Введение к работе
--- ''': ' 1."
-. -. Актуальность темы. Создание лазеров с перестраиваемой частотой излучения остается одной из вакных задач квантовой
, электроники. . Возможность перестройки частоты в сочетании с монохроматичностью излучения открывает перспективы применения таких лазеров в различных областях.- В этом отношении особый интерес представляют молекулярные газовые лазеры, обладающие
, высокими энергетическими параметрами, широким спектром и хорошим пространственным распределением интенсивности излучения. Использование резонаторов волноводяого типа позволяет наряду с уменьшением габаритов и повышением надежности улучшить энергетические к спектральные характеристики таких лазеров.
В "астоящее время наибольшее распространение получили волноводные. СО-г лазеры с длиной волны излучения 9,2... 10,8 мкм, которые хорошо изучены и освоены промышленностью. Гораздо меньшее число работ посвящено волноводным СО лазерам с излучением в спектральной области 5...6,5 мкм, которые, по-видимому, не менее перспективны. Более коротковолновый диапазон генерации СО лазера обеспечивает дополнительные возможности их использования в технологических процессах, медицине, волоконно-оптических системах. Перестраиваемые волноводные СО лазеры могут найти применение в спектроскопии и системах газоачализа, так как их спектр излучения. перекрывает полосы поглощения большого числа газов, таких как окислы азота, кетоны, альдегиды- и углеводороды, детектирование которых представляет практи-.. ческий интерес. Однако для этого необходимо"обеспечить селек-
~«ив линий генерации, а также дискретную и плавную перестройку частоты.' Эти задачи решаются в лазере с селективным резонатором. , Обычно в волноводяых' газовых лазерах в качестве селектора используется 'дифракционная решетка, позволяющая выбрать рабочий переход. Оптические элементы располагаются вблизи торцов
" волновода, обеспечивая максимальную величину области свободной. спектральной дисперсии резонатора, а также простоту и технологичность конструкции лазера. Именно такие волноводные СО лазеры и являются предметом настоящих исследований.
К началу данной работы в литературе имелись результаты
исследования волноводяых СО лазеров с неселективным резонато
ром. Лишь в одной работе сообщалось о получении генерации в
-і ......-.''''
..-4-
лазере с дисперсионным резонатором, где в качестве селектора использовалась дифракционная решетка. ; Однако такой режим бил реализован при условии прокачки рабочей смеси, охлажденной до .-71С, а-спектр излучения состоял из нескольких слабых линий. Вместе с тем, результаты исследований перестраиваемых по частоте СО лазеров с открытым резонатором позволяли надеяться ка создание аналогичных прибороЕ с резонатором водноеодного типа и обладающих преимуществами волноводных лазеров. -
Успешное использование высокочастотного разряда емкостного типа (ВЧР) для накачки перестраиваемых волноводных. СОг лазеров обусловило интерес к его применению к в волноводных лазерах на молекуле окиси углерода. Дело в том, что в ВЧР взаимодействие заряженных частиц с поверхностью электродов сводится к минимуму. Этот факт имеет большое значение е СО лазерах, в разряде которых идут интенсивные плазмохимические реакции, приводящие к разрушению электродов, деградации смеси и сокращению ресурса лазера. Преимущества ВЧР и отсутствие данных о его использовании в волноводных СО лазерах стимулировали исследования, направленные на создание такого лазера, возбуждаемого ВЧР. и улучшение его спектральных и энергетических характеристик.
Дель работы. Разработка и исследование перестраиваемых по частоте волноводных СО лазеров, работающих при температуре, близкой к комнатной без прокачки рабочей смеси, создание волноводных СО лазеров с ВЧ накачкой, проведение исследований, направленных на расширение спектра, генерации и диапазона плавной перестройки частоты волноводных СО лазеров, изучение возможностей применения различных вариантов таких лазеров для спектроскопии и газоанализа.
Научная новизна работы.
1. Проведены экспериментальные исследования коэффициента усиления волноводного СО лазера, возбуждаемого разрядом постоянного тока (РПТ) и ВЧР. Показано, что коэффициент усиления возрастает с уменьшением поперечного сечения волноеодз, темпе-, ратуры стенок и при использовании ВЧ накачки. Оптимизирован состав смеси и параметры накачки еолноеодного СО лазера. Пред-. ложен и исследован способ стабилизации ВЧР посредством добавок в смесь малых количеств Ог или СОо. По экспериментальным результатам проведена оценка поступательной и колебательной тем-
ператур в активной среде лазера. Показано, что причиной нарушения законов подобия может являться,,-.пристеночная релаксация возбужденных молекул.
-
Получена генерация в волноводном СО лазере с селективным резонатором и эапущен волноводный СО лазер с ВЧ накачкой. Исследованы и оптимизированы спектральные и энергетические характеристики волноводного СО лазера на изотопических модификациях молекулы СО, получен, диапазон плавной перестройки частоты 550'МГц.'Исследованы переходные режими генерации, возникающие при перестройке или переключении частоты в волновсдном СО .лазере. ;. -.'.;'-...',-
-
Реализован режимдвухчастотной переключаемой генерации в волноводном СО лазере, ^использовавшийся для детектирования окиси.азота в газовых смесях. Перестраиваемый по частоте волноводный СО лазер использован для детектирования газов NOs. ГШз, С0(СНз)2 и. НгО.. Получен атлас линий поглощения, уточнены частотное положение центров линий поглощения и их относительные интенсивности. Измерены коэффициенты поглощения линий в диапазоне генерации волноводного СО лазера, а также коэффициенты ударного уширения линий N02 и НгО при столкновениях с азотом. Показана возможность высокочувствительного селективного детектирования этих газов, определены их минимальные обнз-ружимые концентрации.
Практическая ценность работы. -Проведенные исследования, явились основой для создания компактных, технологичных волно-водных СО лазеров с перестраиваемой частотой излучения. Такие лазеры могут использоваться в . научных исследованиях, для спектроскопии молекулярных сред, в системах газоанализа, в частности, в медицине - для диагностики сахарного диабета.
Вклад автора. Изложенные в работе результаты получены ав
тором лично или в соавторстве при его непосредственном учас
тии. ..-.-..„.''''-''"'
'-Апробация работы. Основные результаты диссертации были, тредставлены на Всесоюзной конференции. "Метрологическое обес-чечение измерений частотных и спектральных характеристик излу-ієния лазеров" (г. Харьков, 1982 г.), на 4-й Всесоюзной конференции "Перестраиваемые по частоте лазеры" (г. Новосибирск, 1983 г.), на 2-й Всесоюзной конференции "Метрологическое обес-течение измерений частотных и спектральных характеристик излу-
чеяия лазеров" (г. Харьков, 1990 г.), на 7-й международной
КОНфереНЦИИ ПО фОТОакуСТИЧеСКИЫх;И фОТОТерМИЧеСКИМ ЯВЛЕНИЯМ; (г.
Лоорверт, Нидерланды,-4991 р.), на конференции "Оптика лазеров" (С.Петербург, 1993 г.), на-.каучно-технической конференции "Разработка и применение лазеров в медицине" (г. Ростов Ярославский, 1990), на 9-й конференции по химии высокочистых веществ (г. Н. Новгород, 1992 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из
введения, трех разделов и заключения. В каждом разделе, кроме
основного содержания, дается краткий обзор литературы, ._ .где
приводятся известные результаты и формулируются проблемы, ре
шению которых посвящено изложение оригинального метериала. Об
щий объем составляет 145 страниц машинописного текста, включая
37 рисунков, 5 таблиц и список литературных ссылок из 132 наи
менований. '
