Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ- В настоящее време не найден универсальный способ управления характеристиками выходного излучения различных лазеров" и,"""'следовательно,"" разработка нового способа или распространение известного на новые лазерные объекты позволяет расширить диапазон применений лазеров или улучшить результаты при их использовании для решения различных задач.
Наиболее сложной задачей при управлении спектром излучения лазера является настройка его узкополосного излучения на выбранную длину волны. Обычно в непрерывных и частотных лазерах эта задача решается с помощью эталонного источника излучения и системы обратной связи, что значительно усложняет и удорожает прибор или промышленную установку, использующую такой лазер. В лазерах, работающих в режиме редких одиночных импульсов, система обратной связи вообще не может быть применена. В этом случае должна применяться некая специальная система настройки, при которой длина волны каждого отдельного лазерного импульса точно настраивается на выбранную длину волны' без использования сигнала обратной связи. Такая система сужения и настройки излучения лазера к выбранным линиям поглощения создана на основе фазово-поляризационншс методов и получила название фазово-поляризационного (ФП) селектора.
Цель диссертационной работы заключалась в выявлении закономерностей изменения характеристик выходного излучения лазеров на красителях с моноимпульсной лазерной накачкой и различными вариантами ФП-селекторов при изменении параметров этих селекторов и в создании на основе полученных данных источников узкополосного лазерного излучения со стабилизированными длинами волн, настроенными на выбранные линии поглощения вещества.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем.
1. Экспериментально найдены условия сужения и привязки
спектра излучения лазера на красителях с моноимпульсной лазерной
накачкой к линиям поглощения различных веществ.
2. Рассчитаны .зависимости пропускания резонатора для
различных вариантов ФП-селекторов при однородном и неоднородном
уширении линий поглощения вещества резонансного фарадеевского
вращателя (РФВ). Найдены параметры и режимы работы лазеров с ФП-
селектором, при которых осуществляется сужение и привязка спектра
излучения к центру линии поглощения. Получена привязка спектра
излучения к центру линий поглощения широкого круга атомарных веществ.
-
Показано, что при неоднородно уширенной линии поглощения вещества РФВ одиночная бесструктурная линия пропускания резонатора имеет наибольшее пропускание в максимуме, более чем в два раза превышающее наибольшее пропускание в максимуме одиночной бесструктурной линии при однородно уширенной линии поглощения РФВ. При неоднородно уширенной линии поглощения согласованное уменьшение оптической плотности поглощения и напряженности магнитного поля в поглощающей среде приводит к уменьшению ширины одиночной бесструктурной линии пропускания резонатора, в то время как при однородно уширенной линии поглощения аналогичные изменения приводят к появлению структурной линии с несколькими ярко выраженными максимумами.
-
Найдено, что при величине оптической плотности ко1 в центре линии поглощения вещества резонансного фарадеевского вращателя, большей величины минимальной оптической плотности (kol)miri, и величине магнитного расщепления д^н, более чем в 1,5 раза превышающей ширину линии поглощения &v, кривая пропускания резонатора имеет два горизонтальных участка, величина пропускания в которых в зависимости от варианта ФП- селектора равна 0,25 или 0,0625 и не изменяется с ростом Ио1 и д^н- Центры горизонтальных участков совпадают с центрами а±- линий поглощения.
-
Теоретически показано, что в результате влияния насыщения поглощения вещества РФВ импульс узкополосного лазерного излучения, действующего на частоте vQ, самоограничивается по интенсивности и, вследствие этого, имеет уплощенную вершину. Величина максимальной мгновенной' интенсивности узкополосного излучения определяется режимом работы ФП-селектора и величиной интенсивности насыщения атомного перехода, к которому осуществляется привязка спектра излучения.
-
Показано, что в экспериментальных условиях собственное узкополосное излучение лазера, действующее в области частоты i>o, с ростом интенсивности накачки не успевает до появления излучения суперлюминесценции (СЛ) достичь интенсивности, достаточной для заметного насыщения поглощения РФВ. Излучение СЛ в основном и определяет эффекты насыщения. Под ее воздействием ФП- селектор работает как оптический затвор: в начальный момент времени он максимально открыт для излучения на одних частотах и закрыт для
излучения на других частотах. По мере возрастания интенсивности СЛ изменяется пропускание резонатора на различных частотах, что приводит или к сокращению импульса узкополосной генерации с одновременным уменьшением его амплитуда и изменением частотного распределения в спектре или еще и к изменению его временной фермы (появлению новых максимумов).
-
Найдено, что при двухволковом режиме генерации линейное изменение величины магнитного расщепления не приводит к пропорциональному изменению интервала между линиями генерации, а в некотором интервале изменений магнитного расщепления длины волн линий генерации остаются неизменными. Выяснено, что такая зависимость интервала между линиями генерации от величины магнитного расщепления определяется тем, что потери за счет остаточного поглощения и фазово- поляризационных эффектов при некоторых режимах работы ФП-селектора с изменением магнитного расщепления изменяются в противоположных направлениях и по различным законам.
-
Экспериментально исследована воспроизводимость спектра излучения лазера и выявлены основные факторы, влияющие на нее: интерференционные эффекты, автоззхват частоты генерации, насыщение поглощения. Найдено, что воспроизводимость спектра излучения имеет наибольшее значение, когда он состоит из одной узкой линии, привязанной к центру линии поглощения.
-
Определена эффективность сужения спектра при различных режимах работы ФП-селектора. Показано, что для каждой схемы лазера с ФП-селектором существует оптимальная, энергия накачки, при которой эффективность сужения максимальна. Рассмотрены физические процессы, ограничивающие эффективность сужения спектра и энергию узкой линии.
-
Экспериментально исследована воспроизводимость энергии излучения лазера. Найдено, что воспроизводимость энергии сильно зависит от режима работы ФП-селектора и уменьшается с уменьшением ширины линии пропускания резонатора.
-
Исследованы различные схемы резонаторов с различными вариантами ФП-селекторов с целью получения наибольшего отношения сигнал/фон в выходном излучении лазера. Предложена схема линейного резонатора с двумя ФП-селекторами, позволившая получить отношение сигнал/фон=165. (По сравнению с обычными схемами, имеющими один ФП- селектор, увеличение более чем в 50 раз).
12. В лазерах на красителях с. наносекундной длительностью
импульсов генерации при использовании составного резонатора с ФП-
селектором получен полный захват и сужение широкополосного
излучения (бх=20 нм) инжекционным узкополосным излучением
(б\=0,002 нм) без применения дополнительных селектирующих
элементов.
13. Создан лабораторный макет источника узкополосного
лазерного излучения с применением ФП-селектора для
флуоресцентного спектрофотометра. При использовании данного
источника и простейшей системы регистрации получен порог
обнаружения атомов натрия агІсРат/см3.
Связь с крупными научными пшсрзжши- Работа выполнена в рамках Общесоюзных программ по постановлениям директивных органов: Лазер 2, Спектрометр, Прибор-4, а также Республиканских комплексных программ и тем в области естественных наук: Оптика 2, Спектроскопия 0,8, Спектроскопия 2, Лазер 3, Приборостроение I, Приборостроение 2.
Практическая ценность. Результаты исследований и разработок использовались при создании лазерных приборов з ПШО г. Казань, НПО "Зенитн г. Москва.
Защищаемые положения.
1. Бесструктурную узкую линию излучения лазера, привязанную
к центру линии поглощения вещества резонансного фарадеевского
вращателя, можно получить при моноимпульсной лазерной накачке
только при оптических плотностях на линии поглощения, при которых
угол поворота плоскости поляризации в резонансном фарадеевском
вращателе не превосходит значения */4 для фазово-поляризационного
селектора с дополнительным нерезонансным фарадеевским вращателем
и значения п/2 для фазово-поляризационного селектора со
скрещенными поляризаторами.
2. При больших значениях оптической плотности на линии
поглощения вещества резонансного фарадеевского вращателя и малых
значениях напряженности магнитного поля в поглощающем веществе
существует режим работы фазово- поляризационного селектора, при
котором лазер генерирует две узкие линии излучения, привязанные к
внешним крыльям о±- линий поглощения, и длины волн линий
излучения немонотонно зависят от величины напряженности
магнитного поля, а в некоторых интервалах изменения величины
напряженности магнитного поля длины волн линий излучения
5 практически не изменяются.
3. Определяющую роль в насыщении поглощения вещества
резонансного фарадеевского вращателя играет излучение
суперлюминеецэнции, которое в зависимости от начального режима работы фазово- поляризационного селектора приводит к ограничению интенсивности импульса узкополосного излучения, изменению его временной формы (уплощается вершина или появляются два максимума), длительности (может происходить уменьшение длительности импульса) и спектрального состава (ассиметричность спектра относительно центра линии поглощения).
4. Флуктуации магнитного поля на Р5В и Н5В слабо влияют на
частотную воспроизводимость узкополосного спектра излучения,
привязанного к центру линии поглощения вещества РФВ, так как они
практически не изменяют форму контура пропускания резонатора, но
приводят к значительному уменьшению (приблизительно на 6%)
воспроизводимости энергии и отношения сигнал/шум в выходном
излучении. Основной причиной нестабильности частоты узкополосного
излучения является паразитная интерференционная структура,
возникающая при отражении от элементов фазово- поляризационного
селектора и резонатора,
5. Источник узкополосного лазерного излучения, спектр
которого сужается и привязывается к выбранной линии поглощения
ФП-способом, по своим параметрам оптимально подходит для
флуоресцентного атомного анализа, поскольку линия излучения
автоматически настроена на анализируемую линию поглощения, ее
спектральная ширина совпадает с шириной линии поглощения, а
интенсивность излучения значительно превосходит интенсивность
насыщения линии поглощения.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на III Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1982г.), VII Республиканской конференции молодых ученых по физике (Могилев, 1983г.), XIX Всесоюзном съезде по спектроскопии (Томск, 1983г.), Межреспубликанском научном семинаре "Квантовая электроника и лазерная спектроскопия" (Вильнюс, 1984г.), Межреспубликанской школе-семинаре молодых ученых (Минск, 1987г.), II Всесоюзной научно- технической конференции "Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров" (Харьков, 1990г.), II Всесоюзном совещании по нелинейным и когерентным эффектам во ВРЛС (Ленинград, 1991г.).
ДИЫЫНЙ вклад автора. Содержание диссертации отражает личный вклад автора в выполненных исследованиях. Научные руководители А.П. Войтович и А.Я. Смирнов сформулировали и поставили задачу исследований, оказывали методическую помощь при ее выполнении, участвовали в обсуждении результатов исследований. . О.Е. Костик участвовал в постановке эксперимента по исследованию энергетических характеристик излучения лазера на красителе, спектр которого привязывался к линиям поглощения калия. Н.В. Бандалет участвовал в создании экспериментальной установки для исследования характеристик выходного излучения кольцевого лазера на красителе с фазово- поляризационным селектором. Другие соавторы занимались изучением вопросов, не вошедших в настоящую диссертацию.
Структура и обьеы работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, выводов и списка используемых источников. Полный объем диссертации -169 страниц. Иллюстрации занимают 42 страницы. Список использованных источников занимает 10 страниц и содержит 134 наименования.
