Конкуренция генерирующих волн в СО2-лазерах и ее использование для развития методов внутрирезонаторной лазерной спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

А К А Д ВИИ Я НАУК РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ----------1 ОРДЩА 4 ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ «ГШКИ---------------------------

V» 1.1-11

УДЯ 621.378.325

ПРОКОПОВ ¿яатолвй Пв^равач

КОНКУРЕНЦИЯ ГШШРУШХ ВШШ В С02-4АЗЕРЯ И р ИСПОЛЬЗОВАНИЙ ДО РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ВНУТРИРЕЗОНАТОРНСЙ ЛАЗЕРНОЙ СПВКТРОСЩВШ

( 01.04.21 - лазерная фазвка )

Автореферат дяссэргацзи аа ооаскаяно ученой отопонп кандидата фязхкон«атзйатачесгаи науа

Марек - 1995

PftdoTa выполнена в Института фвзввж AHE

молекулярной 9 атомной

Научный руководатйль -

Офщяальные оппоненту;

доктор фиэ^р-иатвмшгичвоии

профвбоор йой^ввй À.IÎ,

яо*твр фммо-мвгрмаию^ая«

Hájrjt, пЬоЫс»#

Орлов

к№д«дв? ФаэШко-матемамчаоюи Hay» ; . Голубев B.C.

Оппонжрупцая оргаотдадав:

НИИ пдокяаддшд ф»аичесюц промен «а. л,н,Сев«эв*о

Samts сосуоатся в/^.QÛ часов tie. эаседанм

совета по йадаЯв эдрсертвдв Л Ql.Q6.OI в ftáiíjdi АКБ

< 220602, г.Мянс», пр. Ф.Скораны, 70 ) '

С двссертадаей можно ознакомигьсй в библиотеке Щ АНБ

Автореферат разослан "^

Ученый секретарь совета по защите диссертаций доктор ф«а.-мат. наук

А, А, Афанасьев

_______________________________ОБЩАЯ ЗШ'ЛКГЁРЙСТИКА" РАВЗТЫ

Повышение эффективности методов ВЛС в инфракрасной области спектра для решения ряда научно-практических задач стало возможным с использованием во внутрироэонатарной методике непрерывных V лазеров на углекислом газе. Высокая чувствительность выходных (энергетических, временных, поляризационных) характеристик излучения лазеров к величине внутрйрёзонаторных селективных потерь, позволяет, с одной стороны^ производить оценку величины вносимых потерь и, с другой стороньц направленным Изменением потерь управлять выходными параметрами генерируемого излучения. Возможность получения генерации на любом выделенном колебательно-вращательном переходе в области 9-Н мкм, а также одновременно на двух переходах, делает СО^-лазер перспективным для проведения измерений микроконцентраций важных в. практическом отношении газообразных молекулярных соединений, таких, как фреоны, аммиак, метанол, винияхлорвд* трихлорртилен и др., имеющих сильные полосы поглощения в спектральной области частот генерации лазера.

В настоящее аремл СО^-лазеры использувтся для измерения малых концентраций и поглощений газов как по внутрирезонаторной, так и йнереэонаторной методике. Увеличение чувствительности определения малых потерь достигается совершенными способами регистрации излучения. При этом концентрационная чувствительность детектирования молекулярных примесей в газовых средах, в том числе и в воздухе, достигает единиц рр.

Эффективность применения .внутрирезонаторной методика для регистрации слабых поглощений возрастает при использований двух-модовых ОС^-лазеров с управляемой фазовой анизотропией резонатора, работающих в режиме одновременной генерации на двух линейно . ортогонально поляризованных модах в пределах одного колебательно-вращательного перехода» Высокая степень взаимодействия между модами приводит, при незначительном изменении велгтаины разности внутр'ирезонаторньх селективных потерь, к изменению интенсивнастей мод, что позволяет с высокой чувствительностью /определять- величину оптической Плотности. Чувствительность рассматривает го метода при определении малых концентраций газов зависит от крутизны частотной зависимости коэффициента поглощения в .пределах межшдо-. вого частотного интервала (до ?0 В диапазоне 3-30 мкм. поло-

сы поглощения основных газообразных органических соединений значительно превышают по ширине линии усиления СО^, а крутизна частотной зависимости потерь в интервале межшдового расщепления незначительна, что ограничивает возможности повышения концентрационной чувствительности БРД метода с использованием двухыодовых СОп-лаэеров.

Дальнейшее расширение области применения метода ВЛС в средней ИК области спектра связано с использованием непрерывных СО<э-лазеров, работающих одновременно на двух различных Колебательно-вращательных переходах. Конкуренция волн в таких лазерах вызывает существенное перераспределение их йнтенсивностей при внесении в резонатор селективных по частоте потерь. В отличие от двухшдовых, в СХ^-лазерах, работающих На двух выделенных переходах, возможно варьировать величину разности частот для двух генерируемых волн в пределах, достаточных для высокочувствительного анализа газообразных соединений с широкими полосами поглощения.

Исследование процессов конкуренции волн, генерируемых на различных колебательно-вращательных переходах 00^ а также возможности повышения чувствительности ВЛС метода в ИК области спектра при обнаружении малых концентраций.важных в окологическом отношении газов, является актуальной задачей.

Высокая чувствительность выходных параметров двух волновых СО^-лазеров к изменению усиления или потерь для одной из шд позволяет использовать их не только для регистрации малого дихроизма поглощения» но и решать задачу управления энергетическими, временными и поляризационными характеристиками генерируемого излучения путем направленного цзые'нения потерь резонатора.

Основные научные результаты данной диссертационной работы получены при выполнении НИР по темам "Фотоника", "Спектроскопип-0.6", "Лазер 3.04".

Настоящая работа поставлена с целью повышения чувствительности абсорбционных измерений в ИК-диадазоие методами внутрире-зонаторной лазерной спектроскопии с применением ОО^-лазеров, работающих в двухволновом режиме на различных колебательно-вращательных переходах и, с другой стороны, с целью разработки возможностей управления выходными параметрами генерируемого излучения путем направленного изменения амплитудных потерь резонатора.

Научная новизна полученных результатов состоит в следую-_______

щем.-------------------------------------------------------------------------

Рассчитана в рамках уравнений баланса временная кинетика мощности генерации двух линейно ортогонально поляризованных волн, генерируемых на одном выделенном или двух различных коле-, бательио-вращательных переходах импульсным СО^-лазе ром со слабо анизотропным резонатором. Найдено, Что увеличение величин вероятности вращательной и ориентадионшй релаксации, рост разности добротностей для ортогонально поляризованных волн приводит к изменению как амплитуд импульсов, тая и уменьшению длительности импульса волны с меньшей добротностью. В режиме двухволновой стационарной генерации получено существенное увеличение чувствительности изменения интеноивностей генерируемых волн с ростом величины врал!ательной релаксации.

Экспериментально исследовано влияние конкуренции ортогонально поляризованных волн на выходные параметры импульсного лазера на СОд, работающего на одном выделенном колебательно-вращательном переходе. Показано, что взаимосвязь параметров ишульсов с анизотропией резонатора вызвана сильной конкуренцией волн. Осуществлен режим одновременной генерации ортогонально поляризованных импульсов на одной частоте с плавно перестраиваемой длительностью. Суммарная энергия ишульсов обеих волн остается на одном уровне, длительность импульса с меньшей добротностью сокргицается на порядок, моменты начала формирования ишульсов совпадают.

Установлено значительное сужение импульса для волны с меньшей добротностью в СОэ-лазере с модулированной добротностью.

Теоретически и окспериментально исследованы амплитудные параметры генерируемых волн непрерывного анизотропного ОЭ^""лазера, работающего в режиме конкуренции одновременно на двух различных колебательно-вращательных переходах. Получено увеличение чувствительности изменения интенсивностей волн от величины вносимых в резонатор селективных по частоте потерь.' Наибольшая крутизна зависимостей интенсивностей от концентрации поглотителя достигнута при максимальном перекрытии полей волн в активной среда лазера и с приближением к пороговым условиям генерации. Подученная концентрационная чувствительность данною метода при. определении содержания паров трихлорэтилена'в юз-

духе на порядок выше, чем в случае одночастотного внутрирезо-наторного метода.

Впервые продемонстрирована возможность внутрирезонаторной лазерной спектроскопии дихроизма сред по поляризационным характеристикам генерируемого изложения. Измерена величина дихроизма отражения селективных отражателей по изменению степени поляризации излучения непрерывного двухвапноеого (Х^-лазера с плавно регулируемой амплитудной анизотропией резонатора. Показано, что наличие небольшого дихроизма коэффициентов отражения волн с взаимно ортогональными поляризациями приводит к линейной поляризации излучения лазера. На этом принципе разработан способ определения ориентации оптической оси одноосных кристаллов, используемых в качестве одного из отражателей резонатора и обладающих дихроизмом отражения для обыкновенного и необыкновенного лучей на частоте генерации.

Результаты проведенных исследований демонстрируют возможность дальнейшего эффективного применения высокочувствительных методов ВЛС с двух волновыми ^-лазерами для измерения микроконцентраций газообразных веществ (таких, как фреоны, аммиак, трихлорэтилен, , винйлхлорвд и др.), являющихся основными загрязнителями атмосферы. Высокая концентрационная чувствительность метода, полученная на примере Исследования паров трихлорзтилена с помощью созданного лабораторного макета прибора, составила 0,7-10 мг/см^, что позволяет контролировать уровень содержания паров трихлорэтилена в многокомпонентных средах ( в т.ч. воздухе) ниже уровня ПДК.

Высокая чувствительность поляризационных характеристик излучиния ОО^-лазера, работающего в режиме конкуренции двух волн, к амплитудной анизотропии потерь, позволила внутрирезона-торным методом определить малый дихроизм отражения элементов резонатора и разработать новый способ определения ориентации оптической оси одноосных кристаллов.

Осуществлен экспериментально в изотропном импульсном ССь?-лазере режим одновременной генерации ортогонально поляризованных импульсов с изменяющимися временными и энергетическими параметрами путем изменения амплитудной анизотропии резонатора.

Защищаемые положения.

I. Высокая чувствительность изменения иитенсивностей двух волн, генерируемых на различных колебательно-вршцателышх

переходах" непрерывным"СО^лаЖером,"к~~изменению величины селективных по частоте потерь позволяет повысить чувствительность внутри-резонаторной абсорбционной спектроскопии примерно на порядок по сравнению со случаем одночастотного внутрирезонаторноги метода,

2. При уменьшении добротности одной из двух ортогонально, ч поляризованных волн, генерируемых импульсным ТЕЛ лазером на смеси COg.' N¿:He на одном колебательно-вращательном переходе, суммарная энергия обеих волн остается неизменной, а длительность импульса волну с моде?!) дсбротпостьп еокрздаотся вплоть да величины, равной едкой десятой от длительности генерации волны

с большей добротностью.

3. Изменение амплитудной анизотропии потерь приводит к сильной трансформации поляризации излучения волн, генерируемых на одном или различных колебательно-вращательных переходах, что создает основу для высоко чувствительной внутрирезонаторной лазерной спектроскопии дихроизма различных сред.

4. По поляризационным характеристикам генерируемого излучения возмояно определение ориентации оптической оси одноосного кристалла, обладающего дихроизмом отражения или поглощения.

Диссертация отражает личный склад автора в проведенные исследования. Научный руководитель А.П.Войтович сформулировал и Поставил задачу исследований, оказывал методическую помощь при ее выполнении, участвовал в обсуэдении полученных результатов. В постановке задач исследований, выполненных в работах /130-132/ и /135-136/ принимали участие В.В.Чураков и В.Б.Дунаев соответственно. Другие соавторы раба? занимались изучением вопросов» не вошедших в диссертацию.

Основные результаты диссертации докладывались на I Межотраслевой конференции по газовым лазграм (Рязань, 1930г,), XIX Всесоюзном съезде по спектроскопии (Томскf 1983 г.), 1У Всесоюзной научно-технической конференции по газовым лазером (Москва, 19Г74г.), У1 Межреспубликанском научном семинаре по лазерной спектроскопии (бпдыотс, I'X>4i\), Щ Республиканской конференции молодых ученых по физике (Мимок, 1975г.), Всесоюзной конференции "Современные проблемы физики и ее приложений" (Москва, 1Ш7г.).

Ib материалам исследовании, выполненных в рамках диссертационной работы, опубликовано шесть статей в научных журналах, два препринта, тезисов научных конференций - четыре, выдано три

авторских свидетельства.

Диссертация состоит из введении, общей характеристики работы, пяти глав, выводов и списка использованных источников. Общий объем работы 102 стр. ^ включая 28 рисунков. Список использованных источников включает 142 названия.

ОСЮВШЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении отражен современный уровень развития методов ВЛС, используемых при регистрации слабых поглощений газообразных сред. Отмечается перспективность разработки для этих целей ВЛС методик в ИК-области спектра с применением даухволновых лазеров на углекислом газе. Обсуждается возможность эффективного управления выходными параметрами излучения С02-лазеров при изменении условий конкуренции генерируемых волн.

В разделе "Общая характеристика работы" показана высокая эффективность применения методов ВЛС с использованием И^-лазе-ров, работающих в режиме конкуренции двух волн, для измерения ыикроконцентраций ряда газообразных соединений и малых величин дихроизма сред.

Решаются вопросы управления энергетическими, временными и поляризационными характеристиками генерируемых волн путем изменения величины амплитудной анизотропии резонатора.

Сформулирована цель работы, отражена новизна и практическая значимость полученных результатов. Представлены основные положения, внносимые на защиту.

В первой главе дан обзор литературы и проведен анализ основных путей увеличения чувствительности методов внутрирезонаторной лазерной спектроскопии при решении задач регистрации слабых поглощений. Отмечается перспективность применения внутрирезонаторной методики с использованием двухволновых СО^-лазоров для абсорбционных измерений в ИК-области спектра и возможность управления выходными параметрами лазера путем направленного изменения потерь резонатора.

Во второй главе рассмотрены энергетические, временные и поляризационные характеристики двух ортогонально поляризованных волн и импульсных ЗД-лазерах. Изучается также влияние конкуренции волн, генерируемых на различных колебателыю-иршцательних

переходах, на выходные характеристику непрерывного ОО^-лазера--------

с частотно селективными потерями. Результаты исследования конкуренции двух волн, генерируемых такими лазерами, представляют интерес для управления параметрами генерируемого излучения, повышения чувствительности метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии в средней инфракрасной области спектра.

В разделе 2.1 изучена конкуренция линейно ортогонально поляризованных волн, генерируемых на одном колебательно-вращательном переходе импульсным лазером. Конкуренция тал их волн в большой степени определяется отношением их добротностей и вре- ' менем релаксации поляризационной неоднородности насыщения (ориентеционной релаксации). Изменение втих величин будет приводить к изменению условий конкуренции волн и, следовательно, влиять на выходные параметры лазера.

Анализ проведен в рамках уравнений баланса для системы иа трех колебательных уровней СО2 с учетом основных процессов, происходящих в активной среде лазера. Изменение населенностей рабочих колебательно-вращательных уровней дащих

вклад в излучение линейно ортогонально поляризованных волн о Х-, У-поляризациями, и соответствующих плотностей генерации 'Ц шнно записать с помощью следующих кинетических уравнений:

Г

, (2) , (3)

где ,, '

В, ^ и коэффициент Эйнштейна, функция Больцмана и насе-

ленности рабочих колебательных уровней соответственно, ^пот ~ П0ТеРи резонатора для волн с Х-, У-поляризациями,

(С - вероятность перераспределения частиц по вращательным уровням,

ф - скорость переориентации дипольного момента частиц из X-в У-состояние и обратно.

а

Из анализа временных зависимостей плотностей излучения tiyi.i ) и г/tf) двух ортогонально поляризованных волн (случай мгновенного включения потерь) следует, что при неизменной величине разности потерь ¿К (дК=К^от~ K^QT) для рассматриваемых волн, рост величины вероятности ориентацшмной релаксации df приводит к уменьшению общей длительности импульса с меньшей добротностью от 25 мкс при Ю^с""* до 0,6 мкс при и увеличению разности амплитуд импульсов обеих волн. ^

На крутизну заднего фронта импульса излучения с меньшей добротностью влияет также и величина разности потерь & К. С ростом ДК от 0,0002 до 0,0006 см""* крутизна заднего фронта импульса излучения волны с меньшей добротностью растет, а полная длительность импульса генерации уменьшается от 5 до 0,5 же.

Результаты расчетов показывают, что деполяризующие процессы, происходящие в активной среде лазера на углекислом газе со слабо анизотропным резонатором, работающего в режима конкуренции двух линейно ортогонально поляризованных волн, оказывают существенное влияние на кинетику развития генерации. Причем, с увеличением скорости деполяризующих процессов Сростом с^- ) и ростом разности добротностей обеих волн происходит изменение как амплитуд импульсов, так и уменьшение длительности импульса волны с меньг шей добротностью.

В разделе 2,2 рассматривается конкуренция двух линейно поляризованных волн, одновременно генерируемых на различных колебательно-вращательных переходах непрерывным СО^-лазером. Исследуются зависимости интенсивностей обеих волн от величины вводимых в резонатор лазера, селективных потерь и параметров активной среды. Обсуждаются возможности определения малых оптических плотностей при использовании такого лазера.

Теоретическая оценка проведена с помощью системы балак .-сных уравнений, подобной использованной в 2.1. Для данного случая рассмотрены переходы между двумя парами и fern отдельно выделенных колебательно-вращательных переходов верхнего и нижнего лазерных уровней. Связь рабочих вращательных уровней с совокупностью остальных вращательных уровней осуществляется путем неоптических переходов и характеризуется вероятностью вращательной релаксации cl .

Исследовались зависимости плотностей излучения Ij и Ig

двух во ли- с-частотами и от величины вносимых селектив-__________

пых потерь и в режиме одновременной генерации (в режиме конкуренции). Получена увеличение крутизны зависимостей 1т(Кт) и 1о(Кт) на порядок с ростом величины й^от 5- Ю7 до 5-1С»с*, а также существенное увеличение крутизны характеристик 10(Кт) ст величины вносимых потерь при условии работы лазера вблизи порога.

На основании подученных расчетных данных можно отметить перлпоктипность использования непрерывных СО^-лазеров, работающих « рчжимо конкуренции д-у« для пэгуйсякя чур-угритрльнш!-ти ВЛС методики в ИК-области спектра при измерении малых оптических потерь.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований зависимостей выходных характеристик (временных, энергетических) ортогонально поляризованных волн, одновременно генерируемых на одном и различных переходах импульсным СО^-лазером, при изменении условий конкуренции за счет создания амплитудной анизотропии резонатора.

В разделе 3.1.1 представлены результаты исследований двух-волновой генерации на одном колебательно-вращательном переходе. Используемая схема резонатора с регулируемой амплитудной анизотропией позволила изучить конкуренцию линейно ортогонально поляризованных золи, генерируемых на одном переходе.

При раСочих давлениях активно» среди лазера 0,029 МПа впличины времен орионтационпой и вращательной ^р релаксаций малы и составляют соответственно 1,7• ИГ^с и 5,1-10~^с. Так, как общая ширина импульсов генерации составляет ,¿¿-1,3 то южно считать, что в кгедиа шнент генерации имеет место равновесие молекул по оркентоциям. При изотропном резонаторе (пото-ри для линейно ортогонально поляризованных волн равны) импульсы генерации обеих волн идентичны и обладают длительностью 0,95 мне на 1/3 высоты максимума. Моменты начала формирования импульсов совладают. Внесение дополнительных потерь для волны о одно Л из г.оячр1!зиц!'.й мриь'.-дит к сокращен!« длительности слотйстстсуецего нулульса от 0,ОТ до 0,2 яке за счет сокращения заднего фронта. Д;;и~( ,-.Ы: )С-ь почалыготч пикг имвуяьсоч нр/. отом сохранялось рысцой 0,2 мке иа нолоиине ьис.01 и, Сумис-рнал дноргкя импульиов в.. ли

обеих поляризаций оставалась на уровне 1,1+0,01 Дк, что свидетельствует о перераспределении энергии из волны с меньшей добротностью в волну с большей добротностью. Уменьшение превышения величины ненасыщенного коэффициента усиления над потерями за счет изменения состава компонент и общего давления активной среды приводило к увеличению крутизны зависимостей энергий Импульсов от разности вносимых потерь Д.К.

Полученные экспериментальные результаты качественно согласуются с данными расчетов, приведенными в 2.1. Взаимосвязь па- . раметров импульсов с изменением анизотропии резонатора, вызванная сильной конкуренцией волн, позволяет получать в режиме одновременной генерации ортогонально поляризованные импульсы излучения, различающиеся по длительности и энергии.

В разделе 3.1,2 рассмотрен режим одновременной двухволновой генерации импульсного СО^-лазера на двух различных колебательно-вращательных переходах. Использована двухрезонаторная схема, включающая селективные резонаторы с разделением излучения по взаимно ортогональным поляризациям, что дает возможность изучать конкуренцию двух волн, генерирующих на различных колебательно-вращательных переходах в спектральном диапазоне 9-11 мкм. При настройке резонаторов на одну линию изменение временных и ; энергетических характеристик импульсов генерации подобно описанному в 3.1.1. В случае генерации на различных линиях полос 00°1-Ю°0 и 00°1-02°0, изменение величины потерь в одном из резонаторов (Ку) приводит к временной 'задержке Д£ начала формирования импульса с меньшей добротностью по отношению к импульсу с большей добротностью.

В разделе 3.2 изложены результаты исследования конкуренции ортогонально поляризованных волн, одновременно генерируемых на одном колебательно-вращательном переходе в СО^-лазере с изменяющейся добротностью. Как и в случае с импульсным лазером (см. 3,1.1), получено сокращение длительности импульса с меньшей добротностью в пять раз при изменении амплитудной анизотропии резонатора.

Экспериментальные результаты, представленные в 3.1 и 3.2, качественно согласуются с данными расчета, изложенными в 2.1. Конкуренция ортогонально поляризованных волн в импульсных СО^-лазерах, обусловленная деполяризующими процессами в активной среде, оказывает существенное влияние на кинетику развития

генерации. Изменение условий конкуренции волн позволяет получать линейно ортогонально поляризованные импульсы, различающиеся по энергии и длительности.

В четвертой главе исследуется конкуренция двух волн, генерируемых на любых парах колебательно-вращательных переходов непрерывным СО^-лазером. Выясняются условия, при которых достигается высокая чувствительность изменения интенсивностей волн к изменению величины внутрирезонаторных селективных потерь. Обсуа-дантся возможности МС методики с использованием двухволнового С0г>-лазера для измерения талых оптических плотностей ряда поглощающих газов и их концентраций.

В разделе 4.1 описан лабораторный макет прибора, включающий в себя двухволновой СО^-лазер, устройство электронной обработки и регистрации оптических сигналов, блок контроля спектрального состава излучения, систему подготовки и напуска поглощающего газа, во внутрирезонаторную ячейку, помещенную в один из резонаторов лазера. В качестве селективного поглотителя использовались пары трихлорэтилена (С^КСЙд). Конструкция селективных резонаторов лазера позволяла получать одновременную генерацию на частотах ВН1'ТРИ и ЕНе пределов контура полосы поглоще-

ния газа.

В разделе 4.2 отмечается существенное влияние на конкуренцию волн степени перекрытия их полей в активной среда лазера. Наибольшая крутизна зависимостей интенсивности и

от концентрации поглощающего газа на рабочей V2 и опорной частотах получена в случае- максимального перекрытия полей волн в активной среде. Обнаружено влияние типа буферного газа в поглощающей ячейке на крутизну зависимостей интенсивностей и 1<>(С). Наибольшее изменение интенсивностей получено при использовании в качестве буферного газа аргона. С уменьшением начального уровня интенсивности ^(0=0) на опорной частоте т.е. с приближением к пороговым условиям генерации, крутизна зависимостей и ^(С) растет. По проведенным оценкам минимальная чувствительность определения концентрации паров трихлорэтилена в смеси с азотом составила ДС=0,7-Ю мг/см^, что более чем. на порядок меньше уровня ПДК. Эта величина соответствует чувствительности определения оптической плотности =0,45-10"

С ¿=26 см, аК-1,7-10"7 см"1).

к

В пятой главе исследуются поляризационные характеристики непрерывного СС^-лазера с малой амплитудной анизотропией резонатора, работающего на одном колебательно-вращательном переходе в режима конкуренции ортогонально поляризованных волн. Показана возможность практического определения дихроизма отражателей по величина степени поляризации излучения лазера.

В разделе 5.1 описаны СО^-лазеры, в которых в качестве отражателей использованы как дифракционная реиетка, так и селективно отражающие кристаллы. Показано, что наличие даже небольшого различия в коэффициентах отражения ДГдля двух взаимно ортогонально поляризованных волн приводит к линейной поляризации излучения лазера. Величина дихроизма отражателей оценивалась по величине вносимых в резонатор дополнительных потерь, при которых степень- поляризации излучения лазера становится равной нули, и составила для дифракционной решетки -

0,5$ в области А=9,3 - 10,6 мкм, а для кристаллического кварца при А=9,3 мкм.

В разделе 5.2 излагается способ определения ориентации оптической оси одноосного кристалла, используемого в качестве одного из отражателей СС^-лазера, принцип которого основан на связи степени поляризации генерируемого излучения с анизотропией коэффициента отражения кристалла. Высокая чувствительность степени поляризации излучения к величине амплитудной анизотропии резонатора позволяет находить направление оптической оси одноосных кристаллов при достаточно малых различиях ¿^коэффициентов отражения для обыкновенного и необыкновенного лучей.

вывода

При исследовании характеристик излучения двухволновых СО^-лазерзв, работающих в режиме конкуренции двух волн с изменяющейся амплитудной анизотропией резонатора, в рамках настоящей работы получены следующие результаты.

1. Исследованиями временной кинетики интенсивностей генерации двух линейно ортогонально поляризованных волн, генерируемых однонременно ни одном или двух рнмличных кояе^нтчлъно-нпи^чтвль-ных переходах показано, что увеличение скорости вращательной и ориентационной релаксации активной среды при неизменной разности добротшстей для обеих волн приводит не только к «вменению амплитуд импульсов, но и к уменьшению длительности импульса волны с меньшей добротностью.

2. Осуществлен экспериментально в импульсном СО^-лазере режим одновременной генерации ортогонально поляризованных импульсов излучения на одном колебательно-вращательном переходе, мри изменении разности добротнсстей для них суммарная энергия обеих* ишульсоз остается на одном уровне, моменты начала формирования импульсов совпадают, длительность и;,пульса с меньшей добротностью сокращается на порядок за счет сокращения заднего фронта, о бус ло пленного передачей энергии возбуждения от азота

к углекислому газу.

3. Теоретически и экспериментально изучены зависимости кнтзн-сивностой ортогонально поляризованных волн, одновременно генерируемых на различных переходах непрерывным (Х^-лазером, ог разности их добротностей. Показана высокая чувствительность относительного изменения интенсивностей поли к изменениям величины потерь для одной из них.

4. Продемонстрирована возможность определения малых концентраций молекулярных соединений с полосой поглощения, перекрываю-цсйся с областью частот генерации непрерывного СО^-лязера, работящего а ре*и»ю конкуренции двух ноли. Получена концентрационная чуьегьигелыюоть содержания паров трихлорэтилена и смеси с различными буферными газами (азот, аргон, гелий) 0,7- 10" мгУсм", что на порядок гуще, чем в случае одночастотного внутрирезолитерного метода.

5. Установлена высокая чувствительность поляризационных характеристик излучения, генерируемого на одном или различных колебательно-вращательных переходах, к амплитудной анизотропии потерь, что является основой для внутрирезонаторной лазерной спектроскопии дихроизма различных сред. Экспериментально внутри-резонаторным методом определен дихроизм отражения кристаллического кварца в области 9,3 мкм и дифракционной решетки в области 9,2 - 10,7 мкм.

6. Предложен способ определения ориентации оптической оси одноосных кристаллов с использованием непрерывного (Х^-лазера, генерирующего на одном колебательно-вращательном переходе ортогонально поляризованные волны, основанный на взаимосвязи степени поляризации выходного излучения и величины дихроизма коэффициентов отражения обыкновенного и необыкновенного лучей на частот* генерации.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Войтович А.П., Прокопов А.П. Исследование влияния конкуренции ортогонально поляризованных волн на временные характеристики излучения лазера на углекислом газе // ШС.-1979.-Т.31, в.З,-. С.430-435.

2. Энергетические и временные характеристики ортогонально поля-,, риза ванных волн, генерируемых импульсным лазером на углекислом газе с поперечным возбуждением / И.М.Бертель, А.П.Войто» вич, В.0.Петухов, А.П.Прокопов, С.А.Трушин, В.В.ЧУраков П ШС.-1980.-Т.ЗЗ, B.I.-C.29-33.

3. Энергетические, спектральные и временные характеристики двух-т • волнового TEA ^-лазера / И.М.Бертель, В.О.Петухов, А.П.Про*

копов, С.Я.Точицкий, В.В.%раков //ШТС.-13В7,-Т,4б, в.З.-C.39I-396.

4. Войтович А.П., Прокопов А.П., Дунаев В.Б. Использование двух-г волнового лазера на углекислом газе для определения малых концентраций веществ И ШС.-19В5.-Т.42, b.3.-C.369-372.

5. Дунаев В.Б,, Прокопов А.П, Конкуренция двух волн, генерируемых на различных переходах лазером на углекислом газе с селективно поглощающей ячейкой в резонаторе И ЖПС.-1966,-Т.45, в.З. - С.391-396.

6. Войтович А.П., Прокопов А.П., Метельский В.М. Определение ориентации оптической оси одноосного кристалла с помощью лазера // Опт.и cneKTp.-l976.-T.40, b.4.-C.760-76I.

' 7, Войтович А.П., Дунаев В.Б., Прокопов А.П, Исследование конкуренции волн в СО^-лазере и возможностей ее использования для повышения чувствительности внут рире зо f шторной спектроскопии.- Препринт 1 Институт физики АН БССР; & 378.-Мн., ISB5.-2I с.

8. Дунаев В.Б,, Прокопов А.П. Измеритель оптических сигналов и возможности его применения.- Препринт / Институт физики АН БССР; № 393.- Мн., 1965.- 29 с.

9. А.с. 602433 СССР, ШИ2Н. Olí 3/12,6 0IJ 4/00. Способ определения направления оптической оси одноосных кристаллов / А.П.Войтович, А.П.Прокопов, В.М.Метельский (СССР).- Ш048052/ 26-25; Заявлено 18,0?.74; Опубл. 05.02,76, Йол. №5.

10. А.с. 14472Ю СССР, ШР Н OIS 3/13. Двухволновое.лазерное устройство / А.П.Войтович, В.Б.Дунаев, А.П.Прокопов (СССР).-№ 4054909; Заявлено II.04.86; Опубл. 22.СВ.В8.

11. А.с. 1447219 СССР, МКЙ4 Н OIS 3/IX. Способ стабилизации мощности излучения лазера j А.П.Войтович, В.Б.Дунаев, А.П. Прокопов (СССР). - JMC78909; Заявлено 10.06.86; Опубл.

22.08.138.

12. Метельский В.М., Прокопов А.П. Перестройка частоты генерации лазера на СО? с помощью селективных отражателей // Злектро-вакуумние и газоразрядное приборы. Газовые лазеры.- М., 1974,-Сер.4, вып.I (25).- С.44.

13. npoxcnov А.П., Метельский З.М. Влияние селективных отражателей на характеристики излучения С0о-Лазера // Каатовая и физическая электроника. Материалы Ш республиканской конференции молодых ученых по физике,- Ми., 1975.- С.59-60.

14. Прокопов А.П. Определение малых оптических плотностей с помощью двухьолнового COg-лазера //' Материалы XIX Всесоюзного съезда по спектроскопии.- Томск, 1933,- 4.6.-С. 105-106,

15. Войтович А.П., Дунаев В.Б., Прокопов А.П. Использование конкуренции двух боли COg-лазера для определения малых концентраций вещестп Ц Тезисы У1 Межреспубликанского научного семинара,- Вильнюс, 1964,— С. 12.

резюме. Прокопов Анатолий Петрович. конкуренция генерируемых водн в со2-лаэерах и ее использование для развития методов внутрире30нат0рюй ЛАЗЕРНОЙ спектроскопии

Лазеры на углекислом газе, внутрирезонаторная лазерная спектроскопия, конкуренция генерируемых волн, дихроизм, поляризация, ориентация оптической оси.

Расширение области применения метода ВЛС в средней инфракрасной области спектра связано с использованием двухволновых (Х^-лазеров, работающих одновременно на одном или двух колебате-льно-врал1ательных переходах. Конкуренция волн в таких лазерах вызывает существенное перераспределение их интенсивностей при внесении в резонатор селективных по частоте потерь. Это позволяет производить высокочувствительный анализ методом ВЛС важных в экологическом отношении газообразных соединений (фреоны, три-хлорэтилен, аммиак и др.) и решать задачи эффективного управления энергетическими, временными и поляризационными характеристиками генерируемого излучения путем направленного изменения потерь резонатора.

Теоретически и экспериментально исследована временная кинетика интенсивностей генерации двух линейно ортогонально поляризованных шлн в импульсных СО^-лазерах. Увеличение скорости вращательной и ориентационной релаксации активной среды, рост разности внутрирезонаторных потерь для генерируемых волн, приводит к сокращению длительности импульса волны с меньшей добротностью на порядок.

Показана высокая чувствительность относительного изменения интенсивностей волн к изменению величины потерь для одной из них в непрерывном СХ^-лаэере, работающем в режиме конкуренции двух волн. Получена концентрационная чувствительность измерения содержания паров трихлорэтилена в смеси с различными буферными газами 0,7' Ю"*7 мг/см^,

Внутрирезонаторным методом изморен дихроизм элементов резонатора и разработан новый способ определения ориентации оптической оси одноосных кристаллов.

-------------------РЗЗШЭ. ПракопаУ АйаТоль Пятрсвгч. КАНКУРЗНПЫЯ

ГЕНЕРЫРАВАНЫХ ХВАЛЯУ У С02-ЛАЗЕРАХ I ЯЕ ВЫКАРЫСТАННЕ ДЛЯ РАЗВIЦЦЯ МБТАДАУ УНУТРЫРЭЗАНАТАРНДЙ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРАОКАШ I

Лазеры на вуглекюлнм газе, унутрырэзанатарнэя лазерная спектраскатя, канкурэнцыя генерырававдх хваля?, дцхра1зм, палгтрнзацыя, аризнтзцця аптычнай воы.

Расишрэннэ вобласц! прымянення метада УЛС у сярэдняй 1нфрачырвонай вобласц! спектра звязайа 3 выкарыстаннем двуххвалявих со^-ляверя?, гтр°ну»чнх яднэчпетзз тга адяк.: з'о двух вагальна-вярчальннх. переходах. Канкурэгадая хЬпля" у тгк!х лазерах выкл1кае грунтоунае пераразмерКаванне !х 1нтэнс!риасцей при унясенн! у рэзанатар сэлектыуных па часщне страт. Гэта дазваляе виконваць високаадчувальны анал1з метадам УЛС важных у экалапчним дачыненш газападобних злучэнняу ( Фрэонн, трихлорэтылен, атак 1 1ш.) 1 вырашаЦь задачи эфектыуяага травання энергетычным!, часовым! 1 палярнзацыйным! характзрыстыцам! генерыраранага выпраменьвання шляхам Пок1рйваяага зМянеакя страт рэзанптара.

Тэарэтычна ! экспериментальна даследаБЬна часовая кIнетика Штэнлрнасцбй гбнерады! двух л тейпа артаганяльна яаляризввзних хваля? у п/лульсных С02-лаззрах. Павел1чэнне хуткзси! вярчальнай £ арыентацыЯнай рзлаксацш актыунага асяроддзя, павел ггзнне розшцы унутрирэзанатарных страт генерыраЕзшх хваля?, приведешь да окарачэння працягласцг шпульса хвал з меньшая дихтоУнасцю на парадзк.

Паказана высокая адчувальнасць адноснага змянення 1нтэно1Унасцей хваля? да змяненвд вел1чын1 страт адной з 1х у беспераииннам'СО-лазеры, працуючым у рокиму канкурэнщл дзвюх хвяляу. Атримана канцзнтрацийная адчувальнасць мерання колькисщ пара трнхлорэтилепу у сумесл з розним1 буферным! газам! 0,7 10~7мг/см\

Унутрирззанатарним метадам змеран дахра1зм злементау

рэзанатара 1 распрэцован новы спосао вызнаЧэння ариантацш аптичньй вое! аднавосных крышталяу.

SUMMARY. Prokopov Anatoliy petrovich. GENERATED WAVES COMPETITION IH COg LASERS AND ITS USE POR THE DEVELOBiEITT OP INTRACAVTTI LASER SPECTROSCOPY METHODS

COg lasers, intracavity laser spectroscopy, generated wavea competition, dichroism, polarization, optical axis orientation.

The widening of the sphere of ILS method using in the middle infrared spectrum region is conneoting with two-wave COg laser application, operating on one or two vibrational -rotational transitions simultaneously, Yiaves competition in such lasers causes an essential redistribution of their intensities at introduction of frequency selected losses into a resonator, This allows to produce high-senaitive analysis by IIS method of important ( in ecol6gical relationship ) gaseous compounds ( phreone, threeclorethylene, ammonia and others ) and to solve problems of affective control of time and polarization characteristics of generated radiation by means of directed changing of resonator losses.

Time kinetics of two linearly orthogonal polarized waves in pulsed COg laser has been investigated theoretically and experimentally. The increasing of the rate of active media rotational and orientational relaxation, the.increasing of the differsnca of generated waves intracavity losses leads to tha reduction of a wave pulse with lower by an order.

High sensitivity of relative change of the wave intensities to .the change of losses value for one of them in the continuously pumped COg laser, operating in the regime of two-waves competition, is shown. Concentration sensitivity of measuring of threechlorethylene vapour content in the mixture with different buffer gases is obtained in the range of 0,7?1Q"*^ rag/snt^.

The dichroism of resonator elements was measured by an intracavity msthod and a nsv/ way of determination of optical axis orientation of single axis crystals was developed.