Прецизионная спектроскопия молекулярного йода тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

I I) V п

На правах рукописи Скворцов Михаил Николаевич

Прецизионная спектроскопия

молекулярного йода.

01.04.21-лазерная физика.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических паук.

г.Новосибирск 1996 г.

Работа выполнена в Институте лазерной физики СО РАН.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор Бакланов Е.В.,

доктор физико-математических наук Компанец О.Н.,

доктор физико-математических наук профессор Шувалов В.В.

Ведущая организация: Физический Институт им.П.НЛебедева РАН.

на заседании диссертационного совета Д 200.18.01 в Институте лазерной физики СО РАН. 630090, г. Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 13/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института лазерной физики СО РАН.

Автореферат разослан ^^ 1996г.

Защита состоится

к

1996г. в " /^"час." "мин.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

I. Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы.

Большая часть знаний о строении вещества п процессах, происходящих при различного рода взаимодействиях на атомно-молекулярпом уровне, получены методами оптической спектроскопии. Создание высокомонохроматичных лазерных источников излучения, перестраиваемых по частоте в широких интервалах инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов, развитие техники наносекундных, пикосекундных и фентосекундных световых импульсов привело к сильному увеличению чувствительности, з также спектрального и временного разрешения спектральных измерений. Это было достигауто как за счет известных методов спектроскопии, так и за счет открытия принципиально новых методов, основанных па уникальных свойствах лазерного света. Ярким примером такого достижения является разработка методов нелинейной лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения, позволяющих исследовать структуру спектральных линий, скрытую донлеровским утнрепием, обусловленным тепловым движением частиц. Эти методы позволили увеличить спектральное разрешение от относительного уровня 10"5+10"6, ограничиваемого доплеровским уширеннем спектральных линий, до уровня 10"П-И0'12, и в перспективе может быть достигнут уровень вплоть до 10"15 и выше.

Одной из самых важных задач спектроскопии сверхвысокого разрешения является создание стабильных по частоте лазерных источников излучения с предельно узкой линией генерации - ее основного инструмента. Стабильные по частоте лазеры широко используются не только в научных исследованиях, но и в технике как эталонные источники света для интерферометрических измерений длины. Создание лазеров с долговременной стабильностью частоты не хуже, чем у мазеров, и решение проблемы передачи частотных характеристик стабильных лазеров в микроволновый диапазон, сделало возможным создание оптических часов, то есть использование периода высокостабильных оптических колебаний в качестве шкалы времени [1].

Диссертационная работа посвящена прецизионной спектроскопии молекулярного йода на компонентах сверхтонкой структуры перехода Х(у"=0,.Г'=13,15)->В(у'=43,Г=12,16) с использованием лазерного

спектрометра, созданного на базе высокостабильного аргонового ионного лазера.

Молекулярный йод является одним из наиболее интересных объектов для лазерной прецизионной спектроскопии в видимом диапазоне длин волн. Интерес к молекулярному йоду, объясняется большим количеством линий поглощения при относительно малой их естественной ширине практически во всем видимом диапазоне длин волн. Линии поглощения молекулярного йода перекрывают область спектра от 400 до 650нм. В области 500+650нм имеется около 104 сильных линий поглощения. Это переходы между колебательно-вращательными подуровнями электронных состояний "Е,(Х) 3П^(В). Поглощение в более коротковолновой области спектра происходит с диссоциацией молекул, энергия которой равна 20043см'1 Энергии колебательно-вращательных уровней для 3П^(В) и 1(X) электронных состояний молекулярного йода, можно рассчитать с точностью до 0.002см"1 от измеренных значений. Точность определения сверхтонкой структуры колебательно-вращательных линий электронного перехода 1(X) -> 3П^(В) молекулярного йода составляет порядка 1кГц. Много работ посвящено изучению естественного времени жизни возбужденного состояния 3П^(В) определяемого радиационным распадом и предиссоциацией молекулы.

_Хотелось бы подчеркнуть три основных момента, которые

определили направление исследований с молекулярным йодом, развитое в диссертации.

1. Молекулярный йод является хорошим объектом для исследования и отработки новых методов лазерной спектроскопии, которые традиционно развивались в Институте лазерной физики СО РАН. Молекулярный йод является, пожалуй, наиболее изученной молекулой имеющей полосы поглощения в видимом диапазоне. Накоплен богатый спектроскопический материал по этой молекуле, который позволяет делать численные расчеты исследуемых процессов, проводить сравнение экспериментальных измерений с теоретическими расчетами. Исследования молекулярного йода имеют большое методологическое значение, позволяют развивать и получать новые знания о строении молекул, их взаимодействии при столкновениях и их поведении в магнитном и электрическом полях.

2. Спектроскопические исследования с разрешением порядка 10"и и точностью порядка 10"14, которые могут быть выполнены с использованием методов резонансной лазерной спектроскопии, позволят попять физику молекул па качественно новом-уровне, предложить новые теоретические модели и методы численного расчета. Основная масса работ по спектроскопии молекулярного йода выполнена с применением техники молекулярных пучков, использованной для устранения доплеровского уширения без использования методов резонансной лазерной спектроскопии насыщенного поглощения. Лишь в немногих работах, например в работах Borde C.J., Camy G. и других авторов [2,3], для спектроскопии сверхвысокого разрешения в молекулярном йоде использовался метод резонансов насыщенного поглощения, позволивший наблюдать такое топкое явление как эффект отдачи и провести исследования уширения и сдвигов нелинейных резонансов от давления.

3. Нелинейные резонансы насыщенного поглощения в молекулярном йоде широко используются для целей стабилизации частоты лазеров видимого диапазона длин волн. Достоинства молекулярного йода для целей создания системы реперных линий, служащих эталонами длин воли и частот в видимом диапазоне,, проявились в том, что из восьми лазеров, рекомендованных Международным комитетом по мерам и весам в качестве эталонов длины [4], шесть используют в качестве реперов частоты резонансы насыщенного поглощения в молекулярном йоде. Представляет большой интерес исследование физических и технических факторов, ограничивающих стабильность и воспроизводимость частоты при использовании резонансов насыщенного поглощения в молекулярном йоде. Получение стабильности и воспроизводимости частоты на уровне 10"14 с использованием резонансов насыщенного поглощения и проводимые в связи с этнм исследования позволят ответить на вопрос о точности системы реперных линий молекулярного йода.

Одним из перспективных лазеров, для решения задач связанных с прецизионной спектроскопией молекулярного йода является аргоновый иопиый лазер, стабилизированный по резонансам насыщеппого поглощения в молекулярном йоде. Он один из самых мощных лазеров видимого диапазона длин волн. Аргоновый ионный лазер на длине волны 514.5 им, частотно стабилизированный по резонансам насыщеппого поглощения в молекулярном йоде на компонентах сверхтонкой структуры перехода X(v"=0,J"=13)-»B(v'=43,J'=12). Согласно документам Международного комитета по мерам и весам [4], точность определения длины волны и

5

частоты для аргонового ионного лазера составляет ±1.3хЮ"9, а воспроизводимость частоты 2.5хЮ"10.

Исследование спектроскопических характеристик, изучение процессов, приводящих к уширешпо и сдвигам спектральных линий, связанных со столкновениями, изучение влияния внешних магнитных и электрических полей на энергетические уровни, совершенствованию существующих и разработке новых методов стабилизации частоты по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде - являются актуальными задачами. Решение этих задач позволит повысить стабильность и воспроизводимость частоты лазеров, использующих в качестве реперов частоты резонансы насыщенного поглощения в молекулярном йоде.

Цель диссертационной работы.

1. Создание лазерного спектрометра на базе высокостабильных аргоновых ионных лазеров на длине волны 514.5 нм с относительным разрешением 10"11 и непрерывным диапазоном перестройки ~ 1 ГГц.

2. Экспериментальное исследование метода встречных и метода однонаправленных волн в лазерной спектроскопии насыщенного поглощения, для случая люминесцентной внешней поглощающей ячейки.

3. Исследование влияния столкновений на форму и сдвиг частоты нелинейных резонансов насыщенного поглощения в молекулярном йоде.

4. Исследование поведения нелинейных резонансов насыщенного поглощения в молекулярном йоде во внешних магнитном и электрическом полях.

5. Создания оптического стандарта частоты и длины на базе аргонового ионного лазера на длине волны 514.5 нм, стабилизированного по частоте с использованием резонансов насыщенного поглощения в молекулярном йоде.

6. Исследование факторов влияющих на воспроизводимость частоты аргонового ионного лазера, стабилизированного по компонентам сверхтонкой структуры Х(у"=0Д"=13,15)->В(у'=43Д'=12,16) молекулярного йода. Изучение сдвигов частоты при изменении различных физических и технических параметров установки. Оценка влияния внешних магнитных и электрических полей на воспроизводимость частоты аргонового ионного лазера.

Научная новизна.

1. Проведены наиболее полные исследования процессов релаксашш в молекулярном йоде методом спектроскопии насыщенного поглощения во встречных и однонаправленных волнах и методом импульсного зондирования. Определены сечения упругого и пеупругого рассеяния на нижнем и верхнем уровнях переходов Х(\'"=ОД"=13,15)->В(\''=43^'=12,1б). Наблюдалась нелинейная зависимость упшрения и сдвига частоты нелинейных резопансов насыщенного поглощения от давлегам, обусловленная влиянием упругих столкновений без сбоя фазы на электроппо-колебательно-вращательном переходе молекулы.

2. Впервые произведено прямое наблюдение аномального эффекта Зеемана для молекул. На переходе молекулярного йода Х(у"=ОД"=13,15)-> В(у'=43,Г=12,16), полностью разрешена структура отдельных Зеемановских подуровней и экспериментально измерен квадратичный эффект Зеемана.

3. Впервые произведено прямое наблюдение квадратичного эффекта Штарка на переходе Х(у"=0,Г= 13,15)->В (у'=43, Г= 12,16) молекулярного йода, почти полностью разрешена структура отдельных подуровней.

4. Получены наилучшие результаты по стабильности и воспроизводимости частоты для аргонового ионного лазера на длине волны 514.5 им, етабшшзировашгого по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде, благодаря использованию внешней люминесцентной поглощающей ячейки.

Практическая ценность работы.

1. Создан лазерный спектрометр на базе высокостабильных аргоновых ионных лазеров на длине волны 514.5 нм с относительным разрешением 10'11 и непрерывным диапазоном перестройки ~ 1 ГГц.

2. Получены различные спектроскопические данные о переходе Х(у"=0,1"=13,15)->В(у'=43,Г=12,16) молекулярного йода: сечения столкновений, гиромагнитные константы и константы поляризуемости основного и возбужденного состояния исследуемого перехода.

3. Изучено влияние различных факторов на воспроизводимость частоты аргонового ионного лазера стабилизированного по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде с использованием люминесцентной ячейки.

"4. Создан аргоновый ионный лазер с наилучшей стабильностью и воспроизводимостью частоты, он входит в число лазеров рекомендованных в качестве оптического стандарта длины и может найти широкое применение: в метрологии, длинно базовой интерферометрии, лазерной локации, голографии и во многих других научно-технических применениях.

Защищаемые положения.

Автор выносит на защиту:

1. Нелинейную зависимость уширения и сдвига резонансов насыщенного поглощения от давления на электронном переходе молекулы, обусловленную влиянием упругих столкновений без сбоя фазы.

2. Экспериментальное использование метода встречных и метода однонаправленных волн, в люминесцентной поглощающей ячейки, с целью наиболее полного исследования процессов происходящих при столкновениях в газе низкого давления. Результаты исследований сдвигов частоты центра линии и сечений рассеяния при столкновениях в молекулярном йоде.

3. Первое прямое наблюдение полностью разрешенной структуры подуровней при аномальном эффекте Зеемана на оптическом переходе молекулы. Результаты исследования эффекта Зеемана на переходах Х(у"=0,Г=13,15)->В(у'=43,Г=12,16) молекулярного йода.

4. Первое прямое наблюдение и результаты исследования квадратичного эффекта Штарка на переходах Х(у"=0,Г=13,15)-»В(у'=43,:Г=12,16) молекулярного йода.

5. Наивысшею в видимом диапазоне долговременную стабильность частоты 5х10'15 за время 100 сек и воспроизводимость частоты 10"13 полученную для аргонового ионного лазера, с использованием для целей активной стабилизации частоты люминесцентного метода регистрации резонансов насыщенного поглощения в молекулярном йоде.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы. Работа изложена на 190 страницах машинописного

текста, включая 44 рисунка, 9 таблиц. Список литературы содержит 146 наименований.

Публикации.

Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 14 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI ( г. Ереван, 1982 ), XIII ( г. Минск, 1988 ) и XV ( г. Санкт,-Петербург, 1995) Всесоюзных конференциях по когерентной и нелнпейпой оптике, на V ( г. Мюнхен, 1984 ) и IX ( г. Москва, 1988 ) Советско-Западногерманских семинарах по лазерной спектроскопии, на IV ( г. Хельсинки, 1988 ) Советско-Финском семинаре по теоретическим проблемам квантовой электроники, на XXVI Международном коллоквиуме по спектроскопии ( г. София, 1989 ), на Международном симпозиуме по электромагнитной метрологии ( г. Пекин, 1989), на Международной конференции "Оптика лазеров" ( г. Санкт.-Петербург, 1993 ), на Международном симпозиуме МРЬР ( г. Новосибирск, 1995).

II. Содержание работы.

Во введении рассмотрена актуальность выбранпой темы исследований и сформулирована цель работы. Приводится краткое содержание работы, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы защищаемые положения.

В первой главе, имеющей обзорный характер, молекулярный йод рассматривается как объект спектроскопии в видимом диапазоне длин волн. Изложены физические свойства молекулярного йода. Обсуждаются достоинства его линий поглощения при использовании в качестве частотных реперов. Рассмотрены вопросы идентификации линий поглощения молекулярного йода для Х-»В электронного перехода и расчета их спектроскопических характеристик. Приводятся основные сведения о структуре линий, включая сверхтонкую структуру, для исследуемых в работе переходов молекулярного йода между колебательно-

вращательными подуровнями электронных состояний 3П*и(В) и ! £*(Х). Дается методика расчета основных спектроскопических параметров, таких как интенсивность линий и их естественная ширина. Для исследуемых в работе переходов молекулярного йода Х(у"=0,1"=13)->В(у'=43Д'=12) и Х(у"=0,1"=15)-»В(у'=43,Г=16), проведены расчеты естественной ширины у т Р и коэффициенты поглощения %0 для сильных компонент

сверхтонкой структуры с АБ=Д1.

Во второй главе приведено описание используемых для проведения экспериментов аргоновых ионных лазеров, работающих в одночастотном режиме на длине волны 514.5 им. Рассмотрена их конструкция. Описана работа системы автоматической перестройки внутреннего селектора-эталона Фабри-Перо, обеспечивающего одночастотный режим работы. Представлены результаты по стабилизации выходной мощности излучения с помощью акустооптического модулятора, получена относительная нестабильность мощности (ДР/Р«5х10"5). Описана конструкция внутрирезонаторного электрооптического фазового модулятора обеспечивающего быструю, динамичную перестройку частоты лазера путем изменения оптической длины резонатора. Приведены результаты по фазовой синхронизации излучений аргоновых ионных лазеров.

Возможность фазовой синхронизации излучения лазера является важной его характеристикой для получения высокой стабильности частоты. Минимальная величина остаточных флуктуаций частоты излучения лазера, при ее стабилизации с использованием произвольного частотного дискриминатора, определяется крутизной дискриминатора, отношением сигнал-шум в системе регистрации и паразитными сигналами в полосе работы автоматической системы регулирования. При сильных и быстрых возмущениях частоты излучения лазера достичь этого предела не всегда удается из-за ограничений по быстродействию и динамическому диапазону элементов, управляющих частотой излучения лазера. Частотный дискриминатор, используемый при активной фазовой синхронизации излучений двух лазеров по сигналу их биений, когда сишал биений сравнивается с сигналом от опорного радиогенератора, отличается наивысшей крутизной. Фазовая синхронизация излучений двух независимых лазеров без деления частоты сигнала биений является характеристикой достаточности динамических параметров элементов управления частотой излучения лазера для полного подавления возмущений его частоты.

Представлены результаты по получению узкой линии генерации аргонового ионного лазера с использованием двух способов. Первый способ

основан па стабилизации частоты аргоновых ионных лазеров по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде с использованием техники

фазово-модуляциоиной спектроскопии. Этим способом была получена---------

ширина линии генерации А\' ~2кГп. Второй способ основан на стабилизации частоты лазеров по внешнему высокостабильному интерферометру, вакуумировапному и термостабилизированному с использованием фазово-модуляционной техники в автоматической системе . привязки частоты. Этим способом удалось получить ширину линии генерации Ду»1.3кГц.

В третьей главе приводится обзор способов стабилизации частоты по резонапсам пасыщсшгого поглощения в молекулярном йоде п полученных на сегодняшний депь результатов. Дается обоснование преимуществ регистрации резонансов насыщенного поглощения в молекулярном йоде во внешней поглощающей ячейке по сигналу люминесценции. Басовым и Летоховым [5] было предложено наблюдать резонансы в интенсивности люминесценции при насыщении поглощения в стоячей волне. Резонансы наблюдаются в виде уменьшения сигнала люминесценции при настройке частоты лазера на центр перехода. Особеттостыо метода является то, что в этом случае регистрируется только поглощенная в ячейке мощность излучения лазера. Метод регистрации по люминесценции позволяет работать в коротких ячейках при низком давлении йода без существенного уменьшения контраста наблюдаемых резонансов.

Люминесцентный метод регистрации резонансов имеет следующие преимущества при использования для стабилизации частоты:

1. Возможность использования предельно узких резонансов для стабилизации частоты;

2. Малая огтгческая плотность ячейки, позволяющая устранять паразитные явления самовоздействия излучения в ячейке.

3. В короткой ячейке легче создать плоский фронт излучения и устранить сдвига частоты от кривизны волнового фронта.

4. Относительная компактность люминесцентной ячейки с системой регистрации.

Все эти положительные факторы создают возможность улучшения долговременной стабилизации и воспроизводимости частоты лазера.

В этой же главе рассмотрены особенности сверхтонкой структуры перехода Х(у"=0,Г=13,15)-»В(у'=43,Г=12,16), используемого для целей стабилизации частоты аргонового ионного лазера на длине волны 514.5 нм. Дается обоснование преимуществ компоненты сверхтонкой структуры аг по сравнению с обычно используемой в работах других авторов компонентой аз. Обсуждаются вопросы о выборе рабочего давления во внешней поглощающей люминесцентной ячейке, о выборе оптимальной мощности лазерного излучения и параметров пробного сигнала сканирования частоты лазера с точки зрения достижения предельных значений по стабильности и воспроизводимости частоты лазера.

Далее в третьей главе описывается стабилизация частоты излучения аргоновых ионных лазеров по резонансам насыщенного поглощения молекулярного йода во внешней люминесцентной ячейке, обеспечивающая высокую долговременную стабильность и воспроизводимость частоты лазеров. Получена долговременная стабильность частоты Ау/ у«5х 10~15 за время т = 100 сек. Исследованы факторы влияющее на воспроизводимость

частоты Аг+ /12-лазеров. Сдвиг частоты при изменении давления Ь в поглощающей ячейке равен Ду/ ДР «-2.бкГц/Па при рабочем давлении Р=0.4Па. Получены следующие сдвиги частоты при изменении рабочих параметров установки: при двукратном изменении мощности лазера в поглощающей ячейке сдвиг частоты лазера равен Ау»27±9Гц; при искривлении волнового фронта излучения до радиуса Я»20м сдвиг частоты равен Ду»64±12Гц; при двукратном изменении амплитуды пробного сигнала сканирования частоты сдвиг частоты равен Ду*200±20Пх. Воспроизводимость частоты лазеров при контроле параметров установки с точностью до 10% равна Ау/у«10'13. Отмечено, что наиболее существенным фактором, влияющим на воспроизводимость частоты, является немонохроматичность сигнала пробного сканирования частоты. Наличие гармоник в пробном сигнале сканирования приводит к сдвигу частоты стабилизируемого лазера.

В четвертой главе представлены результаты исследований процессов релаксации в молекулярном йоде на переходе X (у"=0, 1"=13,15) ->В (у-43, 1=12,16) с помощью автоматизированного лазерного спектрометра созданного на основе аргоновых ионных лазеров стабилизированных по частоте. Лазерный спектрометр имел относительное разрешение Ю"11 и непрерывный диапазоном перестройки ~ 1 ГГц.

В эксперименте использовался метод спектроскопии насыщенного поглощения во встречных и однонаправленных волнах во внешней люминесцентной поглощающей ячейке. Наблюдалась нелинейная зависимость уширения и сдвигов частоты резонансов- насыщенного поглощения от давления, объясняемая влиянием упругих столкновений без сбоя фазы. При малом давлении йода меньше 0.13Па (1мторр), наблюдалась нелинейность сдвига частоты резонанса связанная с проявлением эффекта отдачи. При изменении давления меняется соотношение ширин нижнего и верхнего уровней перехода и, как следствие, изменяется соотношение компонент неразрешенного дублета отдачи, что приводит к сдвигу центра суммарного контура.

Найдеппыс селения упругого рассеяния на верхнем и нижнем уровне примерно равны, характерный угол упругого рассеяния составляет 0Н р «1,3 х 1(Г3 рад. Сечение неупругого рассеяния на верхнем уровне перехода раза в два больше, чем на нижнем уровне. Этот факт объясняется неаднабатичностью возмущений при столкновениях молекул и различием энергетических расстояний между вращательными подуровнями верхнего и нижнего состояний перехода X (у"=0, Г'=13,15)-»В (у'=43, 1=12,16) в молекулярном йоде. Описываются результаты исследований по импульсному зондированию заселенности нижнего уровня в молекулярном йоде. Зависимость времени релаксации заселенности нижпего уровня от давления, полученная этим методом, хорошо согласуется с результатами зависимости уширения от давления для нижнего уровня, полученными методом спектроскопии насыщенного поглощения во встречных и однонаправленных волнах. При исследовании формы резонансов насыщенного поглощения во встречных и однонаправленных волнах, наблюдалась структура из нескольких компонент. Наблюдаемая полуширина узкой компоненты в однонаправленных волнах, связаппая с временем жизни молекулы на нижнем уровне, достигала величины Г, я ЮкГп. Она ограничивалась пролетным уширепием резонанса и шириной спектра излучения лазера и характеризует разрешающую способность созданного спектрометра.

В пятой главе приводятся результаты экспериментальных исследований по изучению поведения нелинейных резонансов насыщенного поглощения в молекулярном йоде на переходе X (у"=0, 1"=13,15)->В (у'=43, I-12,16) во внешних магнитном и электрическом полях.

Была разрешена магнитная структура целого ряда компонент сверхтонкой структуры изучаемого перехода в продольном магнитном поле и произведено прямое наблюдение аномального эффекта Зеемана. Наряду с линейным эффектом Зеемана в поперечном магнитном поле наблюдался квадратичный эффект Зеемана, при полях Н=5000Э он был соизмерим с линейным. Наблюдения проводились для различной поляризации лазерного излучения. В продольном магнитном поле это было выполнено для правой и левой круговой поляризации, что позволило наблюдать переходы с Дт=1 и Дт=-1. В поперечном магнитном поле это было выполнено для случая параллельной и ортогональной ориентации поляризации и магнитного поля, что позволило наблюдать переходы с Дт=±1 и Дт=0. В результате проведенных экспериментов бьши получены гиромагнитные константы, анизотропная и изотропная магнитная восприимчивость для верхнего и нижнего уровней переходов X (у"=0, Г'=13,15)->В (у'=43, Г= 12,16) молекулярного йода. Найдена разность между изотропными магнитными восприимчивостями верхнего и нижнего уровня.

В электрическом поле на переходе молекулярного йода Х(у"=0, Г=13,15)-»В(у'=43, 1=12,16) наблюдался квадратичный эффект Штарка. На компоненте сверхтонкой структуры перехода была почти полностью разрешена структура подуровней. Наблюдения так же проводились для случая параллельной и ортогональной ориентации поляризации и электрического поля. В результате проведенных экспериментов бьши найдены значения анизотропной и изотропной поляризуемости верхнего и нижнего уровней перехода Х(у"=0)-»В (у'=43) молекулярного йода и разность изотропных поляризуемостей верхнего и нижнего уровней.

Проведены оценки влияния магнитного и электрического полей на воспроизводимость частоты аргонового ионного лазера стабилизированного по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде на переходе X (у"=о, Г=13,15)->В (у'=43, Г=12,1б) ; при величине магнитного поля Н~ 1Э и величине электрического поля Е«30В/см воспроизводимость частоты ограничена уровнем Ау/ у «10~15.

Ш. Основные результаты работы.

1. Исследование резонансов насыщенного поглощения во встречных и однонаправленных волнах в молекулярном йоде показало, что нелинейная зависимость уширения нелинейных резонансов насыщенного поглощения ст

давления, обусловленная влиянием упругих столкновений без сбоя фазы, может наблюдаться как на колебательно-вращательных переходах, так и на электронных переходах молекул.

2. Определены полные сечения рассеяния для_____перехода

а(о1=(3.3±0.2)х10"14см2 и нижнего уровня стио1=(2.7±0.2)х 10"14см2, сечете пеупругого рассеяния для перехода Стт=(1.б±0.2)х10"14см2 и нижнего уровня сгщ=( 1. 1±0.2)х 10" 14см2.

Сделан вывод о примерном равенстве сечений упругого рассеяния на нижнем и верхнем уровнях (с1е=ст2е). Определено, что сечение неупругого рассеяния на верхнем уровне примерно в два раза больше, чем на нижнем, что объясняется неадиабатичностью возмущений молекул Ъ при столкновениях. Оценен характерный угол упругого рассеяния 9яр «1,3x10"3 рад. Найден сдвиг частоты центра линии от давления ~ЗкГц/Па.

3. При исследовании поведения резоиансов насыщенного поглощения молекулярного йода в магнитном поле впервые разрешена мапгитная структура молекулярного перехода и экспериментально наблюдался квадратичный эффект Зеемана.

4. Были определены гиромагнитные хопстаиты как для верхнего, так и для нижнего уровней:

gl'=0.34±0.12; gJ'=-0.44±0.04; - гиромагнитные константы верхнего уровпя В(у'=43),

gl "=0.02+0.13; gJ"=-0.03±0.04; - гиромагнитные константы нижнего уровня Х(у"=0). Найдены значения анизотропных магнитных восприимчивостей молекулярного йода в верхнем и нижнем состояниях: ,.Дж

х'=(7.3±1)х10 —— - анизотропная магнитная Э

восприимчивость верхнего уровпя В(У=43), Дж

х"=(0.6±1)х10'34—— анизотропная магнитная Э

восприимчивость нижнего уровпя Х(у"=0). Найдена разность между изотропными магнитными восприимчивостями верхнего п пижпего уровня:

Дж

Хо-Хо^аоадхю-34—.

э

5. При исследовании поведения резопансов насыщенного поглощения молекулярного йода в электрическом поле впервые в явном виде экспериментально наблюдался квадратичный эффект Штарка.

6. Получены следующие данные по константам поляризуемости молекулярного йода:

у' = (6.94 ± 0.3) х 1(Г24см3 для анизотропной поляризуемости верхнего уровня В(у'=43),

у"= (6.65 ±0.3) х 10"24см3 для анизотропной поляризуемости

нижнего уровня Х(у"=0).

Ау = у'-у"= (0.29 + 0.01) х Ю~24см3 для разности

анизотропных поляризуемостей уровней и

Да = а'-а" = (0.92 ± 0.04) х 10~24см3 для разности

юотропных поляризуемостей верхнего и нижнего уровней

перехода Х(у"=0)->В(у'=43) молекулярного йода.

7. Результаты исследований резопансов насьпценного поглощения в молекулярном йоде на переходе Х(у"=0,Г'=13,15)->В(у'=43, 1=12,16) во внешних магнитном и электрическом полях показали, что воспроизводимость частоты аргонового ионного лазера, стабилизированного по компонентам сверхтонкой структуры данного перехода при величине магнитного поля Н»1Э и величине электрического поля Е»30В/см, ограничена уровнем Ду/у«10"15.

8. Показана перспективность люминесцентного метода регистрации резопансов насьпценного поглощения для целей стабилизации частот лазеров по компонентам сверхтонкой структуры молекулярного йода.

9. Исследованы факторы влияющее на воспроизводимость частоты Аг+ /12-лазеров. Получены следующие сдвиги частоты при изменении рабочих параметров установки: при двукратном изменении мощности лазера в поглощающей ячейке сдвиг частоты лазера равен Дуа27^:9Гц; прп искривлении волнового фронта излучения до радиуса &»20м сдвиг частоты равен Ду»64±12Гц; при двукратном изменении амплитуды пробного сигнала сканирования частоты сдвиг частоты равен Ду «200±20Гц. Сдвиг частоты при изменении давления Ь в поглощающей ячейке равен Ду/ДР «-2.бкГц/Па при рабочем давлении Р=0.4Па. Воспроизводимость частоты лазеров при контроле параметров установки с точностью до 10% равна Ду/у»10"13.

10. Получена наивысшая в видимом диапазоне длин волн долговременная стабильность частоты 5х10"15 за время 100 сек и воспроизводимость

частота 10'13 для аргонового ионного лазера, стабилизированного по частоте с использованием люминесцентного метода регистрации по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде.

Основные результаты, изложенные н диссертации, опубликованы

в работах.

1. Василенко Л.С., Дычков А.С., Дюба Н.М., Скворцов М.Н. Устройство для юстировки резонатора и перестройки частоты лазера. // Приборы и техника эксперимента. 1984. N5. С.201-202.

2. Василенко JI.C., Гольдорт В.Г., Гончаров А.Н. Ом А.Э., Скворцов М.Н. Лазер на попах аргона с узкой линией генерации. // Квант, электрон. 1982. Т.9, N4. С.812-814.

3. Гольдорт В.Г., Гончаров А.Н., Ом А.Э., Скворцов М.Н. Система стабилизации частоты лазера по склону полосы пропускания внешнего интерферометра. // Приборы и техника эксперимента. 1989. N1. С.187-190.

4. Гольдорт В.Г., Гончаров А.Н., Ом А.Э., Скворцов М.Н., Чеботаев В.П. Стабилизация частоты Аг+ -лазера (514.5 нм) по резонансам насыщеипого поглощения 12712. // Оптические стандарты времени и частоты: Сб.Науч.тр. Новосибирск, 1985 С.133-139.

5. А.с. 1413610 СССР, МКИ G 05 D 23/24. Устройство для регулирования температуры. В.Г.Гольдорт, А.Н.Гончаров, А.Э.Ом, М.П.Скворцсв, Ю.Я.Печерский (СССР). N4179518/24-24; Заявлено 08.01.87; опубл. 30.07.88, Бюл. 28.

6. V.P.Chebotayev, A.N.Goncharov, A.E.Ohm and M.N.Skvortsov: Argon Ion Laser with High Frequency Stability. // Metrologia. 1990. Vol.27, P.61-64.

7. Goncharov A.N., Skvortsov M.N. and Chebotayev V.P. Study of Relaxation of Molecular Iodine by the Method of Saturated Absorption Spectroscopy. // Appl.Phys. B51, 1990. P.108-115.

8. Гончаров A.H., Скворцов М.Н. Измерение гиромагнитных констант молекулярного йода методом нелинейной лазерной спектроскопии. // 13-ая Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике: Тез. Докл., 6-9 сент.,1988. С.23-24.

9. Goncharov A.N., Scvortsov M.N.,Gateva S.V., Chebotayev V.P. Molecular iodine g-factors measurement by nonlinear laser spectroscopy method. //

Nonlinear spectroscopy: Proc. XXVI Colloquium Spectroscopic International, Sofia, Bulgaria, July 2-9, 1989. abs.Vol.l. P.232.

10. A.N.Goncharov, S.V.Gateva-Kosteva, M.N.Skvortsov and V.P.Chebotayev: Direct Observation of the Anomalous Zeeman Effect at the X-B transition of Molecular Iodine by the Method of Nonlinear Laser Spectroscopy. Appl.Phys. B52.311-314,1991.

11. A.N.Goncharov, A.Y.Nevsky and M.N.Skvortsov. Second-order Zeeman effect at the X-B transition of molecular iodine. // Appl.Phys.B 1995. Vol.60, N12, P.43-45.

12. Гончаров A.H., Невский А.Ю., Скворцов M.H. Квадратичный эффект Зеемана на переходе Х-В молекулярного йода. II Тезисы XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, г. Санкт-Петербург, 27 июня - 1 июля 1995г.

13. A.N.Goncharov, A.Y.Nevsky and M.N.Skvortsov. Magnetic field influence on the X(0)-B(43) transition of the molecular iodine. // Тезисы первого Международного симпозиума MPLP,r. Новосибирск, 28 августа - 2 сентября 1995г.

14. A.N.Goncharov, A.Y.Nevsky and M.N.Skvortsov. Direct Observation of the Second-order Stark Effect at the X-B transition of Molecular Iodine. // Appl.Phys.B 1995. Vol.60, N1, P.43-45.

Литература.

1. Багаев C.H., Гольдорт В.Г., Дычков А.С. и др. Единый эталон времени и длины. // Квант, электрон. 1982. Т.9, N3. С.453-462.

2. Borde C.J., Camy G., Decomps В. Measurement of the recoil shift of saturation resonances of 121 h for high-resolution saturation spectroscopy. П Phys. Rev. A. 1979. Vol.20, N1. P.254-268.

3. Borde С.J., Camy G., Descoubes J.-P., Vique J. High precision saturation spectroscopy of 127h with argon lasers at 5145 A and 5017 A: I- Main resonances. // J. Physique. 1981. Vol.42, N10. P.1393-1411.

4. Mise en Pratique of the Definition of the Metre. // Metrología, 1994, Vol.30, N5. P.523-541.

5. Basov N.G., Letokhov V.S. Report on URSI conference "Laser measurements". // Electron Technology. 1969. Vol.2, N2. P.15.