Введение к работе
Актуальность темы. В соответствии с тем, что фаза волны в среде зависит от геометрического пути, поляризации и частоты излучения, можно выделить три типа интерферометров. Интерферометры первых двух типов, у которых две ветви имеют разные геометрические пути либо отличаются поляризацией волн, известны давно и широко применяются [1]. Интерферометры третьего типа предложены в 1980 году одновременно Г.В.Островской, Х.П.Алум, Ю.В.Ковальчук [2] и Ф.А. Хопфом, А.Томито, Г.Эл-Жумейли [3]. Это так называемые дисперсионные интерферометры (ДИ), у которых две ветви соответствуют волнам с разной частотой при одинаковом геометрическом пути.
Конструктивно дисперсионный интерферометр представляет собой два нелинейных оптических удвоителя частоты, между которыми помещается исследуемый объект. Результат интерференции двух волн второй гармоники (ВГ), генерируемых в первом и втором кристалле соответственно до и после прохождения объекта, зависит от дисперсионных свойств исследуемой среды.
К началу настоящей работы (1983 год) были продемонстрированы перспективность и преимущества дисперсионного интерферометра для ряда применений [4, 5].
Актуальной задачей теории и практического использования дисперсионного интерферометра является исследование зависимости интенсивности и формы импульса второй гармоники на выходе интерферометра от относительной разности фаз волн с основной и удвоенной частотой, вносимой фазовым элементом, при различных параметрах излучения и оптических удвоителей частоты. По-видимому, впервые фазовая зависимость интенсивности ВГ экспериментально наблюдалась в работе [7], где с целью повышение эффективности генерации второй гармоники (ГВГ) изучалась двухкристалльная схема.
Исследование фазовых характеристик дисперсионного интерферометра при высокой интенсивности излучения актуально для таких применений как интерферометрия нелинейно-оптических сред [6].
В настоящей работе с помощью ДИ изучался сильноточный разряд в аргоне, интерес к которому связан прежде всего с использованием его в качестве активной среды мощных непрерывных лазеров ультрафиолетового и видимого диапазонов [8]. При исследовании физических процессов, происходящих в плазме аргонового лазера ключевым параметром является плотность электронов, измерению которой посвящено много работ [9]. Однако в интересующей области параметров сильноточных разрядов концентрация электронов измерялась лишь в одной работе [10] по штарковскому уширению водородной линии Нр. В то же время, результаты измерений штарковским методом для области малых токов расходились с данными, полученными интерферометрическими методами [11]
Слабая чувствительность дисперсионного интерферометра к вибрациям делает его привлекательным инструментом диагностики плазмы в установках для термоядерных исследований. Для такого применения дисперсионного интерферометра требовалось разработать измерительные схемы более высокой чувствительности, чем существующие на момент начала настоящей работы.
Представляется перспективным применение дисперсионного интерферометра для исследования оптических сред с показателем преломления, близким к единице. В частности, актуальной задачей является измерение показателя преломления воздуха с высокой точностью. Цель работы состояла в следующем:
-
Исследование нелинейного режима дисперсионного интерферометра.
-
Применение дисперсионного интерферометра для исследования сильноточного разряда аргонового лазера.
-
Разработка ДИ с чувствительностью на уровне Ю-4 полосы и проведение тестовых измерений на установке для термоядерных исследований.
4. Исследование особенностей дисперсионной интерфероме
трии воздуха.
Научная новизна. Проведены первые комплексные исследования фазовых характеристик дисперсионного интерферометра с учетом нелинейной рефракции света в оптических удвоите-
» I
лях частоты.
Предложена и разработана новая схема дисперсионного интерферометра — с линейным интерференционным элементом.
Дисперсионный интерферометр впервые применялся для исследования сильноточного разряда аргонового лазера. Обнаружены, не наблюдавшиеся ранее, особенности в токовой и радиальной зависимостях электронной концентрации.
Разработан компактный высокочувствительный дисперсионный интерферометр, использующий излучение с длиной волны 1,06 мкм, для применения в термоядерных исследованиях. Проведены первые тестовые измерения.
Предложен метод измерения показателя преломления воздуха на длинных трассах для применения совместно с интерференционными измерителями перемещений.
Автор выносит на защиту:
результаты исследования фазовых характеристик дисперсионного интерферометра;
метод измерения параметров оптических удвоителей частоты, отвечающих за нелинейную рефракцию света при генерации второй гармоники на основе нелинейных фазовых характеристик ДИ;
новую схему дисперсионного интерферометра — с линейным интерференционным элементом;
экспериментальную методику и результаты измерений токовых зависимостей и радиальных профилей электронной плотности плазмы сильноточного разряда аргонового лазера;
Высокочувствительный дисперсионный интерферометр и результаты его испытаний на установке для термоядерных исследований;
Метод измерения показателя преломления воздуха. Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях: Всесоюзная конференция «Инверсная заселённость и генерация на переходах атомов и молекул» (Томск, 1986), Международная конференция по физике плазмы (Киев, 1986), III Всесоюзная конференция «Метрология в дальнометрии» (Харьков, 1988), V Всесоюзное совещание по диагностике высокотемпературной плазмы
(Минск, 1990), Международная конференция по физике плазмы (Инсбрук, 1992), IX Международный симпозиум по химическим лазерам и лазерам в газовом потоке (Крит, 1992). Основные результаты диссертации отражены в публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений. Принята сквозная нумерация литературных ссылок, параграфы и рисунки нумеруются по главам. Диссертация содержит 117 страниц основного текста, включая 32 рисунка. Библиография включает 91 наименование.
