Управление спектром излучения лазеров на красителях резонансным фазово-поляризационными методами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Б.И.СТЕПАНОВА

— Г" А п

" < Л Ъ ¿1

и )>;;■/ УДК 621.378.325

РУНЕЦ Леошл Петрович

УПРАВЛЕНИЕ СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ НА КРАСИТЕЛЯХ РЕЗОНАНСНЫМИ ФАЗОВО-ПОЛЯРИЗАЦИОНННМИ МЕТОДАМИ

(01.04.21 - лазерная физика)

Автореферат

на соискание ученой степени кандидата физико-математических йаук

Минск - 1995

/

Работа выполнена в Академии наук Беларуси

Институте молекулярной и атомной физики

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, член-корреспондент АНБ, профессор Войтович А.П.

кандидат физико-математических нар, старший научный сотрудник Смирнов А.Я.

доктор физико-математических наук, академик АНБ, профессор Бураков B.C.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник мостовников S.A.

Ведущая организация:

Белорусский государственный унйверситет

Зашита состоится 1996 г. в часов на

заседании совета по защите диссертаций Д 01.05.01. в Институте физики АНБ (220602, г.Минск, пр. Фр. Скарины, 70).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФ АНБ. Автореферат разослан t^ft 1995 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций доктор $из.-мат. наук

.А.Афанасьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Для решения многих научных и прикладных • задач, связанных с резонансным воздействием на вещество, требуются стабильный и хорошо воспроизводимый узкий спектр генерации, высокая спектральная плотность излучения, возможность непрерывной или дискретной перестройки спектра в широком интервале и точной настройки его на выбранную длину волны. Наиболее перспективными для создания таких источников излучения являются лазеры с широкой полосой усиления, в частности, лазеры на красителях. Однако для их '.фактического применения спектр генерации необходимо сужать и стабилизировать.

Существующие метода управления спектральными характеристиками широкополосных лазеров имеют как свои достоинства, так и недостатки, и не являются универсальными. Многообразие же выдвигаемых практикой задач стимулирует развитие новых, дополняющих друг друга методов.

Одними из таких новых методов и явились резонансные фазово-поляризационные методы (РИМ) управления спектром генерируемого излучения. С помощь» таких методов была получена селекция частот излучения гелий-неонового лазера на длинах волн 0,63 и 1,15 мкм при индуцировании в активной среде продольным (или поперечным) магнитным полем циркулярной (или линейной) фазовой анизотропии.

Цель диссертационной работы заключалась в разработке вариантов резонансных фазово-поляризационных методов, пригодных для управления и стабилизации спектра излучения импульсных широкополосных лазеров на красителях с ламповой накачкой, и создание на их основе узкополосных лазерных источников излучения для прикладных целей.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем.

1. Рассчитаны частотны» зависимости пропускания резонатора лазера с резонансным фазово-поляризационным селектором (ФПС), состоящим из резонансного фазового элемента (поглощающая среда в продольном или поперечном магнитном поле), нерезонансного фазового элемента и поляризатора, для различных параметров селектора. Показано, что ФПС позволяет управлять спектральными характеристиками широкополосных лазеров.

2. Экспериментально изучены спектральные характеристики лазеров на красителях с ФПС. Продемонстрирована возможность получения узкой линии генерации с регулируемой шириной вплоть до

одночастотного режима; линии с шириной, совпадающей с шириной используемой в ФПС лйнии поглощения; двухчастотного режима с •плавной регулировкой частотного интервала между линиями.

3. На основе лазера с ФПС предложен универсальный метод стабилизации частоты узкой линии генерации, применимый даже к

• импульсным лазерам на красителях с ламповой накачкой, работающим в режиме одиночных импульсов.

4. Установлена связь энергетических характеристик лазера с ФПС со спектральными. Показано, что при ширине линии генерации, совпадающей с иириной линии поглощения, энергетическая эффективность при сужении спектра высока и ухудшается при получении одночастотного режима.

5. Исследовано влияние асимметрии контура линии поглощения на спектральные характеристики лазеров с ФПС. Экспериментально доказано, что привязка узкой линии генерации осуществляется к цетру тяжести сложного контура линии поглощения со структурой сверхтонкого расщепления. При наличии нескольких изотопов лазер с ФПС позволяет определять изотопический сдвиг спектральных линий.

6. Предложен новый спектроскопический метод определения ряда параметров атомарных сред, имеющих дублетные спектральные линии со сверхтонкой структурой.

7. На основе двухчастотного режима генерации лазера с ФПС разработан метод измерения больших оптических плотностей.

Связь с крупными научными программами. Работа выполнена в рамках Общесоюзных программ по постановлениям директивных органов: "Лазер 2", "Прибор-4", НТП 0.26.05, НТП 0.72.04, а также Республиканских комплексных программ и тем в области естественных наук: "Спектроскопия 08", "Спектроскопия 2", "Оптика 2", "Лазер 3", "Приборостроение 1,2".

Практическая ценность. Результаты исследований и разработок использованы для научных целей и проведения работ по созданию лазеров с узким стабильным спектром излучения и другой аппаратуры на их основе на предприятиях ВНИИКФИ, ВНИИЭФ, МВТУ, МГУ, ГОЛ, ИВТАН, НПО "Зенит". Созданный макет лазера "Краситель-М" в рамках хоздоговора передан во ВНИИЭФ для применения его в составе измерительного комплекса, а селектор длин волн - в НПО "Зенит", где он использован при изготовлении стабилизированного одночастотного лазера для спектроскопических.

целей.

Переданные заказчикам макеты лазера и селектора позволили им значительно повысить надежность аппаратуры и чувствительность измерений.

Созданные лазерные источники могут быть использованы в спектроскопии, голографш, лазерной фотохимии, -интерферометрии, для разделения изотопов и в других областях, где требуется резонансное воздействие на вещество.

Защищаемые положения.

1. Фазово-поляризационний селектор длин волн с использованием циркулярной фазовой анизотропии, индуцируемой в поглощающей среде продольным магнитным полем, и дополнительного' нерезонансного вращателя плоскости поляризации излучения позволяет сужать спектр излучения лазеров на красителях вплоть до одночастотного с привязкой его к центру линии поглощения, управлять шириной линии генерации, получать двухчастотный режим генерации симметрично центру линий поглощения с плавной регулировкой частотного интервала, переключать узкую линию гвнврациии по линиям поглощения вещества.

2. Фазово-поляризационный селектор длин волн с использованием линейной фазовой анизотропии, индуцируемой в поглощающей среде поперечным магнитным полем, позволяет сужать спектр излучения лазеров на красителях вплоть до одночастотного с привязкой его на крыле линии поглощения, управлять шириной линии генерации, переключать узкую линию генерацию! с одной стороны контура поглощения на другую, получать несколько линий генерации одновременно на различном расстоянии от центра контура поглощения.

3. Резонансный фазово-поляризвционный метод управления спектром генерации позволяет получить воспроизводимость длины волны одномодового излучения лазера на красителе, работающего в режиме одиночных импульсов, в пределах 2*Ю"4нм без каких либо дополнительных систем пассивной и активной стабилизации частоты.

4. При использований в ФПС линии поглощения со структурой сверхтонкого расщепления сужение и привязка спектра излучения лазера происходит к центру тяжести сложного асимметричного контура поглощения.

5. По величине сдвига линии генерации при изменении изотопного состава используемого в ФПС вещества можно определять

процентное соотношение изотопов а также величину изотопического сдвига спектральных линий.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладыввлись и обсуадались на 6-ой Республиканской конференции молодых ученых (Минск, 1978), 13-ой Научно-технической конференции молодых ученых (Ленинград, 1980), 3-ей Всесоюзной конференции "Лазеры на основе сложных органических соединений и их применения" (Ужгород, 1980), 3-ей Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1981), Республиканской конференции молодых ученых, по физике (Могилев, 1982), 10-ой Юбилейной национальной конференции по атомной спектроскопии с международным участием (Велико . Тырново, 1982), Республиканской научно-технической конференции "Проблемы создания и применения в народном хозяйстве лазерной и опто-электронной техники" (Минск, 1982), 19-ом Всесоюзном съезде по спектроскопии'(Томск, 1983), 6-ом Межреспубликанском научном семинаре "Квантовая влектроника и лазерная спектроскопия" (Вильнюс, 1984), 2-ой Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение измерений частотных, и спектральных характеристик излучения лазеров" (Харьков, 1990), 2-ом Всесоюзном совещании по нелинейным и когерентным эффектам во внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (Ленинград, 1991), 25-ой Международной конференции Е.Б.А.Б. (Каен, 1993), 26-ой Международной конференции Е.О.А.5. (Барселона, 1994).

Личный вклад автора. Диссертация отражает личный вклад автора в проведенные исследования. Научные руководители

A.П.Войтович и А.Я.Смирнов сформулировали и поставили задачу исследований, оказывали методическую помощь при ее выполнении, участвовали в обсуждении результатов исследований. А.Я.Смирнов,

B.В.Степуро и А.П.Емельянов оказывали помслдь в Проведении некоторых экспериментов. Другие соавторы занимались изучением вопросов, не вошедших в настоящую диссертацию.

Структуру л объем работы. Диссертация состоит из введения, . пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 176 названий. Полный объем диссертации - 1Б2 страницы. Иллюстрации занимают 61 страницу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, сформулирована цель работы, отражена ее новизна, изложены

раткое содержание диссертации и защищаемые положения.

В первой главе приведен обзор литературы, отражающий развитие методов и устройств управления, спектром излучения лазеров, достигнутые успехи "п этом направлении.

Во второй глава рассматриваются общие принципы фазово-поляризашонных методов управления характеристиками лазерного излучения и некоторые способы и схемы их реализации, а также методом матриц Джонса проводится расчет пропускания резонатора лазера с ФПС длин волн, состоящим из резонансного фазового элемента на основе резонансно поглощающей среды, нерезондасного фазового элемента и частичного поляризатора. Проведенные расчеты использованы-для анализа возмоззшх режимов генерации лазера с ФГЮ.

В 2.1 разъясняются общие принципу фазово-поляризациошшх методов и обосновывается целесообразность их использования для лазеров с широкой полосой усиления. В основе исследуемых резонансных фазово-поляризационных методов управления спектром излучения лазеров лежит использование частотной зависимости величины циркулярной (поворот плоскости поляризации' линейно поляризованной волны) или линейной (разность набега фаз волн с линейными ортогональными поляризациям?) фазовой анизотропии, индуцируемой в поглощающей атомной среде, размещейной внутри лазерного резонатора, внешним полем и приводящей при наличии в резонаторе амплитудного поляризатора к зависящим от частоты в пределах полосы усиления потерям. Задача в нашем случае сводится к получению на определенной частоте (частотах) контура поглощения минимальных значений дополнительных потерь, обусловленных наличием наведенной'в среде анизотропии. Для этого необходимо компенсировать наведенную анизотропию на выбранной частоте (частотах), оставляя- анизотропию или вводя ее дополнительно на всех других частотах в области полосы усиления лазера.

В 2.2 кратко описывается матричный метод Джонса и обосновывается возможность его использования для описания

исследуемой лазерной системы. Ом позволяет учесть наряду с анизотропией резонатора анизотропию, навведенную в поглощавшей среде внешним полем.

Далее в 2.2 рассматривается схема с использованием циркулярной фазовой анизотропии, выводятся соотношения для

расчета пропускания резонатора лазера. Селективное по частоте пропускание рассматриваемого резонатора определяются оптической плотностью поглощения коI в центре нерасщепленного контура спектральной линии, зависящей от частоты циркулярной фазовой анизотропией у(Д) (Д - относительная отстройка частоты от центра контура линии поглощения), индуцируемой в поглощающей среде продольным магнитным полем, дихроизмом поглощения к"),

углом поворота плоскости поляризации в нерезонансном вращателе в и пропусканием поляризатора р.

В 2.3 аналогичным образом рассматривается схема резонатора с использованием линейной фазовой анизотропии, индуцируемой в атомной поглощающей среде поперечным магнитным полем. Выводятся подобные соотношения для расчета пропускания резонатора. Но наряду с теми же величинами Мо1, (V1- к1) и р пропускание резонатора Т определяется в данном случав резонансной линейной фазовой анизотропией р(Д) и независящей от частоты линейной фазовой анизотропией х> индуцируемой в нерезонансном фазовом элементе.

В 2.4. проводятся численные расчеты пропускания резонатора с ФПС и выбор оптимальных соотношений параметров селектора для сужения и привязки спектра излучения лазера. Рассматриваются случаи продольного и поперечного магнитных полей.

Продольное магнитное поле

При выборе оптимальных характеристик резонатора лазера с ФПС необходим подбор совокупности значений параметров, когда обеспечивалось бы подавление генерации за пределами контура линии поглощения в области полосы усиления активной среды при минимальных потерях на выбранных частотах линии поглощения.

Анализ выражений для у(Д) и показывает, что при относительной отстройке частоты от центра контура линии поглощения Д » I и разумных значениях величины зеемановского расщепления Д^, величины V и к стремятся к нулю, и вносимые потери при неизменном Дн определяются только значениями б и р. При этом каждому р соответствует оптимальная величина в*, для которой пропускание резонатора минимально на всех частотах вне контура линии поглощения и равно Т =ра. Исходя из этого сила поляризатора выбирается в соответствий с величиной усиления используемого лязег^, чтобы обеспечить подавление широкополосной генерации ши контура линии поглощения, и соответствующим

образом подбирается оптимальная величина 8*.

В соответствии с величиной (?* выбираются параметры Мо1 и Ди, причем для получения минимума потерь в выбранных точках . контура поглощения должно" выполняться равенство у/=-в*, а поглощение на этой частоте должно быть минимальным.

Анализ расчетных зависимостей Т (Д) для различных значений к I и Ан показывает, что максимум пропускания резонатора, лазера может соответствовать центру контура поглощения, а с ростом Дн расщепляется на два симметричных максимума с минимумом пропускания в центре контура. Расстояние . между максимумами, изменяется пропорционально величине Д„. Кроме того, варьируя указанные параметры можно управлять шириной максимума пропускании.

Поперечное магнитное поле

Выбор оптимальных соотношений параметров аналогичен случвю продольного магнитного поля. Однако, в отличие от предыдущего случая, максимум пропускания находится нв крыле сг-компоаднта.При изменении знака х максимум пропускания располагается, йа другой стороне контура поглощения. Положение максимума Т зависит от характера зеемановского расщепления спектральной линий.

В третьей главе излагаются результаты экспериментальных исследований спектрального состава и воспроизводимости длины волны излучения лазеров на красителях с резонансным ФПС, определяются возможные области перестройки и ширина генерируемых линий, подбираются условия переключения генерации по линиям поглощения вещества, а также проводится сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов.

В 3.1 описывается экспериментальная установка для исследования спектральных характеристик генерируемого излучения, регистрирующая аппаратура и методика измерений.

Раздел 3.2 посвящен изучению спектра излучения лазера о селектором, содержащим поглощаюцу» среду в продольном магнитном поле. Экспериментальные исследования спектрального состава излучения были проведены с импульсным лазером на растворе красителя родамин 61 с ламповой накачкой при сужении и привязке спектра излучения к резонансным П и Б -линиям поглощения натрия с длинами волн X = 589,59 нм и X. = 588,99 км либо к линиям неона с А. = 585,25; 588,2 ; 594,5; 597,5 нм.

При соответствующем выборе совокупности параметров ФПС

получены различный спектральные режимы генерации лазера, предсказанные теоретически во второй главе, а именно: одночастотный режим нв центральной частоте нерасщепленного симметричного контура линии поглощения, двухчастотный (или двухкодаонентный) спектр излучения с плавным изменением расстояния между частотами (компонентами) с изменением дн, а также линия с регулируемой шириной.

В разделе 3.3. изучается спектр излучения лазера с селектором, содержащим поглощащую среду в поперечном магнитном поле. Экспериментально получены одночастотный режим генерации на крыле линии поглощения со стабильным положением частоты в случае линии с простым аффектом Зеемана, перестройка частоты с одной стороны контура поглощения на другую, уширение спектра с увеличением Лн.

Для случая сложного эффекта Зеемана и четного числа а-кошонент получена плавная перестройка генерируемой частоты, а также режим одновременной генерации нескольких линий на различном расстоянии от центра нерасщепленного контура поглощения.

Раздел 3.4. посвящен измерению ширины и исследованию стабильности и воспроизводимости узких линий генерации. Измерения ширины ДА. одиночной линии генерации были выполнены с помощью интерферометра Фабри-Перо (ИФП) с базой 15 ом. Расчет ДХ по интерферограмме показал, что интегральное за импульс значение ДХне- превышало величины 4*10~^нм, что в единицах частоты соответствует примерно 40 МГц.

В лазере на красителе с ФПС в качестве селекторе используется атомная линия поглощения, положение которой весьма стабильно. Поэтому при получении одночастотного режима генерации, в центре контура поглощения стабильно и положение линии генерации. На эксперименте за 6-10 импульсов генерации с интервалом 2-3 минуты значение длины волны генерируемого излучения на центральной частоте контура поглощения не выходило за пределы промежутка ДХ=2*Ю~4нм.

В • четвертой главе приводятся результаты изучения энергетических, пространственных, временных и поляризационных характеристик излучения в совокупности со спектральными, а также предельные возможности исследуемых лазеров. Изучение этих характеристик необходимо для успешного развития практических

применений таких узконолосных лазеров в интерферометрии.

оптической' голографии, спектральном анализе, где решение многих задач зависит от величины и стабильности выходной..- мощности (энергии), длительности"" и формы импульса генерации, пространственных характеристик излучения.

В 4.1. исследуются» потери, вносимые непосредственно элементами ФПС. Показано, что ври определенных требованиях к качеству оптических элементов селектора и тщательной ■ их юстировке вносимые потери незначительны.

В 4.2. исследуются энергетические потери при сужении спектра и выявляется связь энергетических характеристик со спектральными.

Условно можно выделить три режима, значительно различающихся по спектру и энергетике излучения: одаотестотный; многочастотный при ширине линии Дх, равной одной или более допяеровских ширин контура, поглощения; двухволновой с плавно регулируемым интервалом. <5<х. между спектральными компонентами. При этом имеется- определенная взаимосвязь между спектральными и энергетическими характеристиками излучения лазера. Подбор совокупности значений параметров ФПС позволяет получать необходимый спектральный состав излучения и соответствующий ему максимальный энергетический выход.

Максимальная энергетическая эффективность сужения спектра излучения на. одной линии достигнута при ¿Л 4ЛХС. При небольшом превышении наката? над пороговой энергия импульса узкополосной генерации Еуг равнялась 0,8-0,9 ЕщГ (энергии широкополосной генерации при выключенном ФПС). В одночастотном реже таким путем-получена эффективность около 0,1. Однако значение ЕуГ здесь невелико и не превышает десятка мкДя. Величина Еуг может возрастать лишь за счет уширения спектра.

При ширине спектра Дх порядка доплеровской ширины дхр и более длительность импульса генерации тр совпадает с его длительностью в случае широкополосной генерации и равна 1,6+5 мкс. В одночастотном режима тр сокращается до 1-0,5 мкс н практически не зависит от длительности импульса накачки. Такое сокращение тг связано с невысоким превышением усиления над потерями на длине волны генерации, которое необходимо иметь для получения одной частоты генерации с помощью ФПС (селективные потери для соседних мод резонатора различаются на 10-12%» к о

ростом усилений ширина линии генерации увеличивается), а также с существенным влиянием при малом усилении термо- и оптико-акустических аффектов в растворе красителя, приводящих к преждевременному срыву генерации.

Для решения многих задач необходимо иметь более высокие значения энергии стабильного одночастотного излучения, чем достигается в реальных лазерах. В 4.3. приведены результаты по усилению одночастотного излучения лазеров на красителях с ламповой накачкой. Нами был выбран метод инжекции и использовалась схема четырехзеркального связанного резонатора с двумя активными средами.

Синхронизации работы двух лазеров с ламповой накачкой достигалась применением вспомогательного разряда от постороннего высоковольтного источника импульсов напряжешя.

Исследования такой лазерной системы показали, что условия и эффективность захвата спектра более мощного излучения сильно зависят от превышения накачки усилительного лазера над пороговой, величины впрыскиваемого сигнала (зависящего от коэффициента отражения пластинки связи и интенсивности задающего лазера), добротности резонатора усилительного лазера.

Экспериментально установлено, что оптимальный коэффициент отражения пластинки связи При таком значении коэффициента

г энергия впрыскиваемого сигнала была максимальной и равнялась * 10 мкДж. Наиболее' эффективный захват одномодового излучения наблюдался при работе усилительного лазера в предпороговом режиме, однвко в этом случае коэффициент усиления (^цх^вх^ 0ыл невелик (40-50). Максимально достигнутый коэффициент усиления (500) без изменения спектрального состава излучения наблюдался при ЗОЖ превышении накачки над пороговой и наличием собственной генерации усилительного лазера. Коэффициент отражения выходного зеркала при этом составлял Б8Ж.

В 4.4. исследовались расходимость и поляризация излучения импульсных лазеров с ФПС. Измерения расходимости проводились по методу фотографирования изображения пучка ; в дальней зоне. Проведенные измерения угла расходимости излучения & в различных режимах генерации лазера показали, что его величина при узком спектре излучения в данном лазере практически совпадает с углом расходимости при широком спектре генерации и в зависимости от условий колеблется в пределах 3 + 4,5-Ю"3'рад.

Проведенные исследования позволяют заключить, что фактором, определяющим интегральную расходимость исследуемого лазера,, является не угловое распределение интенсивности светового поля . (поперечные моды,'дифракционные эффекты и др.), которое должно улучшаться при сужении спектра с выделением продольных мод, а оптические неоднородности раствора красителя, возникающие на завершающей стадии развитая импульса генерации. Их. более сильное влияние маскирует снижение угла 9 за счет воздействия на конфигурацию поля в резонаторе. В итоге значительного улучшения расходимости пучка в данном лазере не наблюдается.

При исследовании поляризационных характеристик импульсного лазера на красителе с' ламповой накачкой замечено уменьшение степени поляризации генерируемого излучения при переходе к одночастотному режиму. Известно, что при наличии амплитудной анизотропии, частичного поляризатора и фарадеевского элемента в резонаторе поляризация излучения будет оставаться линейной для углов поворота плоскости поляризации излучения в нерезонансном фарадеевском вращателе (НРФВ)

V- р

}0|< | агсзШ -т I.

й ' Р* + Р? 1

Где в - поворот плоскости поляризации излучения в НРФВ,

р и р2 - амплитудные коэффициенты пропускания поляризатора

вдоль двух главных направлений,

и станет эллиптической для больших, углов. Одномодовый режим

генерации реализуется лишь в том случае, когда в > (у>о -

поворот плоскости поляризации излучения на центральной частоте

нерасщепленного контура поглощения). Очевидно в этом случае

|8 - агсвш|

и поляризация становится эллиптической.

В пятой главе исследуется влияние, структуры спектральной линии поглощения, обусловленной сверхтонким расщеплением или сложным изотопным составом вещества, на характеристики излучений лазеров с ФПС. Кроме того, рассматриваются вопросы практического использования такого типа лазеров в спектроскопии.

В 5.1' изучается влияние сверхтонкого расщепления спектральных линий, используемых в ФПС, на положение линии генерации исследуемых лазеров.

Доказано, что прж управлении спектром излучения; лазеров ФП способом с использованием линий поглощения со сверхтонкой структурой привязка частоты генерации при определенных параметрах селектора- происходит к частоте 1>0 перехода меад® центрами тяжести нижнего и верхнего уровней. Это позволяет © высокой точность» определять непосредственно центр тяжести перехода, что в свою очередь дает возможность находить расстояния сверхтонких: компонент от этого центра й-, тем самым, определять спин ядра.

В 6.2. изучается влияние изотопного состава используемого в ®1С вещества на спектральные характеристики исследуемых лазеров.

На примере неона показано, что в случав использования' в- ФПС чистого изотопа Иеао частота' генерации точно совпадает с центром контура испускания (поглощения).. Пр» наличии даже, небольшого количества второго изотопа частота одномодовой генерации смещается от центра контура спектральной: линии основного изотопа в сторону примесного. Причем, положение частоты зависит от величины изотопического сдвига, соотношения изотопов Не20 и Ые"' и величины расщепления Дн. При соотношении Нёго : №"=1:1 частота генерации находится на равном расстоянии от центров линий чистых изотопов.

Экспериментальные исследования) двухкомпонентного режима генерации доказали, что при'использовании в ФПС чистого изотопа отношение интенсивностей двух волн изменяется хаотически от импульса к импульсу, а добавка небольшого количества другого изотопа приводит к неравным интенсивностям обеих волн и к подавлению случайных флуктуаций их отношений. При этом волна с частотой, расположенной на суммарном контуре со стороны примесного изотопа, слабее по интенсивности (либо вообще отсутствует) и имеет большую отстройку от центра контура основного изотопа.

По величине отстройки частоты генерации от центра контура основного изотопа можно определять процентное содержание изотопов в поглощающей ячейке ФПС, а также' с- высокой точностью измерять изотопический сдвиг спектральных линий.

В 5.3. на основе особенностей спектрального состава генерируемого излучения лазеров с ФПС предложен новый метод определения ряда параметров атомарных сред, имеющих дублетные

спектральные линии со сверхтонкой структурой (СТО).

Для резонансных дублетов щелочных металлов с общим нашим уровнем силы осцилляторов / относятся как , и при ~

.отсутствии-СТО-отношение'ко»й[мцйентов поглощения в центре .линий дублета . измеренное в одних и тех же условиях,

всегда равнялось бы двум. В действительности, с учетом СТС отношение к02/ка1 зависит от ширпчы спектральных компонент сложного контура линии поглощения и типа уширения. Измеряя экспериментально данное отношение, можно определять характер уширения и ширину отдельных спектральных компонент без их разрешения в сложном контуре поглощения.

В случае чисто доплеровского утирания по данному отношению определяем Дир, температуру паров и силу осцилляторов переходов. В случае смешанного контура экспериментально определяем значение параметра Фойхта и при независимом измерении температуры пара находим значение Диь и, например, эффективное сечение атома (или в случае наличия буферного газа в поглощающей ячейке эффективное сечение столкновения атомов двух видов).

Для определения оптической плотности используется узкая лазерная линия с высокой спектральной плотностью излучения, насыщающая лазерный переход. Проводя измерения отношения при различных значениях интенсивности зондирующего излучения, при известных характеристиках среды и параметрах лазерного излучения, можно определить параметр насыщения и интенсивность насыщения перехода.

В 5.4. разработан метод определения оптической плотности в центре контура линии поглощения по расстоянию между частотами двухкомпонвнтного спектра излучения лазере с ФПС.

Расстояние между ' спектральными компонентами ДХ генерируемого излучения при прочих неизменных параметрах зависит от величины Мо1 в центре линии поглощения, используемой в ОТО. Этот факт используется для разработки лазерного абсорбционного спектрометра. С этой целью анализируется область возможных значений параметров, для которых данный метод работоспособен. Показано, что данный метод непригоден для определения малых значений ко1, т. к. при малых величинах коI пропускание резонатора мало и генерации просто ш Йудет наблюдаться. Но зато верхний предел определения ко1 гграетта-'-гки не ограничен.

В приложении описываются создавай® на основе проведенных

исследований макетные образцы лазерных источников стабильного узкополосного, излучения для флуоресцентного анализа атомных газообразных сред и интерфэрометрических исследований процессов горения и взрыва. Созданные лазер, кроме указанных- применений, могут быть полезны при решении ряда, задач, в лазерной спектроскопии, голографии, фотохимии, при разделении изотопов и др.

Заклрчение содержит краткий перечень основных результатов.

1. Показано, что фазово-поляризационный селектор длин волн на основе атомной резонансно поглощающей среда и нерезонансного фазового элемента позволяет управлять характеристиками широкополосных лазеров на красителях. С помощью такого селектора получен одаомодовнй .режим генерации в центре «ли на краю контуре линии поглощения, двухволновой режим с плавным изменением интервала между компонентами, увкая линия генерации с изменяемой шириной. Одновременно с сужением спектра генерации происходит стабилизация узкой линии импульсного. лазера без каких либо дополнительных устройств. .

2. Установлен» связь между энергетическими и спектральными характеристиками исследуемых лазеров. Увеличение _ энергии импульсной генерации выше некоторого предела в данном лазере возможно лишь при уюиреняй генерируемого спектра. Причиной, ограшчив8Ющей энергию генерация в одночастотном ' режиме, является небольшое различие в потерях для соседних мод. Эффективное повышение энергий одночэстотного излучения возможно лишь при усилении сигнала, в частности, в схеме со связанными резонаторами.

3. Доказано, что при управлении спектром излучения лазеров фазово-поляризационным способом с использованием линий поглощения со сверхтонкой структурой привязка частоты генерации при определенных параметрах селектора происходит к частоте перехода между центрами тяжести нижнего и верхнего уровней. Это позволяет о высокой степенью точности определять непосредственно центр тяжести перехода, что в свою очередь дает возможность находить расстояния сверхтонких компонент от этого центра и тем самым определять спин ядра.

4. Продемонстрировано, что с помощью исследуемых лазеров возможно определение изотопических сдвигов спектральных линий, а также процентного содержания различных изотопов в их смеси.

5. На основе одаочастотных лазеров предложен новый спектроскопический метод определения ряда параметров атомарных сред, имеющих дублетные, спектральные линии со "сверхтонкой структурой." Он основан на измерении отношения оптических плотностей в центе сложного контура линий поглощения дублета и позволяет определить доплеровскую ширину спектральной компоненты сложного контура поглощения, температуру среда, параметр Фойхта,-параметр насыщения.

6. Предложен метод определения больших оптических, плотностей в центре контура линий поглощения по расстоянию между частотами двухкомпонентного спектра лазера с фазово-поляризациошшм селектором.

7. Создам макетные образцы импульсных лазеров на красителях с ламповой накачкой для решения прикладных задач ? спектроскопии и интерферометрии.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Войтович А.П..Калинов B.C., Манко В.В., Рунец Л.П. Влияние анизотропии поглощащей среды, размещенной в резонаторе лазера на красителе, на характеристики генерируемого излучения. - ДАН БССР, 1979, Т.23, JS 12, с.1092-1095.

2. Войтович А.П., Рунец Л.П., Смирнов А.Я. Сужение и привязка спектра излучения лазера на красителе к атомной линии поглощения. - Письма в ЖТФ, 1980, т.6, в.22, с.1400-1403.

3. Войтович А.П., Калинов B.C., Рунец Л.П., Смирнов А.Я., Тепляишн Л.Л. Управление спектром излучения лазеров с помощью линейной фазовой анизотропии, индуцируемой в усиливающей или поглощающей среде внешним магнитным полем. - Изв АН СССР. Сер. фйз•, 1982, Т.46, Jfi 10, с.1992-1995.

4. Бондарчик Л.А., Прудников В.И., Рунец Л.П., Смирнов А.Я.* Электронные и лазерные приборы. - Минск, 1984, с.19-20. (Препринт Ж534/Институт физики АН БССР).

5. Рунец Л.П., Смирнов А.Я. Расчет потерь резонатора лазера, содержащего элементы для привязки спектра излучения фазово- поляризационным методом. - ЖПС, 1985, т.43, в.6, с.910-917.

6. Войтович A.n., Рунец Л.П., Смирнов А.Я. Спектральные характеристики излучения лазеров на красителях с ламповой накачкой при селекции длин волн генерации фазово-поляризациопным способом. - ЖПС, 1988, т.49, в.З, с.417-423.

. 7. Войтович А.П., Рунец Л.П., Смирнов А.Я. О применении лазеров с фазово-иоляризационным управлением частотой генерации для определения констант структуры спектральных линий атомов. -ЖПС, 1992, т.56, в.5-6, с.703-708.

8. Емельянов А.П., Рунец Л.П., Смирнов А.Я. О связи спектральных, временных и энергетических характеристик излучения лазеров с фазово- поляризационным селектором длин волн. - ЖПС,

■1993, т.68, В.3-4, с.294-300.

9. Рунец Л.П. Сужение спектра и привязка частоты генерации лазера на красителе к атомным линиям поглощения. - В cö.: Тезисы* докладов XIII научно-технической конференции молодых ученых. -Ленинград, 1980, с.128-129.

10. Войтович А.П., Рунец Л.П., Смирнов А.Я. Сужение и привязка спектра излучения лазера на красителе к атомной линии поглощения. В сб.: Тезисы докладов III Всесоюзной конференции "Лазеры на основе сложных . органических соединений и их применения", Ужгород. - Минск,•1980, с.168-160.

11. Войтович А.П., Калинов B.C., Рунец Л.П., Смирнов А.Я.,. Тепляшин Л.Л. Управление спектром- излучения лазеров с помощью линейной фазовой анизотропии, . индуцируемой в усиливающей, или поглощающей среде внешним магнитным полем. В сб.: Тезисы докладов III Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград,

1981, с.233.

12. Рунец Л.П,, Степуро В.В. Управление спектром излучения лазера на красителе с, помощью линейной фазовой анизотропии, индуцируемой- в поглощавдей среде внешним магнитным полем. В сб.: Тезисы докладов Республиканской конференции молодых ученых по физике, Могилев, 1982, с.62.

13. Войтович А.П., Калинов B.C., Рунец Л.П., Смирнов А.Я. Новые лазерные источники света для атомного спектрального анализа. В сб.: Тезисы докладов X Юбилейной национальной конференции по атомной спектроскопии с международным участием, Велико Тырново, НРБ, 1982, с.162.

14. Войтович А.П., Рунец Л.П., Смирнов А.Я. Лазеры с узким спектром излучения, привязанным к атомным линиям поглощения веществ. В сб.: Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции "Проблемы создания и применения в народном хозяйстве лазерной и опто-электронной техники", Минск,

1982, ч.1, с.20.

15. Войтович А.П., Калинов B.C.., Рунец Л.П., Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л. Узкополосные и стабильные по частоте лазерные источники света для атомного спектрального-анализа. В сб.: Тезисы докладов XIX"Всесоюзного съезда по спектроскопии. Томск, ГЭ83, 4.VI, с.12-14.

16. Войтович А.П., Калинов B.C., Рунец Л.П., Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л. Перестраиваемые по частоте лазеры с узким спектром излучения, привязанным к атомным линиям поглощения веществ. В сб.: Тезисы докладов VI" Межреспубликанского научного семинара "Квантовая электроника и лазерная спектроскопия". Вильнюс, 1984, с.З.

17. Войтович А.П.. Емельянов А.П., Попов П.Н., Рунец Л.П., Смирнов А.Я., Тепляшин Я.Л. Узкополосные импульсные лазеры на красителях со стабильной длиной волны генерации для научных и прикладных целей. В сб.: Тезисы докладов II Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспеченно измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров", Харьков, 1990, с.150-151.

18. Войтович А.П., Рунец Л.П., Смирнов А.Я., Тепляшин Л.Л. Фазово- поляризационные систем управления спектром излучения широкополосных лазеров. Веб.: Тезисы докладов II Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение измерений Частотных и спектральных характеристик излучения лазеров**, Х&рьков, 1990, с.106.

19. VoitOvich А.Р., Runeta L.P., Smirnov A.Ya. Laser method of atomic absorbing media parameters determination. - At the Abstracts of 26th E.G.A.S. Conference, Bellaterra (Barcelona), Spain, 1994, p.298-299.

РЕЗЮМЕ. Рунец Леонид Петрович. УПРАВЛЕНИЕ СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ НА КРАСИТЕЛЯХ РЕЗОНАНСНЫМИ ФА30В0-П0ЛЯРИЗА1Щ0НШШ МЕТОДАМИ.

Лазер, резонатор, селектор, анизотропия, магнитное поле, спектр, воспроизводимость, усиление, расходимость, поляризация, спектроскопия.

Разработаны варианты резонансных фазово-поляризационных методов, пригодные для управления и стабилизации спектра излучения импульсных широкополосных лазеров на красителях с ламповой накачкой.

Экспериментально изучены спектральные характеристики Лазеров на красителях с ФПС. Продемонстрирована возможность получения . узкой стабильной линии генерации с регулируемой шириной вплоть до одаочастотного режима; двухчастотного режима с плавной регулировкой частотного интервала между линиями.

Установлена связь энергетических характеристик лазера со спектральными. Исследовано влияние асимметрии контура линии поглощения на спектральные характеристики лазеров с CHIC.

На основе проведенных исследований созданы импульсные лазерные источники с узкой стабильной линией излучения, которые использованы для решения ряда практических задач.

РЭЗШЭ. Рунец Лявон Пятров1ч. KIPABAHHE СПЕКТРАМ ВЬШРАМЕНЬВАННЯ ЛАЗЕРАУ НА ФАРБАВАЛШКАХ РЭЗАНАНСШМ1 ФАЗАВА-ПАЛЯРЫЗАВДЙНЫМ1 МЕТ АДАМI.

Лазер, рэзанатар, селектар, аШзатрагпя, магнинае поле, спектр, узнауляльнасць, узмацненне, разбежнасць, палярызацыя, спектраскаШя.

Распрацаванн варыянты рэзанансных фазава-налярнзадайных метада?, прыдатных да к1равання í стабШзацы! спектра выпраменьввння 1мпульсных шырокапалосных лазера? на фарбавальн!ках з лямпавым напвмпоуваннем.

Эксперыментальна вывучаны спектральныя характарыстык! лазера? на фарбавалыпках з фазава-палярызацыйним селектарам (ФПС). Прадэманстравана магчымасць атрымання вузкай стаб(льнай Л1НИ генерацы! з рэгулюемай шырынбй аж да адначаимннага рэжыму; двухчасщннага рэжыму з плауным рэгуляваннем часшннага ¡нтэрвала пам1ж лшям!.

Усталявана сувязь энергетычных характеристик лазера са спектральным!. Даследагшны уплыу ас1мметры! контура л1н$1 лаглынання на спектральный - характарыстык 1 лазера? а Ж.

На'аснове праведзеных даследаванняу створаны 1мпульсныя лазерный крын1цы з вузкай ста01льнай Л1н1яй выпраменьвання, як!я выкарыстаны для вырашэння шэрагу практычных задач.

SUMMARY. Runeta Leonid Petrovitch. Dye Laser Spectrum Control by Phase-Polarization Methods.

Laser, resonator, selector, anlsotropy, magnetic field, spectrum, frequency reproducibility, amplification, divergency, polarization, spectroscopy.

The phase-polarization methods of flash lamp pumped dye lasers spectrum control and stabilization were developed.

The spectral characteristics of these lasers were experimentally investigated. The narrow line generation with line width control up to one longitudinal mode, two frequency generation with smooth distance regulation between frequencies were demonstrated.

The connection between spectral and energy characteristics was established. The influence of line shape asymmetry on laser spectrum was Investigated.

On the base of obtained results the pulsed lasers with stable narrow generation line were developed. Several application problems were solved with the help of such lasers.