Исследование одно- и двухфотонных поляризационных резонансов в атомных спектрах методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Рг 5 ОД.

о г "О АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ

" (3 ^ ' ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Б.И. Степанова

УДК 535.33/.34:621.373.8

КОСТИК ОЛЕГ ЕВСГАФЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНО- И ДВУХФОТОННЫХ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ РЕ30НАНС0В В АТОМНЫХ СПЕКТРАХ МЕТОДОМ ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

(01.04.05 - оптика, 01.04.21 - лазерная физика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико -математических наук

Минск - 1995

Работа выполнена в Институте молекулярной и атомной физики Академии наук Беларуси

Научные руководители:

член-корреспондент АН Беларуси, доктор физико-математических наук, профессор

Войтович А.П.

Официальные оппоненты:

кандидат физико-математических наук Машко В.Б.

доктор физико-математических наук, профессор

Шкадаревич А.П.

кандидат $изико-математических наук Райков С.Н.

Оппонирующая организация -

Белорусский государственный университет

Защита состоится пЗо " января 1996 г. в 14°° на заседании совета по защите диссертаций Д 01.05.01 в Институте физики АН Беларуси (220602, г. Минск, пр. Ф. Скарины, 68.).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики АН Беларуси.

Автореферат разослан "декабря 1995 г.

Ученый секретарь

доктор физ.-мат. наук, профессор

А.А. Афанасьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Идея применения резонансных фазово-поляризационных методов во внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС) эффективно эксплуатируется уже достаточно длительное время. Однако ранее выложенные исследования были направлены на разработку основ внутрирезонаторных фазово-поляризационных методов и применены для спектроскопии и управления параметрами генерируемого излучения при использовании ограниченного круга явлений, вызывающих анизотропию среды. Использовалось, в основном, магнитное и в нескольких работах -электрическое поле. Изучались лишь одноквантовые переходы в средах. Между тем, круг явлений, перспективных для применения и изучения методами фазово-поляризационной ВРЛО и, в связи с этим, возможности таких методов значительно пире. Например, большой интерес для ВРЛС представляют различные одно- и двухфотонные светоиндуцированные резонансы, ранее исследовавшиеся только внерезонаторными методами. Не изучались методами ВРЛС и магнитооптические явления на частотах двухфотонных переходов, хотя очевидна перспективность именно внутрирезонаторного исследования двухфотонных процессов. Наконец, значительный интерес представляет исследование сильнопоглощающих сред с индуцированной внешним магнитным шлем анизотропией. Таким образом, к моменту начала представляемого в данной диссертации цикла работ созрели необходимость и предпосылки применения высокочувствительных методов внутрирезонаторной лазерной спектроскопии для исследования разнообразных поляризационных резонансов в поглощающих средах. Кроме того, так как рассматриваемые резонансы оказывают существенное влияние на спектрально-энергетические характеристики генерируемого лазером излучения, понятен интерес к ним с точки зрения решения такой важнейшей задачи лазерной физики, как разработка новых способов управления параметрами генерации лазеров.

Связь работы с крупныыи научными программами. Работа выполнялась в рамках тем республиканских программ важнейших НИР "Лазер 2.70. Разработка автоматизированных оптических приборов для исследования кинетики быстропротекающих процессов, а также для

изучения состава вещества" (1981-1985 гг.). "Спектроскопия 2.40. Развитие фазовых и фазово-поляризационных методоЕ внутрирезонаторной спектроскопии" (1986-1988 гг.), "Лазер 3.04. Исследование физических процессов в лазерах и разработка способоЕ управления параметрами генерируемого излучения" (1991-1995гг.), г также х/д № Ф29-206 "Взаимодействие электромагнитных вож оптического диапазона с динамическими резонансными системами" с Фондом фундаментальных исследований Республики Беларусь (1992-1992 гг.).

Целью настоящей работы является развитие фазово-поляризационных методов ВРЛС и их распространение на исследование одно- и двухфотонных магнито- и светоиндуцированных резонансны? поляризационных явлений в атомарных поглощающих газовых средах, выяснение закономерностей образования обусловленных таким; явлениями резонансов в спектрах генерируемого излучения, а также разработка методов, основанных на использовании подобны? резонансов, для определения оптических характеристик поглощаюцщ сред и управления параметрами генерации широкополосных лазеров.

Научная новизна полученных результатов.

Теоретически и экспериментально исследованы спектрально-энергетические характеристики излучения широкополосного лазера, содержащего в анизотропном резонаторе двухфотонно поглощащун атомарную газовую среду в продольном магнитном поле. Впервые экспериментально зарегистрирован новый нелинейны!

магнитооптический эффект - вращение намагниченной поглощающе! средой плоскости поляризации излучения на частотах двухфотонныз переходов.

-Изучено влияние анизотропии резонатора лазера ш чувствительность ВРЛС при исследовании данного эффекта. Показань возможности использования двухфотонного вращения плоскоси поляризации света для увеличения чувствительноси внутрирезонаторной лазерной спектроскопии двухквантовых переходо! и управления параметрами генерации вблизи указанных частот.

' Экспериментально и теоретически исследованы характеристик! генерации лазера на красителе, содержащего в резонаторе поглощающую среду большой оптической плотности в продольно? магнитном поле. При этом обнаружены перестраиваемые магнитнш полем резонансы мощности излучения внутри абсорбционных провалов I спектре генерации. Показано, что эти резонансы обусловлен!

вращением плоскости поляризации излучения в намагниченной среде.

Разработана методика определения оптических плотностей и концентраций сильнопоглощащих газовых сред, основанная на использовании магнитооптических резонансов в спектрах излучения лазера. Экспериментально на примере определения оптической плотности паров калия на частотах резонансного дублета при различных температурах продемонстрирована эффективность данной методики.

Экспериментально методами фазово-поляризационной ВРЛС исследованы поляризационные резонансы, индуцируемые в поглощающей среде (пары калия) сильной световой волной. Впервые при использовании таких резонансов получены сужение до 1СГ2 нм и захват (привязка) спектра генерации к линиям одно- и двухфотонного поглощения паров калия. Вообще селекция генерируемых частот в области линий двухфотонного поглощения при этом осуществлена впервые. Изучена эффективность захвата при различных поляризациях сильной волны.

Варьированием параметров поглошающей среды и анизотропии резонатора реализованы различные режимы привязки, что предложено использовать для управления спектром генерации такого лазера на частотах одно- и двухфотонных переходов.

Научная значимость полученных результатов определяется тем, что они раскрывают широкие перспективы использования высокочувствительных фазово-поляризационных методов

внутрирезонаторной лазерной спектроскопии для исследования разнообразных резонансных поляризационных явлений в поглощающих атомарных газовых средах. Так, с использованием этих методов в работе обнаружены и исследованы вращение плоскости поляризации излучения на частотах двухфотонного поглощения среды в магнитном поле, магнитооптические резонансы мощности генерации лазера, содержащего в резонаторе оптически плотную среду.

Перспективна для практического применения предложенная в работе методика определения оптических плотностей сильнопоглсщаю-щих сред.

Результаты проведенных исследований могут быть использованы для увеличения чувствительности ВРЛС двухфотонных переходов.

Предложенный метод селекции генерируемых частот в области одно- и двухфотонного поглощения среды со светоиндуцированной анизотропией может быть применен при решении ряда задач лазерной

спектроскопии и лазерной физики.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Наложение продольного магнитного поля на помещенную в резонатор широкополосного лазера сильнопоглощащую атомарную газовую среду приводит при наличии собственной линейной амплитудной анизотропии резонатора к возникновению внутри абсорбционных провалов в генерируемом спектре узких пиков генерации, расположенных парами симметрично относительно центра контура поглощения.

2. Расстояние между пиками генерации каждой пары внутри абсорбционных провалов зависит от напряженности магнитного поля и ряда спектроскопических констант исследуемой среды, что может быть использовано для определения больших (до ~10® и выше) оптических плотностей сред.

3. Наложение продольного магнитного поля на двухфотонно поглощающую среду, помещенную в резонатор широкополосного лазера, обладающего собственной линейной амплитудной и циркулярной фазовой анизотропией, приводит к асимметрии зависимости спектрально-энергетических характеристик генерируемого лазером излучения от величины фазовой анизотропии, что можно использовать для экспериментальной регистрации обусловленного магнитным полем вращения газовой средой плоскости поляризации излучения на частотах двухфотонного поглощения.

4. Резонансная анизотропия, индуцируемая сильной электромагнитной волной в поглощающей среде, помещенной в анизотропный резонатор широкополосного лазера, может использоваться для эффективного управления параметрами генерации такого лазера на частотах одно- и двухфотонного поглощения среды.

Личный вклад соискателя. Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. Научные руководители А.П.Войтович и В.В.Машко сформулировали и поставили задачу исследований, оказывали методическую помощь при ее выполнении, участвовали в обсуждении результатов исследований. А.Ч.Измайлову принадлежит расчет компонент тензора восприимчивости поглощающей среды и участие в обсуждении результатов исследований, проведенных в работах [2,3,9,11]. Другие соавторы занимались изучением вопросов, не вошедших в настоящую диссертацию.

Апробация результатов диссертации. Результаты изложенных в диссертации исследований докладывались на X Международной

Вавиловской конференции по нелинейной оптике (г. Новосибирск, 1990), 25 конференции Е.С.А.Б. (г. Каен, Франция, 1993), VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (г. Ленинград, 1990), на I рабочем совещании "Нелинейные и когерентные эффекты в методе внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС)" (г. Кировоград, 1988) и Втором всесоюзном совещании по нелинейным и когерентным эффектам во внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (г. Ленинград, 1991), на II Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров" (г. Харьков, 1990), а также на Республиканской конференции молодых ученых по физике (г. Минск, 1984), III Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов (г. Ленинград, 1988), IX Республиканской конференции молодых ученых (г. Вильнюс, 198Э), X Республиканской конференции молодых ученых "Квантовая электроника и спектроскопия" (г. Паланга, 1990), II Межреспубликанской школе-семинаре молодых ученых (г. Минск, 1990) и Республиканской конференции молодых ученых по квантовой электронике (г. Минск, 1994).

Результаты исследований опубликованы в восьми статьях, одном препринте и семи тезисах докладов конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, выводов и списка использованных источников. Объем диссертации составляет 123 страницы, в том числе 75 страниц текста, 33 иллюстрации, 15 страниц списка использованных источников, включающего 148 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во ВВЕДЕНИИ и ОБЩЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ РАБОТЫ обосновываются необходимость исследований, актуальность темы диссертации, излагаются научная новизна и практическая значимость полученных результатов, формулируются цель исследования и основные положения, выносимые на защиту.

ГЛАВА I посвящена обзору литературы по теме диссертации, в котором рассмотрены основы метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, внутрирезонаторные методики изучения поляризационных явлений, а также отражено развитие исследований

магнитооптических и светоиндуцированных поляризационных резонансов внутри- и внерезонаторными способами.

В ГЛАВЕ 2 рассматриваются экспериментально обнаруженные резонансы в спектре генерации широкополосного лазера, содержащего в резонаторе сильнопоглощающую газовую среду в продольном магнитном поле.

В 2.1.1. описывается внутрирезонаторная установка для исследования сильнопоглощающих сред, основой которой являлся широкополосный лазер на красителе с лазерной накачкой, в резонатор которого помещалась поглощащая среда в продольном магнитном поле. Поглощающей средой в экспериментах являлись пары калия. Резонатор лазера обладал собственной линейной амплитудной анизотропией. В зависимости от задач эксперимента в резонатор иногда вносилась дополнительная циркулярная фазовая анизотропия, создаваемая несзлективным фарадеевским элементом.

В 2.1.2. приводятся результаты экспериментального исследования спектра генерации описанного лазера. При значительных концентрациях поглощающих паров (оптическая плотность к1»1) и при наличии магнитного поля в среде внутри существенно уширенных абсорбционных провалов на частотах линий резонансного поглощения калия 4-г2^г-4гР1уг (х=769,Э нм) и 4251Л,-42Р^2 (х=766,49 нм ) были обнаружены узкие пики генерации. Интенсивность, положение и число этих пиков определялись концентрацией N поглощающих атомов и напряженностью Я магнитного поля. Два пика, как правило различной интенсивности, были симметрично отстроены от центральной частоты перехода. С ростом N и Н расстояние между пиками увеличивалось, они становились более интенсивными. При дальнейшем повышении концентрации паров и напряженности магнитного поля с внутренней стороны от наблюдаемых пиков появлялись еще два, а иногда и более, также симметрично отстроенных от центра перехода, но обычно меньшей интенсивности.

В качестве наиболее вероятной причины появления резонансов предполагается изменение потерь резонатора вследствие поворота плоскости поляризации лазерного излучения в намагниченной среде. Резонансы возникают на двух частотах на крыльях контура поглощения, где фарадеевский поворот Ф плоскости поляризации излучения в парах калия равен т/2 (независимо от знака поворота). Это обусловлено тем, что для используемой установки потери резонатора при этом минимальны. Если усиление достаточно велико,

то могут возникать еще два резонанса на частотах, более близких к центру контура поглощения. В общем случав необходимое условие получения резонансов имеет вид ф=ш/2, п=1,2,3,... Проведение экспериментальные исследования характеристик генерации лазера с амплитудно-изотропным резонатором, а также с амплитудно-анизотропны}« резонатором при наличии в резонаторе дополнительного нерезонансного фарадеевского вращателя, создающего неселективную циркулярную фазовую анизотропию, подтвердили верность сделанного предположения.

В 2.2. проводится расчет спектра энергетических потерь резонатора рассматриваемого лазера вблизи частот резонансного дублета калия. Используется метод на основе формализма матриц Джонса, хорошо зарекомендовавший себя при вычислении поляризационных и энергетических характеристик лазеров, обладающих анизотропией различного вида.

Выбраны исходные данные расчета, примерно соответствующие условиям проведения эксперимента. В ходе расчета получается выражение для угла ф поворота плоскости поляризации генерируемого излучения на частоте к

*=У (I)

где

к0- ненасыщенный коэффициент поглощения на центральной частоте нерасщепленного контура;

1- длина поглощащей среды;

Х=ь>-ио;

»0- центральная частота перехода 431х2-4Р1/г;

д£ э- зеемановскоэ расщепление линии. Здесь индекс "I" относится к переходу 45 -41^ (\=769,9 нм) калия, на котором наблюдается простой эффект Зеемана. Индексы "2" и "3" относятся к зеемановским компонентам линии с х=766,49 нм, расщепляющейся в продольном магнитном поле на две пары компонент;

У1 .-однородная ширина линий переходов 431хг-4Р1х2 и 4Б -4-Р на половине высоты.

Производится сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными, что позволяет полностью подтвердить изложенную выше интепретацию возникновения экспериментально обнаруженных резонансов.

Поскольку угол поворота плоскости поляризации однозначно

связан с оптической плотностью поглощающей намагниченной атомарной среды, обсуждаемые резонансы предлагается использовать для определения оптических плотностей сильнопоглощающих сред. В 2.3. разрабатывается соответствующая методика. Из (I) с учетом того, что ф=ш/2 (условие возникновения резонансов), получается

(2)

где

п -номер пары резонансов, отсчитываемый от внешней по отношению к центру линии.

Отстройка х резонанса от центра перехода, определяемая экспериментально, равна половине расстояния мевду пиками одной пары. Величины 2 э и у легко рассчитать, зная напряженность магнитного поля в поглощающей среде и температуру газа. В качестве иллюстрации применения данной методики приводится пример определения концентрации паров калия вплоть до ~1010 см~э (оптическая плотность на частоте Г>2-линии калия ко1=220000) Отмечается, что подобные значения ко1 не являются предельными для предложенной методики и ограничиваются лишь шириной генерируемого спектра.

ГЛАВА 3 посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию резонансного вращения плоскости поляризации света на частотах двухфотонного поглощения атомарной газовой средой в магнитном поле.

В 3.1. описывается известная методика расчета поляризационных характеристик двухфотонно поглощающей среды в продольном магнитном поле. Приводятся общие выражения для компонент тензора восприимчивости, а также их значения для конкретного случая паров калия, необходимые для расчета параметров генерации лазера с подобной средой в резонаторе.

В 3.2. рассматриваются возможности применения для исследования двухфотонных магнитооптических резонансов метода фазово-поляризационной ВРЛС и извлечения из энергетических, частотных и поляризационных характеристик генерации лазера информации о магнитооптических явлениях (циркулярном дихроизме и двулучепреломлении, изменении нелинейных свойств среды под действием магнитного поля).

Метод основан на помещении среды, имеющей резонансную анизотропию определенного вида, в. резонатор лазера, обладающий собственной анизотропией с несовпадающим базисом. В этом случае,

т.е. при несовпадении базисов анизоропии поглощающей среда и резонатора, обе части (и действительная, и мнимая) поляризуемости среды дают вклад и в частотные, и в энергетические параметры излучения лазера. Кроме того, вращение плоскости поляризации света в поглощающей среде приводит к изменению поляризации излучения на частотах поглощения. Таким образом, все характеристики генерации лазера несут информацию о магнитооптических эффектах в поглощающей среде. При экспериментальном исследовании магнитооптических поляризационных явлений методами ВРЛС во многих случаях бывает гораздо более удобно извлекать информацию из энергетических, а не поляризационных характеристик генерации, так как проведение тонких поляризационных измерений с излучением, поляризация которого в значительной степени отличается от линейной (что характерно для реальных лазеров), затруднительно.

Применительно к рассматриваемому случаю и с учетом того, что продольное магнитное поле индуцирует в среде анизотропию с круговым собственным базисом, выбирается линейный собственный базис резонатора лазера, что достигается внесением в первоначально изотропный резонатор линейного поляризатора. Рассматривается и более общий случай, когда резонатор содержит дополнительный нерезонансный фазовый элемент, создающий циркулярную анизотропию. Изменяя параметры резонатора, можно выделять вклады мнимой и действительной частей поляризуемости среды (т.е. соответственно эффектов Зеемана и поворота плоскости поляризации) в интенсивность излучения лазера на частотах поглощения. Вклад резонансного вращения плоскости поляризации в энергетические характеристики генерации максимален при приблизительном равенстве величин амплитудной и фазовой анизотропии резонатора.

В 3.3. проводится расчет спектрально-энергетических и поляризационных характеристик излучения широкополосного лазера, содержащего в анизотропном резонаторе намагниченную двухфотонно поглощающую атомарную газовую среду, в приближениях простого и сложного эффектов Зеемана на двухфотонном переходе калия 4251^г-42В3/,2. Для расчета применен матричный метод Джонса. При определении матрицы поглощающей среды используются выражения для компонент восприимчивости, приведенные в 3.1. Расчитываются энергетические потери резонатора й, угол поворота ф плоскости поляризации излучения, обусловленный наличием поглощающей среды в резонаторе и равный *=*-», где »- угол, который образует вектор

напряженности шля генерируемого излучения с фиксированной осью, ортогональной направлению его распространения, при наличии среда в резонаторе, «0- такой угол в отсутствие среды, а также величина Б, равная контрастности абсорбционного провала в спектре генерации на частоте, участвующей в двухфотонном переходе, пронормированной к ее значению в отсутствие магнитного поля. Последний параметр особенно удобно рассматривать при изучении влияния на характеристики указанного провала магнитного поля в поглощающей среде, так как он непосредственно показывает, как это поле изменяет глубину провала. В используемом приближении величина Б равна

И-к

&=-—, (3)

К=о~К

где

&о- потери резонатора без учета поглощения;

йн=0- потери в отсутствие магнитного шля в среде.

Проведен расчет спектральных зависимостей угла При

относительно малых значениях напряженности магнитного поля в спектре на частоте двухфотонного перехода появляется узкий резонанс с шириной порядка г. С ростом напряженности В этот резонанс расщепляется па несколько спектральных компонент. В случае простого эффекта Зеемана имеют место две компоненты. При этом, в отличие от случая однофотонного перехода, линия двухфотонного поглощения расщепляется не на две, а на три компоненты. Две крайние соответствуют переходам с участием волн с одинаковыми, а центральная - с ортогональными круговыми поляризациями. В случае сложного эффекта Зеемана число компонент определяется магнитной структурой нижнего и верхнего уровней. Для перехода 4231/2-42Бэ/2 калия спектр угла * цредставлен четырьмя компонентами.

Наличие поляризационного резонанса на частоте двухфотонного перехода приводит к тому, что зависимость параметра 3 от от напряженности магнитного поля Н, первоначально симметричная относительно оси ординат, становится асимметричной в присутствии в резонаторе дополнительного неселективного поворота Фо плоскости поляризации излучения. Асимметричной при наличии поляризационного резонанса становится также зависимость 3(<^0).

Асимметрию функций 5(Фо) и Б (Я) относительно оси ординат

предлагается использовать для экспериментального установления факта резонансного поворота плоскости поляризации на частоте двухфотонного перехода в намагниченной среде.

В 3.4. излагаются результаты экспериментального исследования спектров генерации лазера на красителе с помещенной внутрь анизотропного резонатора намагниченной атомарной двухфотонно поглощающей газовой средой. Полученная в экспериментах зависимость Б(фо) имеет предсказанный в предыдущем разделе асимметричный вид, что позволяет сделать однозначный вывод о наличии резонансного вращения плоскости поляризации света на частотах, участвующих в двухфотонном поглощении, под действием магнитного поля. Рассматриваются проявления таких поляризационных резонансов в различных условиях.

Оцениваются перспективы применения обнаруженных двухфотонных магнитооптических резонансов для увеличения чувствительности ВРЛС и управления спектром генерации лазеров.

ГЛАВА 4 посвящена изучению методами фазово-поляризационной ВРЛС светоиндуцированных поляризационных резонансов на частотах одно- и двухфотонного поглощения помещенной в кольцевой резонатор широкополосного лазера атомарной газовой среды (пары калия).

В 4.1. обсуждается внутрирезонаторная методика экспериментального исследования светоиндуцированных одно- и двухфотонных поляризационных резонансов. Предлагается использовать режим привязки генерируемого спектра к частоте поляризационного резонанса, удобный при рассмотрении поглощающих сред с большими значениями оптической плотности. В резонатор широкополосного лазера с рассматриваемой резонансно-анизотропной средой вносится дополнительная нерезонансная анизотропия, такая, что обусловленные ею неселективный потери резонатора приводят к срыву генерации в пределах всего контура усиления за исключением тех частот, где резонансная анизотропия среды'компенсирует-анизотропию" резонатора. При работе лазера в таком режиме подавляется широкий спектр генерации и остаются лишь узкие линии генерации на частотах светоиндуцированных поляризационных резонансов.

В 4.2. описываются результаты экспериментов с кольцевым лазером на красителе, содержащим в резонаторе поглощающую ячейку с парами калия. Накачка красителя осуществлялась моноимпульсным излучением рубинового лазера. Часть этого излучения (сильная волна) отводилась делительным зеркалом, усиливалась,

трансформировалась по поляризации с помощью фазовой пластинки и фокусировалась в поглощающей ячейке. Таким образом индуцировалась анизотропия паров калия на определенных частотах. Трехзеркальный кольцевой резонатор лазера на красителях обладал собственной фазовой анизотропией, эквивалентной анизотропии полуволновой пластинки. Кроме того, поляризаторы (призма Глана и поляроидная пленка) вносили в резонатор амплитудную анизотропию. При ориентации осей максимального прорпускания обоих поляризаторов нормально или параллельно плоскости резонатора лазер генерировал излучение в широком (~20 нм) спектральном интервале. При развотроте осей поляризаторов в противоположных направлениях до углов ±п/4 (поляризаторы скрещены между собой) возникали большие дополнительные неселективные потери резонатора, приводившие к уменьшению мощности генерации во всей области усиления красителя вплоть до ее полного подавления.

Сильная волна индуцировала анизотропию паров калия на линиях однофотонного и двухфотонного поглощения. В результате слабая волна (излучение лазера на красителе), первоначально линейно поляризованная, при прохождении поглощающей кюветы испытывала резонансное изменение поляризации и на выходе приобретала эллиптичность. При этом система скрещенных поляризаторов начинала пропускать часть излучения и генерация осуществлялась в виде узких спектральных пиков (шириной порядка 10"2 - 10"1 нм) на соответствующих частотах. Интенсивность, ширина и спектральное положение генерируемых пиков определялись поляризацией и интенсивностью сильной волны, а также концентрацией атомов калия и давлением буферного газа.

При варьировании перечисленных параметров были осуществлены различные режимы привязки: генерация на Д2-линии однофотонного поглощения 4г^г-42Рвуг; генерация на обеих I»-линиях резонансного дублета; генерация на линии двухфотонного поглощения 4251/2-б231/2; одновременная генерация на частотах однофотонного 4231/2-42Рэ/2 и двухфотонного 42Б1/2-6231/2 переходов; генерация излучения в спектральном интервале мевду линиями однофотонного и двухфотонного поглощения. В последнем случае ширина генерируемого узкополосного излучения составляла ~1 нм.

В 4.3. по методике, аналогичной использованной в главе 3 при исследовании двухфотонных магнитооптических поляризационных резонансов, проводится расчет спектрально-энергетических

характеристик излучения, генерируемого рассматриваемым лазером, на частотах двухфотонного поглощения калия на переходе 4г31/2-6231х2. Результаты расчета сравниваются с экспериментальными данными. Обсуждаются механизмы возникновения резонансов.

В 4.4. рассматриваются перспективы использования изучаемых светоиндуцированных резонансов для эффективной селекции частот генерации широкополосных лазеров вблизи линий одно- и двухфотонного поглощения сред, что может быть использовано при решении некоторых задач лазерной спектроскопии и лазерной физики.

ВЫВОДЫ

Проведенные в диссертации экспериментальные и теоретические исследования резонансных поляризационных явлений методами фазово-поляризационной ВРЛС позволяют сделать следующие выводы.

1. Метод фазово-поляризационной внутрирезонаторной лазерной спектроскопии является универсальным и эффективным инструментом изучения ряда поляризационных эффектов в атомарных газовых средах. Его различные варианты позволяют исследовать многие конкретные объекты. С применением методики абсорбционных провалов в спектре генерации (используемой при малых оптических плотностях поглощающих сред) было изучено резонансное вращение плоскости поляризации излучения на частотах двухфотонного поглощения намагниченной атомарной среды (глава 3). При исследовании светоиндуцированных поляризационных резонансов, когда оптическая плотность среды к1~1, применялась методика привязки спектра генерации к частотам рассматриваемых резонансов (глава 4). Для изучения сильнопог лощащих сред (Ю.»1) применена методика с использованием Характеристик пиков мощности генерации, возникающих при определенных условиях внутри абсорбционных провалов (глава 2).

2. Методика фазово-поляризационной ВРЛС позволяет увеличить чувствительность двухфотонных абсорбционных внутрирезонаторных исследований. С ее помощью удалось впервые экспериментально зарегистрировать резонансное вращение плоскости поляризации' света на частотах двухфотонного перехода в намагниченной атомарной газовой среде.

3. Магнитооптическое вращение плоскости поляризации света сильнопоглощающей атомарной газовой средой приводит при помещении подобной среды в обладающий линейной амплитудной анизотропией

резонатор широкополосного лазера к возникновению пиков мощности внутри абсорбционных провалов на частотах резонансных переходов в спектрах излучения лазера. Условием ■ возникновения резонансов является кратность угла такого вращения на соответствующих частотах величине n/Z.

4. Расстояние между пиками при прочих постоянных параметрах однозначно определяется оптической плотностью поглощающей среды. Это обстоятельство можно использовать для определения концентраций сильнопоглощающих сред. Разработана и апробирована внутрирезонаторная методика, позволяющая определять оптические плотности ~2-ICf и выше.

5. Анизотропия поглощения и дисперсии, индуцируемая сильной электромагнитной волной в атомарной среде, обуславливает такое резонансное изменение поляризации проходящего через эту среду излучения, что при помещении последней в кольцевой лазер со специальной анизотропией резонатора спектр генерации лазера сужается и локализуется вблизи частот одно- и двухфотонных линий поглощения.

6. Зависимости спектрально-энергетических характеристик светоиндуцированных резонансов мощности генерации от интенсивности и поляризации сильной волны, параметров среды и анизотропии резонатора позволяют достаточно просто реализовывать различные режимы селекции генерируемых частот вблизи линий одно- и двухфотонного поглощения. Это делает такие резонансы перспективными для решения задач управления спектром генерации широкополосных лазеров с целью создания специальных источников излучения, необходимых для решения некоторых задач лазерной спектроскопии и лазерной физики.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л., Костик O.E. Характеристики излучения лазеров на красителях с лазерной накачкой при управлении спектром генерации фазово-поляризационным способом // Квант, электрон.- 1987.- Т. 14, » II.- С. 2224-2230.

2. Влияние магнитного поля на спектры двухфотонного поглощения, регистрируемые методом'внутрирезонаторной спектроскопии / А.П. Войтович, А.Ч. Измайлов, O.E. Костик, В.В. Машко // Опт. и

спектроск.- 1989.- Т. 66, вып. 3.- С. 543-549.

3. О возможностях исследования двухфотонных магнитооптических явлений методами внутрирезонаторной спектроскопии / A.n. Войтович, А.Ч. Измайлов, O.E. Костик, В.В. Машко // ЖПС.~ I99Q.- Т. 52, вып. 6.- С. 925-930.

4. Войтович А.П., Костик O.E., Машко В.В. Сужение и захват спектра генерации широкополосного лазера к одно- и двухфотонным линиям поглощения среды со светоиндуцированной анизотропией // Квант, электрон.- 1990.- Т. 17, а 7.- С. 912-913.

5. Войтович А.П., Костик O.E., Машко В.В. Резонансы в спектре генерации широкополосного лазера, содержащего в резонаторе сильно поглощающую атомарную среду в магнитном поле // Квант, электрон.- 1992.- Т. 19, » 5.- С. 476-478.

6. Войтович А.П., Костик O.E., Машко В.В. Магнитооптические резонансы в спектре генерации широкополосного лазера с сильно поглощащей средой и их использование для определения больших оптических плотностей // Квант, электрон.- 1993.- Т. 20, Я 3.-С. 289-292.

7. Тепляшин Л.Л., Костик O.E. Исследование частотных характеристик излучения лазера на красителе с лазерной накачкой и фазово-поляризационным сужением спектра генерации // Сб. Материалы Республиканской конференции молодых ученых по физике (Минск, 21-23 июня 1984 г.).- Минск: Университетское, 1986.- Ч. I.- С. 104-106.

8. Костик O.E. Привязка спектра генерации широкополосного лазера к линии двухфотонного поглощения калия // Сб. Материалы II Межреспубликанской школы-семинара молодых ученых.- Минск, 1990.- С. I2I-I23.

9. Измайлов А.Ч., Костик O.E., Машко В.В. Проявление двухфотонных магнитооптических резонансов в спектрах внутрирезонаторного поглощения света атомарными газовыми средами.- Препринт J6 534 / Ин-т физики АН БССР.- Минск, 1989.- 26 с.

10. Костик O.E. Магнитооптические эффекты в методе внутрирезонаторной спектроскопии двухквантовых переходов // III Всесоюзная конф. мол. ученых и специалистов: Тез. докл. конф.- Ленинград, 1988.- С. 218-219.

11. Регистрация двухфотонного вращения плоскости поляризации излучения в намагниченной газовой среде по спектрам

внутрирезонаторного поглощения / А.П. Войтович, А.Ч. Измайлов, O.E. Костик, В.В. Машко // I рабочее совещание "Нелинейные и когерентные эффекты в методе ВРЛС": Тез. докл. конф.-Кировоград, 1988.- С. 33-34.

12. Костик O.E. Энергетические и поляризационные характеристики генерации широкополосного лазера, содержащего в резонаторе намагниченную двухфотонно поглощающую среду // IX Республиканская конф. мол. ученых: Тез. докл. конф.- Вильнюс, 1989.- С. 65.

13. Войтович A.n., Костик O.E., Машко В.В. Использование одно- и двухфотонных светоиндуцированных поляризационных резонансов в атомных спектрах для селекции и привязки частот генерации широкополосного лазера // II Всесоюзная научн.-техн. конф. "Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров": Тез. докл. конф.- Харьков, 1990.- С. 24-25.

14. Войтович А.Ц., Костик O.E., Машко В.В. Управление параметрами излучения широкополосного лазера на частотах одно- и двухфотонного поглощения размещенной в резонаторе среды // VI Всесоюзная конф. "Оптика лазеров": Тез. докл. конф.-Ленинград, 1990.- С. 423.

15. Войтович А.П., Костик O.E., Машко В.В. Светоиндуцированные одно- и двухфотонные резонансы в методе ВРЛС при исследовании паров калия // Второе всесоюзн. совещание по нелинейным и когерентным эффектам во внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. 25-28 июня 1991 г.: Тез. докл. конф.-Ленинград, 1991.- С. 24.

16. An lntracavity laser spectroscopy of atomic absorbing mella with the use of spectral peaks In a broad-band lasers emission / A.P. Voitovich, O.E. Kostik, V.Y. Maschko, A.Ya. Smirnov, L.P. Runets // 25 th E.G.A.S. Conference. Caen 13-16 July 1993: Abstracts. "Europhyslcs Conference Abstracts". 17D. European Physical Society.- Caen, 1993.- P. P1-052.

РЕЗЮМЕ. Костик Олег Евстафьевич. ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНО- И ДВУХФОТОННЫХ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ РЕ30НАНС0В В АТОМНЫХ СПЕКТРАХ МЕТОДОМ ВНУТРИРЕЗО-НАТОРНОИ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ.

Поляризация, анизотропия, спектр, резонатор, лазер, спектроскопия, магнитооптический, двухфотонный, светоиндуцированный.

Экспериментально и теоретически методом фазово-поляризацион-ной внутрирезонаторной лазерной спектроскопии исследован ряд поляризационных резонансов в атомарной газовой среде (парах калия), а именно: магнитооптическое вращение плоскости поляризации света на частотах двухфотонных переходов, магнитооптические резонансы дисперсии при большой оптической плотности среды (к1»1), одно- и двухфотонные поляризационные резонансы, индуцированные в среде интенсивной электромагнитной волной.

Впервые экспериментально зарегистрирован новый нелинейный магнитооптический эффект - вращение намагниченной поглощающей средой плоскости поляризации излучения на частотах двухфотонных переходов .

Обнаружены перестраиваемые магнитным полем резонансы мощности излучения внутри абсорбционных провалов в спектре внутрирезона-торного поглощения генерации лазера на красителе намагниченной средой большой оптической плотности. Показано, что эти резонансы обусловлены вращением плоскости поляризации излучения в намагниченной среде. Предложена матодика.использования данных резонансов для определения оптических плотностей и концентраций сильно-поглощающих газовых сред.

Впервые при использовании поляризационных резонансов, индуцированных в поглощающей среде сильной световой волной, получены сужение до Ю~2 нм и захват (привязка) спектра генерации к линиям одно- и двухфотонного поглощения калия. Реализованы различные режимы привязки, что предложено использовать для управления спектром генерации такого лазера на частотах одно- и двухфотонных переходов.

РЭЗЮМЭ. Косщк Алег Еустаф'ев!ч. ДАСЛЕДАВАННЕ АДНА- I ДВУХФАТОННЫХ ПАЛЯРЫЗАЦЩНЫХ РЭЗАНАНСАУ У ДТАМНЫХ СПЕКТРАХ МЕТАДАМ УНУТРЫРЭЗАНА-ТАРНАЙ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРАСКАП1I.

Палярызацыя, ан!затрап!я, спектр, рэзанатар, лазер, спектраскаШя, магн!тааптычны, двухфатонны, святло1ндуцыраваш.

Эксперыментальна 1 тэарэтычна метадам фазава-палярызацыйнай унутрырэзанатарнай лазерная спектраскаШ1 даследаваны шэраг паля-рызацыйных рэзанансау у атамарным газавым асяроддз! (парах кал!ю), а менав!та: магн!тааптычнае вярчэнне плоскасц! палярызацы! святла на часц!нях двухфатонных пераходау, магн!тааптычныя рэзанансы дас-персИ пры вял!кай аптычнай шчыльнасц! асяроддзя (к1»1), адна- 1 двухфатонныя палярызацыйныя рэзанансы, як!я 1ндуцыраваны У асяроддз! электрамагн!тнай хваляй.

Упершыню эксперыментальна быУ зарэпстраваны новы нел!нейны магн!тааптычны эфект - вярчэнне намагн!чаным паглынаючым асярод-дзем плоскасц! палярызацы! выпраменьвання на часц!нях двухфатонных пераходау.

Был! выяУлены перастройваемыя магн!тным полем рэзанансы магутнасц! выпраменьвання Унутры правалау паглынання У спектрах генерацыI лазера на фарбавальн1ках з намагн!чаным асяродцзем вял!кай аптычнай шчыльнасц! У рэзанатары. Паказана, што гэтыя рэзанансы абумоулены вярчэннем плоскасц! палярызацы! выпраменьвання у намагн!чаным асяроддз!. Была прапанавана методика выкарыстан-ня дадзеных рэзанансау для вызначэння аптычных шчыльнасцей 1 канцэнтрацый моцнапаглынаючых газавых асяроддзяу.

Упершыню пры выкарыстанн! палярызацыйных рэзанансау, як!я !ндуцыраваны у паглынаючым асяроддз! моцнай светлавой хваляй, атрымана лакал!зацыя спектра генерацы! да л!н!й адна- 1 двухфатон-нага паглынання кал!ю. Был! рэал!заваны розныя рэкымы селекцы!, што прапанавана выкарыстоуваць для к!равання спектрам генерацы! такога лазера на часЩнях адна- 1 двухфатонных пераходау.

SUMMARY. Kostik Oleg Evstaf'evich. INVESTIGATION OF ONE- AND TWO-PHOTON POLARIZATION RESONANCES IN ATOMIC SPECTRA BY INTRACAVITY LASER SPECTROSCOPY METHOD.

Polarization, anisotropy, spectrum, resonator, laser, spectroscopy, magnetooptical, two-photon, light-induced.

A number of resonant polarization effects have been investigated experimentally and theoretically by phase-polarization intracavity laser spectroscopy method. These effects are: magnetooptical light polarization plane rotation on two-photon transitions frequencies; magnetooptical dispersion resonances at high optical density of the medium (kl»1); strong electromagnetic field-induced one and two-photon polarization resonances.

A new nonlinear magnetooptical effect, namely: light polarization plane rotation In magnetized absorbing medium on one-and two-photon transitions frequencies, have been experimentally registered for the first time.

Tuneable by the magnetic field generation power resonances have been discovered inside absorption dips in generation spectrum in the presence of magnetized high optical density absorbing medium in laser resonator. A method of determination of optical densities and concentrations of strongly absorbing gas media have been proposed.

Light-induced polarization resonances have been used for narrowing up to 10"2 nm and locking of generation spectrum to one-and two-photon atomic absorption lines. Various regimes of generation frequency selection have been realized.