Введение к работе
Актуальность темы
Диодная лазерная спектроскопия (ДЛС) контура спектральной линии — очень быстро развивающаяся область фундаментальной физики. Именно здесь реализуются преимущества диодных лазеров (ДЛ) перед другими альтернативными когерентными источниками излучения. Диодные лазеры, обеспечивая возможность регистрации линии поглощения с достаточно высокой точностью, позволяют измерять её интегральную интенсивность, ширину, а также столкновительный сдвиг. Публикации, появившиеся в последнее время, доказывают, что измерение параметров контура линии методами ДЛС с погрешностью меньше 1 - 3 % стало на сегодняшний день обычным явлением. И тем не менее, такой уровень точности измерения заставил пересмотреть традиционные модели описания формы контура линии, по новому подойти к объяснению процессов формирования последнего, обусловленного взаимодействием молекулярных систем. Например, хорошо известно, что при типичном уширении 0,1 (см-атм)"1 ударные ширины линии в колебательно-вращательном спектре поглощения значительно превышают доплеровы. Несмотря на это, на большом экспериментальном материале было выяснено, что форма линии не описывается простой сверткой лоренцевой и гауссовой функцией (контур Фойхта), но существуют небольшие, характерные отступления, интерпретируемые как результат сужения линии из-за упругого рассеяния (сужение Дике), зависимости ударных характеристик от скорости поглощающей молекулы (эффект "ветра"), расщепление линии из-за анизотропии столкновений и т.д. Таким образом, новый уровень экспериментальной техники и обнаружегашс новые явлгашя привели к потребности дальнейшего развития феноменологической ударной Теории уширения спектральных линий.
При дальнейшем увеличении точности регистрации контура линии выявляются новые, специфические особенности искажения контура, обусловленного самим полем излучения ДЛ. Выяснилось, что излучение диодного лазера само не является достаточно когерентным во времени и пространстве. Амплитудные и частотные шумы, многомодовая генерация, спонтанное излучение и т. д., оказывают заметное влияние на качество регистрируемого спектра. Помимо этих источников шумов существуют и другие механизмы, существенно
4 ограничивающие точностные характеристики спектрометрической аппаратуры, основанной на диодных лазерах. Прежде всего, это явления оптической обратной связи и интерференции на различных оптических элементах спектрометра. Они, как правило, устраняются при помощи различных демпфирующих оптических элементов. Флуктуации же интенсивности и фазы излучения лазера имеют более фундаментальную природу, и их влияние на форму спектральной линии необходимо учитывать, если проводить измерения на уровне точности лучше 0,5%. Нужно отметить, что при наличии шумов излучения ДЛ задача исследования коїпура спектральной линии должна рассматриваться самосогласованно и учитывать поле излучения ДЛ, молекулы активной среды и молекулы буферного газа. Если ограничиться не коррелированностыо флуктуации частоты и интенсивности ДЛ, то можно ввести аппаратную функцию диодного лазерного спектрометра (АФ ДЛС). Различные составляющие АФ, связанные со спонтанным излучением, квантовыми флуктуациями частоты и интенсивности приводят к разным искажениям контура при его прецизионной обработке. Поэтому, насколько корректно решена задача выделения истинного сигнала на фоне шумов излучения, настолько точно могут быть получены параметры исследуемой линии.
Работы, связанные с изучением шумовых характеристик ДЛ и направленные на улучшение временной и пространственной когерентности этих источников, оставили открытым вопрос исследования самой формы контура спектральной плотности поля ДЛ, являющейся составной частью АФ ДЛС, учет которой очень важен при проведении прецизионных измерений контура линий поглощения молекулярных объектов. Искажения, вносимые полем излучения ДЛ в.процессе регистрации контура линии поглощения, могут быть сравнимы с перечисленными выше эффектами, вызвавшими взаимодействием активной среды с молекулами буферного газа, и стать причиной ' неадекватного описания процессов столкновений. Знание функциональной зависимости спектра генерации поля ДЛ, обусловленного различными источниками шумов, таким образом, становиться исключительно актуальным. Одним из возможных подходов к решению этой проблемы может быть постановка и решение так называемой прямой и обратной задачи. Суть этой задачи сводится к тому, что само выражение для спектральной плотности поля излучения ДЛ может быть найдено, основываясь на уравнениях
5 Ланжевена, Фоккера-Планка для поля излучения и уравнений для матрицы плотности лазерной среды, а эффективные параметры, входящие в эту зависимость, могут быть найдены через параметры регистрируемого контура спектральной линии поглощения. В диссертации эти вопросы рассмотрены на примере диодного лазера (А3В5), генерирующего в диапазоне длин волн 1,53 мкм и исследуемых линий R-ветви полосы v,+v3 ацетилена'.
Цель работы
- Разработка экспериментальной методики, обеспечивающей возможность
проведения высокоточных исследований контура спектральной линии с погрешностью, не превышающей 1 %.
Научная новизна
-Предложен самосогласованный подход, описывающий контур спектральной линии с учетом флуктуирующего поля излучения диодного лазера.
- Создана экспериментальная установка и разработана методика исследования контура спектральной линии с погрешностью менее 1 % и динамическим диапазоном регистрируемых линий поглощения более 104.
Практическая ценность
Представленные результаты имеют важное фундаментальное и
методологическое значение для понимания механизмов, ответственных за формирование контура спектральной линии поглощения и роли аппаратной функции диодного лазера в процессе проведения прецизионных измерений. Разработанная методика проведения измерений контура линии позволяет определять параметры контура линии с высокой точностью и выявлять особенности генерации самого поля излучения ДЛ.
В диссертадии решены следующие научные задачи;
1. Создан трехканальный автоматизированный диодный лазерный спектрометр
для прецизионного измерения контура спектральной линии поглощения газов,
обладающий высокой чувствительностью (отношение сигнал/шум более 1-Ю4) и
рекордным спектральным разрешением (менее 0,0002 см"'). Достигнутые высокие
параметры спектрометра являются на сегодняшний день одними из лучших
показателей в мире для этого класса спектрометрической аппаратуры.
2. Разработана методика проведения прецизионных измерений контура
спектральной линии, позволяющая проводить измерения контура линии с
погрешностью лучше 0,3% и определять параметры линии с погрешностью не превышающей 1 %.
-
Реализована процедура линеаризации частотной шкалы спектров с учетом, впервые обнаруженной, локальной неоднородности перестроечной характеристики, связывающей временную и частотную шкалы спектров. Она позволила повысить точность восстановления частотной шкалы до уровня 1 - 2-Ю'4 см' .
-
Показано (из решения уравнений Максвелла для- флуктуирующего поля излучения и поглощающей среды), что спектр, регистрируемый фотоприемником, представляет собой свертку спектра пропускания среды с аппаратной функцией ДЛ.
5. Всесторонне исследована аппаратная функция РОС ДЛ (А.=1,53 мкм),
состоящая из аддитивных вкладов шумов спонтанного излучения, флуктуации
частоты и интенсивности. Получена аналитическая формула сиектра генерации
поля ДЛ, обусловленного флуктуациями частоты. Параметры спектральной
плотности поля ДЛ: go, Пи Г, определяющие соответственно полуширину
центральной части линии генерации ДЛ и её крыло, были найдены независимыми
методами: из подгонки доплеровски уширенной линии поглощения и из величин
остаточного излучения ЛІ и ширины До линии с насыщенным поглощением.
Апробация работы Научные результаты, полученные в работе, докладывались и обсуждались на:
- международной конференции II International Conference On Tunable Diode
Laser Spectroscopy (Moscow, Russia, 1998).
- международной конференции Tenth Ail-Union Symposium On High-
Resolution Molecular Spectroscopy (Omsk, Russia, 1991).
Публикации Основные результаты опубликованы в 7 работах.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 106 страницах с 28 рисунками и 3 таблицами; список рассмотренной литературы включает 82 названия.
