Введение к работе
Актуальность темы.
Создание и развитие лазерной техники привело к су
щественному расширению возможностей оптических ме
тодов исследования и появлению ряда принципиально
новых методов. оь
Наиболее чувствительным методом спектрального анализа в настоящее время является метод внутрйрезона-торной лазерной спектроскопии (ВРЛС). Этот метод основан на высокой чувствительности спектрального распределения излучения широкополосного многомодово-го лазера к наличию частотнозависимых потерь в резонаторе лазера. Высокая чувствительность метода ВРЛС достигается в результате многократного прохождения лазерного излучения сквозь исследуемое вещество в резонаторе.
Высокая чувствительность метода ВРЛС позволяет его использовать для решения спектрометрических задач, таких как дигностика состава различных газовых сред, определение степени загрязненности атмосферы и обнаружение в ней следов различных веществ. Также, благодаря сочетанию высокой чувствительности с быстродействием, метод ВРЛС находит широкое применение при исследовании кинетики химических реакций, рекомбинаций свободных радикалов и других нестационарных процессов. Высокая чувствительность метода позволяет про-
изводить исследования процессов взаимодействия излучения с веществом, обладающих малым сечением взаимодействия, таких как запрещенные переходы, комбинационное рассеяние и многофотонное поглощение.
Однако, предельная чувствительность метода ВРЛС на несколько порядков не достигала предсказывамых теорией значений. К настоящему времени было хорошо известно, что чувствительность ВРЛС ограничивается квантовыми флуктуациями, определяющими принципиальный предел возможностей детектирования слабых линий поглощения, и нелинейным взаимодействием мод (НВМ), определяющими динамику генерации многомо-доврго широкополосного лазера. Также были известны некоторые виды нелинейного взаимодействия, определяющие динамику генерации многомодовых лазеров. Например, вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллю-эна в активной среде приводит к хаотической генерации мод непрерывного лазера на красителе. Неясным оставался вопрос о влиянии других видов НВМ.
Большое число важных практических применений метода ВРЛС обуславливает актуальность исследования его возможностей, увеличения чувствительности, расширение спектрального диапазона,, использование новых лазерных сред, а также, создание мобильных (портативных) внутрирезонатрр^ыхдазерных спектрометров.
Основные задачи работы:
Определить виды нелинейных взаимодействий, влияющих на динамику генерации лазера на красителе. Компенсировать влияние нелинейных взаимодействий мод лазера на красителе и добиться максимальной чувствительности метода ВРЛС. Создать внутрирезонаторный спектрометр на полупроводниковых лазерах и получить на нем высокую чувствительность ВРЛС. Основные защищаемые положения Экспериментально обнаружено, что за автоколебательный режим генерации кольцевого однонаправленного лазера на красителе отвечает четырехволновое параметрическое взаимодействие мод в активной среде (ЧПВ) при неэквидистантных модах резонатора. Создан кольцевой однонаправленный лазер на красителе с изменяемой дисперсией резонатора, на котором получены следующие результаты: Динамика генерации, определяемая ЧВП, зависит от величины неэквидистантности мод и мощности генерации и не зависит от знака дисперсии. При эквидистантных модах ЧВП затухает и динамика генерации приходит в соответствие с теорией, описываемой балансными уравнениями. Экспериментально получены рекордные значения: — Длительность непрерывной генерации отдельных мод и экспоненциальный рост провалов в линиях
поглощения, как минимум, до 0,1 сек. —Чувствительность метода ВРЛС по провалу 1 /е лучше, чем К = 1/ct = Ю-10 см1.
-
Получена бесселективная генерация полупроводникового лазера во внешнем резонаторе, -г
-
Продемонстрирована возможность использования инжекционного диодного лазера с внешним резонатором для метода ВРЛС, получены первые спектры внутрирезонаторного поглощения с использованием полупроводниковых лазеров с устраненной селекцией потерь. Получено значение чувствительности ВРЛС по провалу 1/е с использованием диодного лазера порядка 10'5 см1.
Научная новизна:
1. В диссертационной работе впервые было эксперимен
тально получено время непрерывной генерации мод
многомодового лазера на красителе порядка 100 мсек.
Получена рекордная чувствительность метода ВРЛС
порядка 10"10 см'1.
2. Впервые экспериментально обнаружено, что, благода-
ря компенсации влияния вынужденного рассеяния Манделынтама-Бриллюэна и четырехволнового параметрического взаимодействия в активной среде, динамика генерации многомодового лазера на красителе приходит в соответствие с теорией усредненных балансных уравнений на временах не менее 100 мсек.
3. Впервые получен бесселективный спектр генерации ин-
жекционного полупроводникового диодного лазера во внешнем резонаторе.
4. Впервые получены спектры внутрирезонаторного по-
глощения с использованием полупроводниковых лазеров с устраненной селекцией потерь. Получено значение чувствительности ВРЛС по провалу 1/е с использованием диодного лазера порядка 10s см1. Практическая ценность:
1. Результаты исследования причин, ограничивающих
чувствительность метода ВРЛС, проведенные в настоящей работе, могут быть использованы при конструировании лазерных спектрометров, основанных на методе ВРЛС. Показано, что чувствительность таких спектрометров по провалу 1/е может быть лучше, чем K=I/ct = 10-|Осм-'.
2. Полученный бесселективный спектр генерации инжек-
ционного полупроводникового диодного лазера во внешнем резонаторе говорит о возможности применения таких лазеров в качестве перестраиваемых источников излучения.
3. Продемонстрирована возможность использования ин-
жекционного диодного лазера с внешним резонатором для метода ВРЛС. Впервые создан бесселективный внутрирезонаторный лазерный спектрометр на полупроводниковом лазере с чувствительностью порядка 10'5 см1, обладающий малыми габаритами и
низким энергопотреблением. Апробация работы: Материалы диссертационной работы докладывались
1. IIJBcecQKXJHOiwi совещании по когерентном и нелиней
ным эффектам вовнутрирезонаторной лазерной.спек
троскопии.; (Ленинград, 1.991).
2. Международной конференции 11th Symposium and
School on High-Resolution Molepular Spectroscopy. Капри, 1993
-
Международной конференции 51 Ohio State University International Symposium on Molecular Spectroscopy. Огайо, 1996. -. .,.,.'"''
-
Международной конференции 12 Symposium .and School on High Resolution Molecular Spectroscopy. Petergof, 1996,
-
Международной конференции 7th International workshop on laser physics (LPHYS"98). Берлин, 1998.
-
Международной конференции German-Russian laser symposium. Мюнхен, 1999
-
Семинарах Физического института им. П.Н.Лебедева РАН и Института спектроскопии РАН. Публикации:
Основное содержание диссертации опубликовано в 7 научных статьях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы:
