Волноводный СО лазер с перестраиваемой частотой излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

. МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ВОЛНОВОДНЫЙ СО. ЛАЗЕР С ПЕРЕС!РАИВАЕМОЙ ЧАСТОТОЙ ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата ■ физико-математических наук

РГ8 ОА

На правах рукописи

яИ" —П

ТЫМПЕР Сергей Иосифович

Автор:

Москва 1995 г.

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете).

Научный руководитель - кандидат физико-математических

наук С.Т. Корнилов.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

Н.И. Липатов, кандидат технических наук В.И.Масычев,

Ведущая организация - Физический институт Российской

академии наук.

Защита состоится 1995 г. в 16 час.00 мин. на

заседании, диссертационного совета в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете) по адресу: Москва, 115409, Каширское шоссе, 31, тел. 324-34-98, 323-91-6?.

* •

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземляре, заверенный печатью организации.

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

: ■■ • ' 1.' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

- .-. • Актуалькость темы. Создание лазеров с перестраиваемой частотой излучения остается одной из важных задач квантовой . электроники. Возможность перестройки частоты в сочетании с монохроматичностью излучения открывает перспективы применения таких лазеров в различных областях.- В этом отношении особый интерес представляют молекулярные газовые лазеры, обладающие , высокими энергетическими параметрами, широким спектром и хорошим пространственным распределением интенсивности излучения. Использование резонаторов волноводного типа позволяет наряду с уменьшением габаритов и повышением надежности улучшить энергетические и спектральные характеристики таких лазеров.

В "астоящее время наибольшее распространение получили волноводные.СО-г лазеры с длиной волны излучения 9,2...10,8 мкм, которые хорошо изучены и освоены промышленностью. Гораздо меньшее число работ посвящено волноводным СО лазерам с излучением в спектральной области 5...6,5 мкм, которые, по-видимому, не менее перспективны. Более коротковолновый диапазон генерации СО лазера обеспечивает дополнительные возможности их использования в технологических процессах, медицине, волоконно-оптических системах. Перестраиваемые водноводные СО лазеры могут найти применение в спектроскопии и системах газоанализа, так как их спектр излучения. перекрывает полосы поглощения большого числа тазов, таких как окислы азота, кетоны, альдегиды- и углеводороды, детектирование которых представляет практи-, ческий интерес. Однако для этого необходимо"обеспечить селек--щш линий генерации, а также дискретную и плавную перестройку частоты. Эти задачи решаются в лазере с селективным резонатором. ,Обычно, в волноводных газовых лазерах в качестве селектора используется 'дифракционная решетка, позволяющая выбрать рабочий переход. Оптические элементы располагаются вблизи торцов " волновода, обеспечивая максимальную величину области свободной. спектральной дисперсии резонатора, а также простоту и технологичность конструкции лазера. Именно такие волноводные СО лазеры и являются предметом настоящих исследований.

К началу данной работы в литературе имелись результаты Исследования волноводных СО лазеров с неселективным резонатором. Лишь в одной работе сообщалось о получении генерации в

лазере с дисперсионным резонатором, где в качестве селектора использовалась дифракционная решетка. ; Однако такой режим был реализован при условии прокачки рабочей смеси, охлажденной до -71°С, а-спектр излучения состоял из нескольких слабых линий. Вместе с тем, результаты исследований перестраиваемых по частоте СО лазеров с открытым резонатором позволяли надеяться ка создание аналогичных прибороЕ с резонатором волноеодного типа и обладающих преимуществами волноводных лазеров. -

Успешное использование высокочастотного разряда емкостного типа (ВЧР) для накачки перестраиваемых волноводных. СОг лазеров обусловило интерес к его применению и в волноводных лазерах на молекуле окиси углерода. Дело в том, что в ВЧР взаимодействие заряженных частиц с поверхность» электродов сводится к минимуму. Этот факт имеет большое значение е СО лазерах, в разряде которых идут интенсивные плазмохшические реакции, приводящие к разрушению электродов, деградации смеси и сокращению ресурса лазера. Преимущества ВЧР и отсутствие данных о его использовании в волноводных СО лазерах стимулировали исследования, направленные на создание такого лазера, возбуждаемого ВЧР. и улучшение его спектральных и энергетических характеристик.

Дель работы. Разработка и исследование перестраиваемых по частоте волноводных СО лазеров, работающих при температуре, близкой к комнатной без прокачки рабочей смеси, создание волноводных СО лазеров с ВЧ накачкой, проведение исследований, направленных на расширение спектра генерации и диапазона плавной перестройки частоты волноводных СО лазеров, изучение возможностей применения различных вариантов таких лазеров для спектроскопии и газоанализа.

Научная новизна работы.

1. Проведены экспериментальные исследования коэффициента усиления волноводного СО лазера, возбуждаемого разрядом постоянного тока (РПТ) и ВЧР. Показано, что коэффициент усиления возрастает с уменьшением поперечного сечения волноеодз, температуры стенок и при использовании ВЧ накачки. Оптимизирован состав смеси и параметры накачки волноеодного СО лазера. Пред-, ложен и исследован способ стабилизации ВЧР посредством добавок в смесь малых количеств Ог или соо. По экспериментальным результатам проведена оценка поступательной и колебательной тем-

ператур в активной среде лазера. Показано, что причиной нарушения законов подобия может являться пристеночная релаксация возбужденных молекул.

2. Получена генерация в волноводном СО лазере с селективным резонатором и запущен волноводный СО лазер с ВЧ накачкой. Исследованы и оптимизированы спектральные и энергетические характеристики волноводкого СО лазера на изотопических модификациях молекулы СО, получен, диапазон плавной перестройки частоты 550'МГц.'Исследованы переходные режимы генерации, возникающие при перестройке или переключении частоты в волнсвсдком СО . лазере.

3. Реализован режим;двухчастотной переключаемой генерации в волноводном СО лазере, -^использовавшийся для детектирования окиси.азота в газовых смесях. Перестраиваемый по частоте волноводный СО лазер использован для детектирования газов N02, №з, С0(СНз)г и НгО. Получен атлас линий поглощения, уточнены частотное положение центров линий поглощения и их относительные интенсивности. Измерены коэффициенты поглощения линий в диапазоне генерации волноводного СО лазера, а также коэффициенты ударного уширения линий N02 и НгО при столкновениях с азотом. Показана возможность высокочувствительного селективного детектирования этих газов, определены их минимальные обнаружимте концентрации.

Практическая ценность работы. - ■ Проведенные' исследования, явились основой для создания компактных, технологичных полноводных СО лазеров с перестраиваемой частотой излучения. Такие лазеры могут использоваться в . научных исследованиях, для спектроскопии молекулярных сред, в системах газоанализа, в частности, в медицине - для диагностики сахарного диабета.

Вклад автора. Изложенные в работе результаты получены автором лично или в соавторстве при его непосредственном участии. ....... .. . . • V,, " " ■ ' ' ''•*

'-■Апробация работы. Основные результаты диссертации были, тредстаслены на Всесоюзной конференции. "Метрологическое обес-чечение измерений частотных и спектральных характеристик излу-iemя лазеров" (г. Харьков, 1982 г.), на 4-й Всесоюзной конференции "Перестраиваемые по частоте лазеры" (г. Новосибирск, 1983 г.), на 2-й Всесоюзной конференции "Метрологическое обес-течение измерений частотных и спектральных характеристик излу-

чения лазеров" (г. Харьков, 1990 г.). на 7-й международной конференции по фотоакустическим,»! фототермртеским явлэдиямДг. Доорверт, Нидерланды,-1991 р.), на конференции "Оптика лазеров" (С.Петербург, 1993 г.), на-,научно-технической конференции "Разработка и применение лазеров в медицине" (г. Ростов Ярославский, 1990), на 9-й конференции по химии высокочистых веществ (г. Н. Новгород, 1992 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех разделов и заключения. В каждом разделе, кроме основного содержания, дается краткий обзор литературы,: .где приводятся известные результаты и формулируются проблемы, решению которых посвящено изложение оригинального метериала. Общий объем составляет 145 страниц машинописного текста, включая 37 рисунков, 5 таблиц и список литературных ссылок из 132 наименований. "

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования коэффициента усиления в плазме волноводных СО лазеров, возбуждаемых РПТ и ВЧР в зависимости' от параметров разряда, волновода и рабочей смеси;

2. Разработка и запуск волноводного СО лазера с ВЧ накач: кой, волноводных СО лазеров с селективным резонатором, возбуждаемых РПТ и ВЧР, оптимизация их спектральных и энергетических-характеристик. Получение генерации на 163 колебательно-вращательных переходах молекул 12С1б0 и 13ci60 в диапазоне длин волн 5,28...6,23 мкм с диапазоном плавной перестройки частоты 490 МГц для более чем 100 линий спектра.

3. Результаты исследования и оптимизации диапазона плавной перестройки частоты волноводного СО лазера. Получение диапазона перестройки частоты в пределах 550 МГц. Результаты исследования переходных режимов генерации,' возникающих при различных скоростях перестройки частоты лазера. Разработка двух-волнавого волноводного СО лазера с частотой излучения, переключаемой между двумя колебательно-вращательными переходами.

4. Результаты регистрации спектров поглощения молекул с помощью перестраиваемого волноводного СО лазера оптотермичес-ким методом, позволившие уточнить коэффициенты поглощения, положение центральных частот и относительные интенсивности по-

глощаших линий, а также оценить предельные обнаружимте концентрации исследовавйихся г'азов; Результаты применения волно-водного СО лазера с переключаемой частотой излучения для газоанализа по методу дифференциального поглощения.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Разработке и исследованию волноводных СО лазеров предшествовало изучение одной из важнейших характеристик их активной среды - ненасыщенного коэффициента усиления, который измерялся в лазерных усилителях, представлявших собой волноводы, наполненные рабочей смесь» газов: Возбуждение активной среды в усилителях осуществлялось электрическим РПТ и ВЧР на частотах 84 и 128 МГц. Стенки.волновода охлаждались жидким хладоагентом. В случае усилителей, возбуждаемых РПТ, применялись волноводы с ' квадратным сечением, изготовленные из керамических пластин ВеО и AI2O3, а также капилляры из плавленного кварца.

Волноводы в усилителях с ВЧ накачкой были образовывали ме-талло-диэлектрической структурой, собранной из пластин Al и ВеО. Металлические пластины одновременно являлись электродами, между которыми возбуждался поперечный ВЧР. ВЧ мощность подводилась к центру одного из электродов. Второй, заземленный электрод, охлаждался жидким хладоагентом. ВЧР возбуждался • с помощью несимметричного 84 генератора-усилителя. Для улучшения однородности разряда использовались'индуктивные окончания, корректирующие профиль распределения напряжения на электродах.■ -

Коэффициент усиления волноводного лазера измерялся методом балансного сравнения мощности зондирующего излучения СО лазера на. входе и выходе усилителя. Оптическая схема измерений • значительно упрощалась при переходе к усилителям с ВЧ накачкой. В этом случае использовался тот факт, что модуляция. ВЧ мощ--ности приводит' к модуляции излучения на выходе волновода, регистрируемой фотоприемником. Величину сигнала усиления в этом случае регистрировал фотоприемник по одноканальной схеме.

В экспериментах исследовались зависимости коэффициента усиления от давления, состава смеси, параметров накачки, поперечного сечения и температуры стенок волновода. Для каждого усилителя существует оптимальное давление и ток разряда (мощности,. вкладываемая на единицу длины), а также оптимальная

смесь. Козффицинент усиления растет с уменьшением поперечного сечения и температуры стенок волновода, при переходе к материалу волновода с большей теплопроводностью и при переходе от РПТ к ВЧР. • Полученные максимальные коэффициенты усиления (G ~ 1 м"1) в 5...10 раз превосходят соответствующие величины для лазеров низкого давления. • .

Увеличение коэффициента усиления с уменьшением поперечного сечения Еолновода в целом находится в соответствии с теорией подобия разрядов.. Более быстрый рост реального коэффициента усиления можно объяснить возрастанием влияния релаксации молекул на стенках волновода, приводящем к снижению поступательной температуры газа. Уменьшение поперечного сечения волновода менее 1 мм нецелесообразно, так как это приводит к эффективному сокращению области существования инверсии и росту оптических потерь, которые становятся сравнимыми с коэффициентом усиления.

Коэффициент усиления.лазеров, использующих ВЧР при одинаковых экспериментальных условиях на "0...50% превосходит соответствующую величину усилителей,; использующих РПТ. Этот факт следует связать с различием в пространственной структуре разрядов. Как следует из оценок, учитывающих теплопроводность, однородное вне призлектродных областей энерговыделение в случае ВЧР приводит в одинаковых экспериментальных условиях к снижению температуры газа на оси волновода на (20...30)°С .по сравнению с РПТ, что и объясняет разницу в величинах коэффициента усиления.

Результаты измерения коэффициентов усиления различных линий спектра позволили.оценить поступательную' и колебательную температуру газа в разряде. Эти величины составили 350...380 К и 2500...3000 К соответственно.

Оптимизированы составы смесей волноводного СО лазера. Существенно важным оказалось, в отличие от РПТ, добавление в рабочую смесь ВЧР кислорода, в отсутствие которого реализовать устойчивый разряд не удается. Вместо Ог возможно добавление СОг, который, вследствие интенсивных плазмохимических реакций, диссоциирует в разряде, образуя смесь, близкую по составу к смесям, содержащим кислород.

Проведенные исследования позволили разработать перестраиваемые по частоте волноводные СО лазеры. Резонатор лазера об-

разоЕЫвался волноводом, дифракционной решеткой и плоским зеркалом, установленным на пъезозлементе. Понижение температуры стенок волновода достигалось посредством применения батареи термоэлектрических - преобразователей на основе эффекта Пельтье, охлаждаемых водой.

Регистрации спектров предшествовала оптимизация параметров лазера с целью увеличения числа колебательно-вращательных переколов,-диапазона "плавной перестройки' частоты и выходной мощности. Максимальный диапазон длин волн 5,23...6/26 мкм и наибольшее число переходов (163) получены в лазере с ВЧ накачкой, имеющем волновод с размерами 300 * 1,5 * 1,5 мм. Использовались изотопические модификации молекулы окиси углерода 12С160 и 13С1б0. Большая часть переходов имела диапазон плавной перестройки частоты в пределах межмодового расстояния резонатора 490 МГц при выходной мощности на центре перехода 0,01.. .1,0 Вт. Получение генерации на одном заданном г.ерекоде в большинстве случаев оказалось возможным посредством использования дифракционной решетки 300 1/мм, дополнительным варьированием оптических потерь резонатора и величины вкачиваемой мощности.

Диапазон плавной перестройки частоты исследовался в лазере с размерами волновода 180 * 1,5 * 1,5 мм, возбуждаемом ВЧР. Лазер настраивался на отдельный колебательно-вращательный переход, величина диапазона перестройки üv определялась -из частотного периода завнсмостей, равного величине межродового расстояния резонатора. Для получения максимального диапазона перестройки использовались,смеси с большим- содержанием гелия при повышенном . давлении. Максимальный диапазон Av = 550 МГц при мощности 0,5 Вт на центре линии получен' на переходе Piо-9(17) волноводного 12С0 лазера. Полученные результаты позволили оценить максимально возможный диапазон üv волноводного СО лазера в данных экспериментальных условиях. Эта величина составила -v 700 МГц при длине волновода L = £1 см.

При перестройке mill переключении частоты лазера возникновение генерации сопровождается осцилляциями выходной мощности, обусловленными инерционными свойствами среды. Такие процессы подробоно изучены в СОг лазерах низкого давления. Их изучение в волноводных лазерах представляло интерес в связи с такими особенностями рабочих параметров как более высокие коэффи-

- -

циенты усиления и давления смеси. Целесообразно также сравнение характеристик волноводных СО и СОг лазеров. Эксперименты проводились в лазере, возбуждаемом РПТ, на переходах Рю-9(17) и ЮР(20) СО и СОг лазеров соответственно. .'"'..-••••"••

Исследования показали, что интенсивность переходных процессов (время задержки начала генерации, количество и амплитуда осцилляции) в одинаковых экспериментальных условиях уменьшается при переходе от.СОг к СО лазеру, что связано с отличием ширин верхних лазерных уровней и интенсивностей спонтанных шу-в СО и СОг лазерах. Полученные выводы важны с точки зрения практических приложений, так как наличие переходных процессов . в лазерах может заметно снизить чувствительность систем регистрации, основанных на режимах быстрой перестройки или переключения частоты. Следует учитывать, что влияние переходных процессов уменьшается в волноводных лазерах» что связано с более высокими рабочими давлениями, и во всех случаях меньше сказывается на работе СО лазера. *

- Созданные волноводные СО лазеры были использованы для : спектроскопии и газоанадиза. Известно; что при некоторых положениях дифракционной решетки возможна последовательная генерация на двух или нескольких переходах ваяноводного лазера при изменении длины резонатора. В этом случае в лазере возможно получение двухчастотного переключаемого режима, когда генера- . ция осуществляется попеременно на двух выбранных переходах. Такой лазер может быть использован для контроля состава газовых смесей методом дифференциального поглощения.

Разработанный волноводный СО лазер с переключаемой частотой излучения применялся для определения концентрации окиси г. азота в газовых смесях. Измеренные коэффициенты поглощения N0 • позволили выбрать переходы, поглощение на которых заметно отличается . Чувствительность газоанализатора. оценивалась зкспе-риментально- определением известного количества МО, находящегося в иовете в смеси с азотом при атмосферном давлении. Лазер работал на указанных переходах с частотой переключения 1 кГц, разбаланс регистрировался методом синхронного детектирования. Такая частота переключений позволяла избежать влияния переходных процессов, сопровождающих появление генерации на каждом переходе. Минимальное регистрируемое относительное поголощение составило 4 * 10~4. Это эквивалентно минимальной обнаружимся

концентрации N0 Л),4 ррга на трассе 10 и. При использовании даяного.-метода. .необходимо у читывать возможное влияние других 'поглощающих газов на результаты измерений.

Взаимного влияния газов в смеси можно избежать испбльзуя регистрацию при низких давлениях пробы, когда линии поглощения газов имеют доплеровскую ширину и их перекрытие незначительно. С этой точки зрения привлекателен оптотермический (ОТ) метод детектирования, макскздм , чувствительности которого соответс-. твует давлению пробы ~ 1 Тор.. Возможности этого метода изучались в , сочетании с перестраиваемым по частоте волноводным СО лазером. Применение такого лазера в качестве источника излучения является -перспективным в связи с наличием в его спектре . большого; количества переходов^ диапазон плавной перестройки частоты которых в несколько раз превосходит доплеровскую Ширину линий поглощения анализируемых газов. Для получения.ОТ-сигнала, мощность лазерного излучения модулировалась по амплитуде посредством модуляции мощности ВЧ . .накачки. Чувствительность измерений составила 1,6 * 10~в см-1 Вт.Гц~1/2 при давлении 1 Тор.

Исследованы спектры поглощения газов N02, №Нз, ацетона С0(СНз)г и НгО в диапазоне генерации волиоводного СО лазера. Регистрация спектров проводилась при давлении ~ 0,5 Тор для уменьшения влияния столкновительного уширения. Измерены коэффициенты поглощения линий при малом давлении и частотные отстройки центров линий от центров лазерных переходов. Проведены измерения коэффициентов ударного уширения линий поглощения N02 и НгО при столкновениях с азотом. Полученные результаты позволили уточнить спектроскопическую информацию и•выбрать рабочие переходы лазера,-.соответствующие наиболее интенсивным линиям поглощенеия.

Для таких переходов проведена оценка чувствительности газоанализатора. Определены минимальные обнаружимые концентрации газов N02, ИНз, С0(СНз)г и НгО, составившие 60 ррЬ, 100 ррЬ, 300 ррЬ и '( ррЬ на переходах Р19-1в(Н), Р1Э-18(19), Р14-1з(17) и Р16-1509) волноводного 12С1б0 лазера соответственно. Эксперименты показали отсутствие взаимного влияния всех иссдовавшихся газов на результаты измерений, обеспечивающее, наряду с высокой чувствительностью, селективность ОТ газоанализатора на базе волноводного СО лазера.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведены экспериментальные исследования коэффициента усиления в плазме разряда волководного СО лазера, возбуждаемого РПТ и ВЧР, в зависимости от состава и давления рабочей смеси, разрядного тока и мощности ВЧ накачки, материала и поперечного размера волновода.. : :: ->г •'.'

Показано, что коэффициент усиления возрастает с уменьше- д нием сечения волновода, температуры и при переходе от РПТ к ВЧР. В одинаковых экспериментальных условиях коэффициенты усиления лазера, возбуждаемого ВЧР, на 20...50% превосходят соответствующие величины для лазеров, ■ использующих РПТ. Проведе- ; на оптимизация состава рабочей смеси и параметров накачки вол-' новодного СО лазера. У: -.- '.

2. По экспериментальным результатам проведена оценка поступательной и колебательной температур в активной среде лазера. Показано, что в процессе создания инверсии важную роль .играет пристеночная релаксация возбужденных молекул СО и N2, что является причиной нарушения законов подобия в . волкрводиых СО лазерах. ^Л/:.'^;-'"/,V

3. Показана важная роль плазмохимических. реакций, связанных с присутствием кислорода. в активной: среде "лазера. Предло- . жен и исследован способ устранения пульсаций ВЧР посредством добавок в рабочую смесь кислорода или углекислого газа. Определено решающее влияние паров воды, образующихся з разряде, на процесс деградации рабочей смеси волноводного СО лазера.

4. Впервые получена генерация в волноводном СО лазере с селективным резонатором, обеспечивающим дискретную и плавную . перестройку частоты лазера, работающего в отпаянном режиме при температуре, близкой к комнатной. V ; '

Впервые создан волноводный СО лазер, возбуждаемый ВЧР,' с селективным и неселективным резонаторами. Использование ВЧ накачки, а также понижение температуры стенок волновода при помощи термоэлектрических преобразователей, охлаждаемых водой, позволили существенно улучшить спектральные и энергетические характеристики волноводных СО лазеров'.

5. Исследованы спектральные характеристики волноводных лазеров на изотопических модификациях молекулы окиси углерода • 12С160 и 13с160. Получена генерация на 163 переходах в дкапа-

,10. Корнилов С.Т., Прокогтова Н.М., Проценко Е.Д., Тымпер С.И. Исследование поглощения ацетона и аммиака в диапазоне генерации волноводного СО-лазера методом опто-термического детектирования. - ЖПС, 1994, т. 61, N 3-4, с. 210-214.

подписано к печати <?'> / ?.95.

Типография МИФИ, Каширское шоссе, 31

Заказ 9'?//

Тираж 80