Введение к работе
Актуальность темы 4
Цель и основные задачи диссертации 5
Научная значимость и новизна работы .і
Практическая значимость работы 6
На защиту выносятся: 7
Апробация работы 8
Объём и структура диссертации 9
Актуальность темы
Фундаментальный характер оптики как одного из крупных разделов современной физики опреасляет ее особую роль в научно-техническом прогрессе. Будучи одной из древнейших наук, оптика в настоящее время переживает новое рождение и распространяется на многие смежные области. Ход развития современной науки и техники за последние десятилетия свидетельствует о взрывном разрастании области приложений оптики.
Значительную роль в прогрессе оптики играет возникновение когерентных и нелинейных методов и применение их к решению фундаментальных и прикладных проблем. Сразу же после появления лазеры стали объектом исследований физических процессов, приводящих к генерации, и свойств и характеристик лазерного излучения, которые во многом сходны со свойствами и характеристиками излучения радиотехнических генераторов. Это сходство послужило причиной проникновения в оптику радиофизических методов исследований и управления генерацией и успешного их применения в оптических вариантах. Вместе с тем в лазерных исследованиях нашли широкое применение классические методы оптики и спектроскопии. Сочетание и развитие этих подходов является одной из актуальных задач современной оптики.
В настоящей диссертации представлены результаты исследований, сочетающих классические методы некогерентной оптики и подходы, развиваемые в когерентной и нелинейной оптике. По первому из этих направлений проведены исследования традиционных объектов - газоразрядных источников излучения, тонких пленок, по второму - разносторонние исследования физических процессов, определяющих свойства и характеристики излучения, генерируемого газоразрядными лазерами. Основные исследования, имеющие пионерский характер, выполнены с Aril лазером. Изучачись также характеристики He-Ne лазера и лазеров на самоограниченных переходах Си и Ne. Проведенные комплексные исследования Aril лазера показали новые возможности спектроскопии высокого разрешения -методом нелинейной трёхуровневой спектроскопии в контуре спектральной линии плазмы аргона в условиях превалирующего доиплеровского уширения
(4000 МГц) получена и изучена спектральная структура с рекордно узкой шириной 50 МГц, что на порядок меньше естественной ширины (500 МГц) используемых линии Aril.
Оптические методы, использованные при выполнении изложенных в диссертации экспериментов, и достигнутые результаты позволили систематизировать и обобщить экспериментальные методы современной оптики и изложить их в виде монографии "Экспериментальная оптика" (Изд-во Моск. ун-та, 1994 г.), которой Государственным комитетом Российской Федерации по высшему образованию присвоен гриф "учебник" для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности и направлению "Физика".
Цель и основные задачи диссертации
состояли в совершенствовании традиционных методов экспериментальной оптики, их развитии, разработке новых методов (на примере исследований газоразрядных лазеров, в особенности Aril лазера) с учетом специфичности развивающихся областей когерентной и нелинейной оптики и обобщении на этой базе современных оптических методов в книге "Экспериментальная оптика" (Изд-во Моск. ун-та. 1994 г.).
Научная значимость и новизна работы
1. На основе традиционных методов экспериментальной оптики и их развития разработаны новые методы, позволившие провести комплексные экспериментальные исследования свойств и характеристик лазеров, в числе которых впервые:
Изучены характеристики регенеративного усиления с использованием He-Ne лазера; на линии с длиной волны 632,8 нм получен коэффициент усиления, равный 1000, показаны особенности применения регенеративных усилителей в симметричном и согласованном режимах.
Экспериментально измерены фундаментальные величины-времена жизни нижних рабочих уровней Aril лазера, имеющие решающее значение для лазерной генерации, и ряда других уровней Aril и КгН.
Измерены заселенности рабочих уровней в плазме Aril лазера и выявлена причина насыщения инверсии, установлены механизмы накачки верхних рабочих уровней Aril.
Проведены измерения характеристик насыщения линии генерации Aril в многочастотном и одночастотном режимах, показавшие возможность достижения высокой выходной мощности на зеленой линии 514,5 им. На синей линии 488 нм получена выходная мощность генерации 2 Вт в одночастотном режиме.
Изучена динамика развития генерации !1 линии Aril, а также конкуренция типов колебаний в Aril и He-Ne лазерах с высоким разрешением во времени.
Выполнены эксперименты по обращению волнового фронта в активной среде одночастогного Aril лазера непрерывного действия, проведены спектральные исследования частотной ширины обращенного сигнала.
Экспериментально и расчетным путем доказано наличие типичной для лазеров модовой структуры в излучении импульсного газоразрядного лазера на самоограниченных переходах Си.
2. Развитые в проведенных исследованиях экспериментальные методы позволили использовать Aril лазер в изучении нелинейных взаимодействий методом трёхуровневой лазерной спектроскопии, в рамках которых впервые экспериментально и расчетным путем получены и изучены спектральные структуры, по ширине на порядок меньшие естественной ширины спектральных линий:
Узкий провал в центральной части допплеровски уширенной линии смежного перехода при настройке сильного поля вблизи центра перехода.
Узкий пик на крыле допплеровски уширенной линии смежного перехода ("отщеплённый резонанс") при значительной отстройке сильного поля от центра перехода.
Узкий пик с двойной вершиной в центре допплеровски уширенной линии смежного перехода при точной настройке сильного поля по центру перехода.
Практическая значимость работы
обусловлена возросшей ролью оптических методов и технологий в решении важных научных и народнохозяйственных задач, в основном определяемой развитием лазеров и проникновением в оптику нелинейных и когерентных методов. Физические параметры и характеристики, полученные в данной работе, способствуют повышению технического уровня лазерных устройств и их эффективности. Учебник "Экспериментальная оптика".
созданный на базе проведенных исследований и многолетнего опыта работы автора со студентами, обеспечивает современный уровень подготовка специалистов в области оптики. Он используется во многих университетах, технических вузах и исследовательских учреждениях России, стран СНГ и ближнего зарубежья.
В диссертации решена важная физическая проблема - совершен-ствование классических оптических экспериментальных методов и разработка новых применительно к задачам исследований лазеров, особенно АгП лазера, представляющего значительный интерес в качестве объекта спектроскопических исследований и находящего широкие практические применения. На основе проведенных исследовании и имеющегося многолетнего опыта лекционной и практической работы решена важная народнохозяйственная задача - впервые создан учебник по экспериментальной оптике, отвечающий современному состоянию науки и задачам подготовки специапистов.
На защиту выносятся:
1. Развитие традиционных методов экспериментальной оптики, разработка новых и применение их для комплексных исследований свойств и характеристик газоразрядных лазеров, в рамках которых впервые:
В режиме регенеративного усиления He-Ne лазера на длине волны 632,8 им получен коэффициент усиления, равный 1000, показаны особенности применения регенеративных усилителей в симметричном и согласованном режимах.
Измерены времена жизни нижних рабочих уровней АгП лазера, имеющие важнейшее значение для понимания физики действия лазера. Измерены заселенности рабочих уровней и выявлена причина насыщения инверсии Aril лазера, ограничивающая выходную мощность генерации.
Измерены характеристики насыщения основных линий генерации АгП лазера, показавшие возможность достижения высокой выходной мощности на зеленой линии 514,5 им при низких потерях в резонаторе. Получен высокий коэффициент преобразования многочастотной мощности в одночастотную, достигающий 0,6 - 0,7. На линии 488 им АгП достигнута выходная одночастотная мощность 2 Вт.
Изучена динамика развития генерации I ! линий непрерывного Aril лазера, а также конкуренция типов колебаний в He-Ne и Aril лазерах с разрешением во времени до 10"7 с.
Получено обращение волнового фронта в активной среде одночас -тотного Aril лазера непрерывного действия, проведены спектральные исследования частотной ширины обращенного сигнала.
Доказано экспериментачьно и расчетным путем наличие модовой структуры в излучении импульсного газоразрядного лазера на самоограниченных переходах Си.
2. Применение развитых экспериментальных методов для исследо
ваний нелинейных взаимодействий в активной среде Aril лазера методом
нелинейной трёхуровневой спектроскопии, в которых впервые в условиях
превалирующего допплеровскою уширения получены экспериментально
предсказанные расчетным путем спектральные структуры, но ширине на
порядок меньшие естественной ширины спектральных линий:
Узкий провал в контуре допплеровски уширенной линии при настройке сильного поля вблизи центра перехода.
Узкий пик на крыле допплеровски уширенной линии при значительной отстройке сильного поля от центра перехода ("отшеплен-ный резонанс").
Узкий пик с двойной вершиной в центре допплеровски уширенной линии при точной настройке сильного поля по центру перехода.
3. Обобщение и систематизация на основе проведенных научных
исследований и многолетнего опыта лекционной и практической работы
современного состояния, тенденций и возможностей экспериментальной
оптики в монографии "Экспериментальная оптика" (Изд-во Моск. ун-та,
1994 г.), которой Государственным комитетом Российской Федерации по
высшему образованию присвоен гриф "учебник" для студентов высших
учебных заведений, обучающихся по специальности и направлению
"Физика".
Апробация работы
Результаты исследований докладывались:
на Всесоюзных совещаниях по спектроскопии: VII (Свердловск, 1950), IX (Тарту, 1954), ХШ (Ленинград, 1960), XVI (Москва, 1969); на Всесоюзных съездах по спектроскопии: XVII (Минск, 1971). XIX (Томск. 1983). XX (Киев, 1988), XXI (Звенигород, 1995); на научно-технических конференциях МЭИ (Москва, 1962, 1965); на II региональном семинаре
"Газовые лазеры на парах химических элементов" (Ростов-на-Дону. 1073). на Всесоюзной конференции "Оптика лазсров"(Ленинград, 1977); на IX Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград. 1978); на XXV Совещании по люминесценции (кристилофосфоры) (Львов. 1978); на X юбилейной национальной конференции по атомной спектроскопии (Болгария, София, 1982);
на VI Европейской конференции по атомной и молекулярної) физике ионизованных газов (Оксфорд, Англия, 1982); на Республиканском семинаре "Физические методы исследования прозрачных неоднородностей" (Москва. 1985); на III Всесоюзной конференции "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград, 1988); на II Нижневолжском региональном научном семинаре (Волгоград, 1989); на Всесоюзном научном семинаре "Математическое моделирование и применение явлений дифракции" (Москва. 1990); на Вавиловских конференциях по нелинейной оптике, Новосибирск: VII, 1981; VIII, 1984; X, 1990; на Всесоюзном семинаре "Спектроскопия низкотемпературной плазмы" (Петрозаводск, 1990).
Два издания книга автора "Техника оптической спектроскопии" (1977 г. и 1986 г.), предшествующие книге "Экспериментальная оптиха" и имеющие гриф "учебное пособие", получили распространение и признание в вузах и университетах страны, а также за рубежом. На эти издания имеются рецензии, опублихованные в Журнале прикладной спектроскопии в 1977 г.. т.27, в.З, с.554 - 556 (автор рецензии проф. В.А.Фабрикант) и в 1987 г., т.46. в.6, с.1033 - 1034 (авторы акад.АН БССР Б.И.Степанов и проф. Л.В.Лёвшин). В рецензиях отмечаются высокий уровень, доступность и ясность изложения и большая информативность обеих книг, являющихся основным учебным пособием по соответствующим лекционным курсам и практикумам многих университетов страны.
При подготовке третьего издания книга ("Экспериментальная оптика") учтены пожелания и рекомендации, высказанные преподавателями и сотрудниками различных университетов страны и работниками научно-исследовательских институтов и промышленности, использующими оптические методы в своей работе. Основные положения, характеризующие книгу "Экспериментальная оптика", доложены на XXI съезде по спектроскопии в октябре 1995 г. (г. Звенигород).
Личный научный вклад автора почти во всех работах, включённых в диссертацию, является определяющим и состоит в разработке направлений исследований, подготовке и проведении экспериментапьных исследовании.
выполнении теоретических расчетов и в обработке и обсуждении результатом.
Объём и структура диссертации
По теме диссертации имеются 84 публикации [1 - 84], в том числе три учебных пособия [41. 44. 65] и учебник "Экспериментальная оптика" [83]. Материалы диссертации докладывались на 25 научных конференциях.
Содержание научного доклада подразделяется на главы: 1. Спектроскопические исследования низкотемпературной газоразрядной плазмы; 2. Оптические методы исследований лазерной генерации и управления ее характеристиками; 3. Трёхуровневая лазерная спектроскопия с использованием аргонового ионного лазера; 4. Систематизация и обобщение экспериментальных методов оптики и спектроскопии в книге "Экспериментальная оптика".
