Исследование явления конденсации спектра изучения и его роль в лазерной спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

I. На правах рукопщ

СЛВИКИН Александр Павлович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ КОНДЕНСАЦИИ СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЯ И ЕГО РОЛЬ В ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Специальность 01.04.03 — Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород 1998

Работа выполнена на радиофизическом факультете Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Научный руководитель:

кандидат физ.-мат.наук В. Б. Цареградский

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Ю.М. Сорокин кандидат физико-математических наук Л.Л. Будкин

Ведущая организация — Институт Прикладной Физики РАН.

Защита состоится " ' " ] 998 г. в ^ Касса

на заседании диссертационного Совета Д 063.77.09 в Нижегородском

государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп. 4, ауд. _

г-лг

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского Государственного Университета им. Н.И. Лобачевского.

- ^ - Сен^аиУ

Автореферат разослан "_ У " Се^УУ^^ 1998 г.

Ученый секретарь специализированного Совета , кандидат физ.-мат. наук, доцент (У _В.В. Черепенников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Работа относится к области внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС). В широкополосном варианте метода ВРЛС информацию об исследуемом объекте получают, анализируя форму и интенсивность контура линий поглощения (провалов в спектре генерации лазера на месте линий поглощения). Высокая чувствительность спектра излучения к внесенным частотно-зависимым потерям, быстрота проведения анализа определили широкое применение внутрирезонаторного метода при исследовании слабо поглощающих сред. В период формирования метода экспериментально было зарегистрировано увеличение выходной интенсивности лазерного излучения в спектральных областях, соответствующих линиям поглощения газообразной среды, помещенной внутри резонатора широкополосного лазера [1]. В некоторых случаях спектр излучения лазера схло-пывался до узких линий, спектральное положение которых с той или другой стороны относительно центра линии поглощения, имело непредсказуемый характер. Данное явление, привлекшее внимание многих исследователей, получило впоследствии название конденсации спектра излучения (КСИ). Для объяснения эффекта конденсации были предложены различные физические механизмы, но природа этого явления окончательно не выяснена [2]. Предлагаемые модели явления КСИ требуют подчас совершенно противоположных условий эксперимента, что диктует необходимость вновь вернуться к анализу этого явления.

Целью работы явилось выяснение физических причин, приводящих к конденсации спектра излучения; исследование спектральных особенностей явления; возможности устранения КСИ или его использования в спектроскопии, а также для управления спектром генерации широкополосного лазера.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые механизм конденсации рассмотрен с позиций анализа устойчивости конфигурации резонатора с частотно-зависимой внутрирезонаторной линзой.

2. Выявлены спектральные особенности конденсации, одна из которых состоит в том, что кроме увеличения интенсивности излучения, на противоположном крыле линии поглощения в спектре генерации лазера происходит уменьшение интенсивности, дополнительное к абсорбционному. Тем самым, расширено понятие явления КСИ.

3. Обнаружена зависимость спектрального проявления КСИ от расположения селективно поглощающей газоразрядной ячейки внутри резонатора. Показано, что юстировка резонатора (угловое вращение зеркал) обуславливает воспроизводимость спектрального положения конденсированной линии.

4. Впервые в широкополосном варианте ВРЛС применен метод скрещенных дисперсий дифракционного монохроматора и многолучевого интерферометра. Это позволило исследовать контур доплеровски уширенных линий поглощения в условиях широкополосной генерации и проводить количественные измерения параметров линий.

5. Проведенный анализ чувствительности ВРЛС при наносекундных длительностях генерации от лазерных параметров выявил ее зависимость от соотношения длин лазерной и поглощающей сред.

6. Исследовано влияние тепловых эффектов, наводимых в лазерной среде под действием накачки, на явление КСИ.

7. Сформулировано понятие нового типа селектора частоты широкополосного лазера, образованного двумя внутрирезонаторными линзами, одна из которых селективная, приводящая к явлению КСИ, а другая неселективная с изменяющимися параметрами.

8. Разработанная модель конденсации на основе частотно-зависимой поглощающей внутрирезонаторной линзы объясняет большинство спектральных эффектов КСИ, как в проведенных нами, так и в экспериментах других исследователей.

Практическая ценность. Зависимость спектра лазерного излучения от характеристик поглощающей среды вблизи резонансных линий предполагает возможность использования КСИ в спектральном анализе. В ряде случаев это может быть несколько предпочтительнее, чем измерение относительной глубины провалов внутрирезонаторным методом, поскольку величина накачки не оказывает заметного влияния на спектральное положение линии конденсации. Знание причин КСИ, правильное понимание механизма явления необходимо для оценки влияния конденсации, либо его устранения, при проведении количественного анализа. Так как при конденсации происходит привязка частоты генерации к квантовым переходам в поглощающей среде, то возможно использование явления КСИ для стабилизации частоты генерации лазера. Исследование закономерностей явлений, вызываемых в квантовом генераторе поперечными градиентами показателя преломления внутрирезонаторной среды, как селективного, так и неселективного характера, потенциально значима для волоконной технологии. 2

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах кафедры квантовой радиофизики, Научных конференциях ННГУ по радиофизике, конференции "Вопросы стабилизации частоты" Горький, 1985, семинаре по аналитической химии, Северодонецк, 1986, семинаре " Диагностическое применение лазеров и волоконной оптики", Волгоград, 1986.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 научных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения; содержит 131 стр. текста, 7 таблиц, 67 рисунков. Библиография состоит из 145 наименований.

На защиту выносятся:

1. Теоретический анализ и экспериментальное исследование чувствительности метода ВРЛС в импульсном (10 не) режиме генерации ОКГ.

2. Предложенная методика регистрации внутрирезонаторных спектров исследуемого вещества по схеме скрещенных дисперсий многолучевого интерферометра и дифракционного монохроматора.

3. Экспериментальное исследование влияния тепловой линзы, наводимой в лазерной среде излучением накачки, на спектральные характеристики явления конденсации спектра излучения (КСИ) широкополосного лазера вблизи узких линий поглощения исследуемого вещества, помещенного внутри резонатора.

4. Расчет конфигурационных параметров резонатора с учетом влияния тепловой линзы.

5. Доказательство обусловленности явления КСИ спектральной зависимостью величины дифракционных потерь резонатора лазера с поперечно неоднородным исследуемым веществом.

6. Сформулированный принцип селектора частоты на базе двух внутрирезонаторных линз.

7. Исследование явления КСИ в импульсных лазерах на красителях и твердотельном лазере на кристалле Тьсапфира.

8. Формулировка расширенного понятия явления КСИ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы основные поставленные задачи, представлены методы их решения и краткое изложение содержания работы.

В Первой Главе проводится анализ различных моделей явления конденсации. В первых публикациях, посвященных обсуждению конденсации спектра излучения [3], данное явление связывали с работой лазера в режиме синхронизации мод. Наблюдаемые спектральные особенности объяснялись дисперсией или изменением групповой скорости световых импульсов вследствие квантовых переходов, селективно поглощающей атомарной среды. Несколько позже был предложен другой механизм [4]. Причиной конденсации считали дифракцию на светоиндуцирован-ной решетке показателя преломления поглощающего вещества. Авторы работ [5] вернулись к объяснению КСИ явлением синхронизации фаз продольных мод резонатора при периодической модуляции коэффициента усиления активной среды. Однако проявление конденсации в лазерах, работающих и в других режимах генерации, как в импульсном, так и в непрерывном, потребовало поиска другого механизма. Так, в [6] конденсацию объясняли коллективным характером взаимодействия излучения с атомарной средой. Населенность поглощающей среды испытывает в связи с этим малые колебания. Соответственно, изменяется рефракция поглощающей среды, что, в свою очередь, может привести к фазовой модуляции всех мод лазера с частотой коллективных колебаний. Данный механизм требует выполнения условия, при котором концентрация поглощающих атомов должна быть выше числа фотонов. Тем не менее, конденсацию наблюдали и в тех случаях, когда интенсивность излучения в резонаторе значительно превышала интенсивность насыщения. Поэтому был предложен нелинейный механизм КСИ. Большая интенсивность излучения приводит к нелинейному резонансному эффекту Керра [7], либо к изменению населенностей возбужденного состояния вещества, или к сдвигу уровней в результате динамического эффекта Штарка [8]. В столь разнообразных экспериментальных условиях общим является поглощающая среда, вблизи резонансных линий которой и происходят спектральные изменения лазерного излучения. Если по какой-либо причине плотность населенности нижнего уровня поглощающего перехода среды в ячейке имеет радиальное распределение, например, квадратичное, то такая среда может обладать свойствами частотно-зависимой линзы. Спектральная зависимость величины дифракционных потерь за счет линзовости внутрирезонаторной поглощающей 4

среды должна оказывать влияние на закономерности конденсации спектра в эксперименте.

Во Второй Главе описываются экспериментальные установки и методики проведения экспериментов и измерений. Приведены основные результаты экспериментальных исследований КСИ.

При решении поставленной задачи в работе был использован ряд экспериментальных методов, которые в некоторой степени можно считать оригинальными. Исследование влияния величины внутрирезона-торного поля на конденсацию проводилось буквально в каждом полученном спектре генерации. Огибающая спектра излучения широкополосного лазера представляет собой изменение энергии или мощности от максимально возможной величины до пороговой. Зная спектральное распределение выходного излучения можно оценить усиление на любом участке спектра генерации. Использование селективного резонатора с фильтром Лио позволяло изменять пороговые условия по всему спектру. В экспериментах использовалась схема скрещенных дисперсий дифракционного монохроматора и многолучевого интерферометра, что позволило регистрировать профиль доплеровски уширенных линий поглощения на широкополосном фоне лазерного излучения. Выделение входной щелью монохроматора участков поперечного сечения лазерного пучка дало возможность обнаружить спектрально пространственную зависимость КСИ, что подтвердило предложенную модель явления и позволило осуществить воспроизводимость спектральных эффектов конденсации. В эксперименте использовались внутрирезонаторные ячейки с противоположным характером радиального распределения поглощающей среды (газовый разряд, угольный стержневой атомизатор), а также ячейка с однородным распределением плотности поглощающей среды (пары молекулярного йода в кварцевой трубке). Применение газоразрядных трубок (ГРТ) от серийных Не - Ме лазеров оправдано тем, что атомы неона имеют большое число линий поглощения различной интенсивности, принадлежащих переходам с нескольких подуровней с различной плотностью населенностей метастабильного состояния 1Б на уровни состояния 2Р, лежащих в спектральной области генерации рода-миновых и оксазиновых красителей. Использование ряда эмиссионных линий в качестве реперных позволило определять длину волны с точностью до 10'3 нм. При исследовании влияния характеристик лазерной среды на формирование провала в спектре генерации в области линий поглощения использовались активные среды с различными временными характеристиками лазерного перехода: органический краситель и кри-

сталл тикора, а также различные схемы накачки. Конфигурация резонатора изменялась в широком диапазоне его параметров, что позволяло работать как в устойчивой, так и в неустойчивой областях. Изменение частоты следования импульсов накачки позволило обнаружить влияние нагрева лазерной среды на явление КСИ. Для исследования временных и количественных характеристик импульсной тепловой линзы использовался зондирующий пучок непрерывного лазера с фотоэлектрической регистрацией дискретным и координатно-чувствительным фотоприемниками.

Описанные техника и методика измерений позволили получить большой объем экспериментальных данных о явлении КСИ. Типичный вид спектральной зависимости выходного излучения лазера при наличии конденсации приведен на Рис. 1.

/Л

634 636 638 640 642 644

Рис. 1. Спектр генерации лазера с неоновой ГРТ и ИПФ внутри резонатора.

Видно, что вместо симметричного провала, присущего линиям поглощения, на одном краю наблюдается резкое повышение интенсивности. Затем начинается спад и пологий участок длиной в несколько нанометров, интенсивность которого превышает интенсивность излучения

лазера без поглощения. На противоположном от центра линии крыле наблюдается протяженная область спектра излучения меньшей интенсивности, чем интенсивность излучения лазера с пустым резонатором и меньше, чем на ВР спектрах при отсутствии конденсации. Наибольший интерес представляло нахождение закономерности спектрального положения максимума конденсированной линии относительно центра линии поглощения. Так, например, на спектре, Рис. 1, конденсированные линии одинаково ориентированы относительно центров линий поглощения переходов Л^е с разными силами осцилляторов Г и концентрацией нижнего уровня N6. Не оказывает заметного влияния на спектральное положение КСИ и величина внутрирезонаторного поля. Спектральная мощность изменялась перестраиваемым интерференционно-поляризационным селектором.

Новую информацию о конденсации удалось получить из анализа спектра излучения, вводя в монохроматор не весь пучок, а выделяя входной щелью центральную или краевые части пучка. Оказалось, что при несовпадении продольной оси ГРТ с оптической осью резонатора, конденсация могла наблюдаться на одном краю пучка с длинноволновой стороны, а на противоположном краю с коротковолновой. Было выяснено, что наиболее сильное влияние на спектральное положение КСИ оказывает юстировка резонатора. Если в первых экспериментах знак 01кси имел случайный характер, то угловое вращение одного из зеркал позволяло сделать его воспроизводимость однозначной. Наложение на ГРТ продольного магнитного поля приводило к увеличению провала в спектре генерации. Конденсированная линия, соответственно, смещалась по спектру, тонкой структуры спектра не наблюдалось.

В эксперименте было обнаружено влияние на КСИ изменения частоты следования импульсов лазера накачки. Когда этанольный раствор красителя не прокачивался через кювету, то уже при частоте следования импульсов Г = 2Гц широкополосное излучение исчезало и лазер на красителе начинал излучать узкую линию в области конденсации.

В Третьей Главе обсуждаются физические причины, приводящие к радиальному распределению поглощающих атомов в газовом разряде, являющимся существенным моментом модели газовой линзы. К радиальному распределению возбужденных атомов неона в состоянии ЛУ в гелий-неоновой газоразрядной трубке приводят две причины. Это температурная неоднородность разряда по его поперечному сечению, а также диффузия электронов к стенкам трубки. Радиальная зависимость населенностей атомов неона на метастабильном уровне была измерена в

7

ряде работ. В полом катоде максимальная плотность электронов находится в центре разряда, что также приводит к радиальному распределению возбужденных атомов. Изучение конструкций поглощающих ячеек с парами щелочных металлов наводит на мысль о возможном неравномерном распределении их концентрации по сечению. Так как источник тепла находится в непосредственном соприкосновении с испаряемым металлом, то наибольшая концентрация паров должна быть именно в области испарения. К тому же, в ячейках с парами металлов всегда существует опасность конденсации капель металла на окнах. В трубчатой печи атомизаторов, использующихся в атомном абсорбционном спектральном анализе существует поперечный температурный градиент. О неравномерном распределении плотности поглощающих паров в пламени газовой горелки (в вертикальном потоке газов) также хорошо известно.

Таким образом, все рассмотренные способы и устройства получения поглощающих газов характеризуются неравномерным распределением плотности частиц в поперечном сечении. В сочетании с аномальной дисперсией в спектральной области линий поглощения это должно приводить к селективным неоднородным оптическим свойствам поглощающей среды.

Методом матричной оптики был проведен расчет оптической силы газовой селективно поглощающей линзы. Показано, что газоразрядная трубка с гелий-неоновой смесью вблизи линий поглощения неона эквивалентна тонкой линзе. Частотная зависимость фокусного расстояния газовой линзы определяется зависимостью показателя преломления от частоты в области линии поглощения. С коротковолновой стороны от центра линии поглощения спектральный сдвиг КСИ ОК 0 и линза будет рассеивающей. При переходе через центральную длину волны меняет знак и линза с длинноволновой стороны от центра линии становится собирающей. Оптическая сила линзы пропорциональна населенности нижнего уровня и вероятности перехода. С удалением от центра линии поглощения оптическая сила линзы уменьшается.

Увеличение интенсивности генерации возможно в том случае, когда суммарные потери резонатора с поглощающей средой будут меньше потерь пустого резонатора. Одной из причин, приводящих к этому неравенству, может быть уменьшение дифракционных потерь заполненного резонатора.

Был проведен анализ устойчивости конфигурации резонатора с поперечной неоднородностью показателя преломления поглощающей сре-8

ды. Сделаны оценки величины дифракционно-геометрических потерь для различных конфигураций резонатора при симметричном расположении ВР линзы и для разъюстированного резонатора. По полученным в эксперименте с помощью метода скрещенных дисперсий ВРЛ спектрам были проведены оценки величины абсорбционных потерь. Применив метод полного поглощения из атомного спектрального анализа на случай ВРЛС, когда о параметрах перехода можно судить не по интенсивности линии поглощения, а по ее ширине, были измерены населенности атомов неона в метастабильном состоянии /5.

Полученные оценки показывают, что абсорбционные потери в области возникновения конденсации (на крыльях линии поглощения), как минимум на порядок меньше дифракционных потерь пустого резонатора. Спектральное положение максимума конденсированной линии определяется суперпозицией спектральных зависимостей контуров линий поглощения и дифракционных потерь. Кривая дифракционных потерь совпадает с кривой й^^) Рис. 2 или glg2 (1). Спектральная зависимость

Рис. 2. Зависимость (Р) А,В,С - пустой резонатор в областях устойчивости, неустойчивости и на границе областей.

15

5 О.

0) 10

о

с:

2 4,

У з

(X-^о)х102, нм

""10 ^

Р, м

10

Рис. 3. Спектральная зависимость потерь в области перехода 155—^ 2Р, неона. 1. - абсорбционные потери; 2 и 3 - дифракционные потери пустого и заполненного резонатора; 4.- суммарные потери .

суммарных потерь в области крыла линии поглощения, Рис. 3, является зеркальным отражением спектральной зависимости интенсивности генерации. Резкое возрастание потерь по мере приближения к центру линии поглощения и пологий подъем при удалении от 10 сопровождается изменением спектральной зависимости КСИ с точностью до наоборот.

В работе показано, что когда резонатор находится как в неустойчивой, так и в устойчивой областях, конденсация чаще реализуется на длинноволновом крыле линии поглощения, вследствие того, что положительная ВР линза уменьшает величину параметров g^g2, и, соответственно, величину дифракционных потерь. Вблизи границы устойчивости не только положительная, но и отрицательная ВР линза может уменьшать дифракционные потери. При этом небольшие изменения длины резонатора могут приводить к появлению КСИ и с обеих сторон от центра линии поглощения и с коротковолновой стороны. Далее рассматривается случай несовпадения оптических осей ГРТ и резонатора, что часто имеет место в эксперименте. Показано, что смещение селективной ВР линзы сопровождается смещением оптических осей резонатора для длин волн, соответствующих линиям поглощения и соответствующим разведением пучков в спектральных областях длинноволнового и коротковолнового крыльев линии поглощения. Для широкополосного излучения смещение ячейки эквивалентно его диафрагмированию, сопровождаю-10

щемуся уменьшением интенсивности. Юстировкой зеркал обеспечивается лучшее согласование резонатора с одной из смещенных селективных осей. Соответствующее уменьшение дифракционных потерь приводит к повышению интенсивности выходного излучения, т.е. к появлению конденсированной линии в спектральной области одного из крыльев линии поглощения. На другом крыле происходит уменьшение интенсивности излучения, дополнительное к абсорбционному.

В Четвертой Главе проводится расчет чувствительности метода BPJIC при импульсном режиме генерации лазера и дается экспериментальная оценка межмодового взаимодействия при длительности генерации Dt = 10'8 с. Показано, что относительная глубина провала BP спектра зависит не столько от степени заполнения резонатора поглощающей срейой, сколько от соотношения длин лазерной и поглощающей сред, что объясняется влиянием именно разницы между усилением и потерями излучения за обход резонатора. Проведенные эксперименты и следствия из анализа теоретической модели свидетельствуют о постоянстве отношения DI/Nf для конкретной конфигурации лазерного резонатора. Поэтому возможно определять концентрацию вещества или вероятность перехода по измерению D1Kch- В широкополосном варианте BPJIC с дифракционным монохроматором это может быть предпочтительнее, чем измерение относительной глубины провала. Исключаются ошибки измерения связанные с влиянием мощности накачки и конечной величины спектрального разрешения монохроматора. Тем более это относится к интенсивным резонансным линиям, которые полностью гасят генерацию. По данной методике были сделаны оценки концентрации паров натрия в графитовом атомизаторе.

Ранее было показано, что конденсация проявляется в двух видах, сопровождающихся как увеличением, так и уменьшением выходного излучения лазера. Обе формы приводят к искажению спектрального контура линии поглощения и, вследствие отсутствия порогового характера, проявляются до величин концентраций порядка 10'9 г- см"3. Поэтому, при проведении количественного анализа методом BPJIC необходимо оценивать спектральную зависимость конфигурационных параметров gig2 (1) используемой лазерной системы, а также стремиться к ослаблению линзовости поглощающей среды.

Далее рассматривается влияние тепловой линзы, наводимой в лазерной среде излучением накачки, на спектральные характеристики выходного излучения лазера. Измеренные временные зависимости оптической

силы (длительное время восстановления оптических характеристик порядка 50-100 мс, длительность переднего фронта, временная задержка) свидетельствуют о тепловой природе линзы. Проведенные экспериментальные измерения с использованием нескольких методик и теоретические оценки показали, что экстремальные значения оптической силы нестационарной линзы, а также средняя величина стационарной тепловой линзы зависят от частоты следования импульсов накачки. В разовом режиме накачки действие линзы можно не учитывать. Однако в частотном режиме, как показал расчет конфигурационных параметров, тепловая линза вносит существенные изменения в величину дифракционных потерь. Суммарное действие тепловой и газовой селективной линз приводит к исчезновению широкополосного спектра излучения и к образованию узких конденсированных линий. Измерение ширины линии излучения в данном режиме генерации выявило кратковременную стабильность, а также воспроизводимость частоты Ош / ю0 не хуже 10"5. Это может объясняться тем, что величина тока разряда в ГРТ соответствует режиму насыщения населенностей метастабильного уровня неона. В дополнение к этому, тепловая линза сглаживает вариации мощности накачки вследствие инерционности теплообмена. Как показал эксперимент, нестабильность фокусного расстояния тепловой линзы составляла около 5% при нестабильности энергии накачки 20%. Проведенные оценки показали, что изменение величины оптической силы ВР линзы от 0 до -1 создает величину относительного смещения спектрального положения конденсированной линии » 3-10"6, что близко к теоретическому пределу ширины линии излучения при длительности генерации 10'8 с. При переходе к непрерывному режиму генерации и использовании систем автоподстройки можно ожидать повышения стабильности спектра генерации. Перестройка частоты в пределах ширины линии электронного перехода путем изменения величины магнитного поля, в которое помещена-ГРТ, позволяет осуществить на явлении КСИ перестраиваемый селектор частоты.

Обобщая сказанное, можно заключить, что комбинация двух ВР линз, одна из которых селективная, приводящая к явлению КСИ, а для другой предусмотрена возможность изменения величины и знака оптической силы, вне зависимости от спектра, представляет собой своеобразный селектор частоты генерации широкополосного лазера, отличающийся от традиционных более высокой долговременной стабильностью и воспроизводимостью частоты генерации, отвечающих, напри-

мер, задачам голографии. Возможно расширение диапазона генерации на линиях КСИ за счет использования резонансных переходов на других элементах в лампах с полым катодом.

В Пятой Главе работы проведен критический анализ различных подходов к объяснению механизма КСИ, основанный на сравнении с основными результатами, полученными в данной работе. Показано, что модель селективной газовой линзы объясняет многие особенности явления КСИ, наблюдаемые в эксперименте, выполнением условия порога генерации при равенстве усиления суммарным потерям, включая дифракционные и абсорбционные. Более того, в модели газовой селективно поглощающей ячейки требование линзовости среды не столь критично. Исследования зависимости КСИ от юстировки резонатора при осе-несимметричной установке ячейки позволяет утверждать, что линзо-вость среды не обязательна. Достаточно наличия градиента показателя преломления, в том числе и линейного. Селективный оптический клин или селективная газовая призма, находящиеся внутри резонатора, так же могут приводить к смещению пучков излучения на длинах волн слева и справа от резонансной длины волны линии поглощения в противоположные стороны. В зависимости от юстировки резонатора дифракционно-геометрические потери для несмещенного широкополосного пучка и для смещенных пучков в узких спектральных областях будут различными. Эта разница и может привести к спектральным явлениям, называемым конденсацией спектра излучения. В ряде работ отмечается пороговый характер явления конденсации. Возможно, это связано с тем, что подразумевается под понятием конденсации. Большинство авторов рассматривает явление КСИ в узком смысле, только как сужение широкополосного излучения к узким линиям генерации в спектральных областях линий поглощения. Нам представляется, что если принять более широкое понятие явления (Глава 3), то порог конденсации вряд ли имеет место. Подход к проблеме с точки зрения потерь оказался плодотворным. Удалось не только объяснить увеличение спектральной мощности, но и выявить ряд дополнительных деталей в явлении КСИ. Оказалось, что этому явлению присуще не только увеличение, но и дополнительное к абсорбционному уменьшение интенсивности. Спектральная зависимость селективных дифракционных потерь вследствие соответствующей зависимости конфигурационных параметров резонатора с селективной газовой внутрирезонаторной линзой представляет собой сочетание протяженных участков повышенной и пониженной интенсивности спектра генерации в области крыльев линий поглощения. Таким образом, кон-

денсация в общем случае проявляется в деформации контура провала в спектре излучения лазера. Повышение спектральной мощности излучения лазера при наличии конденсации может иметь различную величину и наблюдаться на достаточно широком спектральном участке. В нашем эксперименте искажение контура линии поглощения, заключающееся в более крутом склоне провала и в более пологом (по сравнению с неискаженным контуром) противоположном склоне, наблюдалось до малых концентраций поглощающего вещества, вплоть до 10"9 г-см"3. Предложенная модель и поставленный эксперимент, позволили объяснить связь конденсации с появлением на окнах ВР ячейки налета металла. Мы связываем это с тем, что пары щелочного металла ( в проведенном эксперименте использовались пары изотопа рубидия; лазерной средой являлся кристалл тикора) оседают на окнах ВР ячейки в виде капель (измеренный диаметр которых составлял 50 - 100 микрон). Сферическая форма капли, находящаяся на оптической оси резонатора, образует поперечное распределение плотности металла, частично прозрачного для излучения в спектральной области генерации лазера. В этой области каплю рубидия можно сравнить с неселективной линзой. На длинноволновом крыле линии поглощения селективная линза имеет положительный знак, а на коротковолновом отрицательный. Проведенный анализ действия ВР линзы на генерацию тикорового лазера показал, что положительная линза снижает его выходную энергию, вследствие критичности генерации тикорового лазера к согласованию стяжки пучка накачки с шейкой каустики основной моды двухзеркального резонатора. Рассеивающая селективная линза компенсирует положительную тепловую неселективную линзу, возникающую в кристалле под действием накачки. Положительная селективная линза дополнительно ухудшает условия генерации. Вследствие этого, конденсированная линия возникает в спектральной области на коротковолновом крыле линии поглощения рубидия. Устранение широкополосного фона и получение генерации лазера в узких спектральных областях может осуществляться разными способами и, как в нашем случае, так же не иметь резкого порога по ширине спектра. В ряде экспериментов это достигалось синхронной накачкой (когда частота синхронизации совпадала с межмодовым расстоянием в спектральной области линий поглощения, отличающимся от межмодо-вого расстояния незаполненного резонатора). В нашей работе — формированием тепловой линзы, которая плавно изменяла потери в широкой области, в том числе и в области конденсации спектра. Поэтому резкого порога накачки, за которым бы следовала узкополосная генера-14

ция, не наблюдалось. Явной спектральной зависимости КСИ от мощности накачки не регистрировалось. В подтверждение тому, например, спектры на Рис. 1 и 4.

конденсированная линия

/' \

эмиссионная линия Хп = 640.1 нм

\ Хг

•п

.1

а

Рис. 4. Спектр лазера с неоновой ГРТ в области линии поглощения N0 = 640.23 нм (АХ^и = -0.057 нм): а) периферия пучка; б) центр пучка

Общим недостатком других моделей является невоспроизводимость спектрального появления КСИ. Предложенный механизм позволил осуществлять постановку эксперимента с предварительным планированием и однозначным спектральным проявлением конденсации.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

1. Получено выражение для чувствительности ВРЛС в импульсном {10 не) режиме генерации. На сравнении временных характеристик 77-сапфирового лазера и лазера на красителе показано влияние начального этапа генерации на чувствительность анализа. Выявленная зависимость относительной глубины провалов в спектре генерации от соотношения длин лазерной среды и поглощающей ячейки позволила объяснить причину меньшей чувствительности ВР спектрометра с поперечной накачкой красителя.

2. Приведена методика регистрации спектров поглощения по схеме скрещенных дисперсий многолучевого интерферометра и дифракционного монохроматора на фоне широкополосного излучения. Данная ме-

тодика позволяет получить спектры с достаточно высоким разрешением: до 5-10"4 нм за один импульс генерации лазера с неселективным резонатором.

3. Использование разработанной методики показало, что превышение шириной аппаратной функции монохроматора ширины линии поглощения приводит к снижению чувствительности метода ВРЛС и к существенным ошибкам при количественных измерениях.

4. Показано, что одновременное наличие двух зависимостей показателя преломления: спектральной — вследствие селективного поглощения и геометрической — вследствие радиального градиента концентрации поглощающего вещества, обуславливает линзовость внутрирезона-торной поглощающей среды.

5. Механизм конденсации спектра излучения был объяснен с точки зрения изменения потерь. Проведен анализ устойчивости конфигурации двухзеркального резонатора с поперечной неоднородностью показателя преломления селективно поглощающей среды. Показано, что причиной увеличения спектральной мощности выходного излучения является уменьшение суммарных потерь (за счет дифракционных) для мод резонатора, расположенных в спектральных областях линий поглощения, по сравнению с потерями мод пустого резонатора.

6. На основе данного механизма объяснен ряд спектральных эффектов КСИ, в частности, зависимость от юстировки резонатора, полученных с помощью методики регистрации спектра по сечению пучка. Показано, что юстировка резонатора (угловое вращение зеркал) обуславливает воспроизводимость спектрального положения конденсированной линии. Причина этой зависимости также связана с изменением величины дифракционно-геометрических потерь приосевых пучков и пучков, распространяющихся под углом к оси резонатора.

7. Обнаружено явление противоположное конденсации - дополнительное к абсорбционному уменьшение интенсивности излучения лазера в спектральной области крыла линии поглощения. Более полно показано экспериментальное проявление КСИ, заключающееся, в общем случае, в деформации контура линии поглощения. Спектральное распределение интенсивности излучения лазера при наличии конденсации достаточно хорошо объясняется действием селективной газовой линзы.

8. Развит метод полного поглощения для случая внутрирезонаторной спектроскопии, на основе которого сделаны оценки величин населенно-стей подуровней метастабильного состояния Ые /5, расчет контура провала в спектре генерации и величины абсорбционных потерь в области 16

линий поглощения. Даны рекомендации по использованию явления КСИ в спектральном анализе. По измерению спектрального положения конденсированной линии были сделаны оценки концентрации паров натрия в графитовом атомизаторе.

9. Проведен расчет конфигурационных параметров резонатора с учетом влияния тепловой линзы. Исследовано влияние тепловой линзы, наводимой в лазерной среде излучением накачки, на спектральное проявление КСИ. Показано, что тепловая линза способствует возникновению узкополосной генерации, что по конечному результату аналогично синхронной накачке.

10. Сформулировано понятие нового типа селектора частоты, образованного двумя внутрирезонаторными линзами, из которых одна селективная, приводящая к явлению КСИ, а для другой предусмотрена возможность изменения величины и знака оптической силы. Селектор отличается от традиционных более высокой долговременной стабильностью и воспроизводимостью частоты генерации. Не исключена возможность использования селектора этого типа в волоконных лазерах.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Runge P.K A continuous mode-locked dye laser pumped in the red // Opt. Commun., 1971, v. 4, N. 3, p. 195-198.

2. Сучков А.Ф. По поводу двух статей в журнале "Квантовая электроника." // Квантовая электроника, 1991, т. 18, N. 10, с. 1269-1270.

3. Siegman Л.Е. Dispersive explanation of the spectral behavior of runge's mode-locked dye laser//Opt. Commun., 1972, v. 5, N. 3, p. 200-201.

4. Рубинов A.H., Белоконь M.B., Адамушко A.B. Исследование спектральных характеристик лазера на красителе при захвате синхронизированных мод атомарными линиями поглощения // Квантовая электроника, 1979, т.6, N. 4, с.723-729.

5. Баев В.М., Беликова Т.П., Варнавский ОЛ., Гамалий В.Ф., Коваленко С.А. Автомодуляция интенсивности излучения широкополосного лазера на красителе при наличии в резонаторе сильных линий поглощения // Письма в ЖЭТФ, 1985, т.42, N. 10, с.416-418.

6. Васильев В.В., Егоров B.C., Федоров А.Н., Чехонин H.A. Лазеры и лазерные системы на основе кооперативных эффектов в оптически плотных резонансных средах без инверсии населенностей // Опт. и спектр., 1994, т. 76, N 1, с. 146-160.

7. Khanin Y.I., Kagan A.G., Novikov KP., Novikov M.A., Polushkin I.N., Scherbakov A.I. Experimental study of spectral condensation of dye laser emission near the lines of intracavity atoms // Opt. Commun., 1980, v. 32, N. 2, p. 456-458.

8. Витушкин Л.Ф., Короткое В.И., Лазарюк C.B., Пулькин С.А., Топтыгина Г.И., Фрадкин Э.Е. Моделирование эффекта концентрации излучения внутри резонатора многомодового лазера с поглощающей ячейкой // Опт. и спектр., 1993, т. 74, в. 4, с. 786-794.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Викторова A.A., Савикин А.П. Идентификация наблюдаемых спектральных линий в спектре поглощения молекулы йода для калибровки BPJI спектрометра. - Техника средств связи, сер. Радиоизмерит. техника, 1986, в. 1,с.80-83.

2. Морозов О.С., Савикин А.П., Цареградский В.Б. Исследование влияния конденсации спектра излучения ОКГ на красителях в области линий поглощения на BPJ1C анализ. - Тезисы докладов. Нелинейные и когерентные эффекты в методе BPJ1C. Кировоград, 1988, с.24.

3. Савикин А.П., Ривилис Л.И., Цареградский В.Б. Исследование влияния параметров импульсного лазера на увеличение усиления поглощения // Сб. Флуктуационные явления и процессы в динамических системах. Под ред. Якимова A.B., Изд-во ННГУ, Н. Новгород, 1989, с. 87-93.

4. Викторова A.A., Савикин А.П., Цареградский В.Б. Влияние мочевины на генерационные характеристики лазера на водном растворе родамина 6Ж.- Квантовая электроника, 1983, т. 10, N. 8, с. 1720 - 1722.

5. Гурьев В.А., Малышев М.С., Савикин А.П. Конденсация спектра излучения как метод селекции частоты генерации перестраиваемых лазеров // Сб. Голография: теоретические и прикладные вопросы, МФТИ, 1995, с. 200-209.

6. Morozov O.S., Savikin А.Р., Tzaregradsky V.B. Investigation of influence of condensation of the laser spectrum at intracavity absorption spectroscopy.- Laser Physics, 1995, v. 5 p. 899-909.

7. Савикин А.П., Цареградский В.Б. Исследование влияния конденсации спектра излучения на внутрирезонаторный лазерный спектральный анализ. Направлена в "Письма в ЖТФ".

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение

1 Глава. Анализ экспериментальных проявлений и моделей механизма КСИ

2 Глава. Эксперимент.

2.1. Описание экспериментальной установки

2.2. Экспериментальные исследования и анализ селективных свойств резонатора с дифракционной решеткой с малым периодом

2.3. Резонатор с интерференционно-поляризационным фильтром

2.4. Схема скрещенных дисперсий дифракционного монохроматора и интерферометра Фабри-Перо

2.5 Проявление КСИ в эксперименте

3 Глава. Объяснение явления КСИ на основе рефракции селективно поглощающей газовой линзы

3.1. Радиальное распределение электронов и возбужденных атомов в газовом разряде

3.2. Сведения об экспериментальных исследованиях радиального распределения плотности поглощающего газа

3.3. Расчет фокусного расстояния газовой селективно поглощающей линзы

3.4. Анализ устойчивости конфигурации резонатора с поперечной неоднородностью показателя преломления поглощающей среды

3.5. Несимметричное расположение газоразрядной поглощающей ячейки

4 Глава. Влияние КСИ на точность измерений методом лазерной спектроскопии

4.1. Чувствительность метода ВРЛС с импульсным лазером. Оценки и эксперимент

4.2. Расчет абсорбционных потерь

4.3. Использование и учет КСИ в спектральных измерениях

4.4. Расчет и измерение параметров тепловой линзы, наводимой в лазерной среде излучением накачки

4.5. Влияние тепловой линзы на КСИ. Двухлинзовый селектор частоты

5 Глава. Критический анализ моделей КСИ в сравнении с полученными в работе результатами

6 Заключение Литература

Подписано в печать 22.06.98 г. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,1. _Заказ 872. Тираж 100 экз._

Типография ННГУ. Н. Новгород, ул. Б. Покровская, 37.