Разработка и исследование спектрометров на непрерывных СО2 и Не-Ne лазерах и импульсных лазерах на красителях для проведения спектроскопических, метрологических и аналитических измерений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РГ6 од

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ СПЕКТРОСКОПИИ

На правах рукописи

Компанец Олег Николаевич

Разработка и исследование спектрометров на непрерывных С02 и Ие-Не лазерах и импульсных лазерах на красителях для проведения спектроскопических, метрологических и аналитических измерений

Специальность 01.0d.05 - оптика

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в форме научного доклада

Троицк Московской обл. 1994 г.

Работа выполнена н Института спектроскопии {'АН

Ойнщанымв ОПЛЮ5ШНГЫ : академик Вагавн с. II.

доктор физике-математических наук профессор Рябов Е.А.

доктор фюнко-математических наук профессор Фадеев В. В.

Нед'/цан организация : Физический институт им. II. Н. Лебедева

Защита состоится <___» lüi)4 г. в «10» час-

Hit заседании Специализмровакного Совета Д. 002. 28.01 при Институте спектроскопии РАН по адресу : 14203?., г. Троицк Московской обл.

С работами диссертанта можно ознакомиться в йкблиотоке Института {.поктроснопки РАН.

Авюрофират р£,.-;ослан < » ^-i-'t-^t^c—t- < _ 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного Соивта

доктор физ.-мат. наук . (, JU'_____... У . И. Сафронова

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

С развитием лазерных источником излучения появилась возможность создания принципиально новых мойных

оптико-спектральных методов изучения характеристик вещества я разработки на их основе новых сгшктралькых приборов - лазерных спектрометров. Такие споктрометры совершенно необходимы для получения новой спектроскопической информации, недоступной изучению традиционными методами спектроскопии, а также для решения на новом, более высоком уровне громадного числа исследовательских и практических задач создания новых методов измерений, технологий и приборов.

Данное сообщение посвящено разработке и исследованию ряда лазерных спентрометров, использующих как метоп нелинейной лазерной внутридопплеровской спектроскопии молекул с помощью непрерывных С02 и Не-Ие лазеров, так и метопы лазерной ступенчатой резонансной фотоиопизационной спектроскопии атомов я лазерной атомно-флуоресцентной спектрометрии, осуществляемые с помощью импульсных перестраиваемых лазеров на

красителях. Разработка указанных егюктрометров позволила, наряду с получением спектроскопической информации об ПК колебательно- вращателыгых спектрах молекул ' и 0гз04'

ридберговских состояниях редкоземельных атомов и характеристиках их ядер, заложить принципы построения лазерных стандартов частоты на основе СО /ЭР , СО /1,а0з0 (10,6 мкм) и Ие-Ые/'29!

2 6 2 4 2

(0,63 мкм) лазеров, для проведения с их помощью ряда метропогичесхих измерений, к автоматизированных лазерных аналитических спектрометров-детекторов следовых содержаний атомов, для разработки методик ультрачувствительнызг селективных анализов объектов окружающей среды и зысокочистых веществ

Первые шаги по использованию газовых лазероЕ видимого и ИК диапазона для лазерной спектроскопии без допплероаскогс уширения были сделаны в . конце 70-х годов В.С.Летохонык (1967), П.Ли и М. Скольником ( 1967), В. 1!. Лисицыным и В. Л. Чеботаевым (1968). Их работы показали возможность получения узких и стабильных оптических резонансов насыщенного поглощения в спектрах атомов и молекул при их взаимодействии с сильным монохроматическим полем излучения лазера. Исследование этих резонансов позволяет определять

структуру спектров атомов и молекул, изучать механизмы насыщения я релаксации уроиней. характер атомных и молекулярных столкновений ь гьэе Указанные резонансы могут быть использованы в г«.чэстве кантоны* реперов при создании лазерных стандартов чистоты ¡1К и а и .'.итоге диапазона, с помощью которых можно ставить прецизионные физические эксперименты, уточнить значения фундаментальных констант и т.д. Стабилизация частоты лазеров по оптическим реперам представляет и большой практический интерес, связанный с возможностями использования высокостабильиого по час юте излучении а различных областях народного хозяйства, в первую очередь в метрологии, в частности, для создания единого эталона частоты-времени-длины.

В и«рг.'Ы> экспериментальных работах по внутридопплеровской спектроскопии были получены оптические резоиансы Ме в выходной мощности Пс-Ые лазера на 0,03 мим шириной около 30 МГц. Эти ширины могли быть сужены до относительной величины Ю~°-10~10 и ниже при использовании насыщенного поглощении излучении на колебательно-вращательных переходах молекул, лежащих в ИК области спектра. С другой стороны, наиболее широко применявшимся классом лазеров и конце 70-х годов были лазеры на двуокиси углерода, работающие на множестве линий и широком спектральном интервале от 3,6 до 10,8 нкм, где наблюдается окно прозрачности атмосферы, и имеющие относительно большую выходную мощность излучения. В связи с этим стала актуальной задача поиска относительно простых и симметричных по строении молекул, имеющих колебательно-вращательные полосы поглощения в указанном диапазоне, и создания лазерного спектрометра длк получения и исследования нелинейных оптических резоиансов в системе «СО^-лазер/нелинейно поглощающая ячейка с молекулярным газом низкого давления».

Фоном длк начала на рубеже 80Х-50Х г. г. работ по созданию автоматизированных лазерных фотоиднизационкых и атомно-флуоресцент-ных спектрометров на основе импульсных лазеров на красителях явилось успешное развитие,и в первую очередь в Институте спектроскопии (лаборатории В. С. Летохова, В. Г. Колошникоеа. группы ¡3.1!. Мишина, М. А'. Большова, Г. И. Бекова), одноименных методов лазерной спектроскопии, приведшее к появлению уникальных экспериментальных установок, на которых были получрны первые впечатляющие результаты по детектированию ультрамалых количеств атомоь (вплоть до единичных атомов) и исследованию их спектров.

Эти результаты выяпили возможность использования оптических методов измерений, в частности, нетода резонансной фотоионизэпионной спектрометрии, для получения данных, позволяющих опроделнть некоторые выжныв для ядерной физики параметры ядер в условиях их крайне малого количества. Это направление, получившее название «лазерно-ядерной спектроскопии», а также задачи создания новых методов и средств контроля технологии производства высокочистых материалов, геологии поиска редких и рассеяных элементов, контроля уровня загрязнений объектов окружающей сроды и др. потребовали создания и исследования лазерных спектрометров нового класса, технически более совершенных, автоматизированных. способных ■ надежно обеспечить требуемые параметры лазерного излучения, атомного пучка, пороговых и временных характеристик системы регистрации сигнала и в лтоге пределыаш характеристики по чувствительности я селективности детектирования следовых количеств атоноп исследуемых или определяемых элементов и измерения мх спектров.

Цель работы.

С 1968 г. автором была начата разработка нелинейного спектрометра на СО -лазере, основанного на методе внешней нелинейно поглощающей газовой ячейки низкого давления. Целью работы было обнаружение и исследование узких оптических резонаксов внутри допплеровской линии колебательно-вращательных спектров синнетричшх молекул, использование таких резонансов для получения узкополосного и зысокостабкльного по частоте излучения СО^-лазера, постановка и проведение с помощью стабилизированных по частоте СО^-лазеров ряда спектроскопических экспериментов и метрологических измерений.

Б процессе этой работы были поставлены и решены следующие задачи:

экспериментальная разработка метода получения узких оптических резонансов во внешней нелинейно поглощавшей ячейке;

обнаружение узких резонансов насыщенного поглошения на колебательно-врашательных переходах молекул, исследование физических факторов, определяющих ширину, положение я структуру резонансов;

наблюдение и исследование ряда физических эффектов, в частности. пространственного переноса провала в распределен»»

молекул по скоростям, теплового возбуждении колебательных уровней молекул, затемнения поглощения, ИК-флуоресиенции молекул и др. ;

- разработка методов а средств длк стабилизации частоты лазеров при использованиям узких реэонансов как квантовых реперов частоты, изучение физических факторов, определяющих воспроизводимость частоты С02-лазероа;

разработка методов и средств стабилизации мощности непрерывного лазерного излучонин:

включение оптического стандарта частоты на основе СО^-лазера в умножительную лазерную цепь субмиллиметрового и ИК-диапазонов и измерение абсолютной частоты квантового репера.

В 1979 г.автор приступил к разработке ультрачувствительных лазерных автоматизированных спектрометров на основе импульсных лазеров на красителях для. фотоионизационной спектроскопии высокого разрешении к проведения экспериментов по лазерно-ядерной спектроскопии атомов с короткоживущимк ядрами, а также для детектирования следовых количеств элементов в природных объекта;: к высокочистых материалах. В процессе этой работы были поставлены и решены следующие задачи:

- разработка принципов работы и конструкции автоматизированных атокно-флуоресцентного и атомно-фотоионкзационного лазерных аналитических спектрометров;

- разработка и исследование источников узкополосного и автоматически плавно перестраиваемого лазерного излучения, источников атомного пучка, методов и средств автоматического управления и контроля их параметров;

- разработке и исследование системы управления основными узлами спектрометров, системы получения, регистрации и обработки сигналов;

- проведение исследований и аналитических испытаний автоматизированных спектрометров;

- совершенствование методов аналитической спектроскопии к спектрометров с целью повышения их спектроскопических и аналюи-ческих возможностей, надежности работы, точности к экспрессности измерений.

Научная новизна.

1. Зкспериментально осуществлен метод получения узких оптических резонаисов в спектрах молекул при насыщении их

поглощения лазерным излучением во внешней нелинейно поглощающей ячейке низкого давления. Разработан и исследован нелинейный лазерный спектрометр квазибегущей волны для исследования линий поглощения молекул в 10 ккн - диапазоне с разрешающей способностью ~ 109.

2. Методами лазерной спектроскопии насыщенного поглощения экспериментально обнаружены и исследованы узкие оптические резонансы внутри допплеровской линии колебательно-вращательных пароходов полосы v молекулы 3F , полосы v моноизотопных молекул

1 6 3

OsO и полосы v дкссиметричнай молекулы CHFCIBr. индуцированные

4 4

в поле излучения на ряде линий Р и R-петвой СО^-лазера.

измерены эффекты уширения молекулярных резонансов сильным полем я из-за давления SF и OsO, определены время столкновений

6 4

между молекулани и длина спободного пробега молекул. Измерены коэффициенты ненасыщенного поглощения на ряде переходов в SFt и OsO , зависимости интенсивности насыщения поглощения от давления SF^ и OsO^ в области, где наблюдались узкие резонансы. Обнаружен эффект пространственного переноса провала (резонанса) а

распределение молекул по скоростям при насыщении поглощения SF< э попе двух параллельных разнесенных встречных световых волн. Обна-

: 89

ружена кпадрупольная сверхтонкая структура в спектре OsO и

í

рассмотрена магнитная сверхтонкая структура а спектре иолекул ""OsO И 1B7OSO .

4 4

3. Исследован механизм нелинейного поглощения непрерывного И к.

излучения в молекуле OsO^. Показано, что при давлениях газа >1 им

рт.ст. преобладающим механизмом просветления является

тепловой. Обнаружена и исследована сильная инфракрасная

флуоресценция на 5, 3 и 10, 6 мкк в молекулярном газе OsOa я на

5,3 мкк п молекулярном газе SF в поле мощного непрерывного

б

излучения СП^-лазера. Обнаружен эффект сильного затемнения поглотавшей ячейки с OsO^ в условиях разогрева ¡газа лазерным излучением, найден коэффициент теппопооводностк a OsO .

* 4

4. Предложен и осуществлен хвтод стабилизации частоты С02-лазера на длине волны 10, 6 мим по узким резонансак в спектре

192

молекул SF и ' OsO при насыщении поглощения во внешней поглощающей ячейке. Долговременная относительная нестабильность частоты двух независимо с табилизиро в энных C0¿/SF6~ лазеров составила 3-10 Достигнутая относительная нестабильность и

192

повторяемость частоты СО^/ OsO -лазера составила сбответственно

1,7'10~1г (г = 100 с ) и 1-10~и соответственно.

Обнаружено отсутствие (на уровне 2-Ю"1') мощностного и столкновитального сдвигов вершины узкого нелинейного резонанса в спектре 0!з04 пРи изменении интенсивности лазерного излучения и давлении ларов ОзО^ во внешней поглощающей ячейке в широких пределах. Измерено абсолютное значение частоты

С02/19а0а04" квантового репера, работающего на линии Р( 14) на длине волны 10,33 мкк.

Б. Разработан и испытан автоматизированный лазерный фотоионизационный спектрометр высокого разрешения (до 0,02 см"1) на импульсных лазерах на красителях с оптической накачкой лазером на парах меди для проведения экспериментов по лаз ерно-ядерной спектроскопии.

С. Разработан и испытан автоматизированный лазерный атомно-флуоресцонткый аналитический спектрометр ЛАФАС с пределами обнаружении длн различных элементов на уровне 10"7-10~11 вес. % и нижо.

7. Разработан и испытан автоматизированный лазерный атомно-фотоиониз ациошшй аналитический спектрометр ЛАФИС с пределами обнаружения длн различных элементов на уровне ю"7-10~10 вес. % и ниже. J

8. Предложен способ и устройства для проведения многоэлеменг-ного атонио-флуоресцентного и атомно-фотоионизационного анализа вещества в одном цикле испарения пробы.

Практическая значимость.

1. Создан нелинейный лазерный спектрометр квазибегущей волны для исследования линий поглощения колокул на длине волны 10 мкм с разрешающей способность» - 109.

2. Созданы высокостабиль>ала генераторы частоты И К диапазона

19? -

на основе СО /БГ к СО / ОзО - л азеров с высокой

2 Ь 2 , 4

воспроизводимостью частоты. СО /19гОзО - лазвр используется как вторичный квантовый репер с воспроизводимостью частоты 3-10 11 в уиномтельной цепи абсолютных измерений частот ИК диапазона в Главном нетрологиЧеском центре Государственной службы времени и частоты (ГМЦ ГСВЧ1.

3. Создан высокрстабильный генератор частоты на длине волны 0,63 ккм на основе Не-Ые/1291 - лазера с долговременной

нестабильностью частоты 6-10 (г = 50 с) к повторяемостью частоты 2-10"10. используемый о качестве вторичного стандарта длины волны для системы метрологического обеспечения измерений длин волн лазеров видимого и V1K диапазонов в Харьковском ГНИИ метрологии (ХГШШМ).

4. Создана серия активных стабилизаторов мощности непрерывного излучения лазеров на основа компенсационного метода и внешних регулирующих устройств (интерферометр Фабри-Пнро, электрооптический модулятор, оптккс-акусткч оский детектор) с коэффициентом подавления флуктуации мощности ~ 200 в диапазоне низких (10-200 Гц) и высоких частот (2-10 кГц).

5. Создан охлаждаемый С02~ усилитель бегущей волны на протекающей смеси Не+Ыг+С02 с большим коэффициентом усиления ( 14 дб при температуре стенок - 60°С).

6. Создана серия, включая опытные образцы, автоматически перестраиваемых импульсных лазеров на красителях с оптической накачкой, измерителей и калибраторов длины эолны, сканеров, электротермических атомизаторов, систем регистрации сягнала, систем автоматического управления элементами и узлами лазерных спектрометров. Всего изготовлено и работает в ИСАИ я др. организациях, включая зарубежные {ЦЕРН, Оксфорд Лэйзерс. ¡WCTÍ, более 20 перестраиваемых лазеров я- красителях, 8 измерителей длины волны, более 30 сканеров и большое число других элементов лазерных спектрометров.

7. Создана серия, включая опытный образец, автоматизированных лазерных фотоионизационкых спектрометров (ЛА<МС) на импульсных лазерах на красителях для проведения исследований по лазерно-ядерной спектроскопии (с разрешением до 0.02 ск"1) и аналитических исследований природных обьектов и высоксчистых материалов с пределами обнаружения для различных элементов Ю"7-Ю~50 вес. % и ниже. Всего изготовлено непосредственно в ИСАН или при содействии ИСАИ 8 лазерных фотоионизационкых спектрометров различного назначения и разной степени сложности, работающих в ИСАИ и крупных исследовательских центрах страны к за рубежом (1IEPH, Финляндия). Рабочая документация ЛАФИС передана на ОПП НТО ( г. Минск) для выпуска малых серий приборов.

8. Создана серия, включая опытный образец, автоматизированных лазерных атомно-флуоресцентных аналитических спектрометров

1ЛАФАС) на импульсных лазерах на красителях для проведения аналитических исследований природных объектов и высокочистых материалов с пределами обнаружения для различных элементов

>7 .-11

10 -10 вес %. Всего изготовлено 4 автоматизированных лазерных агокно-флуоресцентных спектрометра, работающих в ИСАИ и крупных отраслевых институтах страны. Рабочая документация ЛАФАС передана на ОПП НТО (г.Минск) и во ВНИИТ6А (г.Москва) для малосерийного тиражирования приборов.

¿¿клад автора.

Основная часть работы выполнена автором в Институте спектроскопии ЛИ СССР (ныне Институт спектроскопии РАН).

Все работы пс разработке нелинейного лазерного спектрометра на оснояе С лазера с внешней поглощающей ячейкой, по обнаружению и экспериментальному исследованию узких оптических рвзонансов, по наблюдению и исследованию физических эффектов при поглощении молекулами лазерного излучения, по созданию СО усилителя бегущей волны и стабилизации мощности С0г лазера, по созданию и исследованию квантовых реперов частоты на основе

19? 124

СО /SF , СО У "QsO и Пе-Не/ I -лазеров выполнены лично г' ь ¿' 4 г г

автором либо при ого непосредственном участии, выразившемся о постановке и проведении экспериментальных исследований, обработке и представлении результатов. При создании аппаратуры для стабилизации мощности СОлазера и частоты С0г и Не-Не лазеров (здесь основной вклад принадлежит к.т.н. Е.Л.Михайлову) автором осуществлялось научное сопровождение разработок, а также личное участие в проведении испытаний аппаратуры в составе лазерных спектрометров Абсолютное измерение частоты С0г/1920з0^-лазера в составе умножительной цепи абсолютных измерений частот ИК диапазона производилось в ГМЦ ГССЧ. Измерение и сравнение длин волн излучения ile-Ne лазеров, стабилизированных по нелинейным

129

резонанса« в Х2-. проводилось и ХГНИИМ.

Цикл работ по разработке автоматиз ировашшх лазерных спектрометров на импульсных перестраиваемых лазерах на красителях дли спектроскопических и аналитических исследований проводился силами организованной с этой целью и возглавляемой автором лаборатории лазерно-спектраяьного приборостроения при научно-методическом сопровождении со стороны лабораторий, разработки которых легли в основу создаваемых спектрометров (д. ф.-н. н.

3. С. Летохов, к. ф.-м. н. В. Г. Колошников), и конструкторской обеспечении со стороны КО ЦКБ УП ( к. т. н. Е. Л. Михайлов). эти работы велись непосредственно под научным руководством и при личном участии автора в разработка и выборе концепции автоматизированных спектрометров, их состава, компановки, управления, исследовании их функциональных возможностей, взаимосвязи узлов, предложении принципиальных технических решений, в разработка и исследовании основных конструктивных элементов и узлов (лазеры накачки, импульсные перестраиваемые лазеры на красителях, измерители и калибраторы длины волны, атомизаторы, системы регистрации и т.д.), аналитических испытаниях спектрометров, их внедрении в практику спектроскопических и аналитических исследований в ИСАИ я др. институтах.

На различных стадиях работы участие в исследованиях и разработке лазерных спектрометров принимал ряд сотрудников ИСАИ, ФИ АН, ИРЭ, ИНЭОС, ВННИИ, X ГНИИН, ЛИЯФ, ЦКБУП. Всем и« автор выражает искреннюю признательность к благодарность.

Особую благодарность автор выражает д. ij).-и. н. В. С. Летохову. к. ф.-м.н. В. Г. Колошникову, д. ф.-м. н. И. А. Большову, к. ф.-M.il. В. И. Мишину и к. ф.-м. н. Г. И. Бекову. чьи идеи и основополагающие работы внесли важный вклад в постановку и выполнение работы, з также к. т. н. Е.Л.Михайлову, оказавшему мощную техническую поддержку проведенным исследованиям и разработкам.

Автор вполне отдает отчет а сложности выполненных работ и благодарит администрацию и все службы Института

спектроскопии, внесшие каждая свой вклад в успешное их завершение.

Выносимые на защиту поколения.

1. Экспериментальная разработка метода нелинейной лазерной спектроскопии колебательно-вращательных переходов молекул с помощью квазибегуыей световой волны во внешней нелинейно поглощающей ячейке.

2. Экспериментальное наблюдение и исследование узких оптических резокаксов в спектрах колебательно-вращательных

переходов молекулы SF , моноизотопкых молекул OsO и

6 ^

диссиммегричной молекулы CHFClBr, индуцированных в поле излучения С0г лазера.

3. Создание квантовых реперов частоты на основе .СО /192OsO -

лазера (10.33 мкм) и lie-Нс/'г*1г-лазера для проведения спектроскопических и метрологических измерений.

4. Разработка к испытании автоматизм, оваиных лазерных фотоионизационных спектрометров ЛЛФНС для проведения исследований по лазврно-ядерной спектроскопии (с разрешениек до 0,02 см"1! и аналитических исследований с пределом детектирования элементов вплоть до 10"п вас. % и ниже.

5. Разработка к испытании автоматизированного лазерного атом-на-фпуоресцонтного спектрометра ЛАФАС для аналитических исследований с пределами обнаружения элементов вплоть до

5- 10"1г вес. %.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на I и II Всесоюзных симпозиумах по физике газовых оптических квантовых генераторов (Новосибирск, 19С9 и 1975 г. г.), I и II Всесоюзных симпозиумах по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешении (Новосибирск, 1972 и 1974 г. г.), III Всесоюзной конференции «Физические основы регистрации и обработки информации лазерным излучениек» (Киев, 1973 г. ), VII Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ташкент. 1974 г ), Научно-технической конференции «Газовые лазеры в метрологии и измерительной технике» (Ленинград, 1976 г. ) , I Всесоюзной конференции «Проблемы управления параметрами лазерного излучения» (Ташкент, 1978 г.), IV Всесоюзной конференции «Перестраиваемые по частоте лазеры» (Новосибирск, 1983 г.), II Всесоюзном координационном совещании по проблеме осмия (Алма-Ата, 1984 г. ), II Всесоюзной научно-технической школе-семинаре по лазерному оптическому к спектральному приборостроению (Минск. 1985 г. ),

V Международной конференции по точный электромагнитным измерени-« ян (США, Боулдер, 1976 г.), II Международном симпозиуме по стандартам частоты и метрологии (США. Коппер-Маунтен. 1976 г.),

V Международной конференции ло перестраиваемым лазерам (Байкал, 1989 г.). Международном симпозиуме «Современные проблемы спектроскопии» (Троицк. J.993 г.), а также на обшемосковском коллоквиуме по спектральному анализу ( 1993 г. ).

Публикации,

Материалы диссертационной работы отражены э 4 1 публикации, в ток числе в статьях. в отечественных и

международных журналах, сборниках статей, коллективных монографиях, авторских свидетельствах и трудах конференций. Тезисы докладов на всесоюзных и международных конференциях не входят в перечисленные публикации.

XI. НЕЛИНЕЙНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ НА С0г ЛАЗЕРЕ ЛЛЯ ВНУТРИДОПШ1ЕРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНО-ВРАЩАТЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ МОЛЕКУЛ МЕТОДОМ ХВАЗН-5ЕГУШЕЙ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ

1. Предварительные соображения.

Ширина спектральных линий газа при небольших давлениях определяется обычно допплеровским уширонион. воз ¡чикающий яз-зг теплового движения атомов и молекул, которое ограничивает разрешение линейных спектрометров в оптическск я И К. диапазонах величиной порядка 105-106. С создание« газового лазера открылась возможность исследования структуры внутри допплерсзской ликмк с более высокой ( на три и более порядкоя) разрешающей способностью, определяемой практически однородной имриной линии,

Действительно, при насыщении усиления или поглощении допплеровской спектральной линия сильной бегущей свеюпон волной внутри линии из-за перераспределения засоленностей уровней на частоте и образуется провал («дырка> Беннэта) Если двухуровневая атомная или молекулярная систена взаимодействует од,говременно с двумя противоположно направленными сильными встречными бегущими световыми волнами, каждая из волн выжигает свою «дырку», симметрично расположенную относительно центра допплеровской линии. При сканировании частоты такой стоячей волны вдоль допплеровского контура коэффициент насыщен-

ного поглощения ( усиления - для усиливающей среды ) будет иметь провал в центре допплеровской линии (и = и») . т. к я этом случае частицы взаимодействуют с обеими волнами одновременно, и степень насыщения возрастает. Параметры провала,- получившего название «лэмбовского», и ого форма дают ценную спектроскопическую информацию о полуширине линии Г, д процессах

насыщения s-- ролакслцкк уровней, о характере атомных к молекулярных столкноаолий в газе, характере расщепления уровней и т л

Точой провал; в центре линии поглощения возникает при помещении нелинейно поглощающей ячейки с газом низкого давления внутрь резонаторе, яазара (метод внутренней нелинейно поглощающей ячейки), благодаря чему на контуре выходной мощности лазера от частоты возникай» узкий пик (резонанс), ширина которого, особенно в случае поглощения на колебательно-вращательных переходах молак у.i. может быть чрезвычайно мала и в продоле низких давлений опрь;; jJiíiOTCK главным образок временем пролета частиц через света ,".tp луч. Именно таким способом при помещении мотановой «чайки сверхнизкого давлении внутрь резонатора гелий-неонового лазера на з,за мки удалось достичь к настоящему времени наивысшую раарешбышу*/ способность спектроскопических исследований в ИК области спектра ~ 10П (Иж.Холл, С. И. Багаеи с сотр.).

Другим ítosaia.iK когодон лазерной спектраскопи сверхвысокого

разрешения стал метод внешней нелинейно поглощающей ячейки,

продложынный и работах С. И. Ь'агаеца и др. (10G8), В. С. Летокова к

ü П Чиботаььсг (1069). Характерной особенностью этого метода

является почти полное отсутствие влияния нелинейного поглощения

на работу лазера, а. также возможность спектроскопии практически

iiCíik агомор s мслекул, имеющих поглощение в полосе частот

генерации применяемых з настоящее время лазеров, при условии, что

2

их мощности достаточно дм насыщения поглощения (10-1000 мВт/см ) и спектральная ширина линии излучения иного меньше однородной ширины линии поглощающего излучоние газа.

Среди методов, использующих внешнюю нелинейно поглощающую ячейку, наиболее аффективным представляется метод насыщения поглощении квазибегущой световой волной. В нем одна бегущая волна частоты о (прямая) является сильной, насыщающей поглощение, а обратная - слабой, линейно взаимодействующей с частицами в пределах однородной ширины 2Г на зеркально симметричной относительно центра допплеровской линии частоте 2и» - и. В этом случае пропускание слабой волны резко возрастает при прохождении центра допплеровской линии, когда она взаимодействует с частицами, поглощение которых насыщено сильной прямой волной. Амплитуда пика пропускания кожег достигать 100 %, особенно при использовании оптически плотных поглощающих ячеек. Еще одним

достоинством метода является возможность получать узкие розонансы внутри допплеровской линии и для случаев большого несоответствия параметров насыщения поглощающего газа и усиливающей среды лазера, что как раз имеет место для большинства молекул, имеющих колебательно-аращательные полосы поглощения в области изучения С02~ лазера.

Нами впервые были экспериментально продемонстрированы и изучены возмо» ности этого метода, положенного в основу работы нелинейного спектрометра квазибегутей волны на соцлагере. С помощью этого спектрометра были впервые обнаружены и исследованы узкие реэонансы при насыщении поглощения колебательно-вращательных переходов симметричных молекул к ОэО^ и диссиметркчной молекулы CHFCl.Br излучением С0г~ лазера. Эксперименты позволили провести ряд спектроскопических исследований молекулы БГ и

192

моноизотопных молекул ОзО в ячейках низкого давления,

4

приведших к созданию нелинейных спектрометров на основе стабилизированных по частоте СО^ЭТ^- и С02/1920з0(- лазеров и вторичного стандарта частоты на основе СО - л а зера с

192 ^

ОэО внешней нелинейно поглощающей ячейкой, ъ

2. Расчет нелинейного спектрометра кваэибегущей световой вопиы.

Расчет нелинейного спектрометра, выполненный В. С. Летоховым в 1969 г. , позволил выяснить характер поведений параметров лэмбовского провала внутри допплеровской линии поглощения в зависимости от величины светового полк и давления газа, во внешней поглощающей ячейке. Последующая обработка экспэркменталмсых результатов в значительной мере опиралась на полученные расчетным путем графики.

В предположении малости однородной ширины 2Г по сравнению с шириной допплеровского контура м малости насыщения

поглощения слабой волной Ь« 1 коэффициент поглощения обратной волны определяется выраженйем

*-(П) Ьс Г 4П 2 1

где q = ^И-Ьс , Ь - параметр насыщения, с - амплитуда бегущей

волны. П - расстройка частоты волны V относительно центра доппле-ровской лмник и

о

В центре линии коэффициент поглощении слабой волны

< 1. 2)

Vl+Ъс

то эсть совпадает с коэффициентом поглощения сильной волны на допплеровскк ушкренном переходе.

В случае оптически тонкой ячейки (xoL«l) пропускание обратной волны поглощающей ячейкой

1}_(П) = 1-х <П)Ь , (1.3)

то есть форма провала sie искажается зависимостью от поглощения в ячейке (L - длина ячейки). Это не так в случае оптически плотной ячейки, когда яэ-за ослабления интенсивности прямой волны при прохождении через ячейку появляется зависимость от координаты г:

т) (П) - ехр [ - Jx (fi,z)dz)

(1.4)

Ослабление пряной волны вдоль ячейки

de'

SГ

Решение выражением

✓l+bc этого уравнения

(1.5)

неявном виде определяется

2(

(1.6)

где ч » у^+Ьс^г) , ц^» у'г+Ъс^(0) , С4(0) к с^(г) - интенсивность волны на входа н на расстоянии г от входа в ячейку соответственно.

Пропускание обратной слабой волны Л_(С1) в зависимости от частоты расстройки П, интенсивности прямой полны, длины ячейки и т. м было найдено путем подстановки распределения поля прямой полны в до л: -(чек'ки, полученного при решении уравнения (1.6). в уравнение < 1 '< и последующего интегрирования согласно (1.4).

Согласно числоннону расчету на ЭВМ, в центре допплероаской линии поглощения ((5=0) появляется пик, параметры которого зависят

о

в

от степени насыщения поглощения Ъсг(0) на входе ячейки и от начальной оптической плотности ячейки Ь.

о

Были рассчитаны зависимости полуширины пика пропускания на полувысоте Л^ и амплитуды пика А=л_(0)-т)_(«) от степени насыщения поглощения прямой волной на входе ячейки Ьс^(О) для различной начальной оптической плотности ячейки с!. При малых значениях оптической плотности <3<1 полуширина резонанса пропускания обратной слаоой волны (Ьс^1) растет с увеличенкен насыщения из-за уширения провала в допплеровской линии как среднее арифметическое полуширин провала на частоте поля (б^Гу'З.+Ьс2) к области частот, с которой взаимодействует обратная слабая волна ( Г), т.е.

Ду =(51> + Г)/2 - [|< 1+ А+Ьс^) (1.7)

без учета значений т)_в крыльях доппларовской лкник, приводящего к несколько более слабому утиранию йу от поля. Прш урзянчзнху зптя-ческой плотности ячейки ( й>1) уширениа резонанса прогтусмонкк схльньш полом несколько компенсируется эго сужен. <;к за счет экспоненциального ослабления крыльев ж_(П>•

Расчет показал, что наиболее отчетлмЕые пикк • должны наблюдаться в ячейках с оптической плотность© (! -х+з прк степени насыщения поглощения на входе <? В этом случае относитель-

ный контраст пиков о£=т>_{0)/т)_(~) может достигать нескольких единиц, а уширение пика полем не превышает 30 %.

Проведенные расчеты показалк высокую чувствительность регистрации узких спектральных резокансов методок насыщения поглощения во внешней ячейке квазибегущэй световой волной.

3. Лазерный спектрометр впя исследования узких реэонансов э спектре колебательно-вращательных переходов молекулы .

о

Перестраиваемый С02 л-азер работал в непрерывном режиме на ряде колебательно-вращательных переходов Р-ветви в областк 10,5 мкм. Усилительная трубка имела длину активной областк НО см, внутренний дианетр Э мм и охлаждалась проточной водой Лазер работал на протоке смеси СО^.м^Не в соотношении 1:1:3 при общем давлении 7 Тор. Возбуждение осушег >лялось от стандартного источника питания лазера. Для выделения , отдельного

колебательно-вращательного перехода использовалась дифракционная решетка (150 штр. /мм), работающая в I порядке в автоколлимационном режиме. Идентификация переходов осуществлялась дифракционным спектрометром с разрешением 0,5 см"1. Выходным зеркалом лазера служила плоскопараляельная германиевая пластинка, укрепленная ма пьезокерамичесиой трубке. Частота излучения лазера могла перестраиваться в пределах допплеровской линии излучения С0г путей сканирования положения выходного зеркала резонатора при подаче на пьезскврамическую трубку напряжения пилообразной формы от генератора пилы (0-200 В) и постоянного напряжения от батареи (0-600 В). Лазер помещался на массивную, кзолмрованную от стола, бетонную плиту. Для повышения жесткости резонатора держатели зеркал скреплялись нежду собой стальными стяжками.

Выходная мощность излучения лазера достигала ватта. Необходимое ослабление достигалось с помощью короткой ячейки со смесью SF :11е =1:200 при большом давлении, а также набора калиброванных ослабителей из СаК2. Анплмтудиан модуляция излучения, когда она была необходима, осуществлялась механическим прерывателем на частоте 400 Гц.

Внешняя поглощающак ячейка имела диаметр 2 см, длина ее выбиралась в пределах от 10 до 80 ск. Окна ячеИкн были выполнены из хлористого натркя и располагались под углом Брюстера. Давление газа в ячейке измерялось термопарным вакуумметром, предварительно проградуированным с помощью масляного манокетра.

После прохождений излучения С0г лазера через ячейку небольшая часть пропущенного излучения (4 Ч) отражалась под набольшим углом (3-4 мрад. i в обратном направлении и после вторичного прохождения ячейки регистрировалась Ge;Au фотоприекникон, охлаждаемым жидким азотом. Два других аналогичных фотопркекника служили для регистрации интенсивности излучения лазера перед входом в ячейку .1 после прохождении ячейки с У'азом. В качестве полупрозрачных зоркая для отвода излучения применялись тонкие германиевые пластинки Измерение мощности излучения лазера и калибровка фотоприемников производились с помощью терморадиационного ^риоэлеманта с окнах яз KPS-5.

Сигнал пропускании обратной слабой волны регистрировался самописцем н на осциллографе как функция частоты СО^ лазера при оо сканировании при изменении интенсивности пропускаемого через

ячейку излучения н давления поглощающего газа

4. Обнаружение узких резанансор при насыщении поглощения SF&.

Нолокула SF имеет высокосимметричную струнтуру с атомом серы в центре правильного октаэдра, по углам которого находятся в атомов фтора, принадлежит к точечной группа и проявляет два активных инфра"рао»,1Х колебания v (947,9 см1) к (611,5 см ') ИК спектр молекулы состоит из P,Q к R ветвей. Сильное кориолисово взаимодействие с трижды вырожденной (t ) колебательной модой вместе с дополнительным взаимодействием верхнего колебательного уровня с другими близкими вырожденными колебательными уровнями приводит к расщеплению вращательной лилии ла 2J+1 компоненты, расположенные близко по частоте (<0,04 см"1), что препятствует разрешению тонкой структуры традиционными методами молекулярной спектроскопии. Из имеющихся литературных данных можно найти переходы в SF^, ответственные за поглощение излучения C0¿ лазера По-видимому, линии Р(12) и Р(14) СО^ лазера соответствуют колебательно-вращательным переходам R-полосы SF^ с J=66 я 3), линии Р(16), р( ТВ) и Р(20) С02 лазера соответствуют переходам Р-полосы SF6 с ,1=4,40 и 76.

Яопплеровская ширина линии при 25°С составляет 30 МГц

Измеренные коэффициенты поглощения х лежат в пределах

0,3*1,3 см 'тор"1 на частоте линий Р(16)-Р(20) СО^ лазера,

измеренная интенсивность насыщения на ланнк Р(20) C0¿

1,,/Р~{6t\,5) Вт см Тор*1, но к началу выполнения данной работы

они но были известны Поэтому мощность мзлученяк на линиях

Р-ветви СО лазера на 10.6 ккм и давление SF во внешней ¿ г б

нелинейно поглощающей ячейке экспериментально подбирались так. чтобы обеспечить условие насыщения поглощения прямой волной и линейного поглощения слабой обратной волны.

Узкие резонансы внутри допплеровской линии

колебательно-врашательных переходов полосы молекулы SF^ был* обнаружены при давлениях газа в ячейке 5+100 иТор на контуре нескольких линий Р-ветви излучения СО^ лазера Ширина наиболее узкого пика, наблюдаемого в первых экспериментах, составляла в этих условиях ~ 1 МГц

В пределах контура линии Р( 181 C0¿ лазера был зарегистрирован один сильный резонанс SF . на контуре линии PI 16), имеющей

наибольшее поглощение, отпечено 5 реэонансов при насыщении поглощения SF^, из которых опии аномально уширен ( в дальнейшем ого структуру удалось разрешить). 4 слабых пика наблюдались на контуре линии излучения Р(20), 2 (разной интенсивности) - на линнк Р( 12), 3 - на линии P(i4i.

Несомненно, узкие рвзонансы в спектре SF^ можно наблюдать и на других линиях р и R-ветвой С02 лазера. которые также обнаруживают поглощение SF^ Нашей целью при этом являлось не увеличение их числа, а в первую очередь подбор удобных реэонансов длн исследования их параметров я характеристик нелинейного спектрометра, а также для использования их » качестве реперов для стабилизации частоты СО лазера.

дырка ко-ол насыщения поглощении СИЛЬНО^. ftnryilji-й ПОЛНОЙ

---1-

II

M

поглощение елабо* »стречноВ | , волны , ,

*-- ~ ^ 1 1 ' t > I I

) « ' 4

C*fMi получения у.чких p«^OHuHCOf

ьнутри ДОКП/ГрОИККИ

уширенной лит1.'.', поглощения ыолчкул игггодпи к

св«то1«оХ еолш»

■

t

ijihîî

ii yCKciHiu.i

----~|сл»бо1>!

1ИПИЧНВД ОСЦИЛЛО-

грамиа .Ч8ПИ'. и ме-лине^ного улюг^ редон&нс« на контуре линии излучения С^-.-ЛАЗер*

Обнаружение узких оптических резонансое БГ^ в десятимикронной очисти спектра открыло возможность детального изучения структуры колебательно-врашательких переходов молекул. имеющих полосы поглощения в ИК. области спектра, где имеется широкий набор лазерных источников излучения

5. Нелинейное поглощение в ЭГ^ кваэибегущеи волны:

Подробное изучение параметров узких резонансов в ячейке ' 'кого давления 8Р6 проводилось на частоте центра допплеровской линии поглощения наблюдаемого в виде сильного одиночного

пика обратной волны на контуре линии Р(18) СО- лаз ера и отстоящего от вершины этой линии примерно на 10 НГц.

Для измерения параметра насыщения в области низки* давлений 5Г6> когда линия поглощения уширена неоднородно, измерялось пропускание прямой волны в зависимости от уровня её интенсивности на входе ячейки для различных давлений в поглощающей ячейке. Из экстраполяции этой зависимости в область нулевой интенсивности находилась величина оптической плотности ячейки (3=ог Ь, из

о

последней - коэффициент поглощения который на линии Р(18)

С0г составил 0,5 ск'тор" . Значения интенсивности насыщения были получены путем совмещения экспериментальных кривых пропускания прямой волны с расчетными при одинаковом значении оптической плотности а.

В пределах области давлений от 10 до 70 мТор зависимость параметра насыщения от давления ЭР^ носит линейный характер. Такой ход зависимости объясняется тем. что даже в области самых малых давлений длина свободного пробега нолекулы ЭР^ была значительно меньше диаметра луча, * релаксация молекул могла вызываться только их столкновениями. Изкеренная при давлении 75 мТор интенсивность насыщения 5Т& оказалась равной 40±10 мВт/см2.

Исследовалась экспериментальная зависимость ширины Zt^v пика пропускания обратной волны от степени насыщения поглощения прямой волны на входе ячейки для различных оптических плотностей ячейки д. Ход кривых в пределах ошибки измерения (20%) описывается выражением (1.7). Аппроксимация кривых в область слабого поля позволила найти зависимость ширины пика пропускания от давления ЭГ6 в ячейке.. Подобная же зависимость была найдена путем сравнения экспериментальных кривых с расчетной зависимостью. Однородная ширина перехода ЕГ для гексафторкда серы зависит от давления линейно с коэффициентом пропорциональности 17±4 МГц/Тор. В модели лоренцовского уширения время столкновений между молекулами рТ2=1, 9 ■ 10~8 сек-тор, а длина свободного пробега Р1проб ~ 1-Ю"4 сн-Тор. Вычисленное из

величины Т2 эффективное сечение для столкновений молекул ЭР друг с другом сг <= х,4-Ю"и см2.

Исходя из сложности структуры колебательно-вращательного спектра молекулы обусловленной наличием у нее огромного

числа вращательных подуровней с ничтожным энергетическим зазором

между ними (в среднем < Б-Ю"4 кТ), можно ожидать для БР^ большое значение сечения, превышающее сечение ударных столкновений, для столкновений, происходящих без значительного изменения момента сталкивающихся частиц и вызывающих только переходы между враь^тельными подуровнями Экстраполяция зависимости однородной ширины перехода 2Г в область нулевых давлений дает постоянный вклад в ширину линии - 400 кГц. Эта величина, по-видимому, превышает предельное разрешение спектрометра в эксперименте, складывающееся в основном из уширений из-за конечного времени взаинодекствия молекул с полем и из-за непараллельности прямого и обратного лучей. Это расхождение связано, и дальнейшие исследования это подтвердили, с влиянием слабых столкновений, происходящих только с изменением направления скорости движения молекул.

Экспериментально измеренные зависимости относительного контраста резонансов а от степени насыщения прямой волной у. оптической толщины ячейки качественно также согласуются с теоретически рассчитамнинм. Наблюдаемый относительный контраст в ячейках с большой оптической плотностью достигал 200 %.

Эксперимент продемонстрировал большие возможности спектроскопии внутри допплеровской линии методом насыщения поглощения квазибегущей волной.

Лля сравнения был проведен эксперимент по наблюдению узких реаонансов во внеашей ячейке в режиме почти стоячей волны,

для чего вместо слабоотражающего (4 %) зеркала за внешней ячейкой ставилось зеркало с коэффициентом отражения ~ 60 %. Были зарегестрированы пики мощности на зависимости пропускания прямой волны через ячейку от частоты, связанные с образованием лэмбовского провала в поглощении на частоте центра допплеровской линии БГ^, когда.обе бегущие долкы насыщают поглощение. Контраст пиков нощности не превышал 10 %, амплитуда и форма пиков были весьма чувствительны к настройке внешнего интерферометра, образованного выходными зеркалами лазера и ячейки, а при

уменьшении угла расстройки между прямой к отраженной волной << 2 мрад.) возникал режим самовозбуждения лазера (рожик пульсаций) из-за наличия быстро насыщающегося поглотителя ЗГ6 внутри составного резонатора лазера. Ввиду перечисленных особенностей режим стоячей волны во внешней нелинейно поглощающей ЗГв ячейке не представляет особого интереса с точки зрения спектроскопических возможностей к подробно в работе не исследовался.

б. Нелинейная спектроскопия БР низкого давления при

о

кросс-модуляции поглощения.

Для повышения чувствительности регистрации узких молекулярных резонансов использовался усовершенствованный мотол квазибегущэй световой волны, основанный на модуляции пропускания слабой волны за счет её взаимодействия с молекулами, поглощенно которых периодически меняется под действием сильной встречной волны с модулированной интенсивностью.

С г.омошыэ полупрозрачной пластинки й и' системы зеркал излечение СОлазера формировалось во внешней ячейке и две

независимые плоские волны, бегущие навстречу яруг другу Интенсивность одной из воли.' I (П) , насыщающей поглощение, регулировалась аттенюатором «г модулировалась с частотой 0=900 Ги механическим обтюратором, Пробный луп, интенсивность которого I также регулировалась, пропускался через 5Т& ячейку под небольшим углом (3 мрад) и встречному и после отражения от полупрозрачной германиевой пластинки *Кг регистрировался Се:Аи фотоприенником. Сигнал с приемника усиливался узкополосным усилителем на частоте П и" послэ синхронного детектирования подавался на самописец. Дополнительные меры по пассивной стабилизации частоты лазера уменьшили уходы ого частоты до 3 МГц за I час, что позволило перейти к большим временам сканирования частоты (десятки секунд).

Длина внешней ячейки была выбрана 1200 мм при диаметре 36 мм, давление БГ^ составляло 5 мТор. При таком давлении ячейку можно считать оптически тонкой и пренебречь изменением формы провала из-за поглощения в ячейке.

Независимость интенсивностей встречных волн позволила получить экспериментальные зависимости амплитуды к и ширины

пика пропускания обратной волны на контуре линии Р(18) от степени насыщения поглощения пряной волной на входе ячейки для различных значений интенсивности обратной волны.

Результаты эксперимента «о измерению амплитуды резонансои сравнивались с расчетом в рамках модели. пренебрегающей поляризационными эффектами (для сильно вырожденных переходов в это справедливо). в этой случав амплитуда пика в обратной волне с^ определяется разностью поглощения в центре линии и вне центра линии Й1'доп>>|1'-и |>>Д1/. Можно считать, что в резонансе насыщение поглощения определяете я в основ-нон суммарной интенсивность» двух волн. а амплитуда пика пропускания встречной волны равна модулированной части интенсивности

(с^+с^)

с* (1.8)

В случав квазибегущэй волны величина пика пропорциональна интенсивности пробной волны и стремится к предельному значению А - х с" при увеличении насыщения поглощения сильной прямой

max а г

волной.

Для значений поля be*- 0,2; 0,4; 0,7; 1,1; 1,4 и 2. для которых были снять! экспериментальные зависимости амплитуды пика пропускания обратной волны от степени насыщения поглощения прямой волной, sice шесть теоретических кривых с большой точностью совпали с экспериментальными данными. Минимальное значение относительного контраста пика пропускания. зафиксированное в эксперименте, составило О, 2S 'Л.

Ширина резонасов пропускания определяется сверткой насыщенного волной с допплеровског о контура, в которой на частоте v выжжена дырка с шириной 2Г/1+ Ьс*. и лоронцовского контура па зеркально симметричной частоте 2u - V, описывающего область частог с шириной 2Г/1+Ьс^ , с которой взаимодействует обратная волна сг> т.е.

tv - £ [ v^l + bc2 + ✓14Ьсг 1 (1.9)

2 k i г ' .

. ¿счетные данные для Ztv оказались также в хорошем согласии

А

с полученными ранее экспериментальными результатами.

Достигнутое в эксперименте разрешение (430 кГц) позволило обратиться к структуре аномально широкого резонанса БГ^ на контуре линии Р(16) С0г лазера. Запись структуры пика, сделанная в режима квазибегущей волны (Ьс* < 1) за время сканирования 20 сек, обнаружила неэквидистантность составляющих структуру 3 резонаисов и их разную интенсивность. Это заставляет отвергнуть механизм их позникноеенкя из-за взаимодействия волн с двумя близкими переходами, имеющими один обци;! уровень, и утверждать, что резонансы возникают на трех независимых близких переходах.

Методом кросс-модуляции поглощения было уточнено также относительное расположение 17 узких резонаксов ЯГ^ на допплеровском контуре рабочих переходов С0г лазера Р(12) - Р(20), которое значительно упростило процедуру определения этих переходов.

7. Узкие молекулярные резонансы при насыщении поглощения 9 разнесенных световых лучах

Использование двух разнесенных в пространстве световых полей одинаковой частоты приводит к увеличению времени когерентного взаимодействия молекул с полем. В оптическом диапазоне этот метод Рамзи предлагалось использовать для получения узких резонансов при насыщении поглощения долгоживуших переходов молекул н для сужения линий усиления при когерентной оптической накачке пучка молекул (В. С. Летохов, 1967 и 1968 г. г. ).

В случае, когда две параллельные бегущие световые волны имеют противоположную направленность, нелинейное поглощение оказывается чувствительным к расстройке частоты поля относительно центра допплеровской линии, что приводит к образованию лэмбовского провала в разнесенных лучах. Для наблюдения эффекта необходимы весьма низкие давления газа, при которых длина свободного пробега молекул сравнима с диаметром луча, образование провала в области частот |оо- у | а Г объясняется тем, что только при прохождении через центр допплеровской линии пробная волн может провзанмодей-ствовать с молекулами, предварительно насыщенными по поглощению встречной сильной волной и перелетевшими из одного луча в другой без столкновений. В этот монент поглощение пробной волны резонансно уменьшается, то есть образуется узкий пик в ее

пропускании, наличие которого удалось впервые экспериментально обнаружить.

СО - лазер работгл на частоте линии Р(16), на которой гекса-фторид серы обладает наибольшим поглощением (х -1.3 см-1Тор"').

Это позволило продвинуться в область малых давлений SF , где

б

длина свободного ¡пробега колакул максимальна. Излучение С02 лазера поступало во внешнюю SF^ ячейку (L - IZO см) в виде двух пространственно разнесенных параллельных бегущих волн противоположной направленности. Одна из воли насыщала поглощение и модулировалась на частоте П - 900 Гц. Слабый пробный луч после прохождения чореэ ячейку регистрировался фотоприемником, сигнал с которого после узкополосного усиления на частоте П и синхронного детектировании подавался на самописоц. С помощью прямоугольных зеркал í^ и г^ на выходе каждого из лучей из ячейки их конфигурации былн выбраны таким образом, чтобы по сечению они представляли собой два согмелта, ограниченные с внутренней стороны на одинаковом уровне интенсивности (- 0,8 I J. Такая конфигурация полей обеспечивала значительно большую эффективность мх взаимодействия с молекулами, способными пересечь оба луча. Расстояние, на которое разносились лучи, выбиралось с учетом диаграммы направленности и дифракции волн и первоначально составляло 4 мм в сроднен сечении ячейки. Изменение расстояния между разнесенными световыми волнами производилось перемещением зеркальной пластинки г , плавно перекрывающей сильную световую волну. Перемещение зеркал г^ и Г2 позволило также измерять профили интенсивности обеих встречных волн.

В области изменения давления SF6 от 35 до 4 мТор узкиа пики пропускания пробной волны возникали за счет неизбежного слабого дифракционного перекрытия полей. В процессе эксперимента строго поддерживалась постоянной величина параметра насыщения молекул SF^ в обоих встречных лучах при изменении давления, длн чего предварительно была снята "зависимость мощности насыщения поглощения SF^ от давления. Поскольку величина пика при одинаковом параметре насыщения пропорциональна начальному коэффициенту поглощения или давлению в ячейке. амплитуды ризонансов а максимуме (d - й мм) были приведены к единице.

Из экспериментально полученной зависимости нормированной амплитуды наблюдаемых в разнесенных световых лучах молекулярных резонансои SF от эффективного расстояния между лучами d следует.

что при увеличении параметра d относительная амплитуда резонансои растет с уменьшением давления газа в ячейке что соответствует сдвигу самой зависимости при уменьшении давления п сторону больших значений й. Этот сдвиг составляет О, а мм и обратно пропорционален давлению, что может быть объяснено только эффектом переноса лэмбовского провала яз одной световой эолны я другую на величину свободного пробега молекул. Контрольные экспаринвнты, учитывающие возможное влияние изменения параметра насыщения ЭГ^ я оптической плотности ячейки, не внесли изменений з положение и ход кривых при разнесении лучей.

По сдвигу кривых при уменьшении давлении в ячейке былг определена величина переноса провала Р5[, Пр0д" ( 4. 5± 1, О) • 10"4 ск-Тор, которая совпала с длиной свободного пробега молекул, вычисленной из уширеиия лэмбовского провала с давлением.

8. исследование возбуждения колебательных уровней молекулы 0г04,

Другой молекулой, интересной с точки зрения оа споктроскопн-

ческих особенностей я возможностей стабилизации частоты СО -ла-

£

зера, является молекула тэтраокнсн осмия, имеющая колеба-телыю-эра!дателъ!1ыэ полосы погломенмя на длине волны 10, В икн.

Молекула ОбО^ имеет также высокосимметричную структуру с атомом осмик з центре правильного тетраэдра, по углам которого расположен!.! 4 атома кислорода. Молекула а основном состоянии

имеет группу симметрии Т (сферический волчок) и проявляет в ИК

(1

спектре два активных трижды вырожденных колебания: 1> < К2) при 960 см" я у^ при 329 ся~\ яэ которых первое совпадает по

частоте с излучением С0} лазера. Спектр поглощения в области 10, 6 ккк очань сложен. Сильное кориолисово взаимодействие с колебательной модой Гг вместе с дополнительным взаимодействием колебательного уровня с V1 с другими близкими вырожденными холебатальными уровнями приводит к расщеплению Л-й вращательной линии на 2.7-И компоненты, расположенные близко по частоте (<0,1 см1), что препятствует разрвыению тонкой структуры методами классической молекулярной спектроскопии. Дополнительное усложнение э ЯК спектр поглощения молекулы вносит ее богатый изотопический состав и поглощение с горячих полос. Некоторые отдельные колебательно-врашательные переходы в ОэО^ впервые наблюдались нами методом квазибегушей волны с нелинейной

кроссмодулкциеё поглощения в поле излучения шести линий Р-ветви

СО -лазер.1.

2 г

Допплеровская ширина линии 0sO4 при 25°С составляет 23 МГц. Коэффициент поглощения слабого сигнала, известный для ряда линий С0г~лазера, лежит в пределах О, 03,... О, 08 см^Тор"', определенная в области давлений около ! Тора величине интенсивности поглощения линейно зависит от давления я равна 0,8 Вт/скг Тор.

Нами было проведоно ¡исследование кеханкзна нелинейного поглощения в OsO^ МК излучения одночастотного непрерывного С0г-лазора. Оптическая схема эксперимента позволяла измерять ненасыщенный и насыщенный коэффициенты поглощения, поглощаемую в Os04 мощность и ЯК флуоресценцию ОsO^ при возбуждении колебаний лазерным кзлученнек. Давление насыщенных паров OsQ в

4

измерительной ячейке (L = 20 см, D = 3 см) устанавливалась путем изменения температуры кристаллов OsO^ в связанной с ячейкой отдельном охлаждаемом и термостатируемом объеме. Температура внутренних стенок неталлической ячейки измерялась с помощью термопары нихром-медь. Все измерения проводились методом синхронного детектировании.

Экспериментально измеренные зависимости коэффициента

поглощения х молекулы OsO^ от интенсивности лазерного излучения

X на частоте линии Р( 14) С02 лазера при различных давлениях OsO^

сравнивалась с расчетными кривыми, полученными нами в моделк

четырехуровневой схемы поглотителя. Из характера

экспериментальных зависимостей следует, что при увеличении I от

0.1 до 20 Вт/скг имеет место заметное насыщение поглощения в

ОбО , но но столь бистров, как следовало бы ожидать, если принять i

известный данные о линейном характере зависимости интенсивности поглощения я ее величина. Эксперимент говорит, что насыщение поглощения наступает в области давлений ОаОф 1,0-7,5 Тор при больших, чек ожидалось, интенсивностях световой волны. Крок® того, интенсивность насыщения.* если ее вычислять пс теории

I

четырехуровневой модели поглотителя, прк больших давлениях оказывается меньше, чем в области низких давлений.

Для объяснения этик фактов можно предположить, что при давлении паров OsO^ несколько тор икеег место значительный разогрев газа при поглощении излучения. Для проверки предположения был поставлен эксперимент по измерению пропускания слабого пробного луча через ячейку с газон, поглощение которого периодически менялось под действием сильной волны с

модулированной на разной частоте интенсивностью. Кривые, полученные для всех исследованных давлений Os04 больше i Тор в отсутствие буферного газа н при разбавлении ОаО^ гелием, имеют одинаковый характер и убедительно свидетельствуют о ток, что преобладающим механизмом просветления в OsO^ является тепловой. Вклад радиационного механизма в заселение верхних колебательных уровней молекулы, согласно этим кривым, не превышает 25 .'/,.

Другим доказательством этого вывода явилось наблюдение довольно сильной ИК флуоресценции в молекулярном OsO{ на длине волны 5, 3 мкм при возбуждении колебательных уровней в поло мощного излучения непрерывного С0? лазера и еще более интенсивной флуоресценции на длине волны 10,6 мкм.

Обнаруженная в работе флуоресценция наблюдалась при пропускании излучения через кювету с парами OsO^ при даэпении от S'lO

до 5 Тор и выше по всей области перестройки СО лазера. в

2 -¡

которой пары OsO^ обладают заметным поглощенней (935-380 см ). Спектр флуоресценции носит сплошной характер и имеет ияркну примерно 60 см"1 при работе лаз upa на любом из переходов. При давлении OdO 1 Тор квантовый выход флуоресценции на 5, 3 мкм

-4

достигал 10 . Зависимость интенсивности флуоресценции 1Л от плотности мощности излучения I имеот зид степенной функция kl" с показателем, изменяющимся от значения п-1,9 (при р^* 5 Тор) до п~0, 5 (при р-0, 17 Тор). В области давлений паров OsO{ менее 1 Тора при увеличении плотности мощности излучения I флуоресценция испытывает насыщение. При Х~103 Вт/см2 интенсивность ИК флуоресценции пропорциональна квадрату давления. Время спада промодулированного сигнала флуоресценции оказалось рапным 5 мс, время нарастания 3 мс Эти времена не' зависели от давления, но зависели от геометрии опыта, что говорит о тепловой диффузии к стенкам кюветы, сопровождающейся изменением плотности газа по сечению кюветы.

В работе впервые наблюдалась также ИК флуоресценция SFs на длине волны 5 мкм и было, измерено время ее теплового спада. По известным данным для скорости тепловой диффузии А в SF был вычислен аналогичный фактор для OsO К • 11 смг/с-Тор. По не-

4

му, пользуясь соотношением А - к/рС , где С - величина

ч р

удельной теплоемкости (22 кал/моль-град при 600 К), был найлон

коэффициэнт теплопроводности в ОэО при той же температуре к -

-5 1

1,8-10 кал/град-см-с. Его подстановка в уравнение теплопроводности для случая цилиндрической геометрии, с учетом температурной

зависимости, дает величину температуры газа внутри светового луча с 1>Ю0 Вт/ск2 более 1БОО К.

Для лучшего понимания механизма нелинейного поглощения в ОбО^ был проведен расчет схемы всех колебательных уровней молекулы вплоть до энергии 2000 см"1. Уже для этой области энергий оказались характерны обилие уровней, в основном за счет составных колебаний, высокая степень их вырождения, группировка уровней по "слоям" и наличие низколежащих горячих полос поглощения в ОбО .

4

Сечение возбуждения составных колебаний V +«/ и V одного

2 3 4 3

порядка величины с сечонион возбуждения у молекул колебания а число молекул, участвующих при комнатной температуре в колебаниях V и (/_ (горячив полосы), даже на 2 У. превышает число молекул, находящихся в основной состоянии.

Уже чераз насколько десятков никросекунд после включения светового луча = 900 см"1) происходит интенсивное засоле-

ние колебательных уровней как основных (нижележащих), так и составных (верхних) колебаний, сопровождающееся разогревом газа. Так как теплопроводность газа 0е04 невелика, а тепловая диффузия гораздо более медленный процесс, чем v-v и ч-Т релаксация, газ за короткое время успевает разогреться до 1500 ... 3000 К. Если лазерная подкачка длится долго, наступает процесс равновесия, и газе устанавливается равновесная температура, соответгтвуюшая ей определенная населенность плотного "слоя" колобательных уровней вблизи 1920 см"1 и дает основной вклад во флуоресценцию на 5,3 мкм. Добавление в ячейку с ОбО^ гелия значительно снижает температуру газа внутри светового луча, но тепловой механизм просветления такой смеси по-прежнему остается доминирующим.

Предварктельний эксперимент по измерению коэффициента поглощения смеск ОэО^ с гелием в условиях разогрева газа лазерным излучением показал, что его величина на частоте линии Р( 18) превышает соответствующий коэффициент, измеренный в отсутствие сильного светового поля. Для интерпретации этого факта, который может быть объяснен увеличением населенности горячих полос в этих условиях, был проведан эксперимент с нагреванием отпаянной ячейкм с ОбО^ к од! ювроман ник измерением температурной зависимости поглощения на частоте линии Р(18) СОг. Оказалось, чте з области температур вплоть до 500 К поглощение в ОеО^ существенно (до 1,7 раза) выше, чек при комнаткой температуре, при этом на температурной заыисикостк наблюдаются два плавных максимума при температуре 330 К к 430 К.

Для объяснения этих результатов был проволок рагччт im ЛИН температурной зависимости населенностой семи колебательных уровней (включая основной), входящих п первые сонь колобатольных полос ("слоев"). Расчет, пптребов'ниний учета уронили с энергией до 3500 см"\ показал, что с увеличенном температуры величин« населенности горячих полос увелкчк(1<ются и имеет максимумы при ROO см"1 и 960 . . 990 см"1, соответств у raí и о ISO К и 430 К и точно совпадающие с максимумаки коэффициента поглоашник а OsO^ при тех ле температурах Если учесть, что относительные населенности полос при этом составляют соответственно 21 и 18 '/. (населенность основного уровня 21 и 12 %), а сочонио поглощения молекулой излучения с возбужденных составных колебаний одного порядка с сечением поглощения на пароходе >> (о-»1), то доказательств участия возбужденных колебательных уровняв в погло/:,«-/ ¡ш представляется вполне убедительным.

Для увеличения роли радиационных процессов возбуждения колебаний в OsO^ следует понижать давление молекулярного газа Для примера было вычислено /моление OsO^ в ячейка, при котором разогревом молекул и световом луче (1-10 От/см") можно пренебречь, его величин,) р-55 мТор. Этот пример подчеркивает. с какой осторожностью необходимо подходить к измерению величию/ интенсивности насыщения в таких сложных молекулярных системах, как Oso .

Обнаруженные г работе особенности поглощения и просветления в OsO^ в пале непрерывного лазерного излучения присущи, по всей видимости, и другим сложным молекулярным системам.

9. Нелинейные узкие резонансы в спектре моноизотопных

нолекуп OsO .

i

Для того, чтобы подробно исследовать структуру спектра OsO^ необходимо использовать коноиэотошше молекулы. в противном случае невозможно разобраться в хаосе линий. 0 кашей работе

192

исследовались спектры четырех моиоиз отопных молекул: 0;з0,' 190OsO4. 'oso^ и '"'.'oso . Моноизотопная четырехокись осмия приготовлялась путем нагревания металлического порошки соответствующего изотопа осмия ло температуры примерно 600''с п кварг.он'.-и колбе в атмосфере кислорода.

Исследование характеристик узких резонансно, нлблилпемых внутри допплеронгкои колебательно- вращательных nopc/tл <, / •

полосы г моноизотопных молекул, было проведено методом lutriMHÓkM ушии воины с кроссмодулкцией поглощения во внешней нелинейно поглощаюцей ячейка низкого даиления. Схема экспериментальной установки была в основной аналогична схеме эксперимента по исследованию узких нелинейных резонансов в ciiuk i ре молекула SF . Длина поглощающей ячейки с ОвО была увеличена до 250 см, а диаметр светового луча при гауссовом профиле ишиионниости расширь» до 2S мм. Соотношение ин-Iенсмнностий встречных иолн бмнс 6:1, интенсивность сильной бегущей полны, нхсмщакикай noi лишение. нодулировалась на частоту 200 ii:

Нелинейные узкие резонансы насыщенного поглощения общим чи'лом бол1". юн наблюдались в спектрах всех исследованных и.иншул п ио;мс-1И частот от 940 до 9Ь4 см"1 (линии Р(24) -

l'txi СО -лазера» и от 90Ь до 980 см"1 (линии R(6) - R(26! СО -

¿ ' г

HaujjM). слолнки структура спектров в оснониом обусловлена (.кягиим вырилдйиик но проекции вращатольного момента J вследствие сильного кипобательно- вращательного с-заимодейстаия и вкладом переходов, снизанных с возбуждением состаиных колебаний. Поглощении н OsO^ в двух указанных полосах отвечают переходы сиигпетстншшо Р н R-ветвей с нолкчиной J от 25 до 80.

Пики пропускании слабой пробной волны на^лмдались в диапазоне наклоняй от 1 до 100 мТор От носит ильный контраст наиболее интенсивных резонансов достигал 100 '/,. Чувствительность спектрометра, определяемая относительной амплитудой наиболее слабых обнаружена-иных резонансна, составила з-Ю У. при отношении сигнал/шум - 1.

ширин« самых узких ризонансов была 100 ± 10 кГц при давлении OSO а м'Гор. Были измерены коэффициенты поглощения U МОНОИЗОТОП-них молекулах im частотах нескольких сильных резонансов пропускания, для чего частота СО^-лааера подстраивалась на их виршину.

молекула

переход СО^Лазера Р( 14) R! 12) R( 14) Р( 12) R( ¡6) X с"'Тор"1 0,11 0,10 0,05 0,03 0,08

189

К> Сверхтонкая структура резонансов в спектре молекулы Оргструктура колебательно-вращатепыоых переходов четырех изу-чоших моно и jo г о иных молекул имеет одну эсоОонность - и спектре

молекулы ОэО наблюдаются парные розонаисн-дублеты. Расстройка

4

по частоте между линиями дублета нолеблется от О, 2 до 1 МГц м. как правило, в несколько рая меньше частотной расстройки между дублетами. Наличие дублетов можэт быть объяснено тем, что ядро

Чвсь записи акеллрим1»ггйлъного :

спектр» моноизотопной молекулы на чистоте линии Р(Й0) СО^-лавера

5 Шц

■4 ....... <

I •

184

изотопа Оз.

в отличие от остальных изотопов, обладает спином

I - 3/2 в основном состоянии к сравнительно большой величиной

магнитного и квадрупольного мопентов (соответственно 0,65

яд. магнетона и 0,8-ю"г4 смг). В возбужденных колебательных

состояниях моды V , вследствие кориолисова взаимодействия как

совместно вырожденных, так и различных типов колебаний, симметрия

молекулы (э основном состоянии 7 ) понижается, и вращательные

а

подуровни расщепляются на величину

Н^ея^3/« С(С11)-1(1+1) , (1.Ю)

где = qJ/2Г(2I-l) ,1(2Л-1) , С = Р(Г+1)-Г (1+1) -3 () , J, I, Г - квантовые числа соответственно момента количества движения молекулы, спина ядра Оз и полного момента количества движения системы; - среднее значение второй производной

потенциала, создаваемого внеядерныии силами в месте расположения ядра по направлению 3. о - кваяруполькый момент ядра.

Для колебательно-вращательного перехода у-о V-1 колебания 1>з была рассчитана схема расщепления вращательных подуровней, и

] пд

ожидаемии спектр ОбО^ на частоте линии Р(20) СО лазера (ему соответствует .3=65-70) действительно носит характер дублета, каждая компонента которого в свою очередь расщеплена на пне

составляющие. Затеи был проведен расчет энергии разрешенных переходов ( ДР-о, 11) Р, 0 и й веч ный для более сложного случая колебательно-вращательного перехина у-у' между возбужденными колебательными уровнями полосы у молекулы 1в<10&0( и выбраны наиболее интенсивные линии величина J для определен-

ности расчета принималась равной 50). Ив этом случав качественная структура наиболее интенсивных компонент ядерного квадрупольного расщепления для Р и Я ветвей остается неизменной.

Для окончательного обьисненчя наблюдаемой особенности в структура спектра 1в90э04 был проведен расчет энергии магнитного сверхтонного взаимодействия, обусловленного спином ядра 1 "чОи, для общего случая Р, О и И ветвей колебательного перехода у-у'

= АЛ - А [к( К+1) - 1(1 + 1) - Л(Л+1)], il.ll)

где А - постоянная магнитной связи (предполагалось, что А^ -А , ). Нз расчета следует, что наиболее интенсивные компоненты спектра для переходов ДК - ЛЛ - 4 1 имеют характер тетраплета.

Из сравнения экспериментально набдюлааного и расчетных спокт-1 вч

ров молекулы 0й04 можно сделать определенный вывод, что обнаруженная в работе дублетная структура колебательно-вращательных переходов полосы V обусловлена и дернин квадруполышм расщеплением. Более тщатель к ин анализ показал , что парные резонансы представляют собой интенсивны« сложшо дублеты, компоненты которых экспериментально ко были разрешены. Действительно, при характерной для тяжелых пятиатомных молекул величине постоянной квадрупольного взаимодействия aqJQ не более нескольких мегагерц максимальная величина расщепления между разнесенными дублетаик перехода (у=0 -» = й - 65-70) имеет порядок 1 МГц (расщепление наблюдается), а частотная расстройка между компонентами дублета составляет ю"2 МГц, что находится эа пределами разрешающей способности данного лазерного спектрометра.

■ 189

Вычисленная из величины растепления для перехода

v'-! поносы v на частоте пинии Р( 20) СО величина постоянной

3

квадрупольного езаимодейстяин еч^о составляет 0.6 МГц (с точностью определения Л2.) , а величина 3 ■ 10 В/см

Знергия магнитного сверхтонкого расщепления для молекулы "'Ч05С> , как и для большинства многоатомных молекул с четнык

4

числом электронов, значительно меньше энергии ядерного квадрупольного расщеплении. Хотя учет магнитного момента ядер 189Об и ,в70г приводит к появлению а спектрах соответственно тетраплето» я

дублетов, резонансы лаз ера.

экспериментально 1И,0304 И 1Я70304

наблюдались па контуре

лишь отдельные узкие линий поглощения со^

1 92

11. Уширекие уэхих реэонансов О50^ полем и из-за вивленич.

Подробное изучение попедения узких реэонансов в поло излучения и от давления ОвО было проведено на частоте линии Р(14)

* 192

лазера, на которой отмечено наибольшее поглощение в ОзО^ и наблюдается самый интенсивный и контрастный резонанс вблизи центра линии усиления лазера. Резонансу отвечает колебательно-вращательный переход а спектре ОэО с угловым моментом

4

J - 45.

3 работе исследовалось уаирение узкого резонанса от интенсивности поля излучения и из-за давления о области низких давлений ,920з04> когда осуществляется радиационный механизм просветления и линия поглощения уширена неоднородно. Процедура из мерамил параметра насыщения на указанном пере х оде не отличалась от процедуры, используемой при азучении поведения узк.чх разонансов

ЙГ . В режиме бегущей золнь: измерялось пропускание полны в 6

зависимости от уровня ее интенсивности на входе . нелинейно

поглощающей ячейки с ,,г0з0 для различных значений оптической

в

плотности ячейки сЗ - х Ь * О, 24 +■ !,54. Соответствующие значения параметра насыщения I были получены путей совмещения экспериментальных кривых с расчетными, учитывающими ослабление аолны при прохождении через поглощающую ячейку, при одинаковом значении <1 .

В пределах области давлений от 8 до 55 нТор зависимость

1 92

интенсивности насыщения поглощения от давления ОеО носит

в

линейный характер и равна О, 1р мВт-мТор'1 • см"2. Совпадающий результат получен из результатов эксперимента по уширэнию реэонансов сильным полем, обработанных с помощью расчетной зависимости шири1гы разонансов пропускания от поля. Измеренная интенсивность насыщении поглощения для паров ОэО^ с естественным содержанием изотопов также оказалась линейной функцией с наклоном 0,27 ± 0,05 мВт • мТор"1 • см"2. Этот результат расходится с известными данными (0,8 Вт-Тор"'■см"'') . полученными для .давлений ОэО^ около 1 Тора, когда уже сказываются эффекты теплового заселения колебательных уровней молекулы.

Зависимость ширины реэонансов пропускания Ли ат да&лении

1У2

0э04 в ячейке была найдена путем аппроксимации кривых уширвния резонансов полек в область слабого поля (1,1 « 15). Связанная с нею однородная ширина перехода 2Г для молекулы '"ово^ линейно зависит от давления с коэффициентом пропорциональности 3,7 ±0,4 МГц/Тор, В модели лоренцевского уширвния время поперечной

релаксации за счет столкновений между молекулами рТ » _й 2

8,0-10 сак-Тор, а длина свободного пробега молекул по отношению к уширяющий столкновениям Р*„р„б " '-5 см-иТор.

12. изомерная структура колебательно-вращатель но го перехода 189

о спектре

Молекула ОеО^ интересна для исследования изомерной структуры и изомерного сдвига колебательно-вращательных переходов при возбуждении мотастабильиых состояний ядра Оэ. Оптимальным, с точки зрения времени полураспада и распространенности изотопа в природе, кандидатом для проведения таких экспериментов является изомер 1ь("°0е. Он образуется из иридия, полученного в реакции

Оэ ((3, п), и распадается в основное состояние аа счет зг-распа-да с ЛЕ -30,8 кэв.

Увеличение внутренней энергии ядра Оа эквивалентно эйнштейновскому изменению массы ялра &т-с'2ЛЕ и, следовательно, должно приводить к изменению частоты колебательно-вращательных переходов полосы у , наблюдаемых в спектре 1890в04 с невозбужденным ядром Ов. В случае изонвра 1в9"0е спин ядра 1»9/2. Проведенный расчет показывает, что инфракрасный спектр поглощения

1 В"М 189

молекулы ОйО , как N в случае основного состояния ядра Ов (1-3/2), представляет совокупность сверхтонких компонент колебательно-вращательного перехода, обусловленных ядерным квадруполь-ным расщеплением.

Изомерный сдвиг может быть найден путем измерения разностной частоты СО -лазеров, независимо стабилизируемых по вершинам узких резонансов молекулы 1В90з04 соответственно с возбужденными и невозбужденными ядрани Оэ. Предварительно в обоих случаях спектр конобатепьно-вращательных переходов молекулы должен быть идентифицирован и указаны переходы с одинаковыми значениями квантовых чисел V, J и К.

Точный расчет величины изомерного сдвига колебательно-вращательных переходов в многоатомной молекуле 0бО4 требует учета связи колебания V с колебанием V ( обе моды принадлежат к одному

типу симметрии Г ), а также сильной селам колебаний яг.ор с крашением молекулы, и но может быть проведен в настоящее время из-за недостаточной точности известных силовых колебаний к постоянных пзаикодействи я в молекуле. В приближении жесткого осциллятора оценка величины изомерного сдвига, произведенная на основании величины изотопического сдвига частоты центра полосы г при изменении массы ядра Оэ на 1 ат. ед. массы ( ~ О; 26 см"1), дает для час-оты перехода )-0 -» \'(1>э)-1 Ы, Л.Т-0) э молекуле 1а%з0 Лу1"- ЛтДу1 и 264 кГц (здесь Ал) - в атомных единицах нас-

4 3 Э

сы), т. а. сдвиг лежит в пределах разрешения нелинейного спектрометра. Учет вращения молекулы вряд ля сильно изменит эту оценку.

По-видимому, качественно изомерный сдвиг и изомерную структуру колебательно-вращательных переходов молекулы ,Э9™0в04 можно обнаружить методами нелинейной лазерной спектроскопия, но связать их с точностью лучше О, 1 % с энергией возбуждения ядра """оз весьна затруднительно. Этот вывод относится и к другим многоатомным молекулам, для которых характерны связь колебаний между собой и поглощение излучения на переходах с большим угловым моментом J.

13. Узкие резонапси насыщенного поглощения диссикмегяричной

молекулы СНГС1Бг

Интерес к диссиметричной молекуле СНРС1Вг вызван высказанным В. С. Летоховым (1975 г. ) предположением о возможной связи между предсказанным, но пока четко не подтвержденным наличием нейтральных и зарядовых слабых токов .пептонов и нуклонов ( й. Б. 3эльдович, 1954 г.), приводящих к циркулярной поляризации фотонов, расщеплением уровней энергии левых и правых молекул и биологическим изомеризмом. прогресс нелинейной лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения позволяет надеяться на получение в не столь отдаленном будущем величины спектрального разрешения 1015-1016, необходимой для регистрации сверхтонкого аффекта снятия, из-за слабых токов вырождения (расщепления) энергетических уровней левых и прагых молекул. Идея эксперимента состоит в прямом измерении разностной частоты двух стабилизированных лазеров, реперами для которых являются две идентичные (с одинаковыми квантовмчк числами) узкие спектральные линии в колебательно-вра-шательнок спектре двух оптических изомеров диссимметричной молекулы.

Молекула CHFCIBr представляет собой галогенозаиощенный метан и является одной мэ простейших молекул, не имеющих элементов симметрии, и потому оптически активной. Молекула прояиляет 9 основных колебании ' в ЯК области спектра, четыре из которых соответствуют растяжению связи атома углерода с каждым из периферийных агонии. Валентному колебанию (связь C-F) отвечает интенсивная полоса с частотой в центре Í060 см" , совпадающая с 9, 1 км-полосой излучения СО^ лазера. Спектр поглощения паров CHFCIBr и этой области, измеренный с разрешением 1 см"1, преде iавляет собой сплошной контур. Измеренный в максимуме

полос!-: f коэффициент поглощения в CHFCIBr слабого сигнала t

составляет 0,03 см"''Тор~\

Фтс.^нлорброкметан был приготовлен в Институте элементоорга-ничееккх соединений Р л Л. При нормальных условиях это бесцветная летучая «яркость, кипящая при 35 °С, химически мало активная. Чистота препарата была не менее 98 '/,.

Был проведен только предварительный эксперимент по обнаружению нелинейных реаонансов в спектре CHFCIBr. Наблюдение узких спектральных линий осуществлялось на том же спектрометре бвгущей волны с нелинейной кроссмолуляцией поглощении, который использовался для исследования узких резонансов моноизотопиых молекул OsO^. Давление паров CHFCIBr бо внешней нелинейно поглощающей ячейке устанавливалось в пределах 10 - 50 кТор.

Узкие разонансы на центре догшлеровской линии колебательно-вращательных переходов CHFCIBr наблюдались на контуре четырех линий R-эетви С02 лазера: R<8), R(10), RC 24) и R(30). Было обнаружено семь резонансов, три из которых случайный образом располагаются вблизи центров линий R{ÍО), R(24) и R(30) С 0¿ лазера. Ширина нелинейных резонансов при давлении, равном 10 мТор, была 150-200 кГц, относительный контраст достигал 10-20 '/..

Обнаружение и исследование узких нелинейных резонансов в спе-трах БГ , ОбО к СНРС1ВГ продемонстрировало широкие возможности

б 4

нелинейного спектроскопа квазмбегущей световой волны на основе непрерывного с02"лазера для изучения колебательно-вращательной структуры в спектре сложных молекул.

Следующая часть, доклада посвящена обсуждению вопросов использования узких нелинейных резонансов в спектре симметричных молекул БГ и моноизототшх молекул ОвО в качестве оптических репе-

ров частоты для стабилизации по ним частоты С02" лазера, исследования стабильности и оослроизводкмости, измерения их частоты и проведения на их основе физических экспериментов.

XII. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СПЕКТРОМЕТРЫ И КВАНТОВЫЕ РЕПЕРЫ ЧАСТОТЫ И ДЛИНЫ НА ОСНОВЕ COJSF^ C02/"20s04 И 1!0-Не/1г,1 СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ ЛАЗЕРОВ

1, Выбор реэонаисов для стабилизации частоты CDлазера.

Основными критериями для выбора молекулярных резонансов в качестве репера для стабилизации частоты лазера являются близость частоты колебательно-вращательного перехода к центру линии усиления лазера, достаточно большой коэффициент поглощения на частоте молекулярного перехода и отсутствие сверхтонкой структуры в спектре.

Для получения предельно точных молекулярных репорои частоты могут быть использованы момоизотопные молекулы OsO^ только с чэт-нмми изотопами осмия (спин 1-0). Практическую ценность представляют молекулы с наиболее распространенными s природе четными изотопами 1,20sО (41,0 У.), !90OsO (26, 4 X) SI íeoOsO ( 1Э, 3 %).

4 4 4

Отсутствие ядерного сверхтонкого расщепления делает эти молекулы болев предпочтительными кандидатами для стабилизации частоты лазера, чек молекула SF^, колабатильно-арзшательныэ переходы которой имеют структуру, обусловленную спин-эрашательным

взаимодействием э молекуле и спин- спиновым взаимодействием между протонами (спин ядра фтора X - 1/2). Дополнительный преимуществом молекулы 0sOt как частотного репера является исключи-тепьно малая величина расщепления узкого резонанса из-за эффекта отдачи при испускании (поглощении) молекулой колебательного кванта (- 20 Гц) и пренебрежимо малый сдвиг частоты резонанса из-за квадратичного эффекта Допплара (0,01 Гц трал !).

Молекулы Oso^ обладав? коэффициентом поглощения на ряде переколов в области 10, 6 мкм порядка 0, 1 ск*'-Тор"1, достаточным для того, чтобы работать при очень низких давлениях ларов ~10"4 Тор и получать предельно узкие резонансы шириной порядка нескольких килогерц.

При современном уровне техники, в частности, автополегроики частоты, разрешающая способность нелинейного лазерного спектрометра может достигать ~ ю'°. а относительная; тсчнеьсть пша-

держании частоты hvjv на вершине узких резонансов - 1и~13. Снижение давления молекулярного газа должно привести такжо к значительному уменьшению столкновителького сдвига частоты перехода в 0еО4 и, следовательно, к потенциальному достижению высокой воспроизводимости частоты СОг/ОеО<-лазера.

Исторически, тем не менее, были вначале осуществлены более

простые эксперименты по стабилизации частоты СО -лазера с SF не-

2 6

линейно поглощающей ячейкой (р-го-50 нТор! и измерению с его помощью столкновительного сдвига частоты перехода в SF . Эти первые

ь

эксперименты позволили оценить требуемый для серьезных работ уровень техники стабилизации частоты и проанализировать ряд принципиальных эффектов. стоящих на пути к достижению предельных точностных характеристик квантового репера на СО /OsO^-лазере.

2. Стабилизация частоты СО лазера с ломощью внешней нелинейно поглощающей ячейки на sr..

Лва СОг-лазера с отпаянной газоразрядкой трубкой ОКГ-15, охлаждаемые водой, работали на линии 14 18) на длине волны 10,53 ним в одномодовом режине. Возбуждение осуществлялось разрядом постоянного тока, но специальных мор по стабилизации тока разряда но предпринималось. Для уменьшения тепловых уходов частоты резонаторы лазеров крепились инваровыми стяжками. Была также осуществлена акустическая развязна резонаторов лазеров от окружающей среды. Вся оптическая часть установки монтировалась на массивной металлической плите, установленной на изолированном от пола бетонном монолите. Длина ячеек с SF^ была 120 см, ь давление SF в них составляло 20 мТор. Соотношение кнтенсивностей встречных волн было 6:1, ширина пиков пропускания в эксперимента не превышала 1 МГц,

Схема автоматической подстройки частоты каждого лазера включала квадратичный детоктор (фотосопротнвление Ge:Au), резонансный усилитель с полосой пропускания 500 Гц, фазочувствитолышй детектор (постоянна« времени 0,05-0,6 с) и усилитель постоянного тона. Частота каждого иа лазеров синусоидально колебалась вблизи центра v узкого резонанса

v ' v * Si> cos2nf t , « Av (2. 1)

oi t ' 1 oi 1 рез

за счет слабой синусоидальной модуляции длины резонатора с

помощью пьезокерамических элементов на звуковой частота ? - 22 и 2? кГц. Сигнал частотной модуляции преобразовывался н амплитудную модуляцию излучения на той же частоте, линейно зависящую от отклонения средней частоты у ( от центральной частоты пика V . Сигнал изменения тока фотодотектора (сигнал "ошибки") в нужной фазе подавался на пьозоэлемонт. который подстраивал частоту лазера на центр линии поглощения ЗГ^ Благодаря хорошей механической стабильности лазеров систем?» автоматической подстройки частоты отрабатывала в основном медленные тепловые уходы частоты, связанные с изменением длины резонатора.

Определение стабильности частоты двух независимо стабилизированных по частоте лазеров проводилось методом готородинирсванкк, для чего их излучение с помощью полупрозрачных зеркал совкеталосъ э один луч и направлялось на третий фотодетектор Со:Аи. Для получения максимального сигнала биений частот фронты и поляризации обеих световых волн били параллельны. Сигнал биений, частота которых лелит в радиодиапазона, усиливался широкополосным усяякте-яам н подавался параллельно на электронно-счот>!ый частотомер япи регистрации разностной частоты к последующей обработки и на осциллограф для визуального наблюдения.

Измерение дрейфа разностной частоты стабилизированного лазера н лазера, работающего в режиме свободной генерации, позволило оценить относительную нестабильность частоты последнего, равную 3-Ю*9 в течение 1 мин. Система автоматической подстройки частоты значительно сужает полосу разностной частоты двух лазоров. Относительная нестабильность частоты каждого лазера составила 1•Ю'10 в течение 30 мин при времени усреднения г> 1 с и 3-Ю"1' за 10 мин. при т-Ю с.

3. Анализ эффектов, вт1яющ,их на стабипьность и воспроизводимость частоты лазера с внешней нелинейно поглощающей ячейкой.

Анализ эффектов, влияющих на стабильность частоты лазеров в условиях первых экспериментов, показал, что, наряду с причинами, имеющими очевидную техническую природу, имеются другие, из которых наиболее важной является смещение максимума наблюдаемого резонанса относительно центра допплеровсной линии из-за того, что резонанс возникает на склоне линии усиления СО ■

резонанса Лг и г рез

лазера Это приводит к небольшому смещению вершины резонанса к центру линии усиления. Величина смешения зависит от расстояния нвжду центрами линии усиления и поглощения, ширины узкого ширины линии усиления Ау^. Так как величина йи зависит от тока и давления активной среды в усилительной ячейке лазера, а ЛУрез " от давления молекулярного газа во внешней ячейке и степени насыщения поглощения, то это приьивкт к нестабильности положения вершины репера с , по которой стабилизируется частота лазера.

Пели О. то положение максимума узкого резонанса смещено

огноспгапьно частоты колебательно-вращательного перехода на величину

1-1

Л»'

гДу А1>_

рез

2&ь>

г

+■

рвз /ттсГа+л+сГ)

(Ду - 4Д1/2 )

^ а аЬ-*

(2.2)

ыотеран получается, если приравнять нулю производную функции регистрируемого сигнала пропускании слабой волны и пренебречь членами второго порндка малости. Точные зависимости смещения Зи получаются путым подстановки реальных значений физических параметров в эксперименте. Иапринер, нестабильность тока в усилительной ячейке лазера могла вызывать дрейф вершины наблюдаемого резонанса 900-1200 Гц за час, что объясняет достигнутую долговременную нестабильность частоты лазера. Поэтому применение стабилизированного по току источника питания со стабильностью О, 05 У. должно уменьшить этот дрейф до нескольких герц. Изменение давления во внешней ячейке от 50 до 20 мтор приводит к изменению плотности ячейки к параметра насыщения qo и дает смешение

¿у порндка 100 Гц/мТор, а в области более низких давлений (ниллиторы) мз-за малой амплитуды резонансов - до 10 кГц-иТор"'.

Устранить затягивание частоты резонанса к центру линии усиления лазера можно разными путями'. Подбирая парциальные давления смеси газов усиливающей среды, можно совместить центры линий поглощения и усиления для ряда линий С02 лазера. Другой

возможный метод - сместить частоту СО^ лазера на величину Д^ таи, чтобы сам лазер работал вблизи вершины линии усиления, а его частота находилась вблизи вершины узкого резонанса Это достигается, например, высокочастотной < на частоте модуляцией излучении лидера. Более привлекательным способом видится использование волноводного СО лазера высокого

давления. Ширина линии усилении такого лазера мсжат достигать 1-2 ГГц, так что зависимостью выходной мощности лазера от частоты вблизи резонанса а згон случае ножно пренебречь.

Еще одним аффективным способом ослабления "подкладки" является метод регистрации сигнала ошибки по высшим гармоникам частоты модулирующего сигнала. Хотя при малых девиациях модулирующего сигнала амплитуда сигнала ошибки на третьей гарнонике на два порядка моньше соответствующего сигнала основной гармоники, уменьшение смещения опорной частоты колебательно-вращательного перехода SF6 при регистрации сигнала на тратьой гармонике достигает от 3 до БО раз в зависимости от стэпвнк насыщения поглощения и давления газа во внешней .ччойкэ. Наиболее универсальный методой является полное устранение зависимости выходной мощности лазора от частоты за счят эе стабилизации. Наличие внешней поглощающей ячейки существенно облегчает задачу стабилизации интенсивности излучения лазера, так как позволяет размещать эпенент, стабилизирующий иктэнсквность луча, вне резонатора лазера, не изменяя, таким образом, частотный спектр излучения.

На следующем этапе имеется принципиальная возможность улучшения стабильности и воспроизводимости частоты путем .парохода к более низким давлениям молекулярного газа (до Ю_< Тор! з поглощающей ячейке для значительного сужения ширнкы молекулярных резонансов. Так как мощность насыщения поглощения уменьшается пропорционально давлению, в таких экспериментах интенсивность излучения будет настолько малом, что глазным будет вклад собственных шумов приенкиков излучения Ю-ним диапазона. Повышения чувствительности регистрирующей системы .чожне легко добиться, применяя квантовые усилители на выходе газовых ячеек низкого давления.

Осуществление ряда указанных мер позволило на 1-2 порядка улучшить как долговременную, так к коротковремонную стабильность частоты С02 лазера.

4. Стабилизация мощности непрерывного излучения СОг лазера.

Ситуация, когда предельно достижимая чувствительность метода измерения определяется уровнем и флуктуациями мощности лазерного излучения, возникает довольно часто. Кроме способа избежать затягивания вершины резонансов к центру линии усиления, стабилизация

4 3

мощности излучения крайни необходима в прецизионных измерениях, в которых используются фотоприемники с очень низким уровнем собственных шумов. Такая ситуация часто реализуется при регистрации слабой модуляции интенсивности лазерного излучения, возникающей а результате действия какого-либо исследуемого эффекта при прохождении излучанкя через сроду, на фоне постоянной составляющей интенсивности, например, яри проведении тонких поляризационных измерений. Мани рассмотрены активные методы подавления непостоянства и флуитуаций мощности непрерывного лазерного излучения до уровня шумов регистрирующего устройства с помощью внешнего регулирующего элемента.

СКщая схема системы стабилизации мощности (ССМ) лазера включает в себя одночастотпый СОлазер, ослабитель на пути его излучении, регулирующий элемент, полупрозрачную делительную пластину, отводящую часть излучения на контрольный фотоприемник, исследуемый объект (например, поглощающая ячейка) и регистрирующий прошедшее излучение фотоприемник. Сигнал с

контрольного фотоприенника, пройдя схему сравнения, на которую подается опорный эталонный сигнал, преобразуется в разностный сигнал ошибки, который посла усиления в усилительно« тракте поступает на регулирующий элемент, образуя, таким образом, замкнутуи систему автоматической стабилизации мощности лазерного излучения. Спектральная плотность мощности флуктуации лазерного излучении ио;кет быть уменьшена ССМ за счет выбора большого значения коэффициента усиления К в петле обратной связи.

Для компенсации медленных уходов мощности излучения С02 лазера в работ© использовался стабилизатор мощности, регулирующим элементом которого служил низкодобротный интерферометр Фабри-Перо (ИФП) с переменной базой, подвижное зеркало которого крепилось иа пьезокерамкчэскок корректоре КП-1. Для установки начальной длины интерферометра, соответствующей условию реализации отрицательной обратной Связи к выбранной рабочей точке примерно на середине склона кривой пропускания И«®П, использовался дополнительный источник напряжения смещения (Б5-32). Зеркала ИФП были мзготовланы мз НаС1 и икалк диэлектрическое покрытие с коэффициентом отражения 35 '/., расстояние между зеркалами - 15 им. Для исключения попадания в лазер отраженного от ИФП излучения ось интерферометра была слэгха наклонена относительно луча лазера. Держатели зеркал скреплялись кнваровымк стяжками, зек конструкция закрывалась теплоизолирующих к звукоизолирующим экраном, внутрк

которого полднржиналась томпордтура выти комнатной Лилитильнам пластина. установленная пол углом 45'\ была иэготоктжа из германия и просвмглина с опноИ стороны Приемниками излучении служили фотосопроти влепи« на основе CdlIgTe, охлаждаемые жилним азотом Схема срлвнпним била выполнен* в виде диффврвкиммльного усилители, к усилительном чрлкте использовался измерительный усилитоль У2-7

Было пол\чено устойчивое пол<| нление флукгунииВ мощности излучения от 40 до 20 дб в полосе чстот от О до 270 Гц с полным коэффициентом передачи К - 2 18 Яиаплзон управляющего интерферометром Киприлекии смешении составил 1 S В Расчетный график подавления флуктуаиий с хорошей точностью совпал с экспериментальным Как поилмл эксперимент. иигерфмромнтр Фабри-Перо с подвижным зеркалом является просткм м аосraí очно эффективным устройством для стабилизации мощности лазерного излучения Его достокчствами являются компактность. простота из гото Ft л они я. калач величина управляющего напр ял пни и. нечувствительность к поляризации излучения, швроннй диапазон работы по длинам волн

В другой реализации ССМ и качнетво рэгулируоиаго эл»чэнтз использовался олектроонiический м<.';:.улятор ИК излучения типа М/1-7 на основе кристалла Са Аз '!»сть излучении СО^ пгзври,

прошедшего через модулятор с помощью длительной пластннкх отводилась к фотосопротивлннию на Се:Аи. Сигнал рассогласовании усиливался усилителем постоянного тока УЧ-1. а для смешения рабочей точки в линейную область служил источник литания ¡ВО 2?. Измеренный коэффициент усилении окапался равным 2,7 пб, нлчнклн с 300 Гц. он уменьшается со скоростью в дб на октаву ССМ эффективно подавляла флуктуации кьгходной мощности излучнни« лазера в широких пррделчх от ЮП мВт по нескольких ватт

Ппч подавления более высокочастотных Флумтучпий

мошнести (вплоть во 10 и более кГц) схема сравнен»« 8 пили

обратной сыт сем была нисколько изменена Сигнал с

контрольного фотоприемника усиливался (К - 701 широкополосным

i

14 Гц - 2.5 MI и > малошумншим 16 мВ Гц I tipa аусилктолек после чего поступал на широкополосным усилитель коэффициент усиления которого ре гулирон 1Лс ч ц пределах S 10' 2 Ш*1 п полосе 4 Га-3 иг и M'ÍKC И MriJít. НЛПрЯАРНгП? усклитяля coctáh/ltuto

ГЮ I!. что бмлс ьгк-лне воста г *чно для отработ ни с покошьр МЛ- т флу к т у.*.:: и я н-.чем .,-ти г.ячера с амплитудой до 5 Изи*р»>мн»<1

зависимость коэффициента 4 подавления флуитуаций мощности

излучении u частотном диапазон» от 2 до 12 кГц имеет максимум ь рпИон« Ь-6 кГц, репный 200 При этом коэффициент усилении усншпилеН » цепи обратной сммэ* составил 210h

Диапазон использовании э/i и и i р оопт ич е с мо г о стабилизатора на tieAs с коэффициентом подавления К - 200 несложно расширить до нескольких деснгков килогерц I) области низких частот, где прамтичесиан реализации устройства затруднена из-за больших упранляюших напряжений и требуемых коэффициентов усиления усилители постоянного тока, стлакивание непостоянстеа w подаклиние низкочастотных составлмющмх флуктуаиий мощности СО^ патера иелесообразион производить с помощью регулирующего элйниыа на основе ИФП с подвижным зеркалом

U ряде случаиь. особвнно при Проведении тонких полярм заииопных из мирики й. когда бывает необходимо. чтобы иринениемдя система стабилизации мощности не нарушала аксиальной симметрии лазерного луча, вместо делительной пластинки и фотоприемнмка в петле обратной связи можно ислол».зонат ь. как вариант, онтико-аиустичосиий ястиигор (0 А Я). рабочим нищвством ко горен о выбираетсн поглотавшая излучение среда, например, смесь S К и Не Дополнительным достоинством онгико-нкустическогс детектора является его нечувствительность к пространственным смащиниин лазерного луча, он же заменяет собой и ослабитель на входе 1,'СМ

При использовании ОАО нерезонансного типа с предусили телом, имеющего коэффициент преобразования 0.23 В/От. и при коэффициенте усилении в цепи обратной связи ю' получены следующие характеристики стабильности излучения СО^-лазера при изменении мощности излучения на i 10 % изменение мощности на входе в регистрирующий фотоприемиик составило не более t 0.5 V. Средномвядратичмов отклонение мощности за. 1 час,

регистрируемо!* преобразователем ВЧ-н с цифровым нольтметром 40 14* на выход», при дискрвтногти отсчетов 5 с составило также О, S X

Результаты расчетов и проведенных экспериментов по 1а6илизации мощности лазерного излучения позволяют сделать вывод о возможности практически полного устранения зависимости выходной мощности СО^ лазера в области расположения узкого резонанса нелинейного поглощения В этом случае постоянный

уровень интенсивности излучении. с которым взаимодейстзует

поглощающая среда в данном частотном интервале, можно

рассматривать как линии усиления с бесконечной шириной,

благодаря чему устраняется смещение частоты молекулярного репера

из-за несовпадения центров линий усилоння СО^ лазера и поглощения

в SF и ,920s0 , л 1

5. Охлаждаемый СОусилитель бегущей волны с большим коэ<р<рициегтом усиления.

При переходе к давлениям молекулярного газа нанес I мкллитора уменьшение сигнала пропускания слабой световой аолны до собственных шумов фотоприемника можно компенсировать, используя квантовый усилитель на выходе молекулярной ячейки. На основании язвестиых данных, показывающих, что усиление С0г разрядной трубки, работающей на протоке активной смеси, увеличивается с уменьшением диаметра трубки и является функцией тонпературы ое стенок, нами был сконструирован С02 усилитель бегущей волкы, э котором увчлкчэняо коэффициента усиления достигалось за счет охлаждения станом разрядной трубки этиловым спиртом, охлаждаемым с помошьи жидкого азота.

Разрядная трубка из кварца имела внутренний капилляр-диаметром 5 мм и длину активно» области 100 см. Через трубку прокачивалась смесь Не + СО^ а соотношении 3 1 !.

скорость потока 600 см /мин Для выравнивания электронной

температуры по длине активной области напуск смеси осуществлялся на концах капилляра, а откачка - в центре трубки. Давление смеси в каждом плече было 10 Тор. ток поддерживался одинаковым и мог регулироваться в пределах от 7 до 17 мА. Хладоагент миркулировал а окружающей капилляр рубашке, перепады

температуры хладоагента на входе к выходе из рубашки не превышали 2°. Для уменьшения теплообмена с окружающей средой усилитель имел дополнительную наружную рубашку. откачанную до давления ~ 10"ъ Тор. Окна усилителя были выполнйны из ВаГг м располагались под углох Брюстера. Охлаждение. прокачка и термостатирование хладоагента осуществлялось при помощи термостата 1)10, в котором размешался дополнительный змаевкн из медно!'! трубки. Через два змеевика термостата последовательно пропугкались пары жидного азота из дюара АСД-15. внутрь которого был помешен нагреватель из нихрома мощностью 50 Вт

Для измерения усиления использовался СО лазер, работающий на

nu ни к р(18), Дкак'зтр светового пуча ас длкки усилителя не

поавышал 2, 5 мм на полувысоте при гауссовом профиле

хнтенсмвпостн. Крявые усилении (s ямнейнок режиме работы) в

зависимости от токв разряда дли фиксированных значений

йладоагента имели ярко выраженные пики усиления. Зависимость

усиления от температуры стенок капилляра для оптимального

экачения тока разряда 8 мА носила монотонный характер с

найлоном - О, 6 хб/гр&л. При охлаждена« стенок разрядной трубки

до - БО°С (предельно допустимая температура для термостата)

коэффициент усилии*»? превысил 14 дб. Лик случая охлаждении

стем.н капилляра до возможной предельной температуры -114°С,

з I

реально оиидать, по-видимому, усиление i.0 -10 на один проход.

Лиухнроходовый усилитель бегущей «олнц рассмотренного типа с усиленчун 500 использслался в установке для получения к исследовании узких рвзснансов на выходе .молекулярно-й ячейки низкого давления (< S0~3 Тор).

6. Стабилизация частоты СО., лазера с точностью 10 ' по узких

реэонансак SF, и Osû,, о ч

В работе использовались отпаянные охлаждаемые СО^-лазеры оригинальной конструкции. Галоразрядная ячейка. выполненная мз кварца, имела длину активной области 70 см, внутренний диаметр 9 ни м наполнялась смесью Sle:C0 :N - 8:1:2 при давлении S Тор. Возбуждение осуществлялось разрядок постоянного тока от стабилизатора, использующего ряд стандартных блоков (источник напряжении Б1-3, блок питания лазера ОК.Г-15) после их специальной переделки. Такой источник обеспечивал высокую степень

стабилизации по току î 0,01 % при изменениях давления смэск в ячейке и мапряжэлмя сетм в пределах î 10 У. к дрейф тока нагрузкк (10 mâ) не более 0,01 '/> в час после полуторачасового прогрева аппаратуры. Примененные в ячейке холодные платиновые катом в сочетании с достаточным балластным объемом 5 9 л) позволили создать газоразрядные трубки, яе изменявшие практически своих характеристик в течение более SOOO часов работы без замены газовой смаси. Для уменьшен«« медленных тепловых уходов частоты резонаторы лазера были выполнены иэ плавленого кварцг, в вмде полых цилиндрических блоков с юстируемыми узлами из суперинвара. как обычно, были приняты надежкыа меры для

механической и акустической раззязкк лазеров от окружаюшей

среды. Частотную модуляцию излучения и подстройку частоты лазерг-на вершину узкого молекулярного резонанса обеспечивали две; специально отобранных высокочувствительных (50 ни/В) гсье: окэрами-чоских элемента с собственными резонансными частотами выше 1 нГи и минимальными искажениями (менее 60 дб) на соседних гармониках частоты модуляции.

Созданные СО лазеры имели о режиме свободной генерации нестабильность частоты - Ю~10 за 1 мс. В течение 8 часе® непрерывной работы в лабораторной комнате (после двухчасового прогрева аппаратуры) уходы чаастоты лазоров но превышали 5 ,ЧГц, интенсивность излучения изменялась в пределах 10 '/..

В эксперименте давление молекулярного газа во внешней поглощающей ячейко составило несколько тысячных Тора. Трудность регистрации сигнала от слабой пробной волны при таком дазлоним и низких значениях параметра насыщения (1-5) была преодолена за счет применения зеркальной телескопической еисто.мы.

увеличивающей область взаимодействия молекул с полем излучомя* до диаметра 2,5 сн, увеличении длины ячейки до 250 ск (г.рк диаметре 4 сн) и применения высокочувствительных вхлаждаэмц>: Ge-Hg и CdflgTe фотоприеиникоп. При давлении SF& ÍQ 3 Тер дарима наблюдаемого резонанса на полуиысоте была 250 i 50 кГц при относительном контрасте 3 '/.,

Сигнал с фотосолротиплиния усиливался сначала на

предусилителе (К - 20, Af = 20 Гц - 100 кГц), затем стандартным Уt-

усилиталем типа У2-6 и поданален зато« на полосовой фядьгр

(Af=?-90 кГц). В систему АПЧ .чорэд синхронным летекторон бул

введен синхронный интегратор с возможностью регулировки

i

постоянной времени Т[ от О, 05 мс до 7 + 20 с, наторей выполнял

функции интегратора и селективного усилителя. Это "1поззолило

«

избавиться от дополнительного фазового сдвига сигн^Та címSkjs, яносимою узкополосным усилителем, . и укзньшйть шум на зхедо синхронного детектора. Затем сигнал гооходил э усилиталь постоянного тока (КуС-104, Д£=Э0кГц) с глубокой отрицательной связью, имеющий уровень выходного напряжении до i 100 3 и коэффициент передачи по каналу сигнала ошибки Ю*. Передаточная функция К системы АПЧ, обеспечивающая остаточную ош»бку, которая соответствует нестабильности частоты на уровне 10 за час, подбиралась путем изменения коэффициента усиления У2-6 м постоянной времени Т и составила ЗОООО. Лля устойчивости работы системы было введено корректирующее звено, при -этой сястеиа

при К - i имела ширину полосы пропускания 16 Гц. Для уменьшения искажений из-за уширенмя спектра излучения при стабилизации частоты по первой гармонике девиация частоты выбиралась s 1 кГц при частотах модуляции Ю-40 кГц (индекс модуляции « 1).

При стабилизации частоты методом третьей гармоники модуляция излучения производилась с частотой 20 кГц. В этом случае сигнал с фотоприекника после усиления подавален в систему АПЧ через узкололосиый фильтр, настроенный на частоту 60 кГц. Опорный сигнал с частотой 60 кГц поступал на синхронный детектор синхронно с частотой модуляции. Дальнейшее прохождение сигнала в системе АПЧ было аналогично описанному выше. Для уменьшения «скажоний сигнала дзвкация частоты выбиралась на уровне О,1-0,г от ширины резонанса (- 35 кГц).

Установка для кзнерения и исследования стабильности частоты Лазеров состояла из двух независимо стабилизируемых лазеров, схемы измерения их разностной частоты и вспомогательной системы. Излучение стабилизируемых лазеров совмещалось на

широкополосном ( ûfQ - 20 КГц) фотоприекнике на осново CdHgTe, сигнал биений Частот усиливало»! широкополосным усилителем I üfQ 1 МГЦ) н подавался на анализатор спектра С4-12, два параллельно бключеннЫХ Частотомера 43-30 и осциллограф С1-54 для визуального Контроля сигнала биений. Для исключения взаимного перекрытия спектров обоих лазеров использовались схемы, позволяющие определить знак взаимной расстройки частот: схема со

вспомогательным лазером-гетеродином или схема с

акусто-оптический преобразователем частоты для ее сдвига. Частотомеры через коммутирующее устройство были связаны с шаговым магнитофоном разработки МФЗаН для последующей обработки Полученных данных по заданной программе на ЭВМ. Тем самым обеспечивалась запись до 2S0 сигналов в секунду для времени усреднения Частотомера от 1 мс до Ю с с "мертвым" временем менее 10 ис. Вспомогательная система включала в себя небольшой СО., лазер с внешней поглощающей ячейкой, работающий в режиме сканирования частоты вблизи положения узкого резонанса. При заваденКК Части излучения стабилизированных лазеров на фотопрхекник вспомогательной системы можно было По сигналу биений Частот лазеров иа контуре линкк излучения вспомога тельного лазера проконтролиробать положение частоты каждого из стабжлизируемых лазеров относительно репера

Дли определении величины частотной стабильности лазеров нахо-

лилась ли лиз еров I тельност и

сперсия ллланп и интервалов измерений т.

< (Ту ( Н( Т, X) >, ко времени можду измерена определяется как

торая для ,ч-?. (число ями Т, равных дли-

ст^(т> . <----- > ( (2.3)

где у( т) - мгновенные относительные флуктуации разностной частоты лазеров. Для случая гетеродинирования близких частот двух сравниваемых лазерои у(т) г Л^о/г/п/ (здесь v => 310п Гц - несущая средняя частота лазера и С) - разность мгновенных фаз излучения лазеров! .

Измерь>нин зависимости дисперсии Аллана от времени усреднения и различных условий эксперимента проводилась в течение 3-4 месяцев и дали следующие результаты-.

При стабилизации чатоты СО лазеров по узкому молекулярному резонансу на контуре линии Р( 18) С0г методом первой гармоники

достигнута относительная нестабильность чатоты 10"12 при времени усреднения 30-45 мин. Из характера зависимости дисперсии Аллана от времени усреднения слеяуит, что в частотном спектре шумов излучения лазеров и основном преобладает белый шум. Анализ записи рнчностной частоты по времени для серии экспериментов показал также, что стабильность определялась в основном накоплением остаточной ошибки за время проведения эксперимента. Разностная частота лазеров, измаранная при многочисленных пол!!ых перестройках (переполнение газа в ячейках, перенастройка электронного тракта и пр.) и выключениях системы воспроизводилась с точностью ♦ 2 кГц. т о повторяемость частоты была лучше 10 10 из расчета на один лазер

При стабилизации частоты СО лазеров по тому же узкому резонансу БГ^ на контуре линии Р ( 18) С0^_ методом третьей производной крутизна частотного дискриминатора практически не изменилась, не изменилась и величина относительной

нестабильности частоты лазеров (лучше 10 12 при времени

усреднения 50 с за время измерения 30 мин), зато повторяемость

~ . ~ - и

частоты возросла до величины 2 10

При стабилизации частоты лазеров по узкому молекулярному

резонансу ' (то нл контуре' лип»«/ РI 1 4 ) СО наибольшая крутизна.

1 "2

дискриминационно/* кривой достигалась при давлениях п0

внешней яч<;инв 35-45. мТ^р Частотная' расстройка' вспомогательного

5Ь

лазера-гетеродина относительно частоты излучения одного из сравниваемых лазеров была 3, 6 МГц. График зависимости дисперсии Аллана от премени усреднения, построенный по результатам серии экспериментов, показал относительную нестабильность частоты излучения СО /'v20s0 -лазера - 3 при времени усреднении 50 с ¿ i

за один час л возможность дальнейшего улучшения стабильности частоты за счет увеличения коэффициента усиления л1?Ч и времени измерения.

При измерении гюьторяемосгя члототы системы в серии длившихся полгода экспериментов с перестройкой параметров, обновленном элементов и выключениями всей системы среднее значение разностной частоты лазеров составило 50 Гц при среднеквадратичном разбросе из расчета на один лазер 700 Гц Это соответствует повторяемости частоты СОг/19-!ОеО -лаяора - 210~". Предварительные измерении зависимости едпига частоты одного из стабилизируемых лазеров при

19?

изменении давления OsO во внешней ячоике в диапазона

4

20-70 мТор выявили, как и ожидалось, резкое увеличение сльига частоты в области меньших давлений ""ОзО из-за эффекта затягивания вершины узкого резонанса к центру линии усиления (v ( ~ Э НГц).

Для точного измерения ударного и мощностпого сдвига использовалась модернизированная оптическая схема, позволившая получить более узкие резонаксы шириной S0-150 кГц при давлениях ''"0в0( 1-10 мТор. Для этого диаметр луча лазера на входе во внешнюю ячейку был расширен до 3 см, длина ичойки увеличена до 9 и. а дли оптической развозки встречных волн применен ромб Френеля Разнос частот излучения стабилизированных лазеров осуществлялся при помощи акусто-оптического модулятора. смещавшего частоту одного из лазеров m 30 КГц. Ширина полосы пропускании в тракте измерения разностной частоты превышала 50 МГц

В такой схеме ограничение долговременной стабильности частоты лазеров на уровне 1,7-ю"12, измеренное в разные дни недели и время суток, было вызвано колебаниями напряжения питающей сети, колебаниями стен и фундамента и другими внешними низкочастотными шумами, воздействующим* на резонатор лазера Измерение

повторяемости Частоты стабилизируемых СО^/'^ОзО -лазерор дало сроднее значение разнос-ной частоты, близкое н нулю. с ¿кскьрехеК получению; значений не $ft¡ee 30 Э Г и Это соответствует г.ь тс>;. ñ-uí* l. с: 1 у. Частоты ч.. чч ч : ч / ■ ч ч : г^ ~'1

10'

■10

10'

10'

ГII

•12

0.01 ол

Частот им от обильность излучения СО^А^ОгО,.-лапорл п зависимости от Ерскпкх усрадкпнс.я

о день

к »атодноЯ день о тдагь

Х.сек

10

1С0

Для измерения ударного и иотпоетного сдвига производилось ну-

мере ние

разностной частоты спорного СО /',20в0 - гоноратора,

стабилизируемого при неизменных оптикалмшх параметрах давления

парод р 1920з0 (5-10 мТор) и интенсивности излучения I на

входе ячейки (3-10 мВт/см2), и исследуемого СО /""ОнО,-лазера.

стабилизируемого при различных значениях интенсивности

лазерного излучения и давления ''"ОсО в поглощающей ячейке,

я

Поскольку изменение I и р приводит к соотпотствующим изменениях крутизны дискриминационной кривой, уменьшение чувствительности дискриминатора компенсировалось увеличением усиления в

усилительном тракте системы АПЧ так, чтобы коэффициент автоподстройки поддерживался на уровне 2-10

статическии

4

Эксперимент показал. что

при

изменении

г

интенсивности

излучения в пределах от 0, 1 до 10 мВт/см и при фиксированных

ОзО в ячейке (в диапазоне 0,4-20 кГор),

4

значениях давления среднее значение разностной частоты'двух лазеров не выходило за пределы ± 300 Гц, т. е. мощностной сдвиг частот в система СО^/ "920 э04 с погрешностью ~ 2'10"и отсутствует. Этого результата и слэдопзло ожидать, исходя из отсутствия

сверхтонкой структуры колебательно-вращательного перехода молекулы 1920з0 . Три других, более слабых перехода, наблюдаемых в пределах контура линии Р!14) СО^ лазера и отстоящих от интенсивного центрального резонанса кз несколько мегагерц, не

оказывают существенного влиянии

Изменение

давления

ОзО

на сдвиг его вершины.

в поглощающей ячейке

производилось и в независимо« эксперименте. Интенсивность лазерного излучения устанавливалась равной '1"3'1наС' а •пля расширения диапазона давлений до 70 кТор использовалась более короткая вчекка длиной 2,5 м. В пределах ошибки ± 500 Гц изменения разностной частоты опорного и исследуемого лазера не было замечено. При условии линейности столкновительный сдвиг перехода, соответствующего наблюдаемому узкому резонансу, можно оценить как не превышающий 15 Гц/Тор.

Таким образом, отсутствие (на уровне 2'10~") кощностного и столкновительного сдвигов вершины узкого нелинейного резонанса в

192

спектре 0з04 подтвердило предположение о том, что такие резо-кансы являются наиболее подходящими молекулярными реперами для

стабилизации частоты СО лазеоа.

2

192

7. измерения абсолютной частоты СО2/ ОгО^-лазера.

Эксперимент по измерению частоты СО^ОбО^-лазера проводился по схеме, предложенной Татаренковым с сотр. ( 1975 г.), согласно которой частота лазера сравнивалась с суммарной частотой восьмой гармоники частоты 0г0-лазера и частоты клистрона 7,5 ГГц. Как и частота клистрона, частота излучения 020-лазера через промежуточный ПСИ-лаз ер и набор СВЧ- источников с помощью систем фазовой автоподстройки частоты была синхронизирована по цозиевому эталону частоты.

Все измерения проводились во ВНИЙФТРИ, поэтому входящий в состав цчпочки измерения абсолютных частот лазеров И К дипазона какаг СО /ОсО -лазера инел характеристики, уступающие

характеристикам лазеров, установленных в ИСАИ. Мощность излучения, непосредственно (без расширения луча) направляемая во анешнюю нелинейно поглощающую ячейку, была 100 мВт, длина нчойки - ?., 5 м, давление паров 1920з04 в ней около 20 мТор. Ширина нелинейного резонанса 152ОбО по полувысоте на частоте

■i

линии Р(14) была около 200 кГц, относительный контраст 2 %. Частота среза системы АПЧ достигала 100 Гц. Долговременная нестабильность частоты СОг/"гОБО - лазера на интервале времени несколько дней не превышала 3-10"11 и определялась в основном несовершенством конструкции макета, присутствием в излучении паразитной амплитудной модуляции и недостаточно эффективной оптической развязкой ме.-кяу лазером и внешней ячейкой.

Косность излучения, вспомогательного СО. лаз ера-гетеродина.

привязанного по фазе ( с частотной расстройкой 4 МГц > к исследуемому C02/,9'0s04-лазеру, составляла 300 кВт: мощность излучения D.0-лазера - 40 мВт. мощность излучения клистрона - 10 мВт. Излучение всех трех источников смешивалось на точечном зольфрам-никелевом диоде. При этих условиях сигнал биений радиочастоты в диапазона 7 МГп превышал мук на 20 дб (в полосе 50 кГц).

Измерения частоты со^/^'ово -лазера проводились в различимо дни на протяжении полумесяца Результаты обработки четырех серий измерений, каждая из которых длилась около трех часов и содержала 20 измерений, показали, что частота C02/,920s0( репера на линии Р( 14) С0г на 10,63 ккм в единицах атомной шкалы временя составляет v - 2846467693а.S ±1,0 кГц.

Поскольку полученная точность измерения ограничена а основном собственной нестабильностью частоты СО /"20s0 -лазера и. как мы

2 4

знаем, может быть увеличена еае на два порядка, предложенная цо-

„ 192

почка измерении частот лазеров с включением в ней С02/ OsO^-лазера позволяет проводить айсолитные измерения частот лазоров, работающих на болов коротковолновых переходах, практически с эталонной точностью. Действительно, а измерениях, проэедзмггаих во ЕНИИФТРИ в 1986 г. уже без участия автора, частота перехода в

OSO составила 28464676938787 í TS Гц с погрешностью 3-10 л

Это значение согласуется с большинством азкврсюЗ частоты вторичного стандарта на СО /1920s0-лаз ере, выполненных s других лабо-г 4 ,

раториях, правда, с несколько большой погрешностью. Определение с высокой точностью абсолютных значений частоты C02/"20s04-лазера позволяет также использовать его в дальнейшем как хранитель частоты, с помощью которого можно производить измерения частот лазеров ИК. и видимого диапазона без использования лазеров субмилли-нетрового диапазона для непрерывного синхронного контроля его частоты по цозиевому эталону.

Прецизионные измерения абсолютного значения частоты

\t¡¿

С О / 0s0f-репора открыли также принципиальную возможность сравнения частот квантовых переходов атомов и молекул, определяемых различным набором фундаментальных постоянных, с целью проверки гипотезы Дирака об изменении физических констант со временем. Периодические измерения в течение достаточно длительного времени абсолютной частоты ^кол репера на колебательно-вращательной переходе молекулы l40s04"c помощью атомного эталона времени и частоты, определяемого частотой и перехода между

подуровнями сверхтонкой структуры атома Cs, при одновременной

сличении частот одноатомных генераторов между собой могут дать

информация об изменении со временем или постоянстве набора

фундаментальных констант, опрьделиющих соотношение частот

CJ /о> стс' кол

8. Квантовый репер длины на основе гелий-неонового лазера На

~ . 129

О,63 мхм с нелинейно поглощающей ячейкой на I .

На основании результатов ряда зарубежных работ (Швейцер и др., 1973, Хелмке и др., 1974), посвященных созданию и экспериментальному исследованию üe-Ne лазера на О, 63 мкм, стабилизированного по нелинейным резонансам поглощения в молекулярном йоде-129, нами был создан приборный вариант

129 ,,

l¡e-Ne/ I -лазера для использования в отечественной метрологической практике.

Основу конструкции резонатора лазера составил ситалловый монолит, в полости которого длиной 23 см жестко закреплены усилительная и поглощающая ячейки. Усилительной ячейкой служила газообразная трубка лазера ОКГ-13, перенаполненная смесью 3Не : 2¿Ne -7:1 при общем давлении 1,85 Тор. Рабочий ток разряда был 8, 5 ма. Для лучшей фильтрации напряжения в блоке питания ОКГ-13 дроссельный фильтр был заменен на транзисторный. Зеркала от лазера ОКГ-13 крепились на трубчатых пьезокерамических элементах из ЦТС-19, расстояние между зеркалами б:шо примерно 30 см Выходная мощность лазера без поглощающей ячейки превышала 1 мВт.

Поглощающая ячейка из кварца длиной 5 см имела наварные (под углом Брюстера) окна и отросток с йодом, термостатируемый с помощью термоэлектрического холодильника на базе батареи «Селен» при температуре 10 °С, что соответствует давлению паров йода в ячейке около 80 мТор. Металлический йод был получен из осушенного порошка йодистого калия, приготовленного в Радиевом институте им. В. Г. Хлопина, путем его прокаливания в смеси с бихроматом калия при температуре 500 °С. Обогащение йода изотопом йод-129 достигало 89 Ч, количество примесей не превышало 1 %.

Вывод излучения осуществлялся через более прозрачное (1 %) зеркало. установленное со стороны поглощающей ячейки. Небольшая часть выходного излучения (8 %) делительной пластинкой отводилась на фотодиод C>n-2ÍK системы АПЧ. Проведенные исследования выявили

оптимальные услопия, при которых лазер, работая в одночастотнок режиме, имеет достаточную выходную мощность на частоте узких резонансов при их максимальном относительном контрасте. Наибо-лео сильно эти условия зависят от давления йода, тока а усилительной ячейке и потерь в резонаторе, вносимых разъюстировкон зеркал. Одночастотнан генерация реализовываяась практически при всех вотировках. При наполнении газоразрядной трубки смесью э!1е-22Не наиболее интенсивные в спектре 1г91г пики Л,В и С выделились на вершине одного из горбов контура линии генерации. При этих условиях относительный контраст пиков составлял 1,5 а выходная мощность излучения превышала 100

мкВт.

Измерения стабильности и точности привязки частоты эИо-''Ме/,г91г-лаз ера и вершине нелинейных резонансов проводились по схеме измерения резонансной частоты с использованием вспомогательного лазера.

Частотная модуляция излучения лазеров осуществлялась на частоте 7 Гц, причем фаза и амплитуда сигнала модуляции для вспомогательного лазера подбирались с целью максимального сужения спектра биении. Система АПЧ лазеров была аналогична используемой для стабилизации частоты СО /SF - лазера по методу третьей производной частоты модуляции, но имела дополнительную петлю обратной связи с интегратором. Полоса пропускания приемного устройства была 30 кГц.

Кривые дисперсии Аллана частоты биений 3He-2zNe/t2,,l лазеров были получены для режимов свободной генерации исследуемого и вспомогательного лазера к для режима стабилизации частоты при v • v , i' - v , v ■ Конструкция вспомогательного лазера, выполнен-

1 a z II С ' '

ного на базе резонатора лдзера ЛГ-56 с удлиненными стяжками, была хуже описанной выше конструкции, поэтому кривые дисперсии Аллана для частоты биений дпух лазеров давали несколько заниженную характеристику стабильности частоты исследуемого лазера. Из кривых следует, что исслолуемый Дазер имеет в режиме свободной генерации после пятичасового прогрева нестабильность частоты за 1 час 4-ю"1П ( г- 1 с!, а в режиме стабилизации частоты по пику А меньше 6-10"1г (т-50 с) при v - Провединный анализ

погрешностей настройки частоты лазера на вершину молекулярного резонанса показал, что наибольшее значение погрешности вносится из-за сдвига частоты лазера, вызванного присутствием третьей гармоники частоты модуляции в напряжении модуляции (0,9 кГц).

Измеренные частотные интервалы между пиками А. В и С оказались равными: - 17,91 ± 0,10 МГц, VBC - 19,71 ± 0,11 МГц. Эти дан-

ные* хорошо согласуются с результатами работы Хелмке и «р. и несколько отличаются от данных Швейцера с сотр. Относительная неточность настройки на пики поглощения йода-129 (повторяемость частоты) составила 2-Ю"10.

129

Созданный приборный вариант lle-Ne/ 12-лазера показал характеристики на уровне характеристик зарубежных лазеров такого типа к был передан в Харьковский научно-исследовательский институт метрологии (ХГШИ1М) для внедрении в состав рабочего эталона длин волн видимого и МК диапазонов.

¡!а первом этапе была измерена воспроизводимость длины волны

3 ^ * 129

Не-"Не/ I^-лазера относительно существующего стандарта длины волны на Кг с помощью прецизионного эталона Фабри-Поро. Полученное в этих измерениях значение воспроизводимости длины волны оказалось в пределах погрешности методики измерения и

не превышало 4-10~* (воспроизводимость длины волны криптонового стандарта) для нескольких серий измерений, при этом стабилизация частоты лазера производилось по всем трем пинам (А, В и С).

На следующем этапе производилось сличение частоты

129 127 s

Не-Ие/ лазера с частотой l!e-Ne/ I лазера разработки

ВИИИМ им. Менделеева, прошедшего международную аттестацию в качестве нового стандарта длины волны. Излучение обоих лазеров фокусировалось на приемную площадку лавинного фотодиода. Сигнал биений частот лазеров анализировался на спектроанализаторе СЧ-43 с использованием меток частоты от генератора ГСС, точно контролируемой с помощью частотомера 43-34А. Метка от ГСС подстраива-ивалась поочередно под граничные частоты спектра сигнала биений.

По такой методике было накоплено по 150 серий измерений при стабилизации Не-Ые/1г7Х -лазера сначала по пику i, затем по пику

129

d. Не-Но/ ' I^-лазер при этом воспроизводил частоту поглощения центрального пика В. Полученные результаты сравнения позволили приписать эНе-г2Ке/1г91г-лазеру абсолютное значение длины волны, соответствующее пику В, Хв- 632990,07(6+3) пм с погрешностью, определяемой методикой измерений.

"Таким образом, 3Не-г"Ые/1291г лазер вошел в состав рабочего эталона XГНИИМ для измерения длин волн лазеров и был аттестован в качестве вторичного стандарта длины волны видимого диапазона.

IV. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СПЕКТРОМЕТРЫ НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕСТРАИВАЕШЬ ЛАЗЕРОВ НА КРАСИТЕЛЯХ

у

К концу 80 годов в Институте спектроскопии был накоплен богатый экспериментальный материал, позволивший говорить о создании нош,IX оптических методов детектирования ультрамалых количеств атомов (вплоть до единичных) - метода лазорной резонансной ступенчатой фотоионизации атомов, разработанного в лаборатории В. С. Летохова (группа В. 11. Мишина), и метода лазерной атомной флуоресценции, развитого в лаборатории В.Г.Колошникова е группе И. А. Большова. Логическим продолжением этих пионерских работ явилось применение обоих методов для спектроскопии предельно малых количеств атомов, в частности, для лазерно-ядерной спектроскопии атомов с распадающимися ядрами, и для элементного споктрального анализа веществ с пределами обнаружения элементов, недоступными для традиционных методов анализа.

Эти задачи уже не могли быть выполнен!,] на лабораторных устанолкг1х, требующих большого искусства работающих на них экспериментаторов, и потребовали создания болео совершенных и автоматизированных спектральных комплексов. С другой стороны, только такие, комплексы могли помочь экспериментаторам поднять за короткий срои огромный пласт спектроскопической и аналитической информации, определившем многие направления последующих исследовательских и прикладных работ.

Было разработано несколько модификаций спектрометров. Кратко остановимся на решаемых задачах и особенностях построения конструкции и работы каждого спектрометра.

1. Лазерный атоино-флуоресцентний спектрометр ЛА$АС для

высокочувствительного определения следов и микропринесей элементов э жидких и твердых образцах.

Суть метода лазерной атомно-флуоресцентной спектрометрии (ПАФАС) заключается п том, что исследуемый образец переводится в атомный пар, который просвечивается лвтернын излучением с длиной волны, резонансной оптическому переходу атомов слределяемого элемента. Спектральная ширина возбуждающего излучения достаточно мала, так что происходит селективное возбуждение лишь атомов выбранного элемента, а энергия лазерного импульса достаточна для перевода значительной части атомов в возбужденное состоянге. За

времк, определяемое его временем »изни (~ 10 не), атом переходит в однс из состояний с меньшей анергией, испуская флуоресцентный фотон, который и регистрируется.

Проводимые и ИСАИ на протяжении ряда лет систематические лабораторные исследования метода ЛАФС (группа м.А. Большова) позволили разработать основные принципы построения лазргного спектрометра и сформулировать требования к его отдельным узлам и прибору в целок, которые и были реализованы при создании автоматизированного образца ультрачувствктельного лазерного атомно-флуо-ресцентного аналитического спектрометра ЛАФАС.

Первой проблемой, решаемой при разработке лазерного аналитического спектрометра, является получение узкополосного импульсно-пе-риодического лазерного излучения, перестраиваемого в широком диапазоне длин волн, где лежат основные линии возбуждения атомов определяемых элементов (0,2-0,6 мкм). Другой проблемой является выбор атомизатора и осуществление управляемого испарения образца для получения свободных атомоо в зоне анализа. Исключительно важной задачей является создание адекватной лазерным методам анализа чувствительной системы регистрации. Наконец, реализация высоких точностных характеристик всех узлов и спектрометра в целом невозможна без применения вычислительной техники, берущей на себя функции управления и обработки информации.

В соответствии с принципом работы в конструкции ЛАФАС предусмотрены четыре основных блока: оптический (лазер с перестраиваемой длиной волны), аналитический (атомизатор для перевода пробы в атомарное состояние), система выделения и регистрации флуоресцентного излучения и управляющий измерительно-вычислительный комплекс (УИВК), связывающий все остальные блоки воедино.

1.1. Оптический блок.

Для получения достаточно мощного узкополосного импульсно-периодкческого лазерного излучения, возбуждавшего резонансные переходы атомов определяемых элементов, в ЛАФАС-1 выбран перестраиваемый лазер на красителях с накачкой эксимерным лазером на молекулах ХеС1 (308 нм) и удвоением частоты в нелинейном кристалле.

Разрядная камера эксинерного лазера представляет собой трубу из алюминиевсго сплава ф 270 х 20 и длиной 600 мм. заполненную смесью Не:Хе:ЯС1 = 1600:40:3 при общем давлении 1.6 атм. Разрядный

промежуток ( 25 мм ) формируется плоским и профилированным электродами длиной 500 мм, изготовленными из никелевого сплава. Используется схема возбуждения разряда с УФ предионизацией разрядного промежутка. Максимальное напряжение на электродах - 24 кВ. Резонатор лазера образован глухин (99,98 %) диэлектрическим зеркалом и кварцевой плоско-параллельной пластиной. Конструктивно излучатель и узлы электрической схемы возбуждения лазера объединены в один блок, благодаря тщательному экранированию создаваемый лазером уровень помех не влияет на работу системы регистрации спектрометра. Эксимерный лазер генерирует излучение с выходной энергией в импульсе до 35 мДж, частотой повторения до 50 Гц и длительностью импульсов около 10 не. Размер поля излучения в ближней зоне составляет 20 х 8 мм. Б настоящее чремя указанный лазер заменен на более мойный разработки ЦФП ИОФАН с энергией импульса до 70 мДж.

Лаэер на красителе выполнен в виде связанных узлов генератор-усилитель с распределением энергии накачки в соотношении 1:3 с оптической задержкой импульса накачки усилителя на 4 не для снижения фона усиленного спонтанного излучения. Резонатор генератора конструктивно включает в себя привод поворота дифракционной решетки (1200 линий/мм), кювэту с прокачиваемым раствором красителя (15 мм длиной), цилиндрическую линзу для фокусировки излучения накачки, шестипризмениый телескоп (100х) и оптический клин (2") в качестве выходного зеркала. Пажнейшим элементом точной настройки лазера на аналитическую линию является привод поворота дифракционной решетки. К к служит разработанная И. II. Нестаруком оригинальная система автоматического регулирования, в которой измерительным элементом углового положения решетки является дифференциальный индуктивный датчик, а исполнительным - двигатель магнитоэлектрического типа. Катушки датчика и двигателя жестко крепятся к рычагу держателя решетки. Управление положенной дифракционной решетки осуществляется по сигналу УИВК через 15-разрядный ЧАП. Привод позволяет плавно перестраивать длину волны излучения в диапазоне генерации любого красителя (25-35 нк) за очень короткие времена (40-700 кс), обеспечивая прецизионную точность позиционирования г"1"* ( ~ 1 пм или 0,2 угл. сек). Конструкция узла привода допускает вращение всего механизма крепления решетки, датчика и двигателя как целого для установки начального положения в соответствии с выбранным красителем.

Выходное излучение генератора усиливается во второй ячейке

('25 мм длиной), расположенной на расстоянии 150 мм от выходного зеркала Коэффициент усиления может варьироваться от 10 до 50 в зависимости от величины энергии накачки. Спектральная ширина излучения Ни выходе усилителя - 0,8 см"1, эффективность преобразовать: излучения накачки в излучение видимого диапазона -от 7 до 11 %.

Преобразование: перестраиваемого видимого излучения в УФ осуществляется с помощью нелинейных кристаллов КДР, ВИО (5-7 %), IJ.J0 (3 %) и KB -5 (< 1 для фокусировки излучения используется huhzs. с фокусным расстоянием 110 мм. Конструкция генератора второй гармоники позволяет подстраивать угол кристалла вручную или шагегллк двигателем, при этом обеспечивается компенсация пространственного смещения лазерного луча т:ри угловых поворотах кристалла, и термостабклизация кристалла.

Для точного контроля длины волны перестраиваемого видимого излучения разработан встраиваемый в лазер оригинальный и простой узел калибратора, включающий в себя миниатюрную лампочку тлеющего разряда с наполнением аргоном и кварцевый интерферометр Фабри-Перо с областью дисперсии 2,5 см"1, в которые заводится небольшая часть прошедшего через усилитель излучения. В процессе калибровки длины волны УИБ1С обеспечивает линейное приращение кода ПАП- 15 в выбранном диапазоне работы, за счет чего осуществляется равномерное сканирование длины волны лазера и регистрация частых меток интерферометра (относительных реперов) и абсолютных реперов оптогальванического эффекта в аргона. Компьютерная программа находит коды ПАП-15, соответствующие максимумам реперов, и по введенным в неб табличным значениям длин волн реперов оптогальванического эффекта осуществляет абсолютную спектральную привязку диапазона сканирования. Для точной установки требуемой длины волны лазера исследователю достаточно ввести в УИВК её значение, после чего автоматически вычисляется необходимый код ЦАП-15 и решетка лазера устанавливается в требуемое положение. Абсолютная точность настройки длины волны лазера составляет i 0,01 нк. При последующей работе используется только эпизодический контроль калибровки, осуществляемый путем сканирования длины волны в окрестности линии аргона. располагаемой вблизи аналитической линии ог.ределяемого элемента (обычно 0,2 - 0,3 нм). Вся процедура калибровки длины волны занимает примерно !5 мин, контрольное сканирование - 1-2 ник. Последнее рекомендуется производить кося* прогрчвч аппаратуры пород начало* измерений и

повторять через 3-4 часа работы.

1. 2. Аналитический блок.

В спектрометре ЛАФАС используется ииболее простая и универсальная электротермическая атомизация анализируемой проби. Образоц помещаете;« в графитовый тигель диаметром 5-6 мм высотой 4-7 мм, зажимаемый между графитовыми электродами ф Ь мм, которые плотно закрег .¡лютея в массищгых охлаждаемых нодой медных токопрововах.

Весь атомизатор помешен на основание камеры из норжлвеюшоИ стали. Гермогичная конструкция камеры допускает работу в широком диапазоне давлений буферного газа от 10"4 Тор до нескольких атмосфер. Верхняя крышка камеры легко открывается и при закрытии фиксируется гайкой. Основание каморы кожот опускаться вдоль двух стержневых направляющих, допуская удобнуп замену атомизатора и графитовых электродов. В стенки камеры внонтирова:ш патрубки с кдарцевыми окнами для плода и вывода лазерного излучения и под углом 90° к ним помещена кварцевая линза для сбора излучения флуоресценции. Специальный рукав связывает камеру с вакуумной системой, состоящей из форвакуумного у. диффузионного паромасляного насосов.

Профиль лазерного луча прямоугольного сечения (4 х 2,5 мм) в аналитической зоне над графитовым тиглом атомизатора формируется входной диафрагмой и системой линз перед входным окном камеры, нижний край луча располагается в 2-4 мм- над тиглем. Атомизация образцов производятся в атмосфере аргона, который поступает в камеру через расположенный под тиглем молкоячеистый рассекатель.

Елок питания атомизатора обеспечивает токи до 400 А при мощности 4 кВт и скорость нагрева тигля до 1000 К/с. Система блокировки предусматривает отключение силовой части блока питания при уменьшении напора охлаждающей атомизатор воды и потока аргона. Управление блоком осуществляется от УИВК по заданной программе. Следящая система разработки В. С. Шшикопского на базе оптического пиролряомника ДГ-30 (диапазон спектральной чувствительности 2-20 мкм) с обратной связью по тепловому излучению атомизатора контролирует его температуру в диапазоне 600-2500 °С с погрешностью не хуже ± зо'^. В диапазоне температур 20-700°С стабилизация и контроль темпоритуры тигля осуществляются за счет контролируемой с помощью У11ВК электрической мощности, подводимой и электродам атомизатора. Система упрапления обеспечивает

возможность регулирования температуры и времени различных этапов атомизации пробы в следующих пределах: I этап (испарение) - Т-30-200°С, t—10-120 с; II этап (озоление) - Т-150-700°С. t=l-60 С; III этап (атомизация) - Т-500-Зс00°с, t-1-60 с-, IV этап (отжиг тигля) - Т-2000-3000°С, t-1-Ю с и V этап - охлаждение тигля до комнаткой температуры за 10-15 с. Замена токопроводящих графитовых электродов требует перекалибровки температуры, заключающейся в незначительном изменении коэффициентов аппроксимирующей функции, введенной в память ЭВМ.

1. 3. Система выделения и регистрации флуоресцентного излучения.

Система ¡¡з двух идентичных кварцевых линз диаметром 60 мм с фокусным расстоянием 150 км собирает излучение флуоресценции из аналитической зоны под углом Э0°С по отношению к лазерному лучу и направляет ого на входную щель малогабаритного светосильного монохрпматора КЗД-2 либо ЫСЦ-1 с обратной линейной дисперсией 6 нк/мм. Промежуток кежду линзами (~ 100 мм) используется для размещения 1-5 нейтральных ослабляющих фильтров, вся система хорошо изолируется от воздействия внешних световых источников. Пропускание фильтров варьируется от 10 до 75 %, обеспечивая максимальное ослабление потока флуоресценции более чем в 3000 раз, дальнейшее ослабление аналитического сигнала достигается уменьшением подаваемого на фЭУ высоковольтного напряжения с 1,8 до 1,2 KB.

Система регистрации ЛАФАС (разработана Б.В.Архангельским) основана на временном стробкровании сигнала и преобразовании регистрируемого 4<0У заряда электрического импульса в цифровой код. В качестве СЭУ, располагаемого -за выходной щелью монохроматора, выбраны ФЭУ-130 гмн ФЭУ-100, обеспечивающие область спектральной чувствительности 200-800 ни, максимальный коэффициент усиления Юв и длительность одноэлектронного импульса 6 не. Импульс тока в анодной цепи ФЭУ при появлении импульса флуоресценции усиливается быетродеЗствуюаим (8 не) низкошунящии (<0.2 нкА) предусилителем шржкерно в 10 раз к направляется на вход зарядочувствительного АЦП Й®-4НЛ8 Кетой КЗмер .нхя полного заряда электрического импульса «ЗУ saaSpaiE как яакбояее соответствующий измерению полного числа фгауоф^-гшеиггкых «Загонов. испускаемых возбужденными атомами

lag.£зв-!>;ьс8sжге,?>ь.ьек£ ЛЕЯ пестрее* на интегральней микросхеме и

."-"••-»--•' •• • '' '"^.Т-' ir't-.-aHS'-o р&зр-гса ннтегркрукгд!

емкости, время включения которой задается внощним строб-еу.гналом. Интервал разряда емкости, пропорциональный подлому заряду в анодной цепи ОЗУ (сигналу), заполняется цугом импульсов от кварцевого генератора с частотой 20 МГц, их количество d интервале разряда считываете« двоичным считчиком 2 х 21. Выходной сигнал с двоичного счетчи'<а п видо параллельного кода передается в УИПХ для обработки и хранения. Формирователь строба, размещенный на одной плато с Q-АЦП, запускается фронтон импульса с лавинного фотодиода (или ФД-256), на который подается часть излучения зкеккеркого лазера. Длительность строб-импульса формируется внешней дискретной линией задержки и регулируется в продолах 20-130 лс, при импульсах большей длительности используется блок управляемой задержки/таймера.

Q-ALin имеет чувствительность 0,5 пХл на единицу младшего разряда, максимальный измеряемый заряд составляет 1000 пКл, максимальный ток н.д выходе 20 НА. интегральную нолинойность и приделах 0,2 %. Линейный динамический диапазон регистрации ФЭ У составил около 1000. Полный линейный рабочий диапазон счетсми регистрации, с учотом использования ослабляющих фильтрои и рогулироаки напряжения питания ОЗУ, составил около I порядком.

1.4. УпраВЛЯМЩКЙ ИЗНерШ ibüO" ЬЫЧИСЛИГОЛЬКЫЙ к-.жплскс.

Управляющий IIB К спектрометра I! первом варианте построен на базе универсального ыл целительного комплекс.! и зключгим и

себя управляющую мииро-JI?,4 *Элсч<тро1шка» (п нлетояпаи промя 1ЛМ PC AT), аппаратуру K.AÜAK., цветной телевизор для отображения информации и базовую программу UT-60. Он позволяет осуществить и реальном масштабе времени с помощью разработанных программных средств упраилонко узлами спектрометра, накоплении, хранение и обработку информации, необходимой для проведения измерений л получаемой в процесса измерений, отображение результатов измерений па принтер, зкр.т дисплея или тедочизора.

АШ1-10 осущес г ¡ищет измерение напряжений Dcex аналоговых сигналов в спек] ропетро, за исключенном сигпзла флуоросцокции преобразовынает их и цифровой код (вроми преобразовании не более 3 икс). Модуль ü.sam (мультиплексор) с 8 каналами с . егулируе.чок задержкой входного стробирумаого сигнала служит для выборки аналоговых сигналов по строб-сигналу и их хранения с последующим измерением сигналов из' АИП при помощи коммутатора. Модуль ЛАП- 15 осуществляет выдачу упраиляюхего напряжения на м

привода по. <>:;■■>:а дифракционной рецетки. Модуль СИП служит для стабилизиро-м ..ого (400 В, 20 мА ) питании спектральной лампочки

C,v.at: ■ гля лрсгрямж/ модулей к

ипк-л а:..:.л

угла калкброзкк, кодугь CD;;П питает стабилизированным напряжением до 4 КЗ ФЭУ-120 ( нестабильность напряжения не более О, 1 % ) Специальный пульт обзспечивает работу атомизатора, управляя включением и отключением блока питания, а также клапанов подачи воды и аргона Все интерфейсные блоки управления различными узлами спектрометра тише выполнены в стандарте какак..

От компьютера . управляются следующие блоки ЛАФАС: блок питания экскиеркого лазера. ( виваиий запуск), узел поворота дифракционной рс-шетх* лааера, шаговый двигатель углового перемещения не.*.киейног< кристалла, шаговый днигагель поворота рьибтки монсхроматсря. ■'..-;о,< питания атомизатора. В УИВК поступают кСрабчтывь'-огся следукшке контрольные сигналы с фотопр/емникоп: мощность излучения Лазера :;<i красителях к преобразоьанного в УФ излучения, мотки интерферометра из системы калибровки длины волны, сигнал с пиролриемиика системы контроля температуры атомизатора, а такл'.' сигналы ептогальвакического эффекта в аргоне из системы калибре.ахи длин:.: волны и сигналы с гг..;.-,■ дочуьстаитсльного АЛП. Текстоьал у. грч¡жческая информация с работе спохтроко. ра в pea.-..цц.ч т-ит&бб цремьик о: -.бра. -к-гся на мониторе компьы.ер- ¡* экр пи- и Ь СТ к ' : "* ' . : V I

1. 5. .Методика работы на ЛАФАС.

Процедура получения и измерения аналитического сигнала от опредоляеного в образце элемента состоит из нескольких этапов. Вслед за программой калибровки и установки длины волны лазера на красителях на резонансную линию элемента вызывается программа измерения аналитического сигнала. После установки на дисплее из файла параметров требуемых температуры и длительности каждого этапа атомизации проба вводится в тигель атомизатора. Для этого открывается крышка аналитической камеры и жидкая проба дозируется в тигель микропипеткой (объем пробы 5-50 мкл), а твердая или порошкообразная проба вводится каким-либо другим приспособлением. Крышка камеры закрывается и включается проток аргона (1-3 л/мин) и воды через камеру. При нажагих соответствующей клавиши на терминале начинается исполнение программы атомизации пробы.

Включение лазеров и измерение сигналов с ФЭУ производится только в пределах третьего этапа атомизации. В это время каждый импульс с ФЭУ регистрируется Q-А'Ш и посылается в память УИВК, а также отражается на экране телевизора. После окончания атомизации пробы и измерений вся динамика процесса выгорания пробы, роста и спада аналитического сигнала остается зафиксированной На экране. Исследоиатель может вызвать специальную подпрограмму и выбрать из всего массива данных нужный участок, гдо аналитический сигнал надежно превышает уровень фона. Компьютер суммирует сигналы флуоресценции за все импульсы в продолах выбранного участка и выдает результат на дисплей и матричный принтер. При отсутствии необходимости изменить параметры процедуры или выбора участка интегрирования программа, после дозировки новой пробы и нажатия соответствующей кнопки на клавиатуре, исполняет новый цикл измерений по предыдущему набору данных. Цикл одного пробооп-роделенин занимает от 2 до Г> мин в зависимости от атомизации образца в атмосфере аргона или в вакууме.

Для исключения фона, обусловленного, рассеянным лазерным излучением, тепловым излучением атомизатора, шумами электроники и т.д., и выделения полезного аналитического сигнала, определяемого только излучением флуоресценции возбужденных атомов, в спектрометре предусмотрено два еетода. В одном из них предполагается повторение процедуры атомизации и измерения аналитического сигнала с той разницей, что вместо анализируемой пробы вводится сверхчистая вода, а длина волны лазера слегка отстраивается от резонансной линии элемента (на 3-4 ширины линия

излучения, что соответствует - 80 кодам ЦАП-15). Среднее значение

фона и его стандартная девиация рассчитываются из 10-15 измерений.

Во втором методе в программу измерения аналитического сигнала

вводится подпрограмма быстрой периодической отстройки длины волны

лазера, в результате чего лазер в течение фиксированного числа

импульсов оказывается настроенным на резонансную линию элемента

либо отстроенным от неё. В процессе обработки данных программа

методом линейной интерполяции восстанавливает» полный временной

ход сигнала «на линии» ( I. + I. ) и «вне линии» (Х,„„) и

фл фон фон

производит вычитание одного сигнала из другого. Такая динамическая коррекция фона заметно экономит время и повышает точность измерений, т.к. позволяет измерять фон в том же цикле атомизации пробы. Условием применимости такой методики является достаточная длительность этапа атомизации пробы (4-5 с), позволяющая на его временном промежутке иметь не менее 80-100 лазерных импульсов на смешенной и несмеаеннок частоте и уже но заботиться о возможном искажении временного профиля сигнала. При увеличении частоты повторения возбуждающих импульсов и быстродействия узла

перестройки длины волны лазера указанная выше граница может быть уменьшена до одной и кенее секунды.

1. 6. Аналитические испытания, характеристики ЛАФАС.

Работоспособность ЛАФАС проверялась на пример© анализа М. А. Болыиовым с сотр. образцов глубинных льдов и снега из Антарктики и Гренландии и прямого измерения в них ультрамалых содержаний тяжелых токсичных металлов: свинца, кадмия, висмута. Для уменьшения возможности загрязнений образцов и растворов сравнения в процессе анализа прибор помешался в отдельную изолированную • комнату, а его аналитический блок располагался в специальной камере с фильтрацией нагнетаемого в нее воздуха.

При градуировке спектрометра использовались растворы сравнения, приготовленные путем соответствующего разбавления головного раствора (концентрация определяемого элемента 1000 пг/мл) сверхчистой деионизованной водой. Ниже приведены

комбинации длин волн возбуждения (*возб' к регистрации флуоресценции (ТфЛ) атомов указанных выше элементов и пределы их обнаружения С , достигнутые на спектрометре ЛАФАС:

РЬ *возб-283'3 НМ V405- 8 нм С -0, а 1 п 18 пг/нл

Cd 228, 8 НМ 228, 8 нм 0, 07 пг / мл

Bi 223, 1 нм 299, 3 нм 0, 05 пг/мл

Результаты измерений ультранизких (О, 1-40 пг/мл) содержаний свинца и кадмия в десятках образцов льда из глубинных скважин Антарктиды и свежовыпавшего снега из Грэнландии оказались г весьма хорошем согласии с результатами измерений следов тех же элементов классическими митодами масс-спектрометрии с изотопныи разбавлением (РЬ) и атомнэ-абсорбционной спектрометрии с электротермическим атомизатором ICd) с предварительным концентрированием.

Проведенные измерения показали высокую концентрационную чувствительность прибора (до ю"11 вес. % к нижо),' на несколько порядков превосходящую чувствительность традиционных приборов элементного анализа, и высокую экспрессность проводимых, на иен измерений. Если на ЛАФАС производятся прямыэ измерения содержаний всех трех элементов при объемах проб 20-50 мкл с временем одного пробоопределония 2-3 кип, то другие указанные выше методы требуют длительной пробоподготовки образцов (несколько недель), большой объем проб (50-200 мл) и длительной процедуры

пробоопределенин (МСИР - несколько часов). Эксперименты продемонстрировали и рекордную абсолютную обнаружительную споб-ность ЛАСАС на уровне нескольких Фэмтограмм примеси тяжелого металла.

Ниже приведены сравнительные характеристики спектрометра ЛАФАС и его лучшего отечественного аналога (атомно-флуоресцентный спектрометр АФЛ-3) и лучшего зарубежного аналога по назначению (атомно-абсорбционный спектрометр подели S 100 РС) к моменту окончания разработки ЛАФАС ( 1987 г. !.

АФЛ Союз ЦМА ( 1981)

Модель 5100 РС Перкин Элкер (1987)

ДО 50

более 60

Показатели назначения

ЛАФАС ИСАИ ЦКБ УП ( 1987)

Пределы обнаружения элементов, масс. %

10-7-ю-п и ниже

Число определяемых элементов

более 80

Спектральный диапазон возбуждения и регистрации флуоресценции, нн

217-800

200-600

180-900

Динамический диапазон регистрации сигнала, не менее

10*

10

10

Возможность прямого анализа образцов без их предварительной подготовки

Обеспечивается (при атомизации в вакууме)

Не обеспечивается

Не обеспечивается

Возможность 5оз-этьлояного анализа обр&зцов

Обеспеч ивается (при атомизации в вакууме)

Но обеспечивается

11е обеспечивается

1.7. Способ многсэлемонтного лазерного атомно-флуоресцентного анализ а.

Аналкз работы и опытная эксплуатация ЛАФАС, а также появившиеся е последние годы новые технические разработки привели к мысли о возможности модификации метода ЛАФС в сторону расширения числа определяемых в одной пробе элементов без снижения пределов их обнаружения к правильности результатов анализа. В самом деле, если имеются или находятся в стадии реализации устройства для быстрой перестройки длины волны лазора, монохроматоры с быстрой перестройкой длины волны, полихроматоры к многоканальные регистраторы спектра на линейных ФЗПС, то при высокой частоте повторения лазерных импульсов возбуждение флуоресценции и её регистрацию можно осуществлять многократно повторяющимися на протяжении времени атомизации пробы циклами, в каждом из которых обеспечиваются поочередное резонансное возбуждение атомов каждого определяемого элемента и синхронная с ним раздельная регистрация соответствующих фотонов флуоресценции, после чего полученные фотоэлектрические сигналы интегрируются для каждого элемента. Очередность возбуждения элементов определяется их летучестью, т. е. наиболее летучие из определяемых элементов облучаются первым)!, наиболее труднолетучие - последними в каждом цикле возбуждения и регистрации. При использовании быстро перестраиваемого по длине полны (например, акусто-оптического) монохроматорз применима высокочувствительная одноканальная система регистрации флуоресценции из со У, при использовании полихрокатора должна .быть

применена многоканальная система,регистрации, например, на ЛФПЗС :(ли ого оптическом сочленоняи с ЭОП. В последней случае для повышения чувствительности определения каждого элемента можно регистрировать сумму сигналов флуоресцентного излучения более, чом на одной длине волны.

Оценка требуемой частоты £ повторения лазерных импульсов, проведенная из условия, что интервал времени Т, на котором осуществляются последовательное возбуждение серией п импульсов (пачек импульсов) и регистрация сигналов флуоросцонции. атомов нсох определяемых элементов, должен быть значительно меньше времени Т испарения из образца наиболее летучего элемента, т. е. Т«Т <Т (То - время испарения всей пробы), а перестройка длины волны лазера (и каиохроматора) производится в промежуток времени между двумя импульсами или, по крайней мере, за сравнимое с ник время, т. е. 1/£ з Т/2П, дает £ 1 102 с"1 и время перестройки длины волны ~ 10 мс, т. е. вполне реализуемые величины.

Привлекательным выглядит осуществление многоэломентного анализа длл твердых образцов с их испаренной потоком ускоренных ионов При ионном испарении коэффициенты распыления различных элементов отличаются по болое чем на порядок (для сравнения, давления насыщенных ларов при электротермическом испарении различных элементов при одной температуре могут различаться на много порядков), не возникает проблем испарения труднолетучих металлов, появляется возможность послойного анализа образцов, упрощается решение проблемы загрязнения поверхности анализируемого образца.

г. Лазерный атонно-фотоионизационный аналитический спектрометр для ультрачувствительного анализа высокочистых веществ и природных объектов /МЛ/С.

Суть метода лазерной атомной фотоионизационной спектрометрии (ЛАФИС), предложенной В. С. Летоховым а 1970 г., состоит в том, что исследуемый образец в вакууме переводится в атомный пар, который просвечивается лазерным излучением, длина волны которого настроена в резонанс с оптическими переходами атомов определяемого элемента и подобрана так, чтобы осуществить ступенчатое возбуждение этих атомов либо в авгоионизационное состояние (выше границы ионизации атома), либо в высоколежащее ридберговское состояние, из которого агокы могут быть легко ионизованы импульсным электрическим полем, а полученные таким образом фотоионы регистрируются детектором.

Спектральная ширина возбуждающего излучения на всех ступенях возбуждения (как правило, двух или трех) достаточно мала, что определяет высокую селективность процесса атомной ионизации. Селективность анализа может быть дополнительно повышена за счет использования перед детектором ионов время-пролетного масс-фильт-ра. Большая модность импульсно-периодического излучения позволяет достичь высокой эффективности возбуждения. Как и в любом аналитическом методе, концентрация определяемого элемента находится из сравнения ионного сигнала от исследуемого образца, содержащего этот элемент, с полученными при тех же условиях сигналами от образцов с различными эталонными содержаниями этого же элемента.

Основой для создания прибора послужили исследования, выполненные в Институте спектроскопии (группа Г. И. Бекова) в период 19791986 г. г. Они позволили разработать аналитические методики, выработать основные принципы построения прибора и основные требования к его узлан, определить классы объектов, наиболее эффективно анализируемых методом ЛАФИС. В результате последующей работы был создан автоматизироваюый образец ультрачувствительного лазерного атомно-фотоионизационного аналитического спектрометра ЛАФИС.

В соответствии с принципом работы и решаемыми при разработке проблемами спектрометр конструктивно состоит из четырех основных блоков: оптического (лазер накачки и лазеры с перестраиваемой длиной волны), аналитического (вакуумная камера с атомизатором для перевода пробы в атомарное сотояние), блока регистрации фотоионного тока и объединяющего эти блоки управляющего измерительно-вычислительного комплекса (УИВК).

2. 1. Оптический блок.

Для получения достаточно мощного узкополосного импульсно-периодического перестраиваемого лазерного излучения в спектрометре используются три лазера на красителях с поперечной вертикальной накачкой и вторая гармоника излучения одного из них. Лазер накачки представляет собой эксимерный ХеС1-лазер на 308 нм, с частотой повторения импульсов до 100 Гц, энергией в импульсе до 70 мДж с длительностью импульса около 15 не.

Три лазера на крг.сителях выполнены в виде связанных узлов генератор-усилитель с оптической задержкой импульса накачки усилителя на 4 не. Рабочая область генерации лазеров определяется набором красителей и составляет 350-800 нм. Ширина линии излучения лазеров

О, 8 см , энергия в импульсе достигает 3 мДж при длительности около 10 не. Перестройка длины волны генерации осуществляется с пульта УИВК поворотом дифракционной решетки с помощью разработанного И. И, Нестеручом следящего устройства с обратной связь» по поло-.кению решетки. Это устройство позволяет плавно и быстро (.0,040,7 с) перестраивать длину волны излучония в диапазоне генерации любого красителя, обеспечивая точность установки не хужо 5 пм.

Для точной настройки лазеров на нужные длины волн предусмотрены индивидуальные блоки калибровки на оскове интерферометра Фабри-Перо с фотодиодом и оптогальванического датчика (миниатюрной аргоновой лампочки тлеющего разряда), в которые вводится излучение лазеров. Абсолютная калибровка длины волны каждого лазера, как ж в ЛАФАС, заключается в управляемом от УИВК сканировании длины волны лазера с одновременной регистрацией меток интерферометра и резонансов оптогальванического эффекта в аргоне, После окончании процедуры сканирования программа производит автоматическую идентификацию зарегистрированных оптогальванических реперов, используя хранящийся в памяти УКВК табличный спектр аргона, и осуществляет каяибролку длины волны лазера.

Поворот нелинейного кристалла в удвоителе частоты излучения осуществляется шаговым дзигатолом ШД 300/300 через прецизионный синусный механизм с управлением от УИВК. Использование удпоитс-ля отодвигает УФ границу диапазона перестройки до 217 ни, благодаря чему становится возможным увеличить число определяемых элементов до 80.

2. 2. Аналитический блок.

В ЛАФИС используется вакуумная электротермическая атомизацкя анализируемых образцов в различных тиглях (графитовом, танталовом, трубчатом, чашечке, с электрическим и радиационным разогревом). Тигель зажимается в массивных охлаждаемых водой медных токопрово-дах, образующих корпус атомизатора, весь атомизатор располагается на нижнем фланце вакуумной камеры.

Спектрометр имеет аналитическую и реперную вакуумные камеры одинаковых размеров, изготовленные из нержавеющей немагнитной стали в виде кубов с длиной ребра 200 им. Камеры имеют на всех гранях уплотняемые прокладками фланцы, на которых размещаются кварцевые окна для ввода излучения, дрейфовая труба время-пролетного масс-фильтра и вакуумпровод высоковакуумного насоса. Реперная камеса аналогична по конструкции основной: и

служит для точной подстройки длины волны лазеров на переходы определяемого элемента, а также для проверки всей системы регистрации спектрометра. Е тигель реперкого атомизатора закладывается некоторое количество чистого элемента, на который настраивается спектрометр. Конструкция атомизатора аналитической камеры предусматривает возможность отсечки объема атомизатора от основного объема камеры при скенэ тиглей, чек обеспечивается возможность сохранения высокого вакуума в камере при разгерметизации атомизатора в процессе смены проб. В ряде случаев спектрометр испсяьзуот одну аналитическую камеру с двумя атомизаторами (основным и рсперкым), пучки атомов из которых геомстрическ:: пересекаются в одной аналитической зоне (5 мм), где они попеременно взаимодействуют с лазерным излучением. Такая конструкция даот возможность проводить измерение концентрации определяемого зломонта с пробах, закладываемых в основной атомизатор.

Аналитическая зона камеры ограничена двукя пластинами. служащими для формирования импульсного электрического поля, ионизирующего Еысоковозбу/кденные (ридберговские) атомы и выталкивающего коны в зону регистрации. Для формирования импульса поля к-пользуется кабельная зарядовая линия УФ и искровой разрядник, запускаемый излучением УФ лазера накачки.

Параметры ккпульсов электрического поля: длительность - 10 не, время задержки импульса передающей кабельной линии - 20 не, амплитуда импульса, полааае?гаго на положительный электрод, до 12 кВ. В заземленном электроде имеется отверстие диаметрии 15 мм, затянутое металлической сеткой с пропусканием 0,95, через которую образующиеся в результате импульсной полевой ионизации ионы тек же импульсом электрического полк выталкиваются из аналитической зоны в направлении, перпендикулярном атомному и лазерному пучкам, в бесполевую дрейфовую трубу время-пролетного масс-анализатора длиной 20 мм, оканчивающуюся детектором ионов.

Откачка камеры осуществляется турбомолекулярным насосом ЕМН-500, трубы время-пролетного масс-фильтра - турбонасосом ВИН-150. Применение безкасляной откачки позволяет снизить кеселективный фон, связанный с фотоионизацией фрагментов масла за счет уф возбуждающего излучения. Для измерения степени вакуумирования используется прибор УКВ-1.

Питание электрических атомизаторов осуществляется с помощью йг.п.ор. вкяючакяцях в себя т ирис торны;-, регулятор с управлением от

УИВ1С и понижающий трансформатор. Блок обеспечивает ток до 400 А при мощности 4 кВт и нагрев тигля атомизатора до 2700 °С. Программное управление осуществляет стабилизацию и контроль подводимой к атомизатору мощности, обеспечивая точность установки температуры не хуже 10 % для разных тиглей из одной партии и точность поддержания температуры лучше 5 %.

2. 3. Система регистрации и УМВК.

В ЛАФИС также используется временное стробкрованив сигнала и зарядо-цифровое преобразование импульсои фотоионного тока. В качестве дотектора ионов на выходе время-пролетного масс-фильтра используется вторично-электронный уменьшитель ЗЭУ-2 с квантовой эффективностью ^0,5, питаемый от источника напряжения 4 кВ Сигнал с детектора поступает на предусилитель и далее через согласованный кабель на зарядо-чувствительный АЦП, аналогичный используемому в системе регистрации ЛАФАС. Дискриминация сопутствующего сигналу несслектизного ионного фона достигается за счет дополнительных ухищрений: применения ионных ловушек (набора иайб, находящихся под небольшими разнополярными потенциалами, через которые проходит атомный пучок) для задержания тепловых ионов из атомизатора, подачи на электроды двух последовательных импульсных электрических полей разной полярности, а также масс-сепарации ионов по скоростям. Все пти меры позволяют снизить уровень фоновых ионов в фотоионизационной вакуумной камере на 2-3 порядка .и довести его примерно до 1 ион/мин.

. Управляющий измерительно-вычислительный комплекс спектрометра в первом варианте построен на базе комплекса МЭКС и аппаратуры КАМАК. Полная программная совместимость с ЭВМ <Элентроника-60» и наличие накопителя на гибких магнитных дисках позволили разработать программное обеспечение, значительно упрощающее работу исследователя. Автоматизированы практически все фуикции

спектрометра, включая управление вакуумной системой, отработку аварийных ситуаций, повысившую надежность спектрокетра, вывод на телемонитор оперативной информации.

2. 4. Методика работы на ЛАФИС.

Процедура эленентоопределеияя начинается: ггосзге' того}. как< выполнена программа калкбрявкя и. устгисгвтяи дл5пн,и яояны: всех-: перестраиваемых лазероэ и падстрчзйй-» углв позятганиронания.' нелинейного кристалла:,. обестаячн'падациок ротона нсну») ст.упопчптуи ио-

низацию атомов выбранного элемента.

Образен (весом 1-100 мг) загружают в тигель, последний помешают в атомизатор, вначале отсеченный от основного объема вакуумкрованной аналитической камеры. После откачки объема атомизатора отодвигается заслонка, соединяющая вакуумированные объемы атомизатора и камеры. Затем запускается программа атомизации пробы, задающая температуру и длительность нагрева тигля на каждом этапе атомизации. Как и при работе на ЛАФАС. количество этапов и их длительность подбираются так, чтобы обеспечить выпаривание сначала легколетучей части матрицы, затем атомизацию определяемого элемента и в конце выпаривание наиболее труднолетучих остатков и отжиг тигля. Лазеры и система формирования и регистрации импульсов ионного тока включаются только на этапе ато-кизацки определяемого элемента.. Регистрируемый при этом фотоионный сигнал отображается на телемониторе и накапливается в памяти ЭВМ. При наличии неселективного фона для нахождения «чистого» аналитического сигнала, связанного с концентрацией определяемого элемента, может быть использована процедура, примененная в ЛАФАС и состоящая в периодической быстрой отстройке частоты одного из лазеров на величину 3-4 ширин линии излучения и измерении в эти промежутки времени неселективного фона с последующим его вычитанием из полного сигнала.

2.5. Аналитические испытания, характеристики ЛАФИС.

В качестве эталонов для калибровки спектрометра использовались водные растворы с известным содержанием элемента. Калибровочная зависимость является линейной в диапазоне 2-3 порядков, что значительно упрощает саму процедуру калибровки. Спектрометр ЛАФИС был испытан на примере прямого определения следов рутения в геологических образцах и водных растворах сравнения с чувствительностью. достигающей 10~1° %.

Ниже приведены сравнительные характеристики ЛАФИС и одного из лучших зарубежных аналогов по назначению (коммерческого атомно-абсорбционного спектрофотометра модели 5100 РС фирмы «Перкин Элмер») к моменту окончания разработки ЛАФИС ( 1989 г. ) :

Показатели назначения ЛАФИС-1 5100 РС (ААС)

Пределы обнаружения элементов, Ю~7-1сГ'0

О -10

Число определяемых элементов

Спектральный диапазон возбуждения атомов, нм

Динамический диапазон регистрации ионного сигнала, не менее

Возможность пряного анализа образцов без предварительной их подготовки

Возможность безэталонного анализа образцов

Возможность проведения изотопического анализа

более 80 217-800

104

более 60 180-900

ю4

Обеспечивается Не обеспечивается

Обеспеч иваотся

Не обеспечивается

Обеспечивается Не обеспечивается

Прибор характеризуется также высокой экспрвссностью измерений: .время прямого анализа одной пробы занимает 1-10 мин. Использование электротермической атомизации в вакууме способствует в значительной степени подавлению матричных эффектов и позволяет говорить о возможности проведения во многих случаях безэталонного анализа образцов. Возможность проведения изотопического анализа может достигаться как за счет селективного ступенчатого возбуждения атомов узкополосным лазерный излучением, так и за счет использования масс-время-пролетного анализатора с необходимым разрешением по массам.

2.6. Способ многоэлемонтного лазерного атомно-фотоионного анализа.

Расширения числа элементов, определяемых в одной пробе вещества без снижения пределов их обнаружения, можно добиться и в методе лазерной атомно-фотоионизационной спектрометрии. Для реализации этого способа также необходимы лазеры накачки с большой частотой повторения импульсов (~ 10* Гц) и устройства быстрой перестройки длины волны лазеров. В этом случав селективная фотои-низацин может быть осуществлена последовательно повторяющимися сериями импульсов таким образом: число импульсов (пачек импульсов) в каждой серии равно числу п определяемых в пробе элементов, длины волн возбуждающего излучения в каждом из импульсов серии соответствуют схеме фотоиониз;щии последопательно каждого элемента, последовательность импульсов в серии идет от более летучего к наиболее труднолотучему элементу, при этом синхронно с фотоионизацией каждого из элементов проводится раздольная регистрация ионов. Полные сигналы фотоионного тока для каждого элемента получаются путем

интегрирования по числу серий импульсов, которое определяется из соотношения Т / Т * 1, где Т - длительность каждой серии, а Т^-эремл испарения всей пробы. При достаточной частоте повторения импульсов (>102 с"1) для 11-10 и Г -10 с время перестройки длины волны лазеров составляет - 10 мс, т.е. реализуемую величину.

Дополнительным условием осуществления способа является раздельная регистрация пролетающих через время-пролетный масс-фильтр ненов двух соседних по массе элементов ( при изотопном анализе -яоиов соседних по массе изотопов ), для чего разность времен их пролета через фильтр не должна быть меньше длительности строба регистрации. Для ионов, отличающихся по массе на 1 а. е. и. , это время 0.S икс, т.е. заведомо реализуемая величина.

3. Лаэер/ю-ядерный комплекс для исследования структуры хоротхоживущих ядер.

Благодаря успехам в развитии лазеров с перестраиваемой длиной волны, разработке новых высокочувствительных методов спектроскопии стали возможными измерения с предельно малыми количествами радиоактивных атомов, имеющих сравнительно малые времена жизни. К 1980 г. такие оптические эксперименты для длинных цепочек изотопов систематически проводились лишь в ЦЕРНе (Швейцария) на установке ISOLDE, использующей ускоритель протонов на 660 МэВ и масс-сепаратор, с применением лазерной спектроскопии.

На аналогичной во многих отношениях установке в Ленинградском институте ядерной физики им. Б. П. Константинова АН СССР, включающей в себя ускоритель протонов на 1 ГэВ и масс-сепаратор (система ИРИС), было решено в 1979 г. создать лазерно-ядерный комплекс, основанный на использовании более чувствительного и селективного нетола детектирования одиночных радиоактивных атомов путем их ступенчатой селективной фотоионизации излучением импульсных Лазеров на красителях. Этот метод принципиально отличается от других оптических методов тем, что позволяет не только исследовать сверхтонкую структуру и изотопические сдвиги оптических линий, но и осуществлять разделение изотопов, изомеров и изобаров, селективно переводя их из нейтрального состояния в ионизованное В качестве первых объектов исследований были выбраны редкоземельные элементы с ядрами в окрестности заполненной нейтронной оболочки с N-82. а первыми измерениями доланы были стать систематические измерении зарядовых радиусов цепочек изотопов, включающих магические

ядра (с N-82), для выяснения роли оболочечкых эффектов для удаленных от полосы /3-стабильности нейтронодефицитных ядер

В результате совместной работы ЛИЯФ и ИСАИ, проводимой со стороны ИСАИ лабораториями лазерной спектроскопии (группа В. И. Мишина) и лазерно-спектрального приборостроения был создан автоматизированный лазерно- ядгрний комплекс ЛИЯ4> + ИСАИ, включающий а себя, по сути, две установки: лазерный

фотоионизационный спектрометр ИСАИ, предназначенный для исследований возбужденных, ридберговскик и автоионизациониых состояний атомов со стабильными ядрами и поиска оптимальных схем их фотоионизации, и комплекс ЛИЯС\ предназначенный для измерения изотопических сдвигов и сверхтонкой структуры радиоактивных нуклидов.

3. 1. Лазерный фотоионизационный спектрометр ИСАИ.

Спектрометр состоит из трех перестраиваемых лазеров на красителях, накачиваемых излучением азотного лазера, вакуумной фотоионизационной камеры, системы регистрации на основе ВОУ и управляется с помощью измерительно-вычислительного комплекса ИВК-й.

Атомы возбуждаются в какое-либо промежуточное состояние излучением двух лазеров на красителях, частоты которых настраиваются з резонанс с промежуточными переходами. Спектр высоколожащих и автоионизационных состояний наблюдается при сканировании частоты излучения третьего лазера с узкой линией излучения 1 в результате регистрации тока фотоионов с помощь» ВЭУ.

• В первоначальной варианте в качества широкополосных (0.5 см"1) лазеров на красителях использовались разработанные в ИСАИ лазеры с призненным расширителем луча с чераячно-винтовым редуктором, приводимым в действие шаговым двигателем, Узкополосный лазер на красителях ( с: внутренним эталоном Фабри-Перо) помещался в барокамеру и перестраивался за счет изменения давления газа (азота) в ней в диапазоне 0+2 атн, что обеспечивало тонкую перестройку длины волны в пределах 8 см"1 при скорости капуска газа 0, 1-0, 4 Тор/с.

В дальнейшем синусный механизм поворота решетки широкополос1ЫХ лазеров был заменен оригинальным электродинамическим приводом (ЭДП) разработки И. II. Пестерука. Он обеспечивает требуемую оперативность установки длины волны в пределах 1 с и высокую равномерность её сканирования. При многократных сканированиях угла поворота дифракционной решетки сдвиг длины волны излучения не превышает ± 3-Ю"4 им. Программируемое управление частотой

лазерного излучения осуществляется подачей электрического смещения в границах ± 5 В на блок управления ЭДП в стандарте КАНАК от цифро-аналогового преобразователя ЦАП-14.

В отдельных экспериментах в целях повышения точности спектральных измерений применялись лазеры с дифракционной решеткой в режиме скользящего падения лучей, в них перестройка длины волны излучения производится за счет поворота вспомогательного зеркала с помощью электродинамического привода. Такая система

обеспечивает шкриьу лазерной линии 0,2 см 1 в диапазоне перестройки более 10 нм.

В модифицированном варианте узкополосного лазера на красителях сканирование длины волны осуществляется не изменением давления газа в барометре, а согласованным поворотом дифракционной решетки и внутреннего эталона Фабри-Перо с помощью двух электродинамических приводов и небольшого дополнительного функционального блока, устанавливающего нелинейную связь по управляющим напряжениям приводов решетки и эталона. Лазер обеспечивает ширину линии излучения О, 04 см*', скорость сканирования длины волны от 0, 1 до 0,001 см"1, максимальный диапазон синхронного сканирования 3 см"1. В диапазоне автоматического непрерывного сканирования длины волны до 2 сн"1 нелинейность характеристики составляет 0, 5 2 Ч,

воспроизводимость длины волны - 5-10"3 см"1 на интервале работы А часа и полностью определяется характеристиками внутрирезонаторного эталона

Калибровка абсолютных значений длин волн широкополоеных лазеров производилась при их сканировании путем обработки с помощью ИВК-8 электрических сигналов от неоновой лампы с полым катодом, регистрирующих резонансы оптогальванического эффекта в неоне (абсолютные реперы), фотодиода на выходе интерферометра Фабри-Перо, регистрирующего резонансы пропускания ИФП (частые относительный метки частоты), и сигнала вторичного электронного умножителя. Точность измерения частот таким образом определяется шириной линии излучения.

Каналы меток I (режим сканирования длины волны широкополосных лазеров) и II (режим сканирования узкополосного лазера) включают ИС>П с областью дисперсии соответственно 1 и О, 1 см"1 и резкостью 30 и 100, фотоприемник ФД-24К и индикаторное устройство.

Каналы измерения ширины линии I и II в основном аналогичны каналам меток. Отличие заключается в том, что интерферометр выполнен сканируемый и добавлено устройство формирования управляющего

напряжения.

Последние модификации перестраиваемого лазера реализуют возможность быстрого (десятки миллисекунд) прецизионного управления сканированием длины г-о::ны одновременно с еб точно!: (5 ям.) абсолютной установкой. Этот результат постигается за счет использования ЭДП дифракционной решетки, встроенного миниатюрного калибратора абсолютных значений длины волны (на базе аргоновой лампочки тлеющего разряда и ИОН) и микропроцессорного блода управления. Самая последняя модификации поо!';;.. ;■оч 1<г-т в себя дополнительно блок управления частоты, а е-о олок управления базируется на контроллере 8086, обеспечивающем ¡зкрол;и.- пользовательские возможности.

Контроль срелной моцноста г.-мароъ .тро^з водится устройством, включающим исправляющий поглотигнль рл(.с-1-.«агачое стекло, диафрагму, фотопри.'миии ФД-2 4К и стре.':оч :тр;:бср проградуированкый а единицах средней мощности, диалоговый сигнал и и диапазоне 0-1

' еых

В через мультиплексор вводится в ИЬХ. плп нормировки сигнала фотоионного тока в процессе вторичной обрабогк.1 спектра Переключение пределов измерения происходит путем <зхонония коэффициента передачи индикаторного устройства.

Возбуждение и ионизация атомов осуществляются в атомном пучке, создаваемом путем герсичоского испарения исследуемого металла э вакуум. Взаимодействие ¿печного и лазерного пучков осуществляется в области между ;и<ун;| плоскими электродами, . .ч которым прикладывается напряжении для выталкивания образующихся ионов в напраплеиии ВЭУ.

Основная часть исследований ироподилась с ВЭУ-4, имевшим коэф-

ь 3

фициент усиления 10 и линейность сигнала до 10 ионов за лазерный импульс. Источником питания служит блок в стандарте КАМАК на напряжение 0- -3 кВ. Сигналы с ВЭУ поступают на

предварительный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (до уровня 1 В) и затем на усилитель КУС2-97 с дискретным изменением коэффициента усиления для формирования импульса с формой и амплитудой обеспечивающими наиболее точное его •«считывание» в АЦП-14. Импульсы электрического тока, поступающие с датчиков на фотокатодах ФД-24К по каналам меток, измерения ширины линии и мощности, а также с лампы с полым катодон ЛСП-1, тоже усиливаются импульсными усилителями. Все сигналы с усилителей направляются на 8-каналышй мультиплексор. в котором происходило стробирование (длительность строба 1 мке) и хранение амплитуды

сигналов я момент строба. Мультиплексор имеет четыре независимые регулировки времени задержки строба для измерения амплитуд сигналов с лучшим отношением сигнал/шум. Данные считывания амплитуд сигналов в All"-14 пересылаются в СМ-4, где они после обработки записываются на магнитный диск.

Мультиплексор АЦП-14. ЦАП-1С. блок питания ВЭУ, электронные модули ЗДП ДР к другие модули, обеспечивающие управление спектрометром, располагаются в едином крейте КАНАК, подключенном через крейт-конгроллер к * общей шике» СМ-4. В этой же крейте устанавливались модули «Динамо-текст*, «Динамо-график» и «Динамо-репер», обеспечивающие ьыаод информации и спектров на графический дисплей, а также модули 2ЦАП-10 к РУР-IP (регистр управления реле) для вывода данных на самописец 11306

На лазерном фотоиокизацюннон спектрометре ИСАИ В.И.Мишиным с сотрудниками был осу^остидо:; ло.ск наиболее оптимальных схем фотоиокизацки атомов редкоземельных элементов для целей последующегЬ измерении изотопических сдвигов их радиоактивных изотопов Измерялась ширины сверхтонкой структуры, сечения возбуждения атсмоь кетодом нась«аеьян лер<.-хода. времена жизни возбужденных состояний. относительные интенскзности аатоионизационных переходов, были изучены особениостл спехтров атомов пяти лантаноидов: европия, гадолиния, тербия, гольми* л тулия.

3.2. Лазерно- ядеркый комплекс ЛЛПФ

Лазерно-ядерный комплекс к пп ЯФ ли Б.П.Константинова был создан на базе протонного ускорителе и масс-сепаратора ИРИС (ЛИЯФ) и лазерной фотоионизационной установки Г.'.САН) л предназначался для проведения измерений изотопических едькгов и сверхтонкой структуры оптических линяй атомов с нестабильном:: -¡арами

Исследований нестабильных изо7о:и.>и проводились в двух режимах:

1) в режиме "off-line", при ; тс.ром полученные с помощью масс-сепаратора образцы сравнительно долгживущего (несколько часов) изотопа вбиваются в танталовую фольгу и затем исследуются при испарении их из нагретой фольги в отдельной камере, где происходит их фотоионизация лазерным излучением:

2) в режиме "on-line", при котором ионы изотопов исследуемой массы направляются при выходе из масс-сепаратора непосредственно в горячий гигель. где происходит к у нейтрализация и последующая фогоианнзация вылетающих г.ч тигли ломов

В состав лазерной фотоионизаиис , ... ■■■ установки вешли :

- три лазера на красителях с перестраиваемой длиной волны;

- два лазера на парах меди для накачки перестраиваемых лазеров.

- система контроля и измерения параметров лазерного излучения ! измерители мощности, ширины линии излучения, датчики длины волны ) ;

- камора пзтихо действии пучков исследуемых атомов с лазерным излученз1ен ;

- система регистрации и обработки информации на базе малых ЭБМ «Электроника-60» и СМ-3.

В основном камера взаимодействия пучков исследуемых изотопов с лазерный излучением, элементы системы контроля и измерения параметров лазерного излучения и электронные блоки л модул? управления узлами спектрометра и системы регистрации сигналов были аналогичны используемым в лазерном фотоиссизацчопном спектрометре ИСАИ.

В качестве перестраиваемых лазеров использовались также описанные выше импульсные лазеры на красителях с широкой и узкой линией излучения, со сканированием частоты с помощью шгл'озоуо двигателя к за счот изменения давления и барокамере, а з последышем - с использованием электродинамических приводов поворота дифракционной решетки Лазеры на парах поди были выбраны из-за высокой частоты повторения импульсов ! 10" Гц), обеспечивающей большее число взаимодействующих с излучением атомов и достижение наивысшей чувствительности.

Изотопический сдвиг и сверхтонкая структура измерялись на переходах первой ступени возбуждения, поэтому на этой ступени использовал сп узкополосный лазер на красителях (0,04 см"1) со сканированием частоты в окрестности исследуемого перехода. Мощности лазерного излучения на первой, второй и третьей ступенях возбуждения составляли соответственно 2, 120 и 250 мВт. В дальнейшем за счет использования усилителей на парах'меди и усилителей на красителях они были увеличетл з 2-4 раза. Значения изотопического сдвига и сверхтонкой структуры извлекались из записи и обработки оптических линий трех спектров: фотоионного спектра исследуемого нестабильного изотопа, реперного фотоионного спектра изотопов, получаемого во вспомогательной реперной камере, х спектра пропускания сканируемого излучения сферическим конфокальным интерферометром, дающим метки частоты.

Непосредственно управление экспериментом я запись данных осуществлялась с помощью ЭВМ <Элэктроника-60> к модулей клка!С,. а з:и

рузка программных модулей в «Электронику-60» и запись накопленной информации на магнитные диски производилась с помощью программного обеспечения ЗВ.Ч СМ-3, разработанного в ЛИЯФ.

Время, а течение которого осуществлялся цикл сканирования длины волны лазера и записи спектра одного изотопа, составлял обычно 30 с. Обиео время регистрации и суммирования спектров одного изотопа не превышало 2 час.

Предельные чувствительность и разрешение комплекса ЛИЯФ были достигнуть: при исследовании спектров короткоживущих изотопов европия и тулия, для которых эффективность детектирования составила

-4 4

3-10 , чувствительность измерения изотопических сдвигов - 3-10 изотопов/сеч б потоках ионов из масс-сепаратора, а точность спектральных измерений ± 70 МГц.

Проведенные измерении изотопических сдвигов и сверхтонкой структуры атомных линий для длинных цепочек изотопов ряда редкоземельных элементов позволили исследователям ИСАИ и ЛИЯФ провести анализ закономерностей изменений среднеквадратичных зарядовых радиусов Л<гг> в области ядер с числом протонов г - 60 + 69 и числом нейтронов N - 72 * 103.

V. ВЫВОДЫ

Ниже кратко сформулированы основные результаты работы.

1 Экспериментально осуществлен метод получения узких оптических резор.ансов в спектрах молекул при насыщении их поглощения лазерным излучением во внешней нелинейно поглощающей ячейке. Разработан и исследован нелинейный лазерный спектрометр квазибегушей аолны для исследования линий поглощения молекул в 10 мкм- диапаз оне с разрешающей способностью — 109.

2. Обнаружены и исследованы узкие оптические резонансы внутри допплеровской линии колебательно-вращательных переходов полосы v молекулы БГ , полосы v моноизотопных молекул ОэО и полосы v

3 6 3 4 4

диссимметричной молекулы СНРС1Бг, индуцированные в поле излучения на ряде линий Р и И-ветвей СО^-лазера.

Измерены эффекты уширения молекулярных резонансов сильным полек и из-за давления БГ^ и ОзО^, определены время столкновений и длина свободного пробега молекул, измерены коэффициенты ненасыщенного поглощения, зависимости интенсивности насыщения поглоцения от давления и другие параметры. Обнаружен эффект

пространственного переноса резонанса в распределении молэкул по скоростям при насыщении их поглощения в попе даух параллельных разнесенных встречных световых волн. Обнаружена квадрупольная сверхтонкая структура в спактре 0з04 и рассмотрена магнитная сверхтонкая структура в спектре молекул 13,ОзО и ш70в0 .

3. Исследован механизм нелинейного поглощения непрерывного ИК излучения в молекуле ОзО^, обнаружена и исследована сильная ИК флуоресценция в молекулярном газе ОэО и як в поле мощного

4 6

непрерывного излучения С02~лазера, обнаружен эффект сильного затемнения поглощающей ячейки с ОзО с условиях разогрева газа

4

лазерным излучением, найден коэффициент теплопроводности в газе ОэО .

4. Предложен и осуществлен метод стабилизации частоты

СО^-лазера ( 10, 6 мкм) по узким резонансам в спектре молекул ЗГ. и

5920з04- Достигнута долговременная отьосителъная нестабильность

и повторяемость частоты сс^/'^ОгО^-лазорд 1,7-ю"12 (т - 100 с)

и 1 ■ 10~11 соответственно. Проанализированы эффекты, влияющие па

стабильность и вогпроиэиодимость ч.-стоты лазера с внешней

нелинейно поглощеиошей ячейкой Показана перспективность

1

использования узких резонансов в спектре о качестве

квантовых реперов частоты ПК диапазона.

5. Создан высокостабильный генератор частоты ИК диапазона на основе СО^/'^ОэС^-лазера, работающего на линии Р( 14) на длине волны 10,53 мкм, иснользуеныя как вторичный квантовый репер с воспроизводимостью частоты 3-Ю11 в умиожительной цепи абсолютных измерений частот ИК диапазона в ГМИ ГСВЧ. Измеропо абсолютное значение частоты указанного квантового репера.

6. Создан высокостабильный генератор частоты на основе Не-Ие/'г91г-лазера на длине волны О, 63 мкм с долговременной нестабильностью частоты 5-ю"1" (г - 50 с) и повторяем остью частоты

2-Ю"10, используемый в качестве вторичного стандарта длины волны для системы метрологического обеспечения измерений длин волн лазеров видимого и ИК диапазонов в ХГНМИМ. Изморено абсолютное значение длины волны указанного репера.

7. Разработана система активной стабилизации мощности

непрерывного излучения лазероа на основе компенсационного метода к ряда впеклих регулирующих устройств с коэффициентом подавления флуктуации мощности - 200 в диапазоне низких (10-200 Гц) и »ысокмх (2-Ю кГц) частот. Создан охлаждаемый со -усилитель бегущий волны на протоке смеси Не+К^+С0г с большим коэффициентом усиления (14 дб) .

8. Созданы ?втоматизировакные лазерные фотоионизационные спектрометры на импульсных лазерах на красителях для проведения исследований по лазерно-ядерной спектроскопия стабильных и радиоактивных изог~опов с разрешением t 70 КГц и аналитических исследований природных объектов и высокочистых материалов с пределами обнаружения для различных элементов 10" -Ю~10 вес% и ниже.

9. Создан автомагизирован.чый лазерный атомно-флуоресцентный спектрометр на импульсных мазерах на красителях для проведения аналитических исслеяоьании природных объектов и высокочистых материалов с пределами обнаружения для различных элементов 10 r-i0*n soc % у, пике.

10 Созданы перестраиваемые импульсные лазеры на красителях с оптической накачкой с автоматической быстрой и прецизионной перестройкой и точной абсолютной установкой длины волны, точные измерители к калибраторы длины волны, устройства измерения и регулирования температуры атомизаторов, высокоэффективные системы регистрации х обработки аналитического сигнала, другие системы и элементы антокаткзированных лазерных спектрометров.

11. Предложены способы и устройства ментного атомно-флусресцентного и анализа вещества л одном цикле испарения

для проведения многоэле-атомно-фотоионизанионного пробы вещества.

VI. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Н.Г.Басов, и. II. Компанец, 0. н. Компанец, В. С. Летохов, В. В. Никитин. «Узкие резонансы при насыщении поглощения SF излучением

б

С02~лазера». Писька в ЖЭТФ, 1969, т. 9, в. 10, с. 568-571.

2. Л. Г. Васов, О. Н. Компанец, В. С. Летохов, В. В. Никитин. «Исследование узких резонансэв внутри допплеровской линии вращательно-колебательных переходов молекулы SF при насыщении поглощения». ЖЭТФ, 1970, Т, 59, N2 (8), с. 394-403.

3. О. II. ¡Сомпансц, В. С. Летоз;ов.

«Узкие молекулярные разолансы при насыщении поглощения а разнесенных световых лучах».

Письма в ЖЭТФ, 1971, т. 14, в. 1, с. 20-23.

4. О. Ii. Компанец, В. С. Летохов.

«Исследование узких резонапсов при насыщении поглощения молекулы

SF6 излучением С02-лазера>.

ЖЭТФ, 1972, Т. 62, В. 4. с. 1302-1311.

5. 0. Н. Компанец, А. Р. Кукуджаноо, B.C. Летохов, Е. Л. Михайлов. «Стабилизация частоты лазера на двуокиси углерода с сомощью внешней нелинейно поглощающей ячейки на SF ».

Квантовая электроника, 1973, 1973, N 4 (16), с. 28-34.

6. Ю.А.Горохов, 0. Н. Компанец.

«Охлаждаемый квантовый С02 усилитель бегущей полны с большим коэффициентом усиления». ПТЭ, 1973, N 4. с. 207-208.

7. Е. Л. Михайлов, О. Н. Компанец, А. Р. Кукуджанов. «Высоковольтный стабилизатор тока на основе стандартных блоков». ПТЭ, 1973, N 5, С. 257-258.

8. О. Н. Компанец, А. Р. Кукуджанов, Е.Л.Михайлов. «Стабилизация мощности излучения лазера на двуокиси углерода». Квантовая электроника, 1973, N S (17), с. 122-124.

9. Yu.A.Gorokhov, O.N.Koapanets, V.s.Letokhov, G.A.Gerasimov, Yu.I.Posudin. "Narrow saturation resonances in the spectrum of OsO induced by CO laser radiation".

4 J 2

Optics Communications, 1973, v.7, N 4, p.320-322.

10. 8. M. Гусев, О. ll. '.Сокпанец, A. P. Кукуджанов, B.C.JIbtoxod, £, Jl. Михайлов, «стабилизация частоты С02-лазера с точностью 10 1 по узким оезонансаи SF к OsO ».

- . 6 4

Квантовая электрокика, 1974, т. 1, N 11, с. 246S-2470.

11 С. Н. ¡Сокпанеи, В. С. Лег охов, В. Г.Ммногик. «Исследование возбуждения колебательных уровней молекулы четырех-окиси осмия излучением СО^-лазера непрерывного действия». К.вантоЕая электроника., 1975, т. 2, N 2, с. 370-379.

12. 0. Н. Компанец, а . Р. Кукуджанов, Е. Л. Михайлос. «Получение высокостабяльного непрерывного излучения С0г-лазеров при помощи автоподегройки частоты». ПТЭ, 1975, N 1, С. 250, ВИЛИГИ N 3242-74 ДОЯ.

13. О. Н. Компанец, А. Р. Кукуджанов, В.С.Летохов, Б.Г.Миногин, Е.Л.Михайлов. «--Нелинейная лазерная спектроскопия колебательно-вращательных переходов моноиэотопных молекул 0э04 и стабилизация частоты СО^-лазера». ЖЭТФ, 1975, т. 69, в. 1 (7), с. 32-47.

14. O.N.Kompanets, A.R.Kukudzhanov, V.s.Letokhov, L.L.Gervits. "Narrow resonances of saturated absorption of the asymmetrical molecule CHFClBr and the possibility of weak current detection in rcolecular physics".

Optics Communications, 1976, v. 19, N.3, p.414-416.

15. Û.N.Korapanets, A.R.Kukudzhanov, V.s.Letokhov, E.L.Mikhai-lov. "Frequency stabilized C0o laser using OsO^ saturation resonances". Proceedings of the 2nd frequency standards and metrology symposium, Copper Mountain, Colorado, USA, July 5-7, 1976, p.167-181.

16 0. H. KoMnaneu, A. P. KLyKynttaHon, E. J1. KHxaiiJics. «K sonpocy o 6ocnpoii3Bonv:MocTïi nacTOTti CO^/ûsO -jn3epa».

Квантовая электроника, 1977, т. 4, N 9, с.203 6-2015.

17. О. II. Компанец, Э.С.Летоков. «Газовые лазеры как стандарты частоты и длииы».

Справочник по лазерам, г. 1, «Советское радио», и , 197В, с.221-235.

18. О. н. Компанец, Е.Л.Михайлов. «Гелий-неоновый лазер на О, 63 мкм с нелинейно поглощающей ячейкой на

Квантовая электроника, 197Э, т. 6, N 9, с. 2042-2044.

19. Ю. С. Доннин, II. Б. Кошелковский, В. У.. Татаренков. П. С. Кумлиний, 0. 1!. Компанец, А. Р. Кукуджачов, В. С. Детохов, Е. Л. Кихайлов.

«СО /,920з0 лазер: абсолютная частота световых колебаний и яо-

2' 4 ^

яые возможности».

Письма в ЖЭТФ. 1979, т. 38, а. 5, с. 269-272.

20. С. В. Андреев, О. Н. Компанец, Е. Л. Михайлов. «Стабилизаторы мощности непрерывного лазерного излучения с внешним регулирующем элементом».

Квантовая электроника, 1330, т. 7, N 1, с. 147- 134.

21. О. II. Компанец, II. А. Мельников, Е Л. Михайлов. Т.р В. II. Снулаковский, В. С, Соловьев, «Измерение ц сравнение излучения гелий-неоновых лазеров, стабилизированных г.о резонансам в 1^».

Измерительная техника, 138 1, N 12, с. 654-656.

22. Г. Л. Алхазов, А.Е. Барзах, Э. Е. Бсрлович, В. П. Денисов,

A. Г. Яернятин, А. II. Жерихин, В.С.Иванов, О. II. Компанец. В С. Лзтохов

B.И.Мишин, В. II. Федосеев. «Измерение изотопических изменений зарядовых радиусов ядер европия методом трехступенчатой лазерной фотоионизации атомов».

Письма в ЖЭТФ. 1983, т.З7, 0.5. с. 231-234.

23. Г. Д. Алхазов, А.Е. Барзах, 3. Е. ЕГерлозкч, В. П. Денисов,

A. Г. Дернятин, В. С. Иванов, А. ¡1. Жерихин, 0. II. Компанец, 3. С.Летохов.

B. И. Яншин, В. II. Федосеев. «Измерение оптических изотопических сдвигов у радиоактивных атомов на лазерно-ядерном комплексе масс-сепаратора ИРИС». Препринт ЛИНФ им. Б. П. Константинова АИ СССР. 1983.

. Морозоза, длин волн нелинейным

N 308. с- i-ao.

24. Г 5. Алха-5 оя, А.Е. Барзах, Э. Е. Берлович, В. П. Денисов,

А Г Леонятин, л. И. корихи», В. с. йпаков, О. К. Коипанец, В.С.Петохов, Е й. Мишин, в ¡1. Федосеев. «Лазерная фотоионизационная спектроскопия высокого разрешения радиоактивных изотопов овропия>. ЖЭТФ, 1984. т. BS, в. 4. с. 1249- 1262.

25. О.Н.Компаиец. «Лазерная спектроскопия колебательно-враща-тельтя переходов молекулы 1870 s0.>.

Сб. «Стабкльиый изотоп осмкм-137 в научных исследованиях», Наука, длка-Лта, 'S34, с. SS-SS.

Zb. о. н. Компании. <Нетодц и установки лазерного атомного спектрального анализа'1-.

Лазерное оптическое к спектральное приборостроение (Материалы Всесоюзной научно-технической школы-семинара.) . 1986, Минск, 110 АН БССР. С, 175-131.

27 Е М. Гусос, С Ii. Компаиец. «Оптогальванический эффект в аргоне и контроль длины воллы лазеров>.

Квантовая электроника, 19S7, т. 14. М 11, с.2373-2381.

28 О. Н. Компанец, В. Я. Мишин, И. И Кестерук.

«Импульсный лазер на красителях с прецизионной автоматической перестройкой длины золны ьзлучения на основе электродинамического привода попорота дифракционной решетки>. Квантовая электроника, 1988, т. 15, N 3, с. 455-453.

29. о. Г.. Компанец, В. К. Мишки, импульсный лазер на красителях с поворота дисперсионных элементов». КЕашовам электроника, 19В9, т. 16,

К.Н.Нестерук. «Узкопалосный электродинамическими приводами

Я 5, с.965-967.

30 А. Г. Антипенко, Г. И. Беков, Г. Г. Девятых, О. Н. Компаноц, В, С. Летохов, Г. А. Максимов, В. Н. Радаез, С.К.Шапин. «Лазерный атомно-фотсионизационный споктрометр для анализа твердых высокочистых веысств. Определение фемтограмиовых содержаний примеси галлия в германии-».

Быс^кочистыв всасства, 1938, я 2. с. 136-143.

21. В. с. Ыишковский, 0. н. Компанец, ii. В. Марченко. «Автоматическое управление перестраиваемым лазером на красителях с электродинамически приволок поворота дифракционной решетки». Квантовая электроника. 1989, т. 16, N 3, с. ■172-474.

32. С. В. Архангельский, М. А Боиылов, В.В.Ермолов, А, 3. Зы5ин, В. г. Колошников, о. ii. Компаноц, е Л. Михайлов, И. н. Нестерук,

B. а. Пакутнев, В. С. ШтлковсннЯ. •Лазерный атомно-флуоресцонтный спектрометр ЛАФС-1 для определения микропримесей элементоя в жидких и твердых образцах^

Квантовая электроника, 1989, т. 16. N 7 с 1499-1505.

33. Apatin V.M., Arkiinnrjolskii П.V. , Bolshov M.A., Boutron

C.F.,Ermolov V.V., Koloshnikov V.o., Kompanets O.N., Kuznetsov N.I., Mikhailov E.L., Shislikovol;j.i У.Я. "Automated laser excited atomic fluorescence spectrometer for determination of trace concentrations of elements".

Spectrochim. Acta, 1989, v.4-',b, :! p.253-262.

34. M. A . Большом., о. II. к.омляноп, iC Л. Михайлов, «Лазерный атомн o-флуоресцеитный аналитический о^-ктроиетр ЛАФАС-1».

Паучно-техияческио достижения Межотр. науч.-техн. сб. /ВНИИ, 19S0, вып 3, с.69-72.

35. Г. И Беков. О II Ч'омпопеи, Е.П.Михайлов. «Лазерный атомно-фотоионизационнии ан..л и i ический спектрометр ЛАФКС-1» Научно-технические достиженич Межотр. науч.-техн. сб. /ВИМИ, 1990, вып.3, c.72-7S.

36. В. И. Русел, 0,1! К.-тпанец, М. А. Павлов. «Частотный лазер на красителях с микропроцессорным управлением длиной волчы». Перестраивав м ые лазерм Труды V Международной конференции (сонтябрь, 20-2?,, Iiis;), г,г. ¡' кал) , часть I, 1990, с.282-286. Научно-технические дог i и.ммия Межотр. науч.-техн. сб. / ВИМИ, 1990, в. S.

37 д и длено,(н.'ф< г. а а. Качанов, О. Н. Компаноц. «Лазерный ,1з,ну,1П';н, :ч м-,; волн с интерферометром Фнзо. Анализ систематичен!. *.. -чи л «.»•:• перения.

Перестраис.и-ч...- ч* : •;• . . '•' Иеждународной конференции ( 1983,

ч 1

сентябрь, Байкал), часть I. 1930, с. 308-312.

38. Б. К. 4П£.гкя, Г Я. Sскоп, В. А. Веселов, В II Ермолов, К, В. Колпаков. О. Л. Компане:; Е. Л. Михайлов, А. Г. Рухлиа.

«Ультрачувствлтельны;: автоматизированный лазерный атокно-фотокони-зационный аналитический спектрометр ЛАФИС- 1».

Известия Акадолки наук СССР 1сери>:: физическая) 1990, т.54, N 8, с. 1526- 1530.

29. Eolshov И.A., Boutron C.F., Ducroz P.M., Gorlach и., КолриГ.сха O.N. , Rudnev S.tf, Hutbch В. "Direct ultratrace determination of cadmiuja down to 0,1 pg/g level in Antarctic and Greenland snow and ice by lase.r etuaie fluorescence spectrometry". Analitioa Chim. Acta, 1991, v.251, p. 1S9-17S.

40. h А.Еольаоя, 0. К. Компансц. «Способ лазерного атомно-флуо-ресцонткого аналкза>.

Лат. свидетельство Н 1813958, СССР. 1991.

11, Г. И. Беков, О. II. Кокпанец «Способ онизацконкого анализа».

Авт. свидетельстьо N 1825122, СССР. 1992

лазерного атонио-фотои-