Лазерная ИК спектроскопия колебательно неравновесных молекулярных газов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

^ АВДШШЯ НАУК БЕЛАРУСИ

^ ОРДЕН.'- ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИКОТКТЛ' ^ - ИМ. Б. И. СТЕПАНОВА

. _ ..ИНСТИТУТ ТЕХдач^кс/ "АКУСТИКИ

На правах рукописи

.ЛЗПЕЫЖ • -Николий Степанович

ЛАЗЕРНАЯ ИК СПЕКТРОСКОПИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНО НЕРАВНОВЕСНЫХ МО/йДСУЛЯРШХ ГАЗОВ

Сг|»»»а.пы;остг, - л~.зе*аая йг.зкка

А в т о р а ф е [' з ?

диссертвции на соискание ученой степени ■доктора Физико-математических наук

Минск,

1994

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного; Знамени Институте физики ш. Б.И.Степанова и Институте' технической . акустики Академии наук Беларуси

Официальные опоненты

доктор физико-математических наук Бирюков A.C.

доктор физико-математических наук, профессор Варепай E.G.

доктор физико-математических наук Савва В.А.-

Ведущая организация - Институт тепло- и массобмена

'им. A.B. Лыкова Академии наук Беларуси

Д 006.01.01. по присуждении ученой степени доктора наук при Институте физики им.Б.И.Степанова АНБ ( г.Минск, 220602, ГСП, пр. Ф.Скорины, 70).

С диссертацией монно ознакомиться в библиотеке Института физики им.Б.И.Степанова АНБ.

.1995 г. совета

¡энного

Автореферат разослан -¿а-

Ученый секратарь специализированного совета доктор физ.-ыат. наук

Г.А.Залесская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Ак'лзльность темы. Интенсивное изучение колебательно неравновесных молекулярных газов в значительной мере связано с получением в 60-е года лазерной генерации на колебательных перекодах большого числа молекул и появлением химических' лазеров.

аккумулятором энергии, выделяющейся в '

"¡"5ГТ0СКПХ ¿мчюшА. .ш^ЛЮГ;" """олятмлЬппо ,

свободы молекул. Поэтому именно перехода кожду кодА^агашгсз уровнями используются в подавляющем большинстве химичесюп. лазеров. Инверсная населенность между колебательными уровнями возникает в ■ стационарном режиме вследствие многообразия релаксационных процессов и различия их скоростей. Опираясь на достижения кинетики существенно неравновесных систем, развитие •.лазерной физики значительно стимулировало изучение процессов релаксации в неравновесных молекулярных газах.

Результаты таких исследований кроме квантовой электроники широко используются в лазерной химии и плавмохимии, фязккв атмосферы, газодинамике. Следует отметить, что в этих областях науки наибольший интерес. представляют существенно неравновесные молекулярные системы, когда значительная неравновесность возникает не только мекчу колебательными и поступательными, но и в самих колебательных степенях свобода. В таких условиях появляются принципиально новые интересные эффекты. Примерами таких эффектов является эффект Тркисра, связанный с сильным перозаселэнягем високоиоабуавенных колебательных состояний молекул, и эффекты, лдааиие в основе работы газодинамических лазеров с большой схепэнъв расширения газа, когда может быть применима только давневая кинетика.

Теоретическое изучение колебательной релаксации в сильно неравновесных условиях делится на два различных аспекта -динамический, основанный на моделировании элементарных актов столкновения, и, имеющий целью нахождение сечений или констант скоростей колебательно-колебательных (У-У) или колебательно- поступательных (7-1) переходов в молекулах, и статистический, в котором вычисляются неравновесные распределения по колебательным уровням и их влияние на

3

различные физико-химические свойства среды. Результаты статистической теории колеательной релаксации позволяют описать большинство из, представляющих практический интерес, явлений. Расчет сечений или вероятностей колебательно -поступательного (V—Т) и колебательно-колебательного (V—V) обмена энергии при неупругих взаимодействиях молекул традиционно относится к одному из самых сложных разделов теории столкновений. К настоящему времени наибольшее развитие получили полуклассические варианты теории, базирующиеся на различных модельных представлениях о протекании элементарного акта столкновения и содержащие несколько свободных параметров, точные значения которых, как правило, неизвестны. В итоге большинство ' экспериментально полученных результатов можно теоретически объяснить, исходя из нескольких взаимоисключающих друг друга предположений о протекании элементарных процессов, и невозможно достаточно точно предсказать те величины вероятностей, которые пока не получены в эксперименте.

Большинство экспериментальных иследований было вызвано задачами развивающейся техники и поэтому носят Фрагментарный характер. Каждый из методов измерений применим, как правило, к определенному классу молекул и в сравнительно узком интервале температур и давлений. Кроме того, существуют различия в виде релаксационных уравнений, применяемых в каждом конкретном случае. Все это вызывает значительные трудности в сопоставлении результатов измерений и построении общей теоретической картины изучаемых явлений.

Д. I правильного понимания и разработки однозначной теории релаксационных процессов в газах, в первую очередь, необходимо проведение систематических экспериментальных исследований, базирующихся на единой методике измерений. Наиболее информатигным и удовлетворяющим изложенным выше требованиям является метод, основанный на импульсном лазерном возбуждении отдельных колебательных уровней с последующим изучением кинетики ИК флуоресценции. Однако проведение таких исследований сопряжено со значительными метрологическими трудностями, связанными, в основном, с чрезвычайно низкой интенсивностью сигнала люминесценции. Малая мощность

4

лнл1шсигнцаи даже при значительной энергии накачки

-----обусловлена __небольшой величиной вероятности спонтанных

в-чнучитниимх переходов в йк -:>№:'"га и сйлькоЯ' кснкур®яшк«й------

р 1С ЛГОР . V рода б е 2 Ы 5: Л / Ч П1Ч л £ ■. 1Ы X ПР'ЛАССОК. Игеино

еечиздучателтые стслквовителыше переходы являются в газах, чаще всего, основным каналом релаксации кшюО'Педьной ькергии. Кроме того возникают определяйте слокиости з интерпретации >рормп сигналу льтмивесцрйпаи, олусдовлекные необходимость» • применения многоурсш&вих »/олчлей ллд описбпия процессов миграции колебательной энергии.

иппАчппоикн пгЛл. «Ц»«».»^« И^17ПЛЬ30ВаНИЯ

специйлыигх :: »»"».та-шиш!

эксперимента. Применение автоматизированных комплексов позволяет на первом этапе осуществлять синхронное накопление сигналов для улучшения отношения еигнал/Щум, а далее проводить математическую обработку с целью решения задачи

восстановления формы сигнала люминесценции.

В настоящей работе главное внимание уделяется иослпдпванию 7-Т й Ч-Ч процессов в углекислом газе и его смесях. Молекула со-а сравнительно проста и слуккт удобннн модельным объектом изучония. В то же врсмч углекиошй газ служит активной ерадой мовгчих молоку лярны.» лазеров, яалнею* продуктом сгорания ракетных 'тошиз, игра«1? вакну» роль в процессах зноргзсЗййна в атмосфере Земли к других планет.

В теоретические .модели сильно неравноьеошх мол<?хул»:рнм газовых сред, йр-зп многообразия происходящих в них процессов, кром« уравнений молекулярной кинетики дополнительно вводятся уравнения теплопроводности, уршшония, описывающие электронное тгли отттиче^кпй позбукление, химическую кинетику и гязодкнемику, что сильно усложняет зчдачу и уменьшает достоверность полученных результатов. В связи с этим крайне актуальной становится задача диагностики неравновесных молекулярных сред. В частности, в активных средах молекулярных газовых лазеров важное практическое значение имеют определение коэффициента усиления, населенностей верхнего и нижнего генерационных уровней и температуры среды в зависимости от условий возбуждения. Из множества всевозможных методов диагностики колебательно неравновесных газовых сред несомненны

5

приоритет отдается оптическим методам, главным образом, в силу их бесконтактности, локальности и быстродействия. Следует отметить, что большинство методов диагностики базируется на температурной модели неравновесной среда, которая оказалась плодотворной для расчета запаса энергии в отдельных колебательных модах. Однако, возникающие вследствие многообразия процессов возбуждения и релаксации нарушения равновесия между уровнями внутри мод и в смешанных состояниях вызывают сильные сомнения в корректности решения задач диагностики на основе температурных моделей.

Среда оптических методов значительное внимание привлекает' метод многочастотного лазерного зондирования о измерением усиления или поглощения в центре контуров колебательно-вращательных линий. Этот метод свободен от таких серьезных недостатков, как необходимость измерения абсолютных значений интенсивностей излучения и априорное привлечение приближенных спектроскопических моделей Ьреда. Успешное применение данной методики для диагностики СОг содержащих сред стало возможным после разработки стабилизированных по частоте перестриаваемых СОг лазеров, что позволило проводить прецизионные измерения коэффициентов усиления или поглощения на различных колебательно-вращательных линиях.

В настоящее время можно констатировать, что к началу семидесятых годов исследования неравновесных молекулярных газовых сред достигли довольно высокого уровня, а возможности применения лазерной техники к изучению колебательно неравновесных молекулярных сред представлялись весьма перспективными.

Изучение скоростей колебательной релаксации и разработка методов диагностики колебательно неравновесных молекулярных газовых сред определились как основное направление наших исследований и цель работы.

Для достижения данной цели были проведены физические исследования и решен ряд задач прикладного характера, направленных на разработку необходимой лазерной и измерительной аппаратуры.

Актуальность работы_определяется принципиальным значением в молекулярной физике констант скоростей колебательной

6

релаксации и их температурных зависимостей для выяснения механизмов неупругого взаимодействия молекул при столкновениях и необходимостью знать 1фироду~и~количествеянт»-характеристики атлх. процессов гши исследовании и использования колеоательно неравновесных молекулярных газовых срьд.

ЙЭХЗЗ^О новизна работы заключается в еле думцем: ' Г. Мято дом лазерно индуцированной ИК люминесценции в широком интервале температур (200-10по К) с высокой точностью измерены константы скоростей релаксации г-взрпш уровня 00°1 молекулы СОг в чистом углекислом газе и в смесях СОг с Uu, Аг, Us, Ог, ZZ. Г,2, "г. х""' hi'«».

2. Надето устаксн.'мп* тп^^н^^Т" релаксации энергии уровня 00°1 молокул СОг при столкновении о молекулами HzO.

3. Выполнен расчет интенсивности ИК люминесценции СОг при импульсном лазерном возбуждении в зависимости от параметров газа и излучения.

4. Выполнен расчет формы сигналов ИК люминесценции с учетом переходных характеристик люминесциругацей среда и формы импульсов возбуждения.

5. Экспериментально кссследовано рьспределненив коэффициента усиления в активной среде Сыстроироточнсг'о технологического СОг лазера и проведена оптимизация характеристик активной среды и параметров резонатора по выходной мощности.

в. Выполнен анализ точностных характеристик диагностики активных сред СОг лазеров при многочастотном резонансном зондировании. Разработан алгоритм обработки результатов измерений.

7. Теоретически изучены режимы одно- и двухмодовой генерации в

Не-Не лазере с фазово-анизотроиным резонатором,

8. Разработан метод расчета вынужденной анизотропии в ллней;шх электро-оптических кристаллах при наложении на них поперечного изменяющегося электрического шля.

э. Разработана оригинальная схема получения квадратурных сигналов в лазерном интерферометре, на основании которой разработан одночастотный лазерный интерферометр. 10. Предложен лазерно-интерферочетрический метод измерения скоростей релаксации внутренней энергии молекул, с помощью

7

которого измерена скорость У-Т релаксации .молекул 02.

11. Разработаны методика и оригинальная аппаратура для измерения скоростей релаксации колебательной энергии в широком интервале температур методом лазерно индуцированной 5® люминесценции.

12. Разработан анализатор формы сигналов для исследования кинетики ИК люминесценции путем статистической обработки результатов измерений, и восстановления формы сигналов.

,13. Впервые экспериментально исследованы спектральные и временные характеристики СОг лазера в режиме модуляции добротности в зависимости' 'от условий возбуждения и параметров, резонатора. .

14. Впервые продлокен и экспериментально реализован СОг лазер с криталлическими отражателями из Б Юг и 310 в качестве селективных зеркал резонатора.

15. Экспериментально исследованы поляризационные свойства. отражательных дифракционных решеток, используемых в перестраиваемых СОг лазерах.

16. Впервые разработан стабилизированный по частоте, перестраиваемый СОг лазер с резонатором, оптимальным во • всем диапазоне перестройки.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты могут широко использоваться в таких разделах науки и техники, как лазерная физика . при моделировании, расчете и диагностике активных сред молекулярных газовых лазеров, в физике и химии горения, при изучении переноса энергии в молекулярных газах, в физике атмосферы Земли и других планет, многие выводы ' в широком смысле могут быть применены в спектроскопии и люминесценции.

Основные золожещя диссертации^ выносимые на защиту.

1. Создаю» необходимой лазерной и измерительной техники и разработка экспериментальной методики определения скоростей колебательной релаксации молекул методом лазерно индуцированной ИК люминесценции. • . ;

2. Определение температурных' зависимостей койотант скоростей релаксации энергии ассиметричной моды молекулы СОг. в чистом углекислом газе и в смесях С02 с Не, Аг, Н2, 02, К2,

8

CO, NO, UgO, HgO. В чистом'CO^ и в смесях СОг~ Ог, СО,- Н.,0

при низкю: температурах обнаружены отклонения от Лэядау-Твллеровсксй зависимости, что свидетельствует « о суцесгввнаоа

— рот -сил----мегколскулярногс' притда^нйя" я механизма

'.толкн^витвльноЯ релаксашш,

2. Установление механизма -зависимости амплитуды сигналов Ш лкминесценцки при лазерном возбуждении от давления и температуры газа, который определяется характером уширэния ятнкй: ттрг* дегоузррвском контур» линий к постоянной вкергта лакочкв с ростом дввдоная г<??я:р?5?ур» лмчшвпэд утой люды оотаьюл постоянной, а амплитуда стенала' растет -в связи с ростом числа центпоп катита«- "р- ..____

niwiJinrrv iihi гтат-ии.по n»««rrtrr.- Дпо/'лпя,.

связано с понижением температуры лялшесцирущей моды и пленением излучения.

4. Разработка лазерно-кнтерферомвтрической измерительной системы для определения скоростей релаксации внутренней

• анергии молекул; в оптической схеме интерферометра впервые ■ использовано смешение линейно поляризованного излучения одного из каналов о циркулярно поляризоввнным излучением другого татгзлэ, что позволяет повысить точность измерений.

5. Метод диагностики активных сред и оптимизации услоька возбуждения в бистропроточных молекулярных лазерах, основешай на измерен®! распределении ко&ффицкента усиления и поаБоля.»?диЛ определить запас колебательной энергии в молекулах я условия его реализации в виде лазерного излучения.

в. Результаты анализа точностных характеристик диагностики колебательно нерзриовесннх сред методом кногочастотного роионатснс>г"> лоэдгрозгишя, показывающие, что при зондирования на линиях 'Р- и П- ветвей порахопоп [fu"0,(k-0!j jT - 00°3 шстивякх оред COj, лазеров логр'"шюсть олр» мнения темпера-тур штат не ¡шзвчтать Т%, а ззс9.здшсс£еД - б%. .

7. Оптическая схема развязки ¡резонатора перестраиваемого С02 лазера, использувдай поляризационные характеристики дифракционных ресеток и поворот плоскости лтоляризации излучения Енутри резонатора, что позволяет расширить .диапазон перестройки и повысить модность в входного излучения.

9

8. Результаты экспериментального исследования спектра генерации С02 лазера в режиме модуляции добротности, показывающие значительное расширение спектра при повышении скорости включения ' добротности и понижении скорости вращательной ралаксации молекул за счет уменьшения содержания в активной среде буферного газа.

Апробация работы.

Результаты, изложенные в диссертации были представлены и обсуждены на следующих конференциях: XVII съезд по спектроскопии (г. Минск, 1971 г.); конференция молодых ученых ГОИ им.С.И.Вавилова (г.Ленинград, 1972 г.); IV Республиканская конференция молодых ученых по физике (г.Гомель, 1976 г.); II Всесоюзный семинар по физическим процессам в газовых ОКР (г.Ужгород, 1978 г.); V Республиканская конференция молодых ученых по физике (г.Гродно, 1979 г.); X Сибирское совещание по спектроскопии (г.Томск, 1981 г.); III Всесоюзная конференция "Оптика лазеров" (г.Ленинград, 1982 г.); IV Международная конференция по люминесценции (г.Сегед, Венгрия, 1982 г.); Всесоюзный, семинар "Лазерная технология в приборостроении" (г.Рига, 1985 г.); Всесоюзная, научно-техническая школа-семинар "Лазерное оптическое и спектральное приборостроение" (г.Минск, 1987 г.); ИХ Симпозиум по спектроскопии высокого разрешения (г.Красноярск, 1987 г.); IV Симпозиум "Динамика элементарных атомно-молекулярных процессов" (г.Черноголовка, 1987 г.); XX Всесоюзный съезд по спектроскопии (г.Киев, 1988 г.); IV Всесоюзная конференция "Кинетические и газодинамические процессы в неравнозесннх средах" (г.Москва, 1988 г.); X Всесоюзная конференция по физике электронных и атомных столкновений (г.Ужгород, 1988 г.); IV Всесоюзная конференция по голографии (г.Витебск, 1990 г.).

Материалы диссертации опубликованы в 32 статьях, препринте и 16 научных отчетах. По результатам работы получено 4 авторских свидетельства на изобретение.

ggçTOBepHoçTb полеченных результатов. ••

Все научные выводы, положения и рекомендации, представленные в диссертации, достаточно полно обоснованы теоретически и подтверждены экспериментально. Теоретические

10

исследования проведены ня основе современных физических представлений о процессах релаксации .колебательной анергии «*ол?кул- и- взаимодействия~~молекул и- "атомов с лазерным излучением. Экспериментальны* исследования процессов •релаксации колебательной -энергии молекул выполнены о использованием методов лазерно индуцированной МК люминесценции и л а,3'?риой интерферометрии, исследования колебательно неравновесных сред проведг-ян методе* многочастотного резоноисного зондироьжил. Кроме того, достоверность лолучьшшх результатов проверена путем сопоставления их с ЛКТеРЭТУИШ-та дэнными. л таким игчтештли илплптппп.п.«.. —-

ииип^то 1ШП иааит'яггкн ин:чыпыит ^игточ

Л^ный вклад автора. Личное участие автора в получении научных результатов выразилось в выборе направления исследований, постановке задач, обсуждении промежуточных и конечных результатов, обобщении и формулировании основных выводов. Автор принимал непосредственное участие в постановке, и выполнении основных экспериментов, им непосредственно выполнен ряд теоретических исследований. Ему . принадлежит теоретическая интерпретация полученных экспериментальных результатов, построение моделей ые-хмшзмоз изученных явлений и

ЛрСЫОССОР, Обг.СНОРтНИ- И ВибОр №Ю110П к ло,додов к решению

»ксн^рккеятальяых задач. Аваору иращдезхят инициатива и вопосреяственаое учг-етте ь практическом использоз&ичи полученных научных результатов и технических разработок.

Соавторы отдельных работ пртгимали участиз в оСсуздэнии научных результатов. Постановка рад» щобячл осушоствяялйсь саклвгтаз с доктором ^¿ико-мптоматических наук л.И.орлоанм. Часть работ выполнена в сояятопр.тпд о. ^гггг,

СЧ,;'|Г-| < С.";'/"г л- :у;< .'Т-'-И^Ч-гНУИ ГОгре '„'К):4'

Р'- и ^ои!.ОАОиакйи, окв-заьали

техническое воздействие на :разлкчннх этапах выполнения диссертационной работы и не являются основными исполнителя.

структура и обт>ем гфпявртфтря

Дкс^р'тс'.отш' ¡.н^отн '"ог (гит и-з »ы:-дения, пяти гхпв, з.'^.лнленил, ¿"»¿га: и содории-.,' ¿20 страниц текста.

Е'КЛ^Ч'-Л 69 рисуикоь. СПИСОК ЦКТЙрОКагал?. г/.терзтури СОСТОИТ Й2

ньимен:ьчкнЛ.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ §2 введении кратко описано современное состояние проблемы -исследования колебательно неравновесных молекулярных газов, обоснована актуальность работы, сформулированы задачи и цели исследований, кратко перечислены основные научные положения, выносимые на защиту.

-В. глава излажены результаты физических

исследований, позволившие реализовать метод лазерной ИК люминесценции для изучения колебательной релаксации в молекулярных газах. Описана экспериментальная установка, в состав которой входят импульсный лазерный источник возбуждения, измерительная кювета специальной конструкции с системами терморегулирования, вакуумирования и очистки исследуемых газов и система регистрации сигналов ИК люминесценции. Рассмотрена методика расчета распределения температуры при конструировании нагреваемых измерительных юовет с целью получения однородного температурного поля в зоне регистрации ИК люминесценции.

Возбуждение молекул в измерительной кювете может осуществляться двумя ' способами: внутрирезонаторно с использованием СОг лазера, работающего в режиме модуляции добротности, и внешним источником импульсного излучения. Проведенные исследования энергетических, временных и спектральных характеристик излучения СОг лазера в режиме модуляции добротности выявили сдвинутую во времени двойную структуру (х=ю,б мкм и х=9,55 мкм) импульсов излучения, что затрудняет применение такого лазера в качестве источника возбуждения. Для селекции спектральных свойств резонатора предложены и реализованы в качестве одного из зеркал резонатора селективные кристаллические отражатели из S102 и SIC. Применение таких отражателей позволило получить генерацию на одной или нескольких колебательно-вращательных линиях переходов 00°1-Ю°0 или 00°1-02°0, практически, без уменьшения мощности излучения. Проведенные исследования • показали перспективность использования кристаллических отражателей в качестве селективных зеркал резонаторов лазеров ИК диапазона. В качестве внешних источников излучения для возбуждения

12

молекул целесообразно использование гоятульоно-периодических ТЕА С 02 лазеров. Проведенные исследования характеристик

импульсно-лериодического СОг лазера модели 143 _ нозволили— при-----------------

----©ГС-МОИТЙГСЗЦКИ'ДбСТЙГНуТ?- ?.Ч8ЧИ1в иного улучшения вы<г\дннх

параметров. За счет введения доитямтолъного ряд« искровцх расфндник.оь была повышена степень предварительной ионизации ряЛочей смеси, что позволило на Ю^ увеличит» знерговклад в ектешую среду и значительно повысить стабильность разряда при •гтмосфзрном давлении. Провел?ни намерения коэффициентов уоидаякч на различных лит?.« и определены оашмалыш» параметры резонатора. Увеличение энергевклгзда в активную среду и пиимйнйнгю о

тшшпли .«т.-,.™"-: ;:и.,„„„ «-'.-ра-^рс с коэффициентом отражения й=0,8 позволило повысить выходную энергию в импульсе с 0,4 до 1,2 Як. Проанализированы различные схемы построена селективных резонаторов с ди^рпхциоишми решетками. При этом учтены результаты исследования поляризационных' характеристик дифракционных решеток, описанные в третьей главе. Показано, что в случае селективного резонатора следует учитывать поворот плоскости поляризации излучения при отражении от до*рекцисгтт«и решетки а, сея?рнннв с ним, пот-!?;: за окне Бксстгрп и в зависимости от иерпм«тр:-б реь.етк;: схему вывода

изучения из резонатора. При изрэяьзсзашт дк&нуа'кощ.кх (".•»ПРТСК с СюДЫсШАИ КСЭ<51»ШиЛ7Я>т '"'ТР^КЗНИЛ Б И<"-ПР.Ч«| «орядск

. . -г- , . - .

Ш$С,ЭЗ) выгодно шеодить изл^ч^нй'1 1:з сеосмторц чор^з вгорэ-колуагозга эетжучо. [¡ря мриьтгх кс?$$кш пятах огрйж^'йя

решетки в первый порядок и, соотьотстчг-кно бол-^их " чу-сагвя?:-у оледу-: ■ су^сп-.'^чг чорчч чулукй поило,ч

Для регистрации и анализа квнйтию* да ~гт'г е.-.^ст

"й.'ч:.-' :: -у '.-..'Чг- /ч" Ьаиипочувствителыше

усилители с расширением полосы пропускания в область низких частот, что связано с необходимостью регистрации без искажений экспоненциальных сигналов. В первом зпагпзг.тэре регистрация сигналь КК люк:месцсч-гц;п! осуществляется цифровым методеч с ткоуью одтака':аЛ£ного стробоскопического интегратора, позволятегс за счет статистической обработки сигналов

13

значительно улучшить отношение сигнал/шум при временном •разрешении 250 не. Существенным недостатком данного прибора является одноточечная схема сканирования сигнала, что приводит к значительному увеличению времени и погрешности измерения. Для исключения этих недостатков на базе персональной ЗВМ типа IBM Р0 AT 286 и с использованием высокоскоростных АЦП разработана система регистрации с многоточечным параллельным сканированием сигнала. Ее временное разрешение при параллельном сканировании составляет 50 не. Данная система обладает широкими возможностями и позволяет уверенно регистрировать кинетику ИК люминесценции в диапазоне времен от I мке до 100 мс, а с помощью ЭВМ проводить математическую обработку сигналов с целью восстановления их формы.

S2 12°Е°й Е^аве проанализированы физические процессы, протекающие при возбуждении колебательных уровней молекулярных газов импульсным лазерным излучением. Рассчитаны достигаемые в процессе возбуждения углекислого газа импульсами СОг лазера колебательная температура антисимметричной • моды Тз и интесивность ИК люминесценции в зависимости от давления газа. При постоянной энергии импульсов возбуждения интенсивность ИК излучения с ростом давления сначала быстра увеличиваться за счет увеличения числа центров излучения, затем достигает максимума и уменьшается в связи с быстрым уменьшением колебательной температуры излучающей моды.

Рассмотрены условия насыщения излучения накачки. Рассчитаны плотность энергии насыщения излучения накачки в зависимости от давления газа и максимально реализуемые колебательная температура и интенсивность ИК люминесценции. Плотность энергии насыщения W* не зависит от давления при доплеровском контуре линий и быстро увеличивается с ростом давления при лоренцовском контуре. При комнатной температуре для доплеровского контура линии Р20 перехода 10°0-00°1 в 00?. рассчитанная плотность энергии насыщения составляет 9-КГ4, Дк/смг, а максимальное значение Тз - 455 К. Полученные выражения позволяют рассчитать колебательную температуру и интенсивность люминесценции в зависимости от температуры газа и частоты возбуждающего излучения. Результаты проведенных расчетов достаточно хорошо согласуются с экспериментально

14

полученными данными.

Методом свертки обобщения Функций получены аналитические

выражения, списыващио_форму __импульсов . ИК. .люминесценции- с------------------

учетом $прмы импульсов накачки и импульсной характеристики AK'iS'Hmnüpr^sefl среда. Учтены некэхзния сигнала ^жшэсцешща, BK0CVMH9 приемником излучения. Проведены ресчеты формы сигналов люминесценции и объяснены, наблюдаемое на эксперименте, особенности кинетики ИК люминесценции СОг в чис.см углекислом газе и сй»си С-Гг-Пг при pas ли л мх дичлчниях.

Ир пиализироваиы м^т-'-дн vipnöoTjrn результатов измерений о целью восстановления формы сигналов. На основании метода

»ooiumun |»пп I ииптюхпт

я |»зульт5тзз измерений кинетики ИК

люминесценции, позволяющая рассчитывать значения констант скоростей релаксации и погрешность ira; определения.

Проведен теоретический анализ связи кинетики затухания ИК люминесценции углекислого газа со скоростью релаксации энергии антисимметричного типа колебаний молекул СОг. Методом лазерно индуцированной ИК флуоресценции измерены константы скорости релвксяцик энергии антисимметричного типа колебаний молекул СОг а чистом углекислом газе в длен'ж? текперятур 243 + IOOü It. Лолучбянне результаты пре,ь':тзш№1ш на рис.1. При тбмгтэрагруре Г.яв К получею мимимодво* ~язчв;шв константы скорости релаксации ?2£< 0,6 Topp"!с" ь ойьисшюсти скорости релаксации от температура.

Приведены результаты измерений скоростей колебэтельной релаксации уровня 00°т СОг при столкновении с атомгми Не и аг, молекулэта Ос, Нг, СО, N0, Кг-О, НгО. Температурная зависимость скорости дезактивации уровня 0G°I СО, молекулами 02 представлена im лип.?. Отут**»?«? гтг;.-?сть.Ы1'_& "тяучио т*ю?рэтуг»И! гпви. кмости "кор™."::: »юйчкге.кк СОг при ;; чйкноЕвйкях с молекулами НсО от результатов других авторов, что по-видимому, связано с исключением из измерительной кюветы центров поглощения и конденсации паров воды и с. методикой тгяехсрялпя, гозволя^цей непосредственно наблюдать процесс дезчктирзции энергии асскметричной моды СО,.

На основе кинетических уравнений проведен анализ кинетики колебательного гнергоебмена в ом^са С0г-Нг после еоздойстеяя

Т г.

10" 3 8 7 6

5

к

1<? 9 8 7 6 5

10

К,с-Торр

-1

300

<<00

500

600

700

800

со„

30 о

Рис Л. Зависимость к3 2 от температуры газа: 1,2- результаты настоящей работы, 2-е обработкой методом многопараметрического поиска, 3- результаты работы [1], 4-121, 5—133, 6443, 7-С53.

Т,К

импульса возбувдения и дополнительного заселения уровня 00°1. Показано, что участок затухания ИК люминесценции СОг в смеси СОг-Иг описывается суммой двух экспонент с характерными скоростями затухания п и гг. Получены выражения, связывающие скорость энергообмена между СОг и N2-^34 и скорость колебательной релаксации СОг-кз^ с величинами п и гг.

I

16

I

^зе - - 1<г1+гг> - /<г1+гг>в - (2)

Здесь Р- давление смеси, Х„._ - доля С0_.

сог г

Из приведенных выражений видно, что отождествление кзлс г, и кзг с т-2, которое обычно' проводилось в предададас работах, может привести к большой погрешности в определении

кзА 11

Из результатов измерений значений п и гг определены величины кзл и йэ^ в диапазоне температур 300 + 900 К.

Полученные результаты измерений во всех случаях сравниваются с данными, других авторов.

Использование многоканального анализатора позволило проводить измерения формы сигналов ИК люминесценции с высокой точностью, а применение статических методов восстановления формы сигналов при обработке результатов позволило матемтатически корректно определить не только значения констант скоростей релаксации, но и погрешность их определения. Наблюдаемые различия в данных различных авторов, вероятнее всею, связаны с приближенностью методик обработки результатов измерений, применяемых в предыдущих работах.

Третья глава посвящена разработке стабилизированных гю частоте перестраиваемых СОг лазеров. Изучены рабочие характеристики стабилизированного по частоте, перестраиваемого СОа лазера, изготовленного на базе выпускаемых промышленностью газоразрядных трубок и дифракционных решеток. Резонатор лазера образован дифракционной решеткой, установленной по

18

автоколлшвционной схеме для первого порядка спектра и полупрозрачным зеркалом. 3 блок питания введена схема ------стчлилизации • тока - рязрядэ. Показчна -вффвктирност'ь—применения- -------- —

> астеш автоматической подстройки частоты, осуществляющей стабилизацию частоты генерации по максимуму контура усиления. I.случена генерация на 36 линиях в области 10,14 - 10,84 мкм мощностью до 0,8 Вт и с долговременной >> 30 мин) относительной нестабильность» частоты не хуже 3■ТО-8 во всем диапазоне перестройки и нестабильностью мощности ча уровне I*, Отмечены трудности оптимизации резонатора во всем диапазоне перестройки, когда коэффициенты усиления на разли'шых линиях

tutvi УиП WMomo « тэт лci nw ^ •

Приведены результаты детальных ' экспериментальных исследований поляризационных характеристик отражательных дифракционных реиеток, используемых в перестраиваемых СОг лазерах. Исследовались амплитудные и поляризационные характеристики излучения, дифрагированного в нулевой и первый порядки спектра при различных углах падения и схемах установки решетки. Показано существенное влияние поляризации падающего излучения ;т характеристик peino тки на расттррдолпняэ знэргик м*кду порядками дифракции. При автоколлимациснной установке peij'dTKn для первого порядка спектра при изменении азимута п плоскости поляризации гадающего излучения относительно зтрихов, дифракционные решетки ведут себя как селективные* ге-ркйлз с плавно менянахмися хоэДОШвиттк отражение в гулевой и первый порядки спектра, величии которых

r(T) = rp cos2n + ия Sln277, (3)

поляризованного параллельно и перпендикулярно штрихам решетки, соответственно. Предложено использовать это свойство решеток тт л а гт)о л Éi-шл а резонаторов пераотрвирееммх леяетюв, оптимз.пкнчх

ро всем диапазоне перестройки.

Обнаружено наличие у дифракционных решеток фазовой анизотропии при дифракшга излучения в нулевой порядок.

На основании результатов исследования свойств

19

дифракционных решеток проведена оптимизация резонатора перестраиваемого СОг лазера. Резонатор лазера образован глухим зеркалом с золотым покрытием и дифракционной решеткой, 'установленной по автоколлимационной схеме для первого порядка дифракции. Вывод излучения из 4 резонатора осуществляется через нулевой порядок, дифракции. Плоскость поляризации ийлуЧения внутри резонатора задается ориентацией окон Брюстера отпаянной Газоразрядной трубки типа ГЛ-502. Поворотом трубки вокруг оптической оси резонатора можно подобрать оптимальное пропускание резонатора на каждой линии генерации в . зависимости от величины усиления. Диапазон перестройки СОг лазера с оптимизацией резонатора 9,17-10,96 мкм, мощность генерации - до 1,5 Вт.

Проведенные исследования позволили разработать и изготовить стабилизированный по частоте, перестраиваемый СОг лазер "Сатурн-В". Его основные характеристики: диапазон перестройки 9,17-10,84 мкм, мощность генерации-до 8 Вт, долговременная относительная нестабильность частоты - неболее 2-Ю"8.

В четвертой главе представлены результаты исследований,, направленных на разработку одно- и двухчасто'тных лазерных интерферометров и их- применение для исследования скоростей релаксации внутренней энергии в молекулярных газах.

С использованием метода векторов- к матриц . Джонса проведены теоретический анализ и расчет одно- и двухмодовых режимов генерации Не-Не лазера с анизотропным резонатором, ортогонально поляризованными модами и длиной волны генерации х=0,63 мкм. Исследована зависимость режимов генерации от величины частотного расщепления, поляризации электромагнитных волн в резонаторе и пространственного перекрытия полей мод. Определены области устойчивости одно- и двухмодового решшов генерации. Исследовано влияние на конкуренцию волн величины частотного расщепления, степени эллиптичности и пространственного перекрытия полей, рассчитаны относительные интенсивности генерации ортогональных, эллиптически поляризованных мод. Определены режимы двухмодсвой генерации, при которых интенсивности мод равны между собой.

Описан лазерный интерферометр, в котором источником

20

излучения служит одночастспУНЯ Ка-Ие лазер с длиной волны генерации >.=0,63 мкч. В интерферометре использована " ~~ оригинальная оптическая-схема___iрис.3),__позволяадал_получать

'п4!/фнтуршв сигналы при интирферинцли линейно л циркулярно ««Алриьоьиницх лучей, ум-4'Ы!ил ) число сптиче:к,'.л элементов схеме и повысило н;мцежчооть и тсчнссг> работы .интерферометра. Кзготовл&нв лазерные ш«ер1ером£тры ЛИПС-1 и .'ЛТЛО-" с рабочими характеристиками: величина изменения • итячс-ской дайны - 0-20 м, скорегть изменения пл'.нн - 0-20 м/МгШ, дискретность viciern - 0,03 мкм, < :носпгмиш погрешность измерения 5 ■ Ю"7.

—""" ovTOrmuoMmiiKHBii IIUI-JICJI JPU,«.." •

показывающие эф^ягивкость пртаеяе.чия интерферометрии для определения скоростей 7-Т релаксации в молекулярных газах. Методом лазерной нтерферометрии измерена скорость V-T релаксации кислорода при возбуждении о помощью импульсного разряда, которая составляла 0,135 с~'-Торр~'.

Поскольку перспективы развития лазерной интерферометрии в значительной мере связаны с разработкой двухчастотных ясточяяксв когерентного излучения, исследованы возможности -грео'рззочания с пом^'Ш1-?! электрооптических чо'чризацконнч--частотных модуляторов одночастотного лазерного излучения = двухчзстогное с ортогонально поляризованчыми волнами. При этсм в матричном виде реиена задача о распространении плоской электромагнитной волнк ь немагнитных прозрачных кристаллах, обладающих линейным элдктрооптическим эффектом, при наложении ьз них и;меняющегося электрического поля. 3 декартовой системе ■.т'ордилст, связанной с фронтом злен тр,мат нз :т>ой получены выражения для определения yi-яь поьорогс. с„;.:Ч'.'.кс'1 " л.™""; »•«дул™»*. нейтрального сечения, что

".'-34 ЗН - :- V-':- :'!п:-гЛ;33'-3_ 3 ' 3 ' :': - '22' ' ■

помощью развитой мьюдшш определены ссы ксизт&лзз;' и ориентации, при которых наложение на кристалл поперечного вращающегося электрического поля приводит к синхронному вращению '"центрального сечения оптической индикатриссы.

Рассчитана величины винушкниой чнизоч рении и параметры вращения центрального сечения.

Описан двухчастотный источник когерентного излучения нч

21

Рис.3. Оптическая схема лазерного интерферометра: I-четвертьволновая пластинка, 2- поляризаторы.

22

длине волны Я=Ю,6 мкм с внешним злектрооптическим преобразователем одночастотяого излучения в двухчастотное, собрэщшм~на""<Уазэ-двух серийных электрооптических амплитудах модуляторов типа МЛ-8. В качестве одночастотного источника излучения' использовался стабилизированный по частоте СОг лазер типа ЛГ-74. Разность частот ортогонально поляризованных волн в выходном излучении составляет 100-150 кГц. Относительная величина паразитных составляющих не превышает Í6t. С помощью матриц Джонса проведены теоретические расчеты характеристик такого поляризационно-частотнога электрооптлческого

пасчетов достаточно хороко согласуются

V. по.иучоши,™«

В пятой главе представлены результаты диагностике активных сред СОг лазеров методом многочастотного лазерного зондирования с целью определения коэффициентов усиления, населенностей рабочих уровней и температуры среды.

Приведены результаты диагностики активной среды быстропроточного технологического СОг лазера замкнутого цикла. Активная среда образовывалась в разрядной камере с поперечным разрядом, шириной 0,89 м, длиной 0,27 м и высотой от 63 мм на входе газового потока до б? мм - на Еыходе. Объем разрядной зоны составлял 13,2 л. Рабочая газовая смесь прокачивалась через разрядную камеру со скоростью 117 м-'с. В состав рабсчкей смеси входили гелий и азот в равных концентрациях и углекислый газ, концентрация которого варьировалась от 3 до 12%. Общее давление газовой смеси изменялось от 30 до 50 Тсрр, -нерговклад в разрядную камеру варьировался от ТО до 65 кВт.

С помощью стабилизированного по частоте СОг лазера проведены измерения коэффициента усиления нм-иьпий ор<г,ды на линии F2G перехода G0°I-IC°Q в яйрюрмопти от условий е;-з<5упг*икя. Исследована зависимость ко^.'лиеиту усиления от величины энерговклада в разряд, общого давлен:« и cocTjaa смеси. В результате измерений показано, что значение коэффициента усиления растет с увеличением енерговклада в разряд вплоть до границ устойчивости разряда (« 65 кВт), незначительно уменьшается с ростом давления газа и растет с увеличением концентрации углекислого газа, достигая насыщения (» 1,21 м~1) при 1сог-10%. Полученные данные частично

23

Рис.4. Зависимость коэффициента усиления (1-4) и мощности генерации (5,6) от концентрации СОг в активной среде: P=3Q(I), 40(2), 50(3,5,6) и 55 Topp (4); «£=50(1-5) и 60 кВт; 5-расчет, 6-эщгаримент.

представлены на рис.4. Измерено пространственное распределение коэфиициента усиления в потоке актиьной среды.

_________В результатеанализа-связи- между- заийсом- ко да б а тельной

-нергии в активной среде и величиной коэффициента усиления К :олучено

тадратк°ниэ для расчета энергии '^тах, которая может быть реализована в виде лазерного излучения

8т], о (Ж^'ч expí J( J+1 )hcñ/kT) w = —i----------o--з________________

о »*ллг Г-—, vj — иийпмпаи сняи

лоренцовская полуширина контура усиления.

В результате расчета получено, что оптимальные условия возбуждения реализуются при Хсог=4,5%, что определяется наибольшим запасом колебательной энергии в блоке антисимметричной моды СОг и молекул N2 при данных условиях. Рассчитано оптимальное пропускание трехпроходного резонатора технологического лазера, которое составило примерно 45%. Результаты экспериментального измерения мощности генерации' в зависимости от концентрат® СО? хорошо согласуются с данными теоретического расчета, при этом получена максимальная мощность генерации 7,5 кВт.

Приведены результаты измерений спектрального

распределения коэффициентов усиления в диапазоне линий FÍO - Р23 перехода 0а°1-10°0.

Изучены возможности определения населенность!! верхнего и никр.яго лазерных уровней СОг к температуры среды при многочастотном лазерном зондировании. Сдэлан анализ ?таглстур?бскоЯ теории погрешностей при ?*ногспч;г-!метрпч*с-.их косвенных измерениях. Рассмотрены различны-» методы обра'оуки результатов измерений, при многочастотном лазерном зондировании активных ^молекулярных сред, показана ведущая роль метода наименьший-квадратов (МНК). На основе МНК проанализированы -точностные характеристики определения поступательной (вращательной) температуры активных сред на основе C<~v. и нзселеняостей колебательных уровней лазерных переходов по измерениям коэффициентов усиления на различных колебательного

вращательных линиях/ 'Рассчитаны отношения погрешностей косвенных (температура и населенности) и прямых (коэффициенты усиления) измерений для Р- и Н- ветвей переходов 00°1-[10°0, 02°031, II.

Проанализированы зависимости погрешностей \от выбора и количества зондируемых линий и характеристик активной среды. В ' частности показано, что при характеристиках активной среда, типичных для технологических СОг лазеров, при зондировании примерно на 10 линиях Н-ветви перехода 00°1-10°0 и погрешности измерения Ко 1Ж, погрешность в определении температуры составляет около Б%, разности населенностей-10% и населенности отдельного уровня примерно 70%. Ситуация значительно улучшается при зондировании на линиях Р- и Е- ветвей совместно, погрешность определения каждого параметра уменьшается на порядок и более. Так при зондировании на 12 .линиях Р- и й- ветвей одного или обоих переходов 00°1- (Ю°0, 02°0)1,и сравнительно легко может быть достигнута погрешность определения. температуры -ТЬ, разности, населенностей ~2% и населенностей . ~5%. "

Проведено численное моделирование эксперимента. и . разработан алгоритм обработки результатов измерений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ На основе полученных в диссертационной работе .результатов можно сформулировать следующие основные выводы.

I. Теоретически исследована зависимость интенсивности и формы сигналов ИК люминесценции молекулярного- газа от давления, температуры и параметров импульсов возбуждения. Показано, что при доплеровском контуре линий поглощения при неизменной энергии возбуждения населенность лвминесцирующего уровня растет пропорционально давлению газа, а колебательная температура Тз остается постоянной, в случае лоренцовского контура при этом остается постоянной населенность уровня 00°1, а колебательная температура уменьшается. Плотность 'энергии насыщения в канале возбуждения не зависит от давления при доплеровском контуре линий и быстро увеличивается с ростом давления при лоренцовском контура. При комнатной температуре для доплеровского контура линий Р20 перехода 10°0-00°1 в СОг

26

плотность энергии насыщение составляет Э^Ю""1 Дж/смв , а максимальное значение__Тз-455 К. Используя___значения Тз,__________________

"рассчитана и сопоставлена с экспериментальными данными чааисимость интенсивности ИК излучения от давления углекислого газа.

Методом свертки обобщенных функций получены аналитические выражения, описывающие форму импульсов Ш люминесценции с учетом форш импульсов возбуждения и импульсных характеристик дая-гнесцирующей среда. Нэ основании результатов расчетов объяснены, наблюдаемые на эксперименте, особенности кинетики

Uli 22*. ^ лломыпт г«:« и и пиат i'ira_iui

2. Методом лазерно-индуцироваяной Ж люминесценции измерены константы скоростей релаксации энергии антисимметричного типа колебаний молекул СОг в диапазоне температур 243-1000 К в чистом углекислом газе и а его смесях с Не, Ar, 0а, Нг, СО, N0, Na, NaO, Я20. В наиболее благоприятных условиях измерения для чистого СОг при Т=333 К, рассчитанная в рамках многопараметрического МНК погрешность определения константы скорости релаксации, «ставила 0,44 Topp-1о"' при ее среднем значении ?64,4 Topp"'с"'. Полученные температурные зависимости вероятностей релаксации в большинстве случаев носят ландау-теллеровский характер. В смеси COg-HjjO для вероятности релаксации получена качественно новая, отличная от ландау-теллсроесгсой температурная зависимость. Обнаружено, что температурные зависимости рероятностей релаксации при уменьшении температуры ниже 268 К е чистом C0g и 223 К з смеси С0г~0г ыоняыт свой характер, что по-видимому связано с влиянием сил притяжения im мчмолекулярном взаимодействии.

3. Экспериментально исследованы поляри^ацисн^ зависимости характеристик отражательных дифракционных решеток, используемых в перестраиваемых С02 лазерах. Показано, что при автоколлимационной схеме установки решетки для первого порядка дифракции при измене гаш ориентации плоскости поляризации излучения относительно штрихов, дифракционные решетки ведут себя как селективные зеркала с плавно меняющимися коэффициентами отражения в нулевой и первый порядки спектра. С

27

учетом этого свойства дифракционных решеток предложены оптические схемы резонаторов перестраиваемых СО£ лазеров,' оптимальных во всем диапазоне перестройки. Разработан стабилизированный по частоте, перестраиваемый С0£ лазер "Сатурн-В" с диапазоном перестройки 9,17-10,84 мкм, мощностью генерации до 8 Вт, долговременной относительной нестабильностью частоты не более 2-Ю-®.

4. С помощью стабилизированного по частоте, перестраиваемого С0£ лазера, проведена диагностика вктивной среды бнстропроточного технологического С0£ лазера замкнутого цикла. Измерено спектральное и пространственное распределение коэффициента усиления активной среды в зависимости от величины энерговклада в разряд, давления и состава рабочей смеси СОг;Нг:Не. На основании проведенных измерений рассчитаны оптимальные условия возбувдения, которые реализуются при Хсог=4,5£ и оптимальное пропускание резонатора, равное 45%. При реализаций оптимальных характеристик активной среды и резонатора получена максимальная мощность генерации 7,5 кВт при энерговкладе 60 кВт.

Выполнен анализ погрешностей определения температуры среда и населенностей лазерных уровней С02 при многочастотном резонансном лазерном зондировании в зависимости от условий измерения и характеристик среды. Показано, что -при зондировании на линиях Р- и И- ветвей одного или обоих переходов Г00°1-10°, 02°0)1 может быть достигнута погрешность определения температуры «1%, разности населенностей ~2% и населенностей уровня ~Ъ%. _

5. Теоретически изучены внутри- и внерезонаторные метода получения двухчастотного когерентного излучения с ортогонально поляризованными волнами. Рассчитаны области устойсивости и интенсивности одно- и двухмодового режимов генерации Не-Не лазера с анизотропным резонатором на длине волны х=0,63 мкм при варьировании величины частотного расщепления, степени эллиптичности поляризации ортогонально поляризованных электромагнитных волн в резонаторе и величины перекрытия полей мод. Определены режимы двухмодовой генерации, при которых интенсивности мод равны между собой.

Разработана методика расчета эоектрооптических

28

поляризэпионно-частотных модуляторов, позволяющая в

---------аналитическом^. виде __описывать закон измеиюния анизотропии

линейзшх электрооптических кристаллов при наложении на них электрического поля, изменитеегося в пространств- времени.

8. Теоретически расстегана -я • экспериментально исследована, обладающая рядом преимуществ, оригинальная оптическая схема получения квадратурных сигналов в одночэстотном лазерном интерферометре. Используя данную схему, разработан лазерный интерферометр, пезеодямциЯ измерять изменение оптической длины с дискретностью отсчетов 0,08 мкм.

увчпапп^рин iiHMHUMn-vni'iTHimuUMOiumovftan MUMU

скорости релаксации кнутрег-я-п п »...гап^ш^ш/. ;

помощью которой измерене скорость V-i релаксащм в кислороде, составившая 1,35 с-1 при давлении кислорода 10 Topp.

7. Разработана экспериментальная установка для измерения констант . скоростей релаксации колебательной энергии в молекулярных газах методом лэзерно-индуцированной ИК . люминесценции. При этом решен ряд прикладных задач. При тутрирезонаторнсм возбуждении молекул задача получения

генерации нз одном из переходов 00°1-110°0,02о0]т решена путем применения в качестве одного из зеркал резонатора кристаллических отрзмателей кз SIC или S102. При использовании в качестве внешнего источника возбуждения

ямпульснс - периодического ТЕЛ 00? лазера по «гашений устсйчиРости его работы и энергии импульсов излучения достигнуто путем ©><;оли'.1те лнк Я предварительной «п.'чтшии рабочей с>*е<%т и •■■птихизаики параметров резонатора. При неселекткнном резонаторе в качестве выходного зеркала использиеан -гч?, j VT. Н П™~. а »,«»"»« па плитЯВНОГО

■ г * - — ' :г г; \ .. • ■ ' ( r:T!ify' i : -..

оптических схем развязки ptjaoH&iüpa D -Z

характеристик дифракционных решеток. При сравнительно малых коэффициентах отражения дифракционной решетки в первый ■ порядок (й'«0,РЭ) вывод гзлпкйя резснет^ре о.челуот осушествячть через кулевой порядок дифракции, я при R1 >0,Ь"» -через- второе • полупрозрачное зеркало. Правильный выбор оптической схемы позволяет примерно в два раза повысить энергию выходного излучения..

8. Разработаны '' анализатор формы сигналов и программа восстановления формы сигналов ШС- люминесценции. Анализатор формы сигналов разработан то схеме с многоточечным параллельным сканированием сигнала с управляющей ПЭВМ типа IBM PO ХТ/АТ. Временное разрешение анализатора - 50 не, количество разрядов АЦП - 7, длина Выборга сканирования - 1024, максимальное число усредняемых реализацией сигнала - I05.

На основе многопараметрического поиска методом'наименьших квадратов с использованием ковариационных матриц разработана программа обработки на управляющей ПЭВМ результатов измерений, позволяющая .рассчитывать константы скоростей релаксации и погрешности их определения.

9. Проведены экспериментальные . исследования энергетических, временных и спектральных характеристик излучения 002 лазера в режиме модуляции добротности в зависимости от условий возбуждения, режима включения и параметров резонатора, в результате которых выявлена сдвинутая во времени двойная структура (\=10,6 мкм и х=9,55 мкм) импульсов генерции. Генерация на каждом из переходов

00°I-[10°0,02°0]I одновременно происходит на большом числе колебательно-вращательных линий, что объясняется слабым влиянием механизмов конкуренции из-за быстрого включения резонатора.

Проведено исследование кристаллического отражения в области остаточных лучей и разработан СОг лазер с кристаллическими отражателями из SiO?_ SIC в качестве селективных зеркал резонатора. Применение таких зеркал позволяет получить генерацию в узком спектральном диапазоне (х=э,28 мкм или >.=10,65 мкм) как в непрерывном режиме работы, так и в режиме модуляции добротности.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Лешенюк Н.С., Орлов Л.Н. Исследование спектрального состава излучения СОг-лазера при модуляции добротности // КПС.- 1974.- Т.20, вып.4.- с.601-605.

2. Лешенюк Н.О., Орлов Л.Н., Шевченко G.G. Кристаллические отражатели в качестве селективных зеркал лазеров инфракрасного диапазона //ЖПС.-1975.-т.22, вып.6.-с.1016-1019.

30

3. Вольвачев' Г.Т., Лешенюк Н.С., Смирнов Г.Т. Исследование кинетики люминесценции. с ' помощью стробоскопического синхронного~~интегратора// "ЯПС7~- Т9777-" т.26, вып. 5,- с.864-869.

4. Лешенюк H.G., Невдах В.В., Орлов .Л.Н.-, Трушин O.A., Чу раков В. В. Исследование скорости релаксации энергии антисимметричного типа колебаний молекул ООг в зависимости от температуры// ЖПС'.- 1978.- т.28, вып. 6.- с.Э78-Э83.

5. Кононов O.A., Лешенюк Н.С. Исследование температурной зависимости внутримолекулярного энергообмена в С,60,а0/У Докл.

4 tt кпг.р - - тоят _ ф 5r u.4 - n c>nq_9t9

t-. лплюнщи* h lhqqttqt м м гтплта li k-i i^nnirannnDinfci

колебательной релаксации в смеси С0г-«2//ЖПС.- 1981,- т.34, вып. 6.- с.994-999.

7. Лешенюк Н.С.,. Орлов Л.Н. Увеличение срока службы С0г-лазера//ПТЭ.- 1973 - n 2.- с.175-176.

8. Лешенюк Н.С., Орлов Л.Н. Расчет температурного поля СО-лазеров//ЖТФ.- 1973.- т.43, в.И.- с.2382-2.387.

9. Гуделев В.Г., Лешенюк И.О., ; Невдах В.В. Стабилизированный по частоте, перестраиваемый СО? лазер/'/ЖЛС,-1981.- т.34, вып.2.- с.370-371.

10. Гайко О.Л., Лешенюк Н.С., Невдах В.В., Некрашевич Я Л., Орлов Л.Н. Исследование спектра поглощения молекул СН.з1 с помощью перестраиваемого стабилизированного СОг-лазера// ШС.-Г981.-Т.35. , ЕНП.I.- с.33-37.

11. Елов В.В., Куклин В.А., Лешенюк И.О., Невдах В.В. Исследование активной среды быстропроточного технологического СПг лазера замкнутого цикла// Квантовая электроника.- 19^2.-т.9, n8.- с.1558-1Б65.

12. Невдах В.В., Орлов Л.Н., Лекенпк Н.Г. И, ля] грошн-н»"*» свойства отражательных дифракционных р»--ше!"к для со? лс.з.-.р< Минск,- 1982.- 24 е.- (Препринт/Институт физики АН БССР: N 279).

13. (.Невдах В.В., Лешенюк Н.С., Орлов Л.Н.

Экспериментальное исследование поляризационных свойств отражательных дифракционных решеток; для СОг лагеров//'КПС.-1983 - т.39, ВЫП.5,- с.751-757.

14. Невдах В.В., Лешенюк Н.С., Орлов Л.Н. Оптимизация

31 .

резонатора непрерывного fiepe страиваемого СОг лазера// Квантовая электроника.- 1933.- т.10, N 7.- с.1485-1488.

15. Лешенюк Н.С., Невдах. В.В., Орлов Л.Н. Исследование колебательной релаксации в молекулярных смесях методом

ИК-ЛЮМИНеСЦеНЦИИ//Conference digest of 4th conference on luminescence.- Szeged, Hungary.- 1932.- p.53-56.

16. Комиссаров С.Г., Лешенюк H.С., Лучина В.Г., Хвмчуков Ю.Д. Система автоматизации спектрально-люминесцентных исследований//ЖПС.- 1984.- т.40, вып.З- с.517-519.

17. Лешенюк Н.С., Невдах Б.В. Кинетика разгорания люминесценции С02 в области 4,3 мкм//ЖПС.~ 1984,- т.41,

' вып.I.- с.48-53.

18. Лешенюк Н.С. Расчет наведенной анизотропии при поперечном электрооптйчбскоМ эффекте,'УДокл. АН БССР.- IÖ85.-т.29, n9.- с.801-803.

19. Лешенюк Н.С., Севериксв В.Н., Оинюк А.Ф., Ядройцев И.А. Методика расчета вынужденной анизотропии в кристаллах прй линейном электрооптическом эффекте.- Витебск, 1990.- 15 с. Деп. В ВИНИТИ 31.10.90, N 5603-В90.

20. Аршинов К.И., Козлийер М.З., Лешенюк H.G., Островский Л.Н. Измерение параметров насыщения перехода 10°0-00°1 молекулы СОг.- Витебск, 1987.- 8 С» Деп. в ВИНИТИ 20.02.87, n .II97-B87.

21. Андробайло Г.С., Аршинов К.Ич Козлинер М.З., ЛеШенюк Н.С., Островский Л.Н. Исследование кинетикй 'энергообмена между колебаниями симметричной и деформационной мод молекулы СОг.-Витебск, 1987.-г 14 с. Деп. в ВИНИТИ 24.04.87, n 2973-В87.

22. Вертунов С„А., Комиссаров С.Г., Лешенюк Н.О., Тихонов Ф.В. Система регистрации и анализа формы зашумленных квазипериодических сигналов.- Витебск, 1988.- 9 с. Деп. в ВИНИТИ 27.01.88, n 770-В88.

23. Вертунов С.А., Комиссаров С.Г., Лешенюк Н.С., Тихонов Ф.В., Регистратор формы импульсов//ПТЭ.- 1989.- nI- с.235-236.

24. Лешенюк Н.С., Пашкевич В.В. Точностные характеристики диагностики активных сред СОг-лазеров по измерениям коэффициентов усиления//ЖПС.- 1987.- т.46, вып.4.- с.567-573.

25. Аршинов К.И., Краско A.C., Лешенюк К.С., Невдах Б.В., Островский Л.Н.,, Пашкевич В.В. Применение перестраиваемых

32

СОг-лазеров__для __ диагностики__активных сред// Лазерное

«¡гтичеокое и спектральное при<5оростров1Йге. ЮИериэлн" НЯУЧНО-ТОХ!Г.П»С'Г>Й "¡К?.*!i-"«УИНЙря.- Ми-К'К, Т98А, -

г.q-R.

36. Аршинов К.И., Летнншк И.О., Островский Л.Н. Оптимизация параметров и перестройка частоты излучения рмпулюна- периодического с^г-лаз^ра модели 143 /'Кв9атов«,ч электроника,- 13^3.- т. IВ, г; е. "2-55.

27. Аршинов К.И., Каблуков Н.Г., Лешенюк H.G.

ivrm,»i.imaMuuDa«=ruJi "ГТ?— m'3-Imo "

"CaTypH-lj"//ii'i,d . - ¿r^l.— r-t • - ^..-.ij-

28. Лешенюк H.С., Севериков В.H., Синюк А.Ф. Режимы генерации линейного газового лазера с фазово-онизотропннм резонатором/'/ Квантовая электроника,- 1991.- т.18, n 3.-с.348-352:

29. Лешенюк Н.С., Севериков В.Н., Синюк А.Ф. Конкуренция эллиптически поляризованных волн в линейном газовом лазере с анизотропным резонатором//, квантовая электроника.- 1991.7 7*, n 7?.- с.т434-143h.

30. Аршинов Я.К., Каблуков H.п., Лешенюк К.С., О.троргкий Л.Н., Тихонов Ф.В. мтп коэффициентов птлот-ти в молекулярных гязовчх средах.- Витебск, 1992.- 34 с. Д«ц. в БЙШТГИ ЗЗ.ОЗ.ЭЗ, N 768-693.

ЗТ. Лнивнюк И.О., Ядройцеь И.А., Ядлсйцова 'Л.А. Простая .;i;;n>»'ii«!T для получения квадратурных сигналов в

"ч^ртг'М икт « pjy (ч?ме гр* / / Ошическкй куриал.-- îc''''■'.-• м С.57-ЬИ.

■J9. ьшяш К.О., Севериков В.Н., Синяк А.Ф., Ядройнев г 'н-'Чг- г анис- тритии к; И; i -.-. ' ■■ "■

влопцл-ипгпчбсь..:.; _*ф£екта ■ < 'üi .'¡¿а. . 'Ii'-. ■ ■ . - •1 ■; 1993.- N 2.- С.87-94.

33. Лешенюк H.С. Форма импульсов ИК люминесценции//ЖПС.-ТГ°3,- т.59, n 5-в.- с.520-524.

34. Лняен-чк Н.О., Орлов ЛЛ!., №>?,и.*шч> С.Л. .'.¡личесниЛ квантовый генератор инфракрасного диапазона: A.C. 3"д766 ззор.

33. Леше ник Н.С., Кеьдах З.В., Серпке? Р.И.. Шумилин В.Н. Способ получения когерентнзгэ »»лучения: A.C. TT7S674 СССР. 36. Лешенюк Н.С., Ядройцев й.А., Коалшйр М.З.,

33

АнроОайло Г.О. УотройстЕо для определения скорости, релаксации молекул: А.С. 1540468 СССР.

37.' Лешенкж Н.С., Пряхин 0.0., . Хлопков Ю.В. Устройство для лазерной обработки материалов: А.С. I4I0390 СССР. .

38. Лешенюк Н.С., . Ядройцев И.А., Комиссаров С.Г., Ядройцева' И.А. Интерферометр для измерения перемещений: Заявка на изобретение n 4945101/28. Решение НИИГПЭ о выдаче патента 17.11.93 г. ,

ЛИТЕРАТУРА.

1. Бирюков А.С., Сериков P.M., Трехов Е.С. Измерение '.'времени колебательной релаксации уровня 00°1 молекулы С0г//ЖЭТФ.-1970.^ т.59, вып.5.- с.1513-1517.

2. Stephenson J.С., Moore С.В. Naer-resoriirit vibration-vibration energy transfer« C02 iV3= 1) + M — C02 {1/1=1) + M* + AE//J.Chem.Phys.— 1969,- V.52, N 5.-p. 2333-2340.

3. Варгин A.H., Гогохия В.В., Конюхов В.К., Луковников А.И. - Исследование колебательной ралэксации молекулы углекислого газа фазовым методом//Колебательная релаксация молекул и газодинамические лазеры: Тр. ФИАН.- М.: Наука, 1979.- т.ИЗ.- с.5-49.

4. Rosier U.A., Wood R.E., Gerry Е.Т. Deactivation of vibrationally excited carbon dioxide by collisions with carbon dioxide or with nitrogen//J,Chem.Phys.- 1969.- V.50, N 11.- p.4996-5008.

5. Lepoutre F., Louis G., Taine Л. A photoacoustic study of intraraoVcular energy transfer in C02 deactivated by flionatomic gases between 153 and 393 K//J. Chem. Phys.- 1979.-V.70, N 5.- p.2225-2235.

6. Rosser W.A.Jr., Gerry E.T. De-excitation of vibrationally excited C02 <Vg> by collisions with He, 02 and H20//J.Chem.Phys.- 1969.- V.51, N5.- p. 2286-22S7.