических и волоконно-электронных элементов (включая единичные волоконные световоды и микроканальные электроноводы), канализирующие оптическое излучение и поток электронов с трансформацией их частотно-спектральных, временных, амплитудных, поляризационных, энергетических, пространственных, пространственно-временных и других характеристик.

Нелинейная физика оптических волноводов (ОВ) и алектроноводов (ЭВ) изучает закономерности нелинейного взаимодействия различных физических палей (р-поля) между собой в ОВ и ЭВ и с их материалом, а также принципы построения различных блоков, приборов и систем на основе нелинейно-физических (НПФ) свойств и параметров ОВ и ЭВ. К внешним р-полям относятся оптические, акустические, механические, магнитные, электрические, тепловые и др. воздействия на ОВ и ЭВ. В частном случае имеем НПФ взаимодействия (например, в ОВ) двух полей: параметрического материального поля самих ОВ и одного внешнего, например, квазимонохроматического оптического излучения высокой интенсивности (это предмет нелинейной оптики ОВ). В более общем случае имеем НЛФ взаимодействия (например, в ОВ) трех полей : материального р-поля самих ОВ и двух внешних, например, импульсного высокоинтенсивного оптического излучения и сильного магнитного поля (предмет нелинейной магнитооптики ОВ). В общем случае количество взаимодействующих в ОВ и ЭВ параметрических полей р>3, из них одно есть параметрическое материальное поле (рм-поле) самих ОВ и ЭВ; причем внешние р-поля не обязательно оптической (электромагнитной) природы. Как правило, все НЛФ взаимодействия с рм-полем ОВ и ЭВ направлены на модуляцию его дисперсионных параметров, например, показателя преломления

и ею профиля в ОВ и зависимости вторично-электронной эмиссии от энергии и угла падения первичных электронов в ЭВ.

НЛФ взаимодействия в ОВ и ЭВ приводят к следующим - одному, двум или всем процессам :

- нарушение принципа суперпозиции;

- изменение свойств и параметров ОВ и ЭВ в зависимости от происходящих в них процессов;

- самоюздействне параметрического поля или нескольких полей;

- генерирование незатухающих полей за счет преобразования энергии постоянного источника с использованием нелинейных свойств затухания (нелинейное просветление, солитоны и др.);

- искажение формы импульсных и гармонических внешних воздействий: воздействие каждого из внешних р-полей на ОВ и ЭВ может бьпъ линейным, а их взаимодействие

- в или с ОВ и ЭВ нелинейным.

10.2. Основные эндемические свойства и параметры ВСЭВ, способствующие сравнительно легкому возбуждению в них различных ГИФ взаимодействий.

ВС и ЭВ являются уникальными элементами, в которых сравнительно легко стимулируются нелинейные физические взаимодействия различных р-полей при аномально малых мощностях (от единиц мВт) этих воздействий та ВСЭВ. Этому способствуют следующие факторы:

- большая длина ВСЭВ, т.е. значительная протяженность длины взаимодействия различных р-полей между собой и с материалом ВСЭВ;

- малость поперечного сечения фогоно- и электроновепушего канала ВСЭВ- от единиц до сотен мкм;

- сверхмалость затухания света в ВС (доли и единицы дБ/км) и отрицательность затухания электронного потока в ЭВ;

- наличие поперечного (относительно оси ВС) градиента показателя преломления на границе жила-оболочка даже в ВС с так называемым ступенчатым (двухслойным) профилем показателя преломления-светофокусирующий пх ;

- высокая стойкость кварцевых и многокомпонентных стекся как материала ВС к форсированной плотности оптического излучения при мопоимпульснсм, импульсно-перисдическом и непрерывном воздействиях;

- высокая плота ость мощности распространяющегося через ВС оптического излучения, причем на больших длинах, что существенно повышает эффективность возбуждения различных вынужденных процессов;

- способность ВСЭВ трансформировать объемные и поверхностью акустические волны разных типов;

- модуляция свойств и параметров ВСЭВ под действием магнитного и электрического полей;

- способность ЭВ пропускать пучки электронов сравнительно высоких энергий;

- изменение свойств и параметров ВСЭВ при внешних механических, тепловых и друпзх воздействиях;

- благодаря указанным свойствам ВСЭВ, обеспечивается относительная малость мощности воздействия внешних р-полей, при которой в ВСЭВ начинают возбуждаться различные НПФ процессы;

- благодаря модовой дисперсии в ВС, при больших длинах взаимодействия может -быть реализовано условие фазового синхронизма, за счет компенсации материальной дисперсии модовой;

- взаимодействия р-полей в ВСЭВ, как правило, отличаются обратимостью: возможны не только прямые воздействия внешних р-полей на оптические волны (акустоошика, электрострикация, магнитооптика и др.), но и обратные воздействия оптических волн на другие р-поля (огпоакусгака, фогогермоупрушй эффект, отоакустоэлектроника и др.);

- ВСЭВ изготавливаются из разных материалов с самыми различными физико-химическими и оптическими свойствами и параметрами;

- разнообразие не только материальных структур ВС, но и пространственно-геометрических их конструкций (например, волновеяущая жила круглая, многогранная; прямоугольная, осесимметричномногослойная и тд., с постоянным по длине ВС и переменным сечением, с непрерывным или дискретным изменением по длине ВС их дисперсионных характеристик, одно и многоканальные и мндр.); разнообразие конструкций ВСЭВ позволяет ошимизмровать энерго-геомелрическую согласованность ВСЭВ с источником воздействия и детектором, варьировать количество собственных номинальных мод ВС, оптимизировать различные НЛФ взаимодействия вис ВС;

- возможность плотной (виток к витку) намотки ВС на небольшую бобину, при этом если ВС с диаметром световедущгй жилы даже Ос—100 мкм намотал, та бобину с диаметром только 100 мм, то отношение Д/О^Ю , т.е. изогнутый ВС по

отношению к направленному лазерному излучению накачки работает как квазипрямой.

Результаты исследований по НЛФ ВСЭВ, выполненных к настоящему времени, дают основания предполагать существование стимулированного нелинейного аналога у многих (если не у всех) физических процессов в ВСЭВ. Другими словами, нелинейная физика ВСЭВ позволяет усовершенствовал, известные устройства и создать принципиально новые, на основе ВСЭВ с управляемыми и адаптивными свойствами и параметрами. Мы не остановились на тех вопросах физики ВСЭВ, по которым в литературе уже имеются обзоры и детальные статьи.

Наши работы, цитируемые в данном докладе (и другие не включенные в него) подтверждают сказанное выше или же специально выполнены для возможности утвердить то юта иное высказанное соображение.

10А Проблемы системщики нелинейных процессом и волокошкь огтгических средах.

Эндемика волоконных световодов приводит к тому, что два и более различных параметрических нелинейных процессов (НЛ) и нелинейно-отических процессов (НЛО) стимулируются в них одновременно и, возможно, с соизмеримыми интеншвносгями (коэффициентами преобразования) и в свою очередь могут приподить к возбуждению новых НЛ процессов. По отдельности НЛ процессы в ВС индуцируются только в специально созданных, нетривиальных условиях. Исключением является, пожалуй, самомалуляция фазы (СМФ) трансформируемых да ВС оптических волн в силу малых критических плотностей мощности накачки, требуемых при этом.

Динамика возбуждения, {извитая, протекания и истощения одновременно протекающих в ВС НЛ процессов отличается многопараметрической сложностью и сопровождается конкурентными, кооперативными, независимыми, последовательно индуцируемыми и затухающими (в реальном интервале времени) процессами. По существу они представляют собой внутренне взаимосвязанный ансамбль с определенным распределением вероятностей отдельных процессов. При этом возможна ситуация, в которой можно выделить доминирующий НЛ процесс, отнеся остальные к разряду сопутствующих.

В общем случае возбуждение того или иного НЛ процесса в ВС зависит в первую очередь от эндемики ВС, а также: 1) от параметров возбуждающего

НЛПр в

ее

Зкзобвз-вижоение

ВС

Мвсво

цм&ова

тшшЧ-* ц па»4*-

шш

кзололей

хдееиВС Эх.

Вх

ОМШВДЙМ алии н раблемньк зкзоколя

кии вс

!№■ «ыаиыссц-

о»еамчнме экзомля:

Торе и Фх. или амсн боковое оимюее-■ние 9мо-)г*оля>

Вокобые Слевв-смсяные зкзополя

боксьме <слояние >зкзополя)

направление оклика - оеквор НЛПРочессов

о.га»

ит

2«ШЖ>

4.НЛ»

ш.

П. КОЗ»]ПР«0Й»4306йИиЛ

4 РИ 6 ваннмй бив опк Пйоозоеые и киишч.

Мпд»ам. плопноски мчиосаи аозбуж.

N

поля»и»ашоннме пя*алеа»и

N 1С

спекюальныс пеланвв»«» « н.ч. показатели конохр. и косе«, нл оаклика

пох&завели смшиналносш

Нпмчвд парьмвари. о в.ч. знемввичес-кие и локазанали направленное»! ки)

Рис. 31а. Систематика нелинейных процеа»в в ВС (ЛПр - линейные процессы, НЛПр - нелинейные процессы).

а™ 5

55

' п

ы &

ММ-

Е£3

ВХОАНОИ ТОРЕЦ ВС

ПРЯНЫЕ НЛП»

ЗЯШТ—=Т-

ОБРАТНЫЕ 50X08.

ВЙГ5Г

А

2Н

И

!а

оо

Ч

<0.

суи>3>

8«

>2

АЕ ТЕ ! РИ ОР ' ' ия! ВС

I

.2

о»

л <2

0.4-

1x2

СП« ЧСИ?

к

X й* бЕ

¿8 "Я

л"»

2 --33

СП» 8« <СИ>

ним..

8»

> 83

Ш 2

< - 1 2 -I-

»3

М 2.2 № 7 И» 17

< ' < * < t * < «

0 -I» 1 -мл +4 I»

»енгег начало »оба»«

2.3

5111 4 -1

«е <«н ( б -I)

ш Я

I < < +4 I--9в ая» 4 »3

№(

<10

--- пм.5гьб в.ч.25К2 1»эе< о ивгнег

»33

ДЕТЕРИОРЯЦИЯ ВС» 1<Щ»1Р1СЗ<>

Рис. 31 б. Описание НЛО процесса при возбуждении ВС в наш- и ижосекундном диапазоне.

воздействия; 2) от условий реализации этою воздействия на ВС; 3) от наличия других сопутствующих воздействий, их природы и параметров.

От этих же групп параметров, и в первую очередь от эндемики ВС, зависят коэффициенты преобразования интенсивности возбуждающею воздействия в тот или иной отклик ВС. Данные вопросы исследовались нами в [51, 52, 53].

Сложность характера протекания НИ процессов в ВС состоит в том, что они являются динамическими, индуцируемыми извне и прекращающимися при „ остановке экзовозбуждения на входе ВС или при его истощении внутри ВС При этом тип и вид НИ преобразования зависит от места ввода возбуждения в ВС а корректное наблюдение НЛ процесса требует правильного выбора места вывода НЛ отклика ВС.

Вышеуказанные особенности характера НД процессов в ВС приводят к их пространственной, временной и спектральной нестационарности и изменению по -- длине ВС. Таким образом НЛ процессы должны анализироваться через их закономерную взаимосвязь, объединяющую их в единое целое - в динамическую систематику НЛ процессов в ВС Основой этой систематики является коэффициент преобразования и показатель его временной и пространственной стационарности.

При этом возможно сгруппировать процессы во взаимосвязанные и взаимозависимые типы (подразделения); выявить пут индуцирования отдельных видов НЛ процессов и их ансамблей.

На рис.31а мы приводим возможный вариант систематики НЛ процессов в ВС испытанный нами в практической работе [54]. Собственно работа над заполнением отдельных клеток данной таблицы показала в сколь зачаточном состоянии находится экспериментальная основа физики даже наиболее известных в литературе нелинейно-оптических процессов в ВС не говоря уже о НЛФО -нелинейных физико-оптических, НЛОФ - нелинейных оптико-физических, НЛФ-нелиненных физических, НИХ - нелинейных химических, НЛФХ - нелинейных физико-химических и пр. и это несмотря на то, что общее количество работ по НЛ и НЛО процессам перевалило за согни.

Остальные параметры в таблице, по-видимому, не требуют специальной расшифровки, за исключением разве что попытки отразить тонкую микроструктуру материально-параметрического поля ВС (ТМС ВС) обобщенный показатель его "когерентности" (ВС q = ( х, у, г, I ) ). Последнее связано с тем, что для большинства НЛ процессов ВС как валноводную и нелинейно-оптическую среду, необходимо рассматривать с квантовомеханических позиций, как ансамбль

элементарных квантовых систем (с учетам атомов, молекул, кластеров, кристалликов, кристаллических зерен и тл.), образующих множество возможных материальных микроструктурных состояние с определенным или заданным на этом множестве распределением вероятностей. При этом следует заметить, что детальный анализ микроструктуры стекол (материала ВС) позволяет утверждать, что нет двух абсолютно одинаковых соседних отрезков реальных ВС, изготовленных га одной и той же заготовки, без прерывания процесса вышивания, при всех прочих одинаковых условиях и режимах процесса формирования ВС Иными словами реальные ВС оказываются анизотропными, нелинейными, гетерогенными структурами, отличающимися уникальными нелинейными характеристиками.

На pacJjÖ мы привадим, как развитие сказанного, образец описания НПО процесса при возбуждении ВС оптическими сигналами пано и шгкосекундной длительности. При этом чжяенные значения коэффициентов HJI преобразования не представлены ввиду практически полного отсутствия данных по этому вопросу. Применены сокращения НПО процессов: Nn = 1 - сдпочастошое возбуждение, Sit - солситон, St - стационарный процесс, NSt - нестационарный процесс.

ш11. пропкосы списггоокразования при нелинейном кцимолкйспши вт

г импульсным лазерным излучением на1юсккупляой длигеяшосго.

11.1. Некоторые эксперименты по изучеинга нелинейных свойств ВС

В 1986-1989 годах мы выполнили серию экспериментов по изучению нелинейных свойств ВС с различными профилями показателя преломления с целью поиска перспективных ВС для преобразователей лазерного излучения. В [52] измерены и проая&чизировш ы спектры вторичного излучения маломодового многослойного ВС большой длины (больше 500 м) при накачке импульсным оптическим излучением с Хн = 532 нм, Тщд = 10 не. Наблюдены линии, соответствующие эффективному развитию в исследуемом ВС вынужденного четырехфотонного процесса (ВЧФП) со сдвигом ~ 120 н 240 см"1 (Fi и F2) в стоксовой и антистоксовой областях (А) и дссоть стоксовых компонент вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКРС Si-Sio). Разрешена структура первых стоксовых компонент, состоящ их из собственно стоксовых компонент и их ВЧФП сателлитов. Исследованы кинетика их развили с увеличением мощности накачки и процесс формирования квазиконтинуума с длинноволновой границей свыше 800 нм. Результаты приведены на рис.32.

п

J п 1 J п

Ц/1

-1-L 1 , ■ 1111 ч,

и « го о ю ьо 60

а) Профиль показателя преломления исследуемого ВС

s33 ¡50 sj0 Л,««

б) Укэтичекгодй фрашагг спсггра вторичного г) Зависимость спспра вторичного иляучения излучения многослойного ВС мюпхэтойного ВС от мощности накачки

Pa<Pb<---

» И

íá s7 si

s*o seo ¡so (oo sío ево seo wo по тw

Л, мм

в) Спектр вторичного юлучедая мнопхдюйнош ВС при накачке юлучением с Xя = 532 нм. Рис. 32 а, б, в, г. Вторичное излучение мдагослойного ВС

В [51J исследованы спектры вторичного излучения многомодового град иентного Si02-Ge02-P205 волоконного световода (BQ при его накачке излучением с Я.)! = 532 и 1064 им с плотностью мощности приблизительно до 800 МВт/см2. Наблюдено более 10 сгокеовых компонент при накачке ВС излучением с Ха = 532 им и исследован процесс их слияния в квазиконтипуум с увеличением мощности накачки. Наблюдены 7 дискретных компонент в стокювой области спектра при накачке ВС излучением с Лн = 1064 нм и антастоксов континуум в области до 800 нм. Исследована динамика развития этих спектров с увеличением мощности накачки. Обнаружено, что в изучаемом градиентном ВС не наблюдаются дискретные антистоксовы компоненты в отличие от квазиодиомодовых ВС со ступенчатым профилем показателя преломления. Результаты приведены на рисЗЗ.

В [53] смоделирован и создан кварцевый волоконный световод с двойной световедущей жилой, отличающийся высокой эффективностью преобразования лазерного излучения с длиной водны Ян = 1064 нм в желто-зеленую область -спектра. Измерен спектр преобразованного излучения в диапазоне длин волн от 532 до 1700 нм. Исследована пространственная структура отдельных областей спектра в предложены варианты интерпретации результатов па основе ВКРС, ЧФП, генерации второй гармоники и суммарных частот (см. рис.34).

112. Анизотропия реальных ВС Генерации второй гармоники.

В исследованиях, связанных с созданием различных типов ВС (включая силикатные) мы установили, что реальные ВС представляют собой анизотропные, гетерогенные, нелинейные структуры. Это физико-оптическая анизотропность может был. выражена в различней мере, но присутствует всегда. Укажем основные выявленные нами источники анизотропии:

1) материально-конструктивная анизотропность, связанная с непостоянством диаметра жилы и оболочки ВС; 2) различи: коэффициентов термическою расширения компонентов ВС; 3) флуктуации геометрических параметров ВС (квазиашпш-тачность); 4) термически наведенная авизсорошюсть ВС (термические закалочные напряжения); 5) продольные механические напряжения в ВС.

Эта источники анизотропности реальных ВС как правило, не компенсируют друг друга. Их одновременное действие оказывается аддитивным и накапливается из-за большой длины ВС. Следует также указать на роль механических напряжений при изгибах ВС и их намотке на бобины в различных практических использованиях. Конечно технология создания ВС швершенствуется и часть из исследованных

Компонента А.,нм у.см"1 Интерпретация

81 1119 8939 Сгжсовы компо-

% 1175 8510 ненты на 8Ю2 от

^з + в'з 1239 8067 1064 нм, на Р2О5

Б4 + 1306 7655 от 1064 нм и на

85 + 8'5 1365 7326 от 1 &Р2О5.

поо

поя

но

750

950

1150

а) Развитие спектра ВКРС в спжсовой области 6) Развитее спектра вторичного юпучения в с увеличением мощности накачки Хд = 1064 им. антистоксовой области с увеличением мантру Р2 < Рз <...< Р$. носги накачки Хд я 1064 им.

Р1<Р2<Р3<...<Р6.

Рис. 33 а, б. Вторичное юлучение градиентного ВС.

Профиль показателя преломления исследованного ВС, распределение интенсивности ишучения в дальнем и ближнем полях.

а - профиль показателя преломления ВС: цешрашш жила ~ 6 мкм (<!]), кольцевая жила

- 52 мкм (¿2), оболочка ~ 125 мкм (<3з); б и в - распределение интенсивности излучения накачки спустя 03-0.5 м и 10 м от

входного торца ВС - соответственно; з и е - желто-зеленое шписпжсово излучение (вместе с красным) - ближнее и дальнее паля соответственно;

Я - красное и ближнее акгистаьоово инфракрасное излучение - дальнее папе; ж - инфракрасное стсксово излучение - дальнее поле;

¿00 Ш то т т то поо чзоо 1500 поо

им

Динамика развития спектра преобразованного излучения накачки. P1<P2<P3<P4<P5< Ре-а - желто-зеленая и крагная облает спектра; б - красная и ближняя инфракрасная облаем шжтра.

Все спектры нормированы на маитмшыюе значение интенсивности. На спектральную чувствительность установки спектры нсскорректированы.

Рис. 34. Вторичное юлучеине ВС с двойной свсговедущсй хилой.

источников минимизируется (в однородных кварцевых ВС некоторые причины просто исчезают), но до конца данная анизотропия не исчезает.

С этими причинами связано появление слабой нелинейности ВС и появление в спектре вторичного излучения второй гармоники и суммарных частот. Отметим, чш вопросы генерации второй гармоники в ВС оказались еще более интересными и практически важными после открытая эффекта индуцированной генерации второй гармоники.

В 1992 голу мы опубликовали обзор таких работ [55], ще высказали свои взгляды на обнаруженные механизмы генерации и обсудага проведенные работы, указав на возможность создания целого ряда практических устройств, опирающихся на обнаруженные эффекты. В настоящее время нами ведутся работы по сознанию анизотропных кристаллических ВС и исследованию в них комплекса нелинейных эффектов.

113. Источник фемтоссхупдных отгтческих импульсов на основе ВС

В области исследования комбинационною рассеяния света (КРС) в ВС наши работы были направлены на исследования динамики развитая вынужденного КРС (ВКРС) в различных ВС и в основном параметрического (ПВКРС). В частности, исследовались соотношения интенсивностей между отдельными компонентами ПВКРС, их частотный сдвиг, глубина модуляции между ними и др., при этап особое внимание нами уделялось измерениям длительности ^мп отдельных компонентов и соотношений между ними.

Проведенные исследования позволили подтвердить, что частотный сдвиг между компонентами ВКРС строго фиксирован и соответствует наиболее интенсивной частоте колебаний связей кремний-кислород в теграэдрических группах плавленного кварца, а именно около 460 см"1. Оказалось, что длительность каждого последующего импульса меныне длительности предыдущего стоксова компонента примерно в два раза, т.е. например, при 1имн накачки 30 пс уже 7-ой стоксовый компонент имеет длительность импульса около 100 фс, 9-й компонент (с >»9« 655 нм) - менее 20 фс. Параметрический ВКРС в ВОВ позволяет "перекачать" значительную часть энергии накачки в один или два стоксовых компонента излучения. Рис. 35 демонстрирует одно го таких иссдацований.

Примечательным обстоятельством в изучении нелинейных эффектов в ВС является то, что они возбуждаются схожим образом в огромном диапазоне

510 540 560 НО (00 К, "»

6Ы

т

(00 (10 "Ж

юа

па

Рис. 35. а - спектр вынужденною комбинационною рассеяния света в гибридном ВС при шклносги мощности накачки - 100 МВт/см^. X» = 532 нм:

шклности мощности накачки - 100 МВт/см , Хц = 532 нм; б - спектр вынужденного комбинационного рассеяния света в ВС и квазиконпшуум при плотности мощности накачки - 500 МВт/см2, Х^ = 532 нм.

яо

изменения длительности импульсов возбуждающего излучения: от 10-15 пс до 100-150 не и более. Мы наблюдали в ДУ-световодах, в гибридных световодах с двойным градиентом, в многослойных световодах в антистоксовой области: генерацию второй гармоники, генерацию суммарных частот, генерацию ЧФП, световой континуум и все это при длительности импульсов возбуждения 10-100 не. В то же время в литературе эта результаты, как правило, получены с импульсами пико и даже фемтосекуцдной длительности.

Возможно, что объяснение этих фактов связано с наблюдающейся тенденцией мошного оптического излучения канализироваться в приосевой зоне ВС (точнее в свегговедущей зоне). При этом в условиях самофокусировки (даже неполной) возможна трансформация возбуждения в цуг с компонентами пико и фемтосекуцдной длительности, которые порождают наблюдаемые вторичные эффекты. Таким образом, реально внугри ВС взаимодействует ансамбль оптических импульсов различной длительности и разных длин волн, порожденный одним импульсом возбуждения.

Комплексом наших работ подтверждена часть высказанных ниже положений. Достоинства источника ВКР - преобразованного лазерного излучения на основе НЛО ВС при использовании его в не "силовом" режиме:

- малость мощности накачки, необходимой для начала возбуждения в ВС нелинейно-опггаческих процессов;

- генерация сверхкороток оптических импульсов - пико- и фемтосекундных длительностей;

- многоволновость параметрического волоконного преобразователя лазерного излучения (ПВГШИ) - набор дискретных с известным частотным сдвигом волн; высокая пространственная направленность выходящего из ВС нелинейно-рассеянного излучения;

- большой спектральный диапазон преобразования лазерного излучения, на сегодня реализован от ближней УФ области до 1,6-2,1 мкм;

- дискретная перестраиваемость по частоте в широком диапазоне длин волн и избирательность (по необходимости) распределения излучения между компонентами параметрического ВКР света на выходе ВС;

- возможность достижения высокого КЕД преобразования при параметрическом режиме возбуждения нелинейно-оптических процессов в ВОВ, в т.ч. ПКВР света, что позволяет конвертировать значительную часть энергии накачки в заданную спектральную область в видимом или Ж диапазонах спектра, вплоть до генерации широкополосных светового (квази-бепый свет) или ИК континуумов;

- сравнительно большие пиковые мощности излучения оптических импульсов: сегодня реализованы мощности в десятки кВт/импульс; в ближайшем будущем достижимы сотни кВт/импульс, а после исследований и поиска приемов управления добротностью (перестраиваемосга - избирательности) ПКВР - преобразования выяснится возможность достижения МВт/импульс;

- сравнительная легкость управления ПВПЛИ; возможность реализации быстродействующего сканирования частоты выходного излучения в широком спектральном диапазоне;

- сравнительно нежесткие и легкореализуемые требования к точности юстировки и механической устойчивости оптико-механической схемы;

- стабильность, помехоустойчивость, помехозащищенность, практически всепогодность действия при использовании, например, для светолокации пихо-секувдными оптическими импульсами.

- малые габариты и масса самого ПВПЛИ.

В [50] мы сжато сформулировали перспективы применения ПВПЛИ. Спектр этих применений охватывает многое области науки и техники, включая исключительно неординарное, самостоятельное значение для исследования свойств и измерения параметров самих ВС.

РАЗДЕЛ IV. СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ СВС И АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИХ ПАРАМЕТРОВ.

1\М2. создание и исхжлпвание моно. и ткмикрипгадшчгегкнх

и активишшшых отлпшдих стад для диш'л.ктлшя

и юпуализашш лаэдгнопп рк-иртгепия.

Это современное направление развитая отики стекловалоконных оптических сред Проблема состоит в поиске новых СВС, способных передавая, оптическое излучение при форсированных мощностях, в дальней ИК-области спектра, а также усиливать приходящее излучение. Отдельно стоит вопрос о создании волоконных лазеров и всевозможных волоконно-оптических датчиков.

12.1. Комплекс с лазерным нагревом для выращивания кристаллических ВС

Мы докладывали данную проблему на Всесоюзных конференциях и совещаниях (см. введшие) и показали возможности и условия реализации методик с лазерным нагревом при многостадийном выращивании волокон из монокрисгашгческош сапфира Схематический вид такой установки приведен на рис.36. Принципиальным

13

121

м4

11

А?

10

ЬчГ

16

Ж>

ю

15

17

Рис. 36. Блок-схема установки вышивания монокристаштческих волокон. 1 - лазер; 2 - формирователь; 3 - зеркало; 4 - сферическое зеркало; 5 - заготовка; 6 - патрон; 7 - юмерюель мощности; 8 - источник пшания лазера; 9 - ссльсип; 10 - генератор; 11 - редуктор; 12 - люнет; 13 - узел вьпживания; 14 - КАМАК; 15 - микро ЭВМ; 16 - телекамера; 17 - дисплей.

для решения задачи является создание С02 лазера со стабильным излучением и мощностью на уровне 40-100 Вт. Назначение остальных узлов понятно из рисунка. Отметим, что точность выполнения электро-мгханических узлов под ачи заготовки и узла вьпяжки определяет геометрические параметры кристаллического волокна Реализованы несколько вариантов установок: для выращивания заготовки диаметром до 2-4 мм, для первой вытяжки диаметром до 400-600 мкм и окончательной вытяжки диаметром до 50-150 мкм. В последней установке узел вьпяжки обеспечивает производство волокна без ограничений на длину. Управление установкой осуществляется по сигналам датчиков с помощью микро ЭВМ со специально разработанным программным обеспечением. Реализована возможность создавать волокна с переменным (уменьшающимся) диаметром, например, для медицинских лазерных скальпелей. Внешней оболочкой волокон являются отражающие покрытия или алмазопсиобные плетки (последняя технология отрабатывается).

Естественно, что в процессе работы был создан комплект установок диагностического направления, позволяющий определять основные параметры волокон (затухание, светорассеяния и др.). Введение в состав установки камеры с инертной средой заметно расширяет круг кристаллов пригодных для сознания волокон (например титанах сапфира). Число работ в этом направлении постоянно нарастает, открываются новые перспективы для таких направлений как микрсгааэерные технологии, анизотропные волоконные датчики, силовые линии связи и др. В исследовательском плане появляются ноше возможности для изучения кристаллических сред при их взаимодействии с мощным оптическим излучением.

122. Создание и исследование полтфжгаттческих сред дня визуализации ИК-ихтучашя.

Работы в этом направлении производились на базе технологии по созданию антистоксовых люминофоров (АСП) в НПО "Люминофор" г.Сгаврополь (рук. работ кхм. ОЛМанаширов). Остановимся на основных результатах.

В последние годы разработаны и широко применяются полупроводниковые

Ш V

источники на основе соединений А В , излучающие в диапазоне 1,4-1,7 мкм. Созданы системы волоконно-оптических линий сдави, в которых носителем информации является излучение с длиной волны около 1,55 мкм. Разработаны новью лазеры на основе эрбиевых стекол с длиной волны генерации 1,54-1,65 мкм. Развитие квантовой электроники и лазерной техники постоянно выдвигает

Рис. 37. Схема энергетических уровней Ег3*" и Yb^ в YjOjs, N - волновое число.

задачи визуализации полей различных ИК лазеров. На область 1,4-1,7 мкм приходится окно высокой прозрачности земной атмосферы. Перечисленные факторы приводят к необходимости создания высокочувствительных визуализа-торов ИК излучения (далее ВИКИ) указанного диапазона. В работах [56-38] нами проведено комплексное исследование полных спектров антистоксовой люминесценции (асл ) серии крисгаллофосфоров, легированных при малых (< 0,1 Вт/см2) плотностях мощности возбуждающего излучения и включающих ранее неизученную Ж асл; изучен механизм протекания двухфотонных процессов, обуславливающих ее возбуждение.

Среда РЗИ особое место занимает ион эрбия (схема уровней которого приведена на рис.37). АСЛ, содержащие Ег3*, позволяет преобразовывать ИК излучение из диапазона длин волн около 1,5 мкм, а также - около 0,9 мкм. Исследования АСЛ проведены с использованием разработанных оригинальных оптических элементов - волоконно-оптических тршшексов. Конструкции оптических триплексов показаны на рис.38. Триплекс состоит из двух тонких оптически прозрачных дисков, между которыми сформирован топкий слой АСЛ (или несколько слоев разных АСЛ) со строго регламентированными параметрами.

-ч

Л)

PIhc. 38. Схемы продольного разреза АСЛ триппевсок а -1- входной диск ш кварцевого стекла типа КИ, 2 - АСЛ, 3 - ВОД, 4 - герметично скрепшеядай компаунд; б - 5 - АСЛ хилы с показателем преломления п^з,; 6 - соетошатирующая прослойка с показателем прсюмтения пя между АСЛ жилами (п^д > пн ), 7 - выходная тушкшкьбарьерная селективная пленка.

0,г*,(Сег)

Рнс. 39. Зависимости ипшсивносш антистоксовой люмкнесцезагии в пшоое 0.8-0.84 мкм or концентрации Ег^ да АСЛ:

1-C^Er^O^;

2-Y^ErxOC!7;

3-У^ВД.

Особенностью триплекса является использование в его составе волоконно-оптического диска (ВОД). Применение ВОД в качестве подложки АСЛ триплекса позволяет использовать достоинства волоконной оггпжи.

В [56] нами исследована относительная эффективность асл ряда соединений (оксисульфидов, оксихлоридов, оксидов, простых фторидов), активированных ионами Ег^ при возбуждении излучением

мкм. Доказательно сделан вывод о том что, наиболее эффективными преобразователями слабого (менее 1 Вт/см2) ИК излучения диапазона 1,4-1,7 мкм в области максимальной или высокой спектральной чувствительности современных фотокатодов, являются оксисульфнды иттрия, лантана и гадолиния, легированные ионами эрбия.

Определен оптимальный молярный состав АСЛ. На рис.39 показана характерная зависимость интенсивности асл в полосе 0,8 мкм от концентрации ионов эрбия. Установлено, что наиболее эффективным и оптимальным составом для преобразования ИК излучения с длиной всины 1,5 мкм являются АСЛ

химического состава У^ЕгозОгБ.

На рис.40 представлены результаты исследования спектра асл люминофора УиОдзОгБ при возбуждении излучением СД 14 мкм при изменении мощности возбуждения. Зарегистрированы четыре основные спектральные полосы: зеленая, в области от 520 до 560 им, красная - 650-690 нм, и две ИК полосы - полоса 0,99 мкм с границами 975-1018 нм и полоса 0,82 мкм с границами 802-833 нм, причем соотношение интенсив! гостей ИК полос асл-спектра 0,82 мкм : 0,99 мкм

Рис. 40. Диимика развития спектра ангастоксовой люминесценции в области 0-5-1.05 мкм АСЛ состава (УЪое &а15)г О^ при уменьшении плотности W возбуждающею излучения свегодиодасХцажс3 1-55 мкм: W^ >W2>Wз>W4>W5.

примерно равно 1:50. Люминесценция с Хер. - 0,99, 0,66 и 0,55 мкм известна как иифракраже, красное и зеленое свечение АСШ, соответствующее переходам \\П -> 4115/2. ^зд ^15/2- Нами впервые зарегистрирована

и исследована высокоинтенснвная люминесценция ионе» Ех^ в ИК полосе 0,82 мкм при возбуждении 1,5 мкм [56].

В [57] исследована зависимость интенсивности полос асл от интенсивности излучения накачки. Проведенные исследования спектроскопических и динамических характеристик асл (зависимости Ьэт от 1всэбужц-) позволили определить генетическую природу ИК полосы асл спектра с длиной волны сжало 0,82 мкм. См. рис.37.

Выполнена оценка эффективности преобразования ИК излучения АСЛ-триплексами оптимального состава Установлено, что при плотности мощности излучения возбуждения 1,5 мкм равной 1 Вт/ал2 квантовый выход асл составляет около 1%.

В [58] исследовано соотношение интснеивностей полос спектра ася и сделан вывод о необходимости исподьзовэть полосы асл в области 0^2 и 0,99 мкм.

В результате исследований удалось сформировать новый подход к проблемам визуализации ИК сигналов. Одностадийная, непосредственная визуализация ИК излучения ш области 1,4 -1,7 мкм в АСЛ требует суммирования не менее трех элементарных возбуждений. Вследствие нелинейности (степенной зависимости асл излучения от интенсивности возбуждающего излучения) механизма суммирования возбуждения в АСЛ, интенсивность видимой асл резко уменьшается при уменьшении мощности накачки. При уменьшении мощности возбуждающего

ИК излучения до ДО"3 Вт/см2 и шоке в спектре асл эрбия преобладает ИК свечение, причем основной вклад в асл дает уровень \\т, а также уровень 419/2- ИК асл эрбия, конкурирующая с видимей асл, не находила должного приложения и практически вообще на исследовалась, хотя именно эта часть яс/ишучения наиболее перспективна для преобразования слабого излучения диапазона 1,4-1,7 мкм благодаря менее резкой - квадратичной зависимости от интенсивности возбуждающего излучения. Появление новых ЭОГ1 создало возможность эффективного детектирования ИК асл и реализации

нетрадиционного двухступенчатого (AGI + ЭОП) преобразования излучения диапазона 1,4-1,7 мкм в видимое. При зим АСЛ преобразовывает длинноволновое ИК излучение в более коротковолновое ИК излучение, которое в ЭОП преобразуется в поток электронов, усиливается в 103-106 раз с помощью электронной оптики (МКГГ) и обратно преобразуется в видимый свет. Основная идеология наших работ по созданию ВИКИ заключается в использовании именно ИК асл в АСЛ. Полосы ИК асл (0,82 и 0,99 мкм) представляют основной интерес для визуализации с помощью ЭОП, так как попадают в область высокой спектральной чувствительности фотокатодов GaAs и S-1, что представлено на рис.41. Проведенный численный анализ показывает, что в настоящее время оптимальным фотокатодом для использования в составе тандема оказывается GaAs-фотокягод. В рамках

выполненных работ исследовались структуры активированные не только Et^ и

з+

Yb , но и другими редкоземельными т.«»«. <к ионами с целью создания полиспектрального впзуализатора ИК-излученвд, были рассмотрены некоторые аспекты применения РЗИ в волоконной оптике и создания новых оптических сред на основе халькогенидных стекол активированных РЗИ3*.

На наш взгляд перспектива создания антистоксовых визуализагоров ИК излучения при le < Ш4 Вт/см2

и длинах

волн больших 1,1 мкм принадлежит ал-конверсионным преобразователям функционирующим в "гетеродинном" и "супергетеродинном" режиме возбуждения. В "гетеродинном" ВИКИ в

Рис. 41. Типичные спектры люминесценции (опия.) АСЛ состава YjC^SiEr*1' при возбуждении иачучеиием святаиода с Хпах = 1,55 мкм и шириной полюсы излучения на шлувысоте 1,4-1,7 мкм: 1 - 4 ; чувствительность S (мкА/лм) фогагаггодов GaAs и S-1 соответственно: 5-6.

результате суммировании слабого ПК сигнала 1$ и относительно мощного потока излучения накачки % стимулируется видимое излучение 1у "Супергетеродинный" механизм визуализации заключается в использовании поливолновой накачки, т.е. одновременной мощной накачки излучением с различными (двумя или более) частотами. Тушргегеродинные" ВИКИ- это визуализация ИК сигнала посредством, по крайней мере, тройного оптического резонанса в нелинейной среде. Дальнейший прогресс разработай АК-ВИКИ связан с созданием мощных, малогабаритных лазеров, плавно перестраиваемых в широком интервале длин волн и мощных светскшодов для различных длин волн га интервала 0.7-5 мкм, функционирующих при температурах около 300 К.

На настоящий момент данные проведенных исследований использованы при создании нового типа ВИКИ "Икакизор-1,5" обладающего чувствительностью в области длин волн 1,4-1,7 мкм менее Ю-4 Вт/см2. Указанный прибор внедрен в производство.

1У.13. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК И АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИССЛККЖАНИЯ ШРАМИК» СВС.

Р РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКЯИУАТАПИИ.

Прогресс в создании и использовании линий волоконноопшческой связи /ВОЛС/ в значительной мере опирается на технику оптических измерений. При этом мелршошя волоконных световодов - центральных компонентов ВОЛС-породала специфические оптические проблемы, связанные с мнотшараме-тричностъю ВС. Разработка точных измерительных методов оказалась невозможной без знания и исследования физических механизмов, управляющих измеряемыми параметрами. Большинство этих проблем были решены.

Часть этих вопросов обсуздапась нами в разделах 1, П, Ш.

Особое внимание было уделено вопросам метрологии ВС. Определены условия в которых результат измерений в минимальной степени искажен условиями ввода излучения в ВС и является его собственной характеристикой.

Для изготовления ВС был создан комплекс датчиков параметров ВС для систем АСУП1 станков вытяжки ВС и на их основе создано два прибора -измеритель мощности оптического излучения и индикатор обратно-рассеянного сигнала для обнаружения дефектов и обрывов внутри ВС.

Достигнутые та макетных образцах параметры выявили их перспективность для создания нескольких самостоятельных приборов на их основе.

Два из них к настоящему времени доведены до серийного производства.

1)Измеригеяь затухания ИФ-193-1/2/ предназначен для измерения затухания ицносга оптического излучения в волоконных световодах и световодных кабелях

длинах волн 0,85 мкм и 13 мкм. Источниками излучения являются пупроводгашжые лазеры. В приборе достигнут динамический диапазон свыше I дБ. Это позволяет исследовать типовые модули с ВС "строительной длины" I десяти и более км, что практически перекрывает потребности ВОЛС и ввюшет использовать прибор не только по прямому назначению, но и как кюкочувстапельный широкодиапазопный фотометр для исследования переходных туханин, индикатрвх выходного излучения и тд. [3].

Погрешность измерения затухания находится в пределах ± ОД дБ в диапазоне 10 дБ; ± 0,4 дБ в диапазоне 10-30 дБ;±2дБог30до50дБи±4дБ шее 50 дБ. Прибор имеет цифровую индикацию результата, автоматический 1бор предела измерений и стабилизацию выходной мощности источника излучения рабочем диапазоне температур. Досгащуше параметры ставят данный прибор 1 уровень мировых стандартов. Особенность прибора заключается в раздельно вюлненных блохах генератора излучения, приемника излучения и стыковочного ла, что позволяет исследовать оптические кабели реальных "строительных длин", рибор калиброван в шкале дБ с помощью набора аттестованных нейтральных ильтров. В кооперации с ГОИ им. СЛВавилова в 1984 г. выпущена опытная зргая из 40 приборов, прошедшая комплекс Государственных приемочных лгытшпш. С 1985 г. прибор выпускается серийно. Прибор аттестован на высшую ггегорию качества.

2) Индикатор обрыва волоконного световода А-52-М предназначен дня энаружения повреждений оптического кабеля и ВС и определения растояння э дефектов. Прибор работает по принципу рефлектометра - зондирования ВС-»рспким оптическим импульсом вводимых в один из его концоа

Особенность созданного прибора - рекордный динамический диапазон (до О дБ), превышающий известные в мировой практике приборы такого типа и меныпенвая до 2 метров "мертвая зона" измерений. Это достигнуто за счет азработки и создания оригинального узла ввода-вывода оптического излучения применением градиентных оптических элементов и использования ФЭУ в блоке риема излучения. Указанные выше параметры реализуются при работе прибора реальном масштабе времени. Сигнал обратного рассеяния наблюдают на экране тационарного осциллографа. Данный прибор был выпущен в опытной партии 1985 г. и с 1986 г. выпускался серийно.

(

В приборе заложены большие перспективы совершенствования модернизации. Для прибора АП-52-М разработан блок накопления, усреднени и вывода информации, что переводит его в класс локаторов обратного рассеян® которые отечественной промышленностью до настоящего времени не выпускают

Указанные приборы долгое время являлись единственными отечественным серийно выпускаемыми приборами для разработчиков и пользователей ВОЛС.

В таблице мы привели основные параметры четырех модификаций локаторе созданных в виде опытных образцов и снабженных необходимой документацией

Параметры созданных локаторов.____Тайма

Тип лок- X, мш Д Ь.м

атора фракя. страж. ОРС

1 0.85 5 10 <30

2 0,85 1,0 8 <35 <20

13 2,0 <24 <12

135 4.0 8 <20 <8

3 0.85 0.1 20 <40 <30

4 0,85 1,0 20 <35 <22

13 1,0 20 <26 <14

1.55 1.0 20 <22 <10

В данной таблице:

1. Локатор без накопления ОРС (индикатор обрывов в режиме реального времени

2. Локатор с бокскар-интеграгором и цифровым накоплением ОРС в микро-ЭВМ

3. Счегшофотонный локатор с накоплением ОРС доя сигналов малой мощности.

4. Локатор с быстрым аналого-цифровым преобразованием и накоплением ОРС режиме реального времени.

Методы определения АЧХ и ФЧХ ВС были изложены в разделе Ш. Н их основе также выпущены опытные образцы аппаратуры внедренные нами ГОИ, ИРЭ РАН и др. организации. Таким образом значительная часть разрабого представленных в докладе нашла свое практическое воплотите и приложена

1ул4. некоторые вопросы наютдсжАНИЯ свс в составе оптических

КШЛЕЙ ШВИ.

При практическом использовании волоконных световодов в составе ряд ошических кабален (ОК) выяснилось, что передаточные характеристики В» претерпевают изменения в худшую сторону. Так приращение затухания могп составить десятки дБ/км. Данная проблема изучалась нами в [36, 37, 48].

Из анализа литературных данных по конструкциям оптических кабеле различимо назначения показано, что волоконный световод внутри кабеля част

»полагается внутри полости той или иной формы, пустотелой или заполненной мпфирующим материалом (модуле). При этом закладывается определенная ¡обода перемещения ВС для компенсации изменений геометрических параметров »беля. На завершающей стадии изготовления ОК его окончательная форма иксируегся броней или другим способом. При этом закрепляется положение одуля, хотя сам ВС, в принципе, может перемениться внутри модуля. На эактике, в результате внешних воздействий, продольные размеры ОК метут меняться в пределах - от 0,1 до 1,0 %. Выявлено, что такие типичные для обельного производства операции как скрутка модулей, бронирование кабелей, большинстве случаев приводят к заметному ухудшению характеристик ВС в хладе ОК.

Нами показано, что в исследованных оптических кабелях (и в модулях), С принимает форму знакопеременной спирали (ЗПС), периодически меняющей травление закрутки по длине ОК. Физическая причина формирования ЗПС хггоит в продольной усадке трубки модуля (по различным причинам, включая гешние воздействия) при практически не меняющихся, из-за малого коэффициента ¡мперазурного расширения, размерах ВС

В [36] изучен процесс формирования и распределения избытка ВС в галышх оптических кабелях. Показано, что в пределах, типичных внешних шействий, избыток ВС в ОК составляет от ОД до 1,2 %, с наиболее вероятными тениями 0,3-0,7 %.

Найден и изучен способ описания ЗПС в условиях связи мод (см. предаиущий шел). В [37] приведен и проанализирован математический формализм для ЗПС. ля типовых ОК рассчитаны и сопоставлены с экспериментом средневзвешенные гачения шага и радиуса кривизны ЗПС в модулях. Предложены практические юсобы выравнивания этих параметров методами перемоток, встряхивания и т.п. становлена корреляция добавочных потерь, возникающих в ЗПС, с величиной : параметров.

Выданы рекомендации технологического плана для предотвращения вредных пеший отдельных технологических операций при изготовлении ОК на параметры С и позволившие приблизить эти параметры к их паспортным значениям. :сследовапы ВС в составе реальных ОК в условиях испытаний макетных образцов.

В целом, при решении данной задачи, под верглись испытанию разработанные спады исследования ВС в реальных условиях эксплуатации. Отдельно исследовался эпрос о возможности использования ЗПС для создания на ее основе модового

смесителя для стандартизации условий измерения параметров ВС с метролога ческими целями. Идея оказалась плодотворной, были получены образцы смесителе] простых по конструкции, легко реализуемых и воспроизводимых.

Гуммит« гегемнп* выше отметим, что в цикле работ выполненных по

руишкдш и дра ншодршлвднсм участии автора доклада с 1976 г. и 1992 г. были выполнены полномасштабные исслеаоваиия пг> гтпятт кпшшржп методик исследования основных параметров волоконных световодов, разрабстк методов их анализа и прогнозирования для целей научного и практическое применения,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, швош и ошжяш таготлты гашш.

Сформулируем итоги по основным направлениям работы.

В облает разработки и совершенствозашш экшеримсигальнъгх метода научных исследований:

- Развит, усовфшенствован и системагшчески применен для решения зада оптической спектроскопии прецизионный метод анализа импульсных оптически сигналов с высоким временным разрешением - многоканальный временной авале с детектированием одиночных световых квантов.

- Данный метод впервые предложен и успешно реализован для создания развитая экспериментальной базы наших разделов современной спектроскопш спектроскопии квантовых биений, волновоцной спектроскопии, спектроскопа стекловолоконных оптических сред, а также для решения конкретных зада оптико-физических измерений: при исследовании полупроводниковы гетероструктур, для целей волоконно-оптической связи, визуализации ИК-излучекш нелинейной волоконной отпики, развития технологии изготовления новы оптических волноводов.

- Для современной реализации метода многоканального временного анаше разработан и создан универсальный юмфигшменвьшкзпггелшый комплекс г базе современных средств микропроцессорной, вычислительной техники и КАМА! оригинальных узлов, блоков и модулей. Это позволило создать различит» модификации экспериментальных установок для прецизионного измерен» интенсивности и фермы быстропротекиоших оптических сигналов регуляршл происхождения в рамках отмеченных выше новых применений метода МВ^

Измерительный комплекс снабжен пакетом оригинальных управляющих и расчетных программ для организации процесса измерений в автоматизированном режиме.

- Исследован широкий класс отечественных приемников оптического излучения, пригодных доя детектирования одиночных световых квантов. Исследованы их одноэлектронные характеристики, природа шумовых импульсов, дисперсия временя пролета вторичных электронов, определена их роль в формировании импульсного опашка ФЭУ и найдены пут минимизации влияния неблагоприятных факторов на результаты детектирования фотонов с временным разрешением.

- Разработаны оригинальные электродные узлы и блоки обработки сигналов приемников, обеспечивающие необходимые диапазон и точность измерения временных интервалов. Результирующая временная дисперсия установки доведена до 80 пс, диапазон измерений - до 25 мкс, числа каналов регистрации - 1024, дифференциалытая нелинейность временной шкалы не хуже 1,5% . Достигнутые параметры и широкий спектр возможных применений утаил- (угт^инмй к^мппужу. в один ряд с уникальным оборудованием современной экспериментальной физики.

В области создания и развития методе» математического анализа:

- Осуществлен комплексный подход к анализу многокомпонентных кривых, получаемых в ходе экспериментов методами спектроскопии с временным разрешением. Решены проблемы представления и фильтрации входных данных. Задачи разложения кривых, отягощенных шумами, на составляющие их экспоненциальные или sin - cos компоненты, решены как аналитическими методами, без начальных ограничений на число и параметры составляющих, так и иперационными методами, где результаты аналитических (или геометрических) методов используются как начальные приближали. Как правило использовались 3-5 методов исследования одной и той же кривой и искались совпадающие варианты для дальнейшего анализа.

- В работах, реализованных автором со своими коллегами, создан уникальный пакет прикладных программ "Распад", обобщающий накопленный в научной литературе опыт анализа такого рода кривых, и включающий в себя большой блок оригинальных разработок, доведенных до практического использования. Особое внимание обращено на исследование разрешающей силы и устойчивости используемых методов, поиск обоснованных критериев различимости и допустимости сигналов приближения и истиною сигнала, достоверности результатов разложения и анализа. Удалось добиться уверенного разложения трех (четырех)

экспоненциальных кривых при исследовании релаксации возбужденных состояний гедия.

- Созданы оригинальные метопы математической обработки сигналов квантовых биений для расчета параметров простых и сложных /многочасготных/ сигналов и вычисления из них искомых атомных констант, а также для количественного анализа поляризационных характеристик излучения в рамках аппарата неприводимых тензорных операторов.

- Разработаны экспериментальные методики и необходимый аппарат для определения дисперсионных свойств СВС по результатам измерений во временной области. Для анализа сигналов конечной длительности введена и исследована новая величина - функция импульсного отклика (ФИО), разработаны методы ее вычисления с регуляризацией по Тихонову и последующим расчетом передаточной функции СВС

- Развит формализм аппарата частотных (АЧХ) и фазовых (ФЧХ) характеристик применительно к исследованию многомодовых СВС. Под руководством автора доклада создан и внедрен в трех фганизациях-произвооителях СВС и изделий из них пакет прикладных программ "Волокно" для практического расчета АЧХ, ФЧХ, ФИО и затухания.

- Развит аппарат лилейных интегральных операторов для анализа и синтеза дифференциальных и интегральных характеристик СВС путем комплексного измерения их пространственно-временных параметров.

В облает исследования процессов релаксации и переноса энерпш возбуждения в геж

- Показано, что результаты подавляющего большинства экспериментальных исследований атомных переходов в гелии методами спектроскопии с временным разрешением отягощены систематическими ошибками, вызванными вторичными процессами.

- Исследована кинетика заселения электронным ударом и вторичными процессами ряда синглетных и триплетных состояний атома гелия и пути их опустошения в различных экспериментальных условиях: ври изменении энергии возбуждающих электронов и давления газа. Определены сечения тушащих столкновений с участием п ^ (п=3-8) и п Р (п=3-8) уровней.

- Доказано, что состояния с п=5 (5^1 , 5*1)2 , 53Б, 5Р, 50) связанны переносом энергии возбуждения Л1ЭВ/ при неупругах соударениях возбужденных атомов гелия с нормальными. Показано, что экспериментальные зависимости

эффективных вероятностей распада отдельных компонент для s'Pi , 5'е>2 , уровней от давления могут быть физически корректно проинтерпретированы только при учете процессов переноса энергии возбуждения с участием этих уровней.

- Для объяснения выявленных закономерностей предложена многоуровневая модель ПЭВ между уровнями с п=5 при столкновениях атомов. На основе этой модели вычислены суммарные сечения веупругах столкновений для всех взаимодействующих состояний, оценены парциальные сечения по отдельным канатам переноса и с этих позиций объяснен широкий круг экспериментальных фактов, наблюденных авторами предшествующих работ.

- Показано, что характерной особенностью исследованного переноса энергии возбуждения является установление за время, меньшее радиационного времени жизни, квазиравиовесиой заселенности между отдельными парами или труппами уровней с квантовым числом I & 3 в результате неупругих соударений с нормальными атомами. В излучении и в процессах переноса энергии возбуждения образующиеся смешанные состояния проявляются как единый уровень (блок) со

статистическим весом g = £gi и эффективной вероятностью излучения

дэфф = ^Г A;g /Е g t • Реализация этого механизма по-новому объясняет факт появления дотгоживущих состояний в гелии, отмечаемый различными авторами.

- Теоретически и экспериментально изучены процессы ПЭВ в гелии для состояний с п>5. Получены аналитические выражения для расчета сечений ПЭВ, включая канал с изменением углового момента ври обменном взаимодействии. Изучена кинетика формирования блоков смешанных состояний. Показано, что для состояний с п>5 в формировании блоков максимальное участие принимают F, G состояния. Подтверждена выполнимость правила Вигаера для п=5 и установлено, что более вероятными, при атом-атомных столкновениях атомов гелия, являются процессы с А/ = ± 1.

В области исследования когерентных эффекта» в шиш:

- Изучены когерентные явления, возникающие в ансамбле атомов гелия, возбуждаемом импульсным электронным ударом. Практически использовано обнаруженное в работах ЕЛЗ-Алексашрова /Ц9/ явление квантовых биений /КБ/ для развитая на базе метода MB А нового ошико-магаитного метода спектроскопии с временным разрешением для комплексного исследования атомных констант и процессов ПЭВ - спектроскопии квантовых биений.

- Предложен новый метод определении степени поляризации излучения по глубине модуляции сипшлов КБ с коррекцией на искажающие факторы. Выявлен сложный характер зависимости глубины модуляции (степени поляризации) от энергии возбуждающих электронов. Наблюдены особенности в виде изменения фазы модуляции па % и резонансов для сишлсгаых состояний гелия. Предложен метод определения сечения деполяризующих соударений из анализа сипшлов КБ при различных давлениях газа. Найдены величины сечений для сингаетных и тршхлетных состояний гелия.

- Исследованы прострашлвенно-когерешные эффекта на уровнях с тонкой структурой в нулевом магнитном нож и в присутствии магнитных полей с различней напряженностью; найдены частоты тонкою расцепления А (п^ЕЭг -п313з) для п=3-6 и g-фaктopы п^)]^ состояний гелия для п=3-5.

- Выявлены имеющие общий характер фазовые и угловые соотношения усиления и исчезновения хрупп или синельных частот биений и измерены, не разрешаемые другими методами, величины напряженности магнитных палей, в которых пересекаются магнитные подуровни с разностью магнитных квантовых чисел / ш д1=2 ~ т 2 для гА^г и п30з / п=3-5 / состояний гелия.

- Всесторонне проанализированы искажения, возникающие при измерении атомных констант методами временного анализа. Выработан комплекс требований, выполнение которых обеспечивает максимальную достоверность и точность измерения радиационных времен жизни атомов. В ошимизированных условиях определены для 25 уровней гелия.

В облает создания новых стеклшолюшшшх шпических сред и их исследования в линейном режиме взаимодействия с импульсным ошическнм изучением наносекувдной длитедыкхгш:

- В совместных работах с Государственным Оптическим Институтом им. СЖВавилова созданы и исследованы новые СВС из многокомпонентных стекол со ступенчатым профилем показателя преломления (ППП), программируемым в зоне серщевина-оболочка; с Институтш радиотехники и электроники Академии наук России исследованы новые кварцевые СВС с градиентным и М-образным ППП; с Центром Оптоволоконной Техники г. Люблин, Польша исследованы новью кварцевые многослойные и гибридные СВС с широким набором ППП.

- Проведены комплексные исследования ФИО, АЧХ, ФЧХ и затухания различных типов отечественных СВС с целью внести, на основе обнаруженных закономерностей и особенностей распространения излучения в них, коррективы

в технологаческин процесс создания СВС с улучшенными передаточными характеристиками.

- Экспериментально доказана плодотворность идеи создания многослойных СВС различных типов предложенных в /Ц13/ для реализации практических задач волоконно-оптической связи. На созданных экспериментальных образцах подтверждены теоретически предсказанные эффекты самофильтрации высших мои, многоволновость, увеличенная полоса пропускания п др.

- Обнаружен и изучен эффект группировки мод в реальных СВС как результат регуляризнрующего действия периодических (в том числе, направленных и программируемых) отклонений оптико-геометрических параметров СВС от заданной структуры и его влияния на процессы трансформации модового состава оптического излучения по мере прохождения через СВС. Исследованы последствия действия данного механизма на форму передаваемого оптического сигнала и возникающие при этом ограничения передаточных характеристик СВС Показана возможность получения достаточно широкой полосы пропускания СВС с изменяющимся по дайне 11ПГ1, если среднее по длине отклонение реального ГОШ от оптимального близко к пулю.

- Теоретически и экспериментально исследованы выявленные зависимости передаточных характеристик ступенчатых и градиентных СВС от условий их возбуждения. Показано, что измеренные передаточные характеристики СВС однозначно характеризуют его только при стандартных условиях возбуждения. Предложен оригинальный смеситель мод, использующий входной кусок исследуемого СВС помещаемого в полимерную трубку, с последующим созданием в ней избытка оптического волокна, принимающего ввд знакопеременной спирали. При этом обеспечивается максимальная связь мод с быстрым выходом на равновесный режим, соответствующий установлению в СВС главной статистической моды. Таким образом была достигнута воспроизводимость результатов измерения ФИО а ПФ не хуже 5% . Доказана возможность минимизации потерь за счет ахлведствующего выбора условий возбуждения и возможность прогнозирования передаточных характеристик СВС для различных ситуаций.

- Выявлено, что знакопеременная (или обычная) спираль является широко распространенной геометрической формой состояния СВС при его различных применениях. Особо это состоящие характерно для СВС в составе оптических кабелей. В лаборатории, созданной автором доклада в НИИ кабельной промышленности г. Ташкента, экспериментально исследованы особенности

изменения передаточных характеристик СВС при их упаковке в состав сложных кабелей связи, а также воздействия внешних факторов на эти характеристики. Удалось найти конструкторские решения минимизирующие ухудшение передаточных характеристик.

В области исследования »штинейных явлений в сгешюиакжмшых оптических средах:

- Эксгарименкшьно показано, «по реальные СВС представляют собой анизотропные, гетерогенные, нелинейные структуры, что обусловлено комплексом технологических факторов, действующих при их ияотовжшо!. Добавочная анизотропия возникает в условиях реальной эксплуатации СВС при их штабах, намотках на катушки и тд. Анизотропность реальных кварцевых СВС и их структурные особенности приводят к заметному расширению ашамбля нелинейных взаимедейстий таких СВС с мощным оптическим излучением. В та вовлекаются практически все известнее в настоящее время типы нелинейных эффекте». Набдяаевы и изучены эффекты генерации второй гармоники и суммарных частот в многамодовых кварцгвых СВС Проанализированы особенности этих эффектов дан фсгпяувсташгелшых СВС с примесями германия и фосфора и возможность реализации на их основе широкого класса новых волотгноояпгческих компоюгг с периодической структурой, бреповские фильтра, х2 - решетки, голограммы и тд.

- Проведены систематические исследования нелинейных эффектов в многослойных гибридных СВС, предложенных как новый класс СВС, перспективный для преобразования частоты и длительности лазерного излучения. Показано, чгго СВС с приосевыми несдаородносгамн, обеспечивающими фокусировку излучения к центру, демонстрируют эффективное протекание в них нелинейных эффектов щи существенно меньших мощностях накачки, чем в других многомодовьтх СВС

- Детально проанализированы достоинства и недостатки новых источников когерентного излучения maco и фемтосекундкой длительности - параметрических волоконных преобразователей лазерного излучения и сделаны- выводы об их перспективности в различных областях науки и техники, включая дальнейшее развитие теории и практики самих СВС и создание визуализагоров ИК-излучегага на их основе. Проведен комплекс экспериментальных исследований наиболее перспективных СВС подучены значения коэффициентов преобразования излучения накачки в новые спектральные компонент, изучены спектры вторичного излучения таких СВС, длительность различных компонент спектра, изучена динамика

швиггая когерентного светового континуума, проведены другие важные для теории I практики исследования.

- На основе детального анализа накопленного литературного материала, шогочисленных дискуссий с коллегами развит оригинальный подход к систематике гелинейных процессов в СВС. Этот подход опубликованный в 1983 г. совместно Д.К.Сатгаровым, по мнению автора доклада, оправдал себя и поваляет осмысленно извивать новые классы исследований по нелинейной оптике и нелинейной физике СВС В основе предложенной систематики лежит идея, что все нелинейные [роцессы в СВС должны анализироваться через их закономерную взаимосвязь, объединяющую их в единое целое - в динамическую систематику. Основой згой истематики яеяжтся коэффициент преобразования и показатель его временной [ пространственной стационарности. При этом оказалось возможным сгруппировать ¡роцессы во взаимосвязанные и взаимозависимые типы; выявить пути индуцирования аделышх видов нелинейных процессов и тд.

В области создания и исследования кристаллических, пачихрисгатлических I акгазировзтшых оптических сред:

- Создана оригинальная установка для выращивания монокристаллических ГВС из высокотемпературных кристаллов с испсяьзованиш СО2 лазера для юрмирования расплавленного пьедестала. Выращены и исследованы образцы ]ВС из сапфира, титаната сапфира и др. Проанализированы их параметры в ячестве среда для использования в силовой волоконной оптике, медицинских азерных скальпелей и преобразователей частоты лазерного излучения.

- Совместно с ГОИ им. СЖВавилова и НПО "Люминофор" г.Сгаврополь ьтсшнен цикл работ по преобразованию частоты ПК-излучения с использованием ффектов ар-конверсии, возникающих в полнкристаллических структурах ктивирокашшх РЗИ . Обнаружена новая интенсивная полоса люминесценции

диапазоне 820-850 нм (при возбуждении излучением 1,5 мкм люминофоров ктиварованных Ег), соответствующая даухквантовому процессу, эффективно етектируемая ФЭУ с Ш-Аз-фотохатодами. Выявлены и исследованы повые птасгоксовы люминофоры, перспективные для визуализации не только ИК-злучения, но и ИК-огображення.

- В результате комплекса проведенных исследований удалось сформировать ювые подходы к проблемам визуализации ИК-излученш; создать полиепе-трозональные приемники ПК-сигналов, а также создать реальные приборы, такие ж "Икавизор-1,5" на основе тандема АСЯ+ЭОП, регистрирующий потоки на

уровне плотностей мощности 10"*-10"5 Вт/см2 с перспективой дальнейшего увеличения чувствительности. Предложены новые под хода к решению проблемы визуализации через гетеродинные и сужр1етерсиинные приемники, разрабатываемые на основе проведенных исследований.

- Изучены спектры антистоксовых люминофоров и СВС активированных ионами редких земель (Ее, УЬ, Тпт, Ей, СМ). Показана перспективность методики исследования спектров изолированных атомов (ионов), внедренных в сердцевину оптических волноводов. Данное направление активно формируется в самостоятельный раздел - волноводную спектроскопию атомов и ионов.

В области практического использования полученных результатов:

- Под руководством и при непосредственном участии автора доклада создан комплекс специализированных экспериментальных установок, оригинальных по существу залаженных в них идей и конструкторских решений. В том числе: установка для измерения затухания оптического излучения с диапазоном измерения до 70 Дб, локатор обратно-рассеянного излучения на базе многоканального временного анализа и счета фотонов с рекордным диапазоном измерения - свыше 70 Дб и точностью разрешения по длине СВС до 50 см, индикатор обрывов СВС с увеличенной разрешающей способностью, прибор для измерения АЧХ и ФЧХ импульсным методом с диапазоном измерения до 800 МГц, установка для исследования дифференциальных характеристик СВС угловыми методами, скоростные счетчики фотонов и другое оборудование. Эта системы внедрены в организации, занимающиеся производством и исследованием СВС для волоконно-оптической связи (ТОЙ, ФГИ, ИРЭ гМосква, НИИКП г.Ташкент).

- В совместной деятельности с ГОЙ им. СЛВавилова, под руководством и с участием автора доклада выпущэвы в виде серийных партий: а) измеритель затухания ИФ-193-1(2) с параметрами па уровне мировых стандартов, аттестованный на высшую категорию качества; б) индикатор обрывов СВС - А-52-м с большим динамическим диапазоном и его модификация - локатор обратного рассеяния.

- В совместных работах с ВНИИ КП и СредАзкабель г.Ташкент по разработанным в данной работе методикам измерений исследованы и откорректированы детали технологических процессов для улучшения параметров выпускаемых грузонесущвх кабелей с волоконно-оптическими компонентами.

- На рад разработок получены авторские права.

На основании вышеизложенного можно утверждать. что работы штора иссергашш внесли весомый вклад в формирование нового направления ис-ледований в оптоке и смежных с ней областях знаний - кинетической пекгроскопяи бысфопрогекаюших отжочЗргеических процессов различного [роисхржденщ, щ „ базе щэшстоток методов могшвалмотр времешсто

нализа и детектирования одиночных световых квантов с разрешением в ткосекундном диапазоне.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.

Ц1. ВБ.Смирноэ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени андщата физико-математических наук. Ленинград, 1967 г.

Ц2. SJÍeron, R.WJVlcWhirter, EJtRhoderick. ProcAoy.Soc.,1^34,565,1956.

ЦЗ. WJLBennet, Jr. Columbia University Press, N7, 1961, p. 28.

Ц4. АЛ.Ошерович, Я.ФЛЗератайнен. Метод задержанных совпадений в томной и модекугвфной спектроскопии в кн. "Проблемы атмосферной оптики", U 1979, с. 80-154.

Ц5. МЛДемчук. Автореферат диссертации на соискание ученой степени октора физико-математических наук, Минск, 1982.

Цб. P.Claverie, A.Denis, EYeiamian. Computar Physics Reports, N 9, 1989, 1.247-299.

Ц7. СЛМарги-мл. В книге "Цифровой спектральный анализ и его при-ожения", М„ Мир, 1990, с. 365-450.

Ц8. CETbeodoaou. Phys. Rev., АЗО, 2910, 1984.

Ц9. ЕЛЗАлекеацдров. Оптика и спектроскопия, 1963, т.14, в.4, с. 436438.

Ц10. МЛ Дьяконов. Журнал экспериментальной и теоретической физики, 964, т.47, с. 2213-2221.

Ц11. H-Güeny, JJLSubtil, Girre М И J.Phys., 1972, v33, р.947-954.

Ц12. Э ЛИванов, МЛЛайка. Оггшка и спектроскопия, 1970, т29, с.440-444.

Ц13. А.СБеланов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени октора фнзико-маяшаппаческих наук, Москва, 1981

Ц14. АЛ-Тихонов, ВЯАрсеттн. Методы решения некорректных задач, М., 1аука, 1974.

Ц15. AJB.Гончарский, А.ОЛеонов, А.ГЛгода. Журнал вычислительной математики и математической физики, 1973, 13, с. 294.

Ц16. ХГ.Уогер. Иланарнье и волоконные оптические волноводы, М, Мир, 1980.

Список работ, в которых шшшш результаты диссертации.

1. Кватер Г.С., Коншин ВМ., Лшздберг ЕГ., Мшпрнко ЕД, Смирнов В Б. Питание ФЭУ, работающего в режиме счета фотонов. ШЭ. 1970. N 3, с.212-213.

2. Багаев СА, Зальнов МА., Нечаев НД, Сатаров Д.К., Сизов С.Н., Смирнов В.Б., Фрейвсрг КМ. Высокочувствительная установка для фотометрических исследований малопогпощающих оптических сред. Светотехника. 1980. N 7, с. 8-9.

3. Зальнов МА, Смирнев ВН., Сунцов ЮЛ Источники погрешностей и методы их минимизации ври создании прецизионных измерителей затухания излучения в волоконных световодах, Деп, рук. Информ-электро. 1989.

4. Бабкина Т.В., Гршэрьянц В.В., Смирнов ВБ. Методы измержм и расчета двсгкрсионных свойств мшкмаджых волоконных садоводов. Квантовая алжгрошжа 1984. Т.11, N 10, а 1899-1939.

5. Алферов ЖЛ, Конников СТ., Корольков В.И., Смирнов В .Б., Третьяков Д.Н., Яковенко АА. Об одной возможности оценки влияния границы раздела в гетсро-перехояах на основе твердых растворов. Физика и техника полупроводников. 1973. Т. 7, с. 1423-1426.

6. Алферов ЖЛ, Андреев ГД, Корольков В.И., Никитин ВX., Смирнов В .Б., Яковенко А.А. Исследование переходных процессов в алектролюминес-центных р-п - р-п структурах. Физика и техника полупроводников. 1973. Т.7, в. 5, с. 914-918.

7. Курочкин АБ., Петров ДА, Смирнов В.Б. Автоматизированный комплекс для спектральных измерений с развитыми возможностями обработки результатов. Тезисы доклада VI Всесоюз. совещания "Физика, химия и технология люминофоров". Ставрополь 1989,42, с.142.

8. Иванов СА, Иванова В Л, Смирнов ВБ., Тайбин ВЗ. ^преобразование и аппроксима-ния Щце в задаче определения параметров экспоненциально затухающих сигналов. Оптика и спектроскопия, 1992, Т. 73, в. 2, с. 262-268.

9. Бахаев СЛ., Опгаец ОБ., Смирнов ВБ., Толмачев ЮА. О переносе энергии возбуждения между верхними состояниями атома гелия. Отика и спектроскопия. 1979. Т. 46, в. 6, с. 1067-1077.

10. Иванов СА, Иванова ВЛ, Смирнов ВБ. Неравенство Крамера-Рао в задаче определения параметров экспоненциально затухающих сигналов. Оптика и спектроскопия. 1992. Т. 73, в. 6, с. 1194-1199.

И. Иване® СА., Смирнов ВБ. К задаче определения параметров затухающих сигналов. Оптика и спектроскопия. 1994. Т, 77, в. 2, с. 264-267.

12. Меркулов АА, Смирнов ВБ., Тайбин БЗ., Новые идеи по разложению многоэкспоненциальных кривых в задачах спектроскопии с временным разрешением. Вестник СПбГУ. 1993, сер. 4, в. 1, N 4, с. 87-90.

13. Багаев СЛ., Кватер Г.С., Оганец ОБ, Смирнов В.Б. Тушащие соударения в гелии, наблюдаемые по распаду состояний п Бо и п^ь Оптика и спектроскопия. 1973. Т. 35, с. 389-391.

14. Оганец О.В., Смирнов В.Б., Толмачев Ю.Л. О расхождении измеренной вероятности спонтанного разрушения З3? уровня гелия с теоретическим значением. Оптака и спектроскопия. 1977. Т. 43, в. 1, с. 186-188.

15. Багаев СА, Кватер Г.С., Оганец О.В., Смирнов ВБ., Толмачев ЮЛ. Исследование кинетики распада уровня гелия 51Е>2. Оптика и спектроскопия. 1975. Т. 38, с. 820-822.

16. Багаев СЛ., Кватер Г.С, Оганец О.В., Смирнов В.Б., Толмачев ЮЛ. Передата энергии возбуждения при неупругах столкновениях атомов Не 1 в состояниях с а = 5 с нормальными атомами. Оптика и спектроскопия. 1976. Т. 41, в. 4, с. 687-689.

17. Багаев СЛ., Николаева ЛЛ, Оганец О.В„ Смирнов ВБ., Толмачев ЮЛ. Реакции переноса энергии возбуждения в Не I между уровнями с п=5. Оптика и спектроскопия. 1977. Т. 43, в. 3, с. 592-593.

18. Багаев СА., Оганец О.В., Смирнов ВБ. Кинетика распада населенности уровней Не I с л = 4, Тезисы доклада VIII Всесоюз. конф. по физике электрон, и атомных столкновений. Л., 1981, с. 107.

19. Багаев СЛ., Канцерова ЛЛ, Опшец ОБ, Смирнов ВБ. О распределении процессов переноса »ерши в синшет-триплетной системе уровней атома Не I с п=4. Тезисы доклада VI Всесоюзн. конфереиц. по физике низкотемпературной плазмы. Л., 1983. С67-69.

20. Опшец ОБ., Смирнов В.Б., Толмачев ЮЛ. Тушение уровня 530 Не I при столкновениях с нормальными атомами. Оптика и спектроскопия. 1977. Т. 42, в. 6, с. 1197-1198.

21.Багаев СЛ., Огтшец О.В., Скирнов ВБчТолмачевЮЛ.Орогатршшетпых состояний Ке! в процессах переноса энергии возбуждения по верхним уровням. Оптика и спектроскопия. 1978. Т. 44, с. 817-819.

22. Багаев СЛ., Оганец ОБ., Оиирнов ВБ., Толмачев ЮЛ. Модель переноса энергии возбуждения в Не I между уровнями с п=5 при неупругих столкновениях возбужденных атомов с нормальными. Тезисы доклада X Междунар. конферен. по физике электр. и атомных столкновений. Париж. 1977. с. 562-563.

23. Прудов НВ„ Прущжа Н.С, Скирнов ВБ. Сечение обмена энергией рцдберпж-ского вообуждэшого атома при столкновении с невоэбуждшвым атаман с изменением с^бшальшго момента. Отнка и шжгроскшия, 1991, Т.70, вД с.1194-1197.

24. Багаев СЛ., Опшец ОБ., Смирнов ВБ., Толшчев ЮЛ. О доигоживущих состояниях в гелии. Оптика и спектроскопия. 1978. Т.44, с. 1206-1208.

25. Багаев СА, Канцерова Л.1Т, Оганец ОБ, Смирнов В.Б.. Об образовании смешанных п - Р§ состояний (п » 5 - 12) в Не I при неупругих столкновениях. Оптика и спектроскопия. 1985. Т. 58, в. 2, с. 461-464.

26. Смирнов В.Б., Черепанов ВЛО. Исследование квантовых биений при импульсном ачжхронном возбуждении Шюстояшш гелия 4НеЬ Часть 1.0шшетаые состояния. Часть 2. Тришгетные состояния. Ошика и спектроскопия, 1992, Т.72, в. 2, ч. 1, с. 302-307, ч2, с. 308-313.

27. Батата СЛ., Смирн» В Б., Чайка МЛ. Возможность определения множителя Лавде по свободным биениям в излучении. Осггака и спектроскопия. 1976. Т.41, в.1, с. 166-168.

28. Катаев СЛ., Евтушенко ИИ, Смирнов В.Б. К вопросу о точности определения периодов интерференционных биений невырождешагх ахпшний. Оптика и спектроскопия. 1977. Т. 43, с. 578-579.

29. Смирнов В .Б., Черепанов В10. Эюззеримешальное определение констант ржшепжния, £-факгоров и параметров сголкновительных провесов из анализа частот и амплитуд квантовых биений при импульсном электронном возбуждении. Трупы Ж Нашюнальвой конференции по атомной авктроскопии с международным учасгиш. Болгария, Варна, 1986. С179-182.

30. Багаев СЛ., Смирнов В.Б., Чайка МЛ. Влияние лабораторных магнитных полей на результаты измерений времени жизни методом временного анализа. Ошика и спектроскопия. 1976. Т. 40, в.6, с. 1096-1097.

31. Абиров ЕД, Смирнов ВБ., трепанов ВЖ Определение вектора напряженности магнитного поля но квантовым баешнм. Ошика и спектроскопия. 1989. Т 67, в. 5, с. 1111-1115.

32 Багаев СА, Канцерова ЛИ, Смирнов ВБ., Черепанов ВЮ. Исследование расщеплений магаишых подуровней состояний аТЭу (п=3-6) Не I по сигналам квантовых биений. Ошика н спектроскопия. 1984. Т. 57, в. 6, с. 968-972.

33. Багаев СЛ., Огинец ОБ., Смирнов В Б., Черепанов В .ГО. Влияние столкновительных процессов на распад паселенности и когерентности уровней тонкой структуры состояния 43В Не I. Ошика и спектроскопия. 1984. Т. 57, в. 6, с. 578-581.

34. Багаев СЛ., Евтушенко ИД., Смирнов ВБ. Определение сечений деполяризующих столкновений в гелии из анализа сигналов импульсных квантовых биений. Оптика и спектроскопия. 1980. Т. 48, е. 17-21.

35. Зальнов МЛ, Смирнов ВБ., Сунщж ЮН Комплекс оборудования для огпической локации вшокоппых световодов. Тезисы доклада Всесоюзной НТК "Оптический разновалновый и тегшовой методы неразруш. кошроля". Мдамев, 1989. Ч. 2, с. 212-213.

36. Ивлев СИ, Смирнов ВБ. Избыточное затухание оптического излучения в волоконных световодах в составе оптических кабелей. Ошика и спектроскопия, 1992, Т. 72, в. 5, с. 1277-1282.

37. Ивлев СЛ., Меркулов АЛ, Смирнов ВБ. О роли знакопеременной спирали в приращгнии затухания оптического излучения в волоконных световодах в составе оптических кабелей. Ошика и спектроскопия, 1992, Т.72, вД с.1283-1288.

38. Катаев СЛ., Запшов МАП Нечаев НД., Сатгаров ДК,, Смирнов В.Б„ Фрейверт К.М. Анализ деформации импульсного оптического сигаала в много-модовых волокнах. Оптика и спектроскопия. 1978. Т. 45, в. 6, с. 1158-1162.

39. Багаев СА., Задыюв МА., Нечаев НД, Сатгаров Д.К., Смирнов ВВ., Фрейверт КМ. Дисперсия импульсов в многамодовом оптическом волокне с градиентным распределением показателя преломления. Ошика и спектроскопия. 1978. Т. 46, в. 4, с. 814-815.

40. Багаев СЛ., Смирнов В.Б. Определение функции отклика оптического волновода го анализа деформации импульсного оптического сигнала. Ошика и спектроскопия. 1980. Т. 49, в. 1, с. 165-171.

41. Бабхина Т.В., Багаев СЛ., Бесхоржи МА, Грнгорьянц ВВ, Жбошнзой МЕ, Иванга ГА, Ксренэаа НА, Огарев ДК, Оицзнв ВБ, Щрейбер СВ, Фрейверт КМ Ихядаавие уширеввя импужя в аэгадавзх "Цвдн". Кваггаш знароника. 1981 Т. 7, N 5, с. 927-933.

42. Бабкина Т.В., Багаев СА., Грнгорьянц ВВ., ЖайлившйМЕ, СкпарсвДК. Оиирюв ВБ, Трауб ДП, Хэдиа МА Чааашотжгушяье хараоерклики вопжшзых свеяшсдв, Кешки эпекгрсиика 1981. Т. 8, N 5, а 996-1001.

43. Бабкина ТВ., Григорьянц В.В., Смирнов В.Б. Частотные характеристики волоконных световодов. Радиотехника. 1982. Т. 37, N 2, с. 29-34.

44. Бабкина ТВ., Грнгорьянц В .В., Смирнов В.Б., Часшгао-импузпсные характеристики волоконных световодов. Итога науки и техники. М., ВИНИЩ 1982. Т29, с.3-46.

45. Бабкина ТВ., Багаев СА., Г|етсрьянц ВВ, Жабгаинсш! МЕ, Осря» ВБ, «Цшафг КМ, Хагдаа МА, Сатаров ДК йлгулквые шкиы тшвдгания часгошьгх характеристик вэташшх овяовсдэв. Прегрнг ИРЭ АН ССОР. 1982. N 14 (341Х с.1-30.

46. Иклев С.И., Меркулов ААЧ Петров ДА., Ошрнов В.Б. Расчет импульсных откликов МНО1ШС0ОВЫХ волоконных световодов по данным угловых измерений. Ошика и спектроскопия. 1992. Т 72, а 1, с. 254-259.

47. Меркулов АА., Петров ДА., Смирнов ВВ. Применение линейных инзегральпьгх операторов для исследования процесса распространения излучения в волоконных световодах со связью мод. Оптика и спектроскопия, 1991, Т.71, в.1, с. 202-206.

48. Ивлев СЛ., Меркулов АА, Петров ДА, Смирнов ВВ., Сунцов ЮН. Угловое распределение оптического излучения в мнохомодовых световодах со знакопеременной спиралью. Ошика и спектроскопия. 1992. Т 72, в. 4, с. 1042-1048.

49. Багаев СА., Евтушенко И.Н., Смирнов ВВ. Фазо-частсгшые характеристики волоконных световодов. Оптика и спектроскопия. 1985. Т.58, в.1, с. 172-177.

50. Сатгаров Д.К., Смирнов ВБ. Тезисы доклада Всесоюзного научно-технического совещания "Измерительные устройства на диэлектрических волноводах оптического диапазона". Минск, 1983. ЧЛ, с. 32-40, ч2, с. 41-53, с. 55-57, ч.1, с. 8-10, ч.2, с. 12-16.

Í 51. Артемов B.B., Курочкин А.В., Мирски Э., Петров ДА., Смирнов ВБ.

Вторичное излучение многамодовога градетгаого вшоконнош световода при накачке излучением с X = 532 и 1064 им. Оптика и спектроскопия. 1989. Т 67, в. 3, с. 724-729.

52. Курочкин Ají., Петров ДА, Сатаров Д.К., Смирнов ВБ., Нелинейные процессы в многослойном волоконном световоде S1O2 - В2О3. Оптика и спектроскопия. 1989. Т 67, в. 5, с. 1211-1214.

53. Артемов В.В., Петров ДА, Сатиров ДК, Смирнов ВБ. Преобразование длины лазерного излучения волоконным световодом с двойвой свстовецущей жилой. Оптика и спектроскопия. 1989. Т 67, в. 4, с. 971-974.

54. Оптаров ДК, Смирнов ВБ. Проблемы систематики нелинейных процесс® в волоконно-оптических средах. Тезисы доклада Всесоюзной НТК "Оптический разноволновый и тепловой методы неразрушающего контроля". Могалсв, 1989. 4.1, с. 10-13.

55. Глушенко Ю.В., Смирнов ВБ. Фогошщуцированная генерация второй гармоники в стеклянных волоконных световодах (обзор). Оптика и спектроскопия. 1992. Т72, в.4, с. 990-1011.

56. Гадецкая Т.В., Курочкин АЛ., Манаширов О.Я., Петров ДА, Сатаров ДК, Светлов АА^ Смирнов ВБ., Цюрупа О.В. Антастоксова люминесценция ионов эрбия в области 0,80,84 ыкм в оксисульфидах Y2O2S - Ег34 и ЬагОгБ - Ег*1" при возбуждении излучением свешциода с Хщах. = 1,55 мкм. Оптика и спектроскопия. 1990. Т 69, в. 2, с. 483-457.

57. Курочкин А.В., Мшшибаева JIM, Макаидфш ОЛ, Сатаров ДК, Смирное ВБ. Аггпсгошжа люмшвдеиция L112O2S : Er3*, Yb3* в составе трихшексов при возбуждении в областях 0.93; 1.06; 1.53 и 149 мкм. Оптика и спектроскопия, 1992, Т. 73, в. 4, ч 1, с. 741-748, ч.2, с. 749-756.

58. Курочкин АН., Майлибаева JIM, Манаширов OJL, Canapois ДК, Смирнов ВБ. Соошошенш шпенсившхтей полос спектра аншстокссесй люминесщящш Y2O2S : Ег3* при малых мощностях возбуждения в облаете 1,55 мкм. Журнал прикладной спектроскопии. 1992. Т. 57, N 1-2 июль-август, с. 104-111,

СОДЕРЖАНИЕ

сгр

РАЗДЕЛ 1. Разработка и развитее жсперимешальных методов спектроскопии нестационарных оптических процессов наносежундного диапазона. 1 Метод регистрации одиночных световых квантов в задачах спеюроскопии с высоким временным разрешшием. Многоканальный временной

анализ..................................................10

2.Спектральво-времетгой комплекс доя жследования бысгропротека-

гощих оггтико-фюических процессов..........................13

З-Развигае методов анализа и обработки экспериментальных данных в спектроскопии с чрегжяным разрешением.....................15

'АЗДЕЛ 2. Процессы релаксации, перенос энергаи возбуждения и когерентные эффекты в ансамбле атомов гелия возбуждаемом электронным ударом. 4Лсследование релаксации населенности возбужденных состояний

ашовтеш.............................................24

5 .Перенос энергаи возбуждения между верхними состояниями атома гелия

при неупругих соударениях гелий - гелий.......................35

6.Исслеяоваиие когерентных явлений в гелии по сигналам квантовых

биений................................................40

7.0пределение атомных констант в гелии методами спектроскопии с временным разрешением...................................47

■АЗДЕЛ 3. Нестационарные прогкксы в стекловошконных оптических средах. 8Лередаточньк характеристики стеютоволокошшх оптических сред.

Проешь показателя преломления.............................56

9.Развитае методе® анализа н синтеза процессов распространения импульсного оптического излучения по волоконным световодам...........59

ШЛелинейные процессы в сгекловолоконных оптических средах.

Пробжмы систематики нелинейных эффектов...................75

ПЛроцессы спектропреобразования при нелинейном взаимодействии ВС с импульсным лазерным излучением наносекуидной длительности .82 АЗДЕЛ 4. Создание и исследование отечественных СВС и аппаратуры д ля измерения их параметров. 12.Создание и исследование моно- и поликристаллических и активированных оптических сред для преобразования и визуализации лазерного

ИК-излучения............................................90

13<Разработка методик я аппаратуры для исследования параметров СВС

в реальных условиях эксплуатации...........................%

14. Некоторые вопросы использования СВС в составе оптических

кабелей связи...........................................98

ашотЕние. Выводы и основные результаты работы....................100

(тируемая литература...........................................109

!писок работ, в которых излажены результаты диссертации.............110