Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Использование свойств лазерного излучения, таких как высокая спектральная плотность, когерентность, регулируемость спектральных, временных, поляризационных и пространствешгых характеристик в широких диапазонах позволило поставить спектроскопические исследования на качественно новый уровень, значительно расширить сферу их применений и получить огромный объем новой информации.
В настоящее время в ряду наиболее чувствительных стоят внутрирезонаторные методы лазерной спектроскопии (ВРЛС), дающие возможность регистрировать спектральные линии сред с коэффициентом поглощения до 10'11 см-1.
Высокая чувствительность характеристик выходного излучения лазеров к слабому изменению потерь резонатора вначале была использована для исследования поглощения и усиления газовых сред. При этом ширина спектра генерации была порядка ширины контура исследуемой спектральной линии среды, т.е. реализован неселективный вариант ВРЛС. Вскоре независимым образом появились селективные методы внутрирезонаторных исследовашш, основанные на применении широкополосных лазеров, имеющие наряду с общими чертами и существенные принципиальные отличия от неселективных, а также ряд преимуществ. В дальнейшем именно селективные методы получили наиболее широкое распространение.
Методы ВРЛС с высокой эффективностью применены для исследования слабопоглощающих сред с узкими спектральными линиями. Наиболее впечатляющие результаты получены в области оптики атмосферы, при изучении быстропротекающих химических реакций, плазмы, ряда нелинейных эффектов. Следует отметить, что обеспечивающие наибольшие преимущества ВРЛС селективные методы применялись в основном для абсорбционных измерений.
Внутрирезонаторная спектроскопия мало использовалась для исследования анизотропных сред и поляризационных явлений. Немногочисленные работы в этих направлениях были
выполнены в основном с узкополосными лазерами. Например, внутрирезонаторный эффект был применен для увеличения чувствительности измерений вращения плоскости поляризации света и фазовой анизотропии помещенной в лазерный резонатор среды по частотному расщеплению генерируемых ортогонально поляризованных мод. Были также предложены и реализованы внутрирезонаторные поляризационные методы нелинейной спектроскопии высокого разрешения.
Несмотря на то, что к настоящему времени достигнута чрезвычайно высокая предельная чувствительность вігутрирезонаторньгх измерений, задача ее увеличения остается актуальной. Дело в том, что не всегда принципиально возможно реализовать оптимальные для получения наибольшей чувствительности условия измерений. Такая ситуация имеет место, например, при исследовании методами ВРЛС быстро протекающих процессов, когда используются лазеры с коротким импульсом генерации, либо при необходимости помещения в резонаторе дополнительных оптических элементов, что приводит к возрастанию интерференционных шумов в спектре генерации.
Указанные выше задачи можно эффективно решать с помощью фазово-поляризационных методов. Суть последних состоит в создании дополнительных частотно-зависимых потерь, возникающих за счет индуцированной в среде анизотропии. Эти потери несут информацию об анизотропии среды, в частности - о преобразовании поляризации света в ней. Таким образом, открываются перспективы исследования анизотропных сред и резонансных поляризационных явлений высокочувствительными методами селективной ВРЛС.
Поскольку фазово-поляризационные потери однозначно
связаны с оптической плотностью среды и их частотный
диапазон перекрывается с диапазоном поглощения, они могут
непосредственно влиять на чувствительность
внутрирезонаторньгх измерений. Особый интерес представляет выявление возможности и условий повышения чувствительности.
Помещение поглощающей среды в лазерный резонатор позволяет не только исследовать ее спектроскопические характеристики, но и решать важную обратную задачу управления параметрами генерируемого излучения. Эта задача
остается актуальной в связи с расширением сферы разнообразных применений лазеров. В ряде работ продемонстрирована высокая эффективность использования для этих целей резонансных фазово-поляризационных методов. При этом была осуществлена селекция генерируемых частот вблизи линий однофотонных атомных переходов с использованием поляризационных резонансов, индуцируемых продольным или поперечным магнитным полем в среде. Такие источники необходимы для решения многих задач спектроскопии, голографии, лазерной фотохимии, медицины и др. Актуальной задачей здесь является поиск других поляризационных эффектов, перспективных для создания узкополосных лазерных источников, а также продвижение в область многофотонных переходов. Ее решение требует детального изучения таких эффектов методами внутрирезонаторной спектроскопии и выявления условий, при которых абсорбционные провалы в спектре могут преобразовываться в резонансы мощности генерации широкополосного лазера.
Дополнительные потери оптического резонатора могут быть индуцированы не только фазово-поляризационными, но и фазовыми методами, основанными на быстром изменении его базы. Развитие фазовых методов представляет большой интерес дою интерферометрии, оптической обработки информации, модуляции параметров лазерного излучения и др. При этом далеко не все принципиальные вопросы в фазовых методах были достаточно хорошо разработаны и совсем не изучены их возможности применительно к задачам ВРЛС. Такие исследования представляют несомненный интерес.
Таким образом, к моменту постановки настоящей работы были заложены прочные основы и продемонстрированы возможности в отдельности внутрирезонаторных селективных и фазово-поляризационных методов лазерной спектроскопии. Последние во внутрирезонаторном варианте только начинали использоваться для управления характеристиками генерации узкополосных газовых и широкополосных лазеров (в дальнейшем эти исследования получили широкое развитие как отдельное направление).
Распространение фазово-поляризационных методов в область внутрирезонаторной селективной лазерной
спектроскопии и развитие на этой основе новых применений ВРЛС является актуальной научной задачей. Она включает в себя исследование закономерностей внутрирезонаторного взаимодействия излучения с анизотропными средами и выяснение возможностей использования этих закономерностей для изучения резонансных поляризационных явлений, анизотропных сред, для точных измерений и управления характеристиками лазерного излучения.
Настоящая работа выполнена с целью разработки
физических основ фазово-поляризационной
впутрирезонаторнои селективной лазерной спектроскопии, ее
применения для исследования резонансных поляризационных
явлений, выяснения новых возможностей повышения
чувствительности внутрирезонаторных абсорбционных
измерений, создания новых эффективных методов прецизионных измерений и управления характеристиками генерации широкополосных лазеров.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-исследовать влияние анизотропии, индуцируемой
внешними полями в поглощающей газовой среде, на
параметры, определяющие чувствительность
внутрирезонаторных измерений, в том числе потери, вносимые средой с учетом насыщения поглощения световым полем;
-изучить влияние характеристик анизотропных элементов лазерного внутрирезонаторного спектрометра на параметры используемого в аналитических целях абсорбционного провала в спектре внутрирезонаторного поглощения;
-разработать методику извлечения информации о резонансных поляризационных явлениях из спектров внутрирезонаторного поглощения;
-установить оптимальные условия проведения измерений методами фазово-поляризационной ВРЛС;
-подробно изучить свойства оптических резонаторов с быстро изменяющейся базой и выяснить возможности применения фазовых методов для целей ВРЛС.
Решение перечисленных задач позволило получить ряд новых научных результатов, среди которых наиболее важными являются следующие.
Показано, что резонансная анизотропия, индуцируемая внешним полем в атомарной поглощающей газовой среде, может, влияя на линейную и нелинейную части вносимых средой потерь, изменять глубину абсорбционного провала в спектре внутрирезонаторного поглощения.
Предложен метод фазово-поляризационной селективной внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, основанный на преобразовании анизотропии исследуемой среды в селективные потери резонатора широкополосного лазера.
Предложен принципиально новый путь увеличения
чувствительности вігутрирезонаторньгх измерений,
заключающийся в создании дополнительных потерь лазерного спектрометра на частотах поглощения среды. Реально при индуцировании циркулярной фазовой анизотропии в среде продольным магнитным полем достигнут рост чувствительности не менее чем на порядок.
Впервые экспериментально зарегистрирован и исследован нелинейный магнитооптический эффект - вращение плоскости поляризации света на частотах двухфотонного поглощения атомарной газовой среды в продольном магнитном поле.
Обнаружены, интерпретированы и исследованы резонансы в спектре внутрирезонаторного поглощения при изучении оптически плотных сред, помещенных в продольное магнитное поле. На этой основе предложен новый метод определения больших (до ~2х105 и выше) оптических плотностей.
Методами фазово-поляризационной ВРЛС исследованы и
впервые применены для селекции частот генерации
широкополосного лазера светоиндуцированные
поляризационные резонансы на частотах одно- и двухфотонного поглощения атомарной газовой среды. При этом привязка генерируемого спектра к линиям двухфотонного поглощения осуществлена впервые.
Разделен вклад амплитудньгх и фазовых эффектов при взаимодействии импульсного излучения с нестационарным интерферометром в характеристики выходного сигнала.
Предложен и реализован новый способ перестройки рабочей области интерферометра, использующий дисперсию фазовых характеристик при быстрой внутренней фазовой модуляции излучения.
Предложены новые методы определения расстояний, а также малых (порядка длины световой волны) амплитуд колебаний оптической базы интерферометра и на этой основе -измерения электрооптических и пьезоэлектрических констант материалов в широком диапазоне частот модуляции.
Впервые экспериментально измерены и исследованы в зависимости от различных факторов эффективные потери оптического резонатора, индуцируемые быстрым изменением его базы.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
Предложены и развиты фазово-поляризационные методы селективной ВРЛС, что позволило существенно продвинуть высокочувствительные внутрирезонаторные исследования в область спектроскопии резонансных анизотропных сред и поляризационных явлений.
Выявлены принципиально новые возможности увеличения чувствительности ВРЛС за счет использования индуцируемой в среде анизотропии.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы для определения спектроскопических параметров оптически плотных сред.
Результаты исследований светоиндуцированньгх
поляризационных резонансов перспективны для создания узкополосных лазерных источников, спектр генерации которых привязан к линиям одно- и двухфотонного поглощения атомарных газов.
Методы, основанные на быстром изменении базы оптических резонаторов, могут быть применены для перестройки рабочей области интерферометров без использования дополнительных монохроматизирующих устройств; для измерения электрооптических и пьезоэлектрических констант материалов в широком диапазоне частот модуляции, выходящем за пределы частотной характеристики фоторегистрирующей системы; для измерения расстояний.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Индуцирование внешним полем резонансной анизотропии в исследуемой методом ВРЛС среде при наличии специального вида нерезонансной анизотропии спектрометра
вызывает изменение линейной и нелинейной по световому
полю частей вносимых средой селективных потерь и глубины
используемого для аналитических целей абсорбционного
провала в спектре внутрирезонаторного поглощения, что лежит
в основе фазово-поляризащгошшх методов селективной
вігутрирезонаторной лазерной спектроскопии.
Чувствительность фазово-поляризационной ВРЛС максимальна при примерном равенстве величин амплитудной и фазовой анизотропии спектрометра, включая анизотропию исследуемой среды. Индуцирование в среде резонансной анизотропии позволяет увеличить чувствительность абсорбционной ВРЛС.
2. Наложение продольного магнитного поля на
атомарную газовую среду приводит к асимметрии зависимостей
глубины абсорбционного провала на частотах двухфотошюго
поглощешія от напряженности магнитного поля и от величины
циркулярной фазовой анизотропии спектрометра, что
указывает на наличие магнитооптического вращения плоскости
поляризации света на этих частотах и может быть
использовано для экспериментальной регистрации и
исследования двухфотонного аналога резонансного эффекта
Фарадея.
-
Наложение продольного магнитного поля на оптически плотную поглощающую газовую среду вызывает появление в широком спектре внутрирезонаторного поглощения узких максимумов испускания, проявляющихся в виде одной или нескольких пар, компоненты которых расположены симметрично относительно центра нерасщепленного контура линии поглощения и обусловлены вращением плоскости поляризации света на крыльях линии при кратности угла вращения величине ±к/2. На основе измерения разности частот этих максимумов могут быть определены большие (до -2x105 единиц и выше) оптические плотности сред и соответствующие концентрации поглощающих частиц.
-
Индуцирование мощной световой волной анизотропии в среде на частотах одно- и двухфотошюго поглощения при наличии сильной амплитудной анизотропии внутрирезонаторного спектрометра приводит к трансформации абсорбционных провалов в спектре внутрирезонаторного поглощения на указанных частотах в максимумы мощности излучения, что может быть использовано для исследования
светоиндуцированных резонансных поляризационных явлений и управления спектром генерации широкополосных лазеров вблизи линий одно- и двухфотонных переходов.
5. Дополнительные потери излучения, вызванные
быстрым изменением оптической базы интерферометра Фабри-
Перо, определяются произведением порядка интерференции на
относительную скорость изменения базы, причем зависимость
этих потерь от указанного произведения носит периодический
характер с периодом 0.5, а максимальные потери могут
достигать значений порядка единицы.
6. Быстрая модуляция базы интерферометров может быть
использована для перестройки их рабочей области, для
определения электрооптических и пьезоэлектрических
констант материалов в широком диапазоне частот модуляции,
выходящем за пределы частотной характеристики
фоторегистрирующей системы, а также для измерения
расстояний.
Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора в развитие фазово-поляризационной внутрирезонагорной селективной лазерной спектроскопии. Этот вклад заключается в выборе направления исследований, постановке конкретных задач, получении основных результатов и их , интерпретации. Научный консультант академик А.П. Войтович принимал участие в формировании данного научного направления на начальной стадии, являлся научным руководителем ряда тем, в рамках которых выполнялась работа, принимал участие в обсуждении полученных результатов. Ряд работ выполнен совместно с учениками ДА. Войтовичем и О.Е. Костиком. В.Г. Дубовцу и А.Ч. Измайлову принадлежат расчеты восприимчивостей активной и поглощающей сред. Остальные соавторы оказывали помощь в проведении отдельных экспериментов либо принимали участие в исследованиях, не вошедших в настоящую диссертацию.
Связь работы с крупными научными программами. Исследования по диссертационной работе проводились в рамках Республиканских программ важнейших НИР "Спектроскопия" (темы "Спектроскопия 08. Исследование взаимодействия лазерного излучения с анизотропными средами и разработка фазово-поляризационных методов лазерной
спектроскопии", 1981-1984 гг.; "Спектроскопия 2.40. Развитие
фазовых и фазово-поляризационных методов
внутрирезонаторной спектроскопии", 1986-1988 гг.), "Оптика" (тема "Оптика 2.64. Исследование свойств лазеров и интерферометров с быстроизменяющимися фазовыми и поляризационными параметрами", 1989-1991 гг.), "Фотон" (тема "Фотон 39. Исследования поляризационной динамики нелинейных оптических систем и их применения в спектроскопии и биологии", 1996-1997 гг.) и проекта "Взаимодействие электромагнитных волн оптического диапазона с динамическими резонансными системами", финансируемого в 1992-1994 гг. Фондом фундаментальїшх исследований Республики Беларусь.
Апробация результатов. Основные результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на 20й и 25й конференциях Европейской группы по атомной спектроскопии (Грац, Австрия, 1988 г. и Каен, Франция, 1993 г.); 5й Международной школе по квантовой электронике (Солнечный берег, Болгария, 1988 г.); 6м Советско-Западногерманском семинаре по лазерной спектроскопии (Мюнхен, ФРГ, 1984 г.); 7й и 10й Международных Вавиловских конференциях по нелинейной оптике (Новосибирск, 1981 и 1990 гг.); 10й, 11й и 12й Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1980 г.; Ереван, 1982 г.; Москва, 1985 г.); 5й и 6й Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1987 и 1990 гг.); 6м Симпозиуме по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения (Томск, 1982 г.); Всесоюзном семинаре "Применение лазерных интерферометрических систем для прецизионных измерений (Эльбрус, 1986 г.); Iм и 2м Всесоюзных совещаниях "Когерентные и нелинейные эффекты во внутрирезонаторной лазерной спектроскопии" (Кировоград, 1988 г. и Ленинград, 1991 г.); 2й Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение измерений частоты и спектральных характеристик излучения лазеров (Харьков, 1990 г.); Iй Югославской конференции по форме спектральных линий (Белград, Югославия, 1995 г.), 3й конференции по лазерной физике и спектроскопии (Гродно, 1997 г.).
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 41 работе: 23 статьях, 3 препринтах , 4 авторских свидетельствах и 11 тезисах докладов на конференциях. Общее количество страниц опубликованных материалов - 265.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Полный объем составляет 294 страницы, в т.ч. 92 страницы с иллюстрациями и 29 страниц со списком использованных источников из 318 наименований.
