Селекция линий и перестройка частоты генерации газоразрядных непрерывных CO2- и CO-лазеров Удалов, Юрий Борисович

ty= 8^{±*Г_Л'М*} _j (1.27)

где 0_о - неселективные потери при Д^= О, /^- крутизна нарастания потерь. Величины О и h_ могут быть найдены из выражения (1.26) и условий равенства усиления и потерь для стационарной генерации :

где /?- - коэффициент отражения второго зеркала резонатора.

ФЧСЯІ резонатора с отражающим интерферометром.можно определить из (1.27). При этом в качестве параметров интерферометра примем величины, измеренные в / 86 /: база v « 6 мм, фактор резкости fu s 36, коэффициент отражения заднего зеркала интерферометра /L е 98%. Минимальные потери ( , вносимые интерферометром, равны С: 9 %

ФЧСП резонатора с отражающим интерферометром показана на рис. 1.10 (кривая 33). Видно, что при увеличении частотной отстройки от выделяемого перехода потери возрастают значительно круче, чем в резонаторе с дифракционной решеткой. Это обстоятельство делает отражающий интерферометр перспективным для селекции близких по частоте лазерных переходов. Однако малая свободная область дисперсии несколько ограничивает возможности реализации режима жесткой селекции в лазерных системах с развитым колебательно-вращательньм

- 52 -спектром генерации. При исследовании селективных свойств резонатора с отражающим интерферометром необходимо учитывать расположение сетки собственных частот резонатора и интерферометра относительно контуров усиления лазерных линий. Тем не менее, расчеты и эксперименты, проведенные авторами / 85 /, показывают, что при соответствующем подборе длины резонатора и базы интерферометра жесткая селекция может быть достигнута для всех линий генерации основных полос [00I-I00, 020J С0-лазера. Для других лазерных систем вопрос остается открытым.

5. Экспериментальные исследования частотно-селективных газовых лазеров ИК-диапазона / 37,44,81,89 /

а) СОо-лазер с дифракционной решеткой

Результаты исследования ФЧСП дисперсионных резонаторов были применены нами для установления возможностей селекции переходов генерации в СОо и СО-лазерах. Как уже указывалось выше, наиболее простым критерием селективности лазеров является автограф генерации. Методы экспериментального исследования автографа генерации лазера хорошо известны / 80 / и в дополнительных комментариях не нуждаются. Однако для многих практических применений ИК-лазеров, а также для проектирования серийных приборов с дисперсионными резонаторами необходимо иметь возможность предварительного теоретического расчета автографа, определять полосу перестройки частоты для выделяемого перехода генерации. Работы по расчету автографа генерации СОр-лазера с неселективным резонатором существуют / 27, 85 /. Но расчет автографа для лазера с дифракционной решеткой ранее не проводился, поскольку конкретный вид ЧСП такого резонатора до появления наших работ / 37,81,87 / не был известен.

Для расчета автографа генерации СОр-лазера с дисперсионным

- 53 -резонатором нами использовалась соответствующая машинная программа. Алгоритм и блок-схема программы в основном совпадают с описанными в работе / 85 /. Были приняты следующие предположения:

3. Активная среда внутри резонатора изотропна.

4. Между колебательно-вращательными переходами существует жесткая конкуренция, т.е. в каждый момент времени вклад в генерацию дает линия, для которой превышение ненасыщенного коэффициента усиления над порогом потери максимально.

Эксперименты и теоретические оценки показали, что для непрерывных отпаянных GOp-лазеров низкого и среднего давления (5 Торр ^ Р^-200 Торр) эти предположения выполняются / 88 /.

Исходными параметрами при расчете являлись? ненасыщенные коэффициенты усиления лазерных переходов (в нашем случае для 45 линий) , длины волн переходов и соответствующим им номера вращательных уровней ^. Задавались также величина давления активной среды, параметры столкновительного уширения, допплеровская ширина линии, оптическая длина резонатора, уровень распределенных - неселективных потерь, коэффициенты отражения зеркала и решетки.

При расчете определялась сетка собственных частот резонатора, с учетом дисперсии среды, и ее расположение относительно контуров усиления линий лазерной генерации. Из спектра генерации выбирались линии, для которых усиление превышало потери. Для них вычислялась полная ширина контура в надпороговой зоне. При вычислении ширины контура мы могли, по желанию, выбрать подпрограмму для расчета доплеровской, фойгтовской или лоренцевской формы линий, в зависимости от условий в активной среде лазера. Параметры уширения брались нами в соответствии с / 83 /.

Далее, с учетом оптической длины резонатора определялись частоты продольных мод ТЕМ (в расчетах мы ограничивались рассмот-

- 54 -рением основной поперечной моды), попадающие в надпороговую область усиления какой-либо лазерной линии. Для них вычислялась величина превышения коэффициента усиления над потерями, и параметры линии, на которой реализуется максимальное превышение, записывались в массив выходных данных. Интенсивность линии вычислялась по формуле (1.20).

Автографы генерации, рассчитанные на ЭВМ, сравнивались с измеренными. Типичный наблюдаемый автограф генерации представлен на рис.1.На. Фотография автографа получена для лазера с оптической длиной резонатора 172,2+0,2 см. Резонатор образован золотым отражающим зеркалом радиусом кривизны 5 м и дифракционной решеткой 100 штр/мм, _Б = 30. Для выделения основной поперечной моды вблизи зеркала установлена круглая диафрагма диаметром 9 мм. ІЧСП этого резонатора была измерена нами экспериментально, а также рассчитывалась в соответствии с изложенной выше методикой.

При регистрации автографа дифракционная решетка настраивалась на максимум мощности в выделяемой линии генерации - Р(22) перехода 00І-І00. В автографе при этом наблюдались 2 линии генерации: более интенсивная - Р(22) (полоса перестройки 54+1 МГц) и слабая Р(Й0) (полоса перестройки 32+1 МГц). Межмодовое расстояние &V = ^С/сц/, составляло 86,7 МГц.

Для резонатора с указанными выше параметрами был рассчитан автограф генерации. Результаты расчета показаны на рис.І.ІІб. В автографе присутствуют две линии генерации, Р(20) и Р(22) перехода 001-100, причем и полоса перестройки, и форма контура линий хорошо совпадают с наблюдавшимися экспериментально.

Исследовался также автограф С0о-лазера с дифракционной решеткой 150 штр/мм, _Бл= 52. Остальные параметры и размеры резонатора не менялись. Фотография автографа приведена на рис.І.І2а. В

СІ)

_{J .+}

Рис. I. II Экспериментальный (а) и рассчитанный (б) автографы генерации COg-лазера с дифракционной решеткой 100 штр/мм,а<_л-30. Параметры резонатора: L, =172 см, f{ =5 м, 201=9 мм.

_а)

_L+fy?

Рис. І.12 Экспериментальный (а) и рассчитанный (б) автографы генерации СОр- лазера с дифракционной решеткой 150 штр/мм, Q (5_Л⁼52⁰. Параметры резонатора:/j=172см, Я. =5м, 2яС=9мм.

- 57 -этом случае реализуется режим жесткой селекции: в автографе присутствует одна линия генерации Р(22) перехода 001-Ю0. Совпадающий с экспериментом результат дает и расчет автографа (рис.1.126), т.е. решетка 150 штр/мм, обеспечивает в данном случае реализацию режима жесткой селекции. Таким образом, программа дает хорошее совпадение расчетного автографа с полученным экспериментально. Поэтому она может быть рекомендована для исследования перестроечных характеристик и их зависимости от условий работы лазера.

б) СО-лазер с дифракционной решеткой

В лазерах с сильной конкуренцией переходов получение генерации на линиях с малым коэффициентом усиления затруднительно. Однако при этом легче реализовать режим жесткой селекции для сильных линий. В СО-лазере конкуренция ослаблена, по сравнению с СОо-лазером. В спектре СО-лазера с неселективным резонатором наблюдается одновременная генерация на большом числе колебательно-вращательных переходов. Пример такого сложного спектра, полученного нами для неселективного СО-лазера, приведен на рис.І.13. Показано относительное распределение интенсивностей и идентификация переходов. Длина резонатора пассивно стабилизироваїіа. Генерация наблюдается на колебательных переходах начиная с 7-6 и до 14-13. При сканировании длины резонатора в автографе лазера, как правило, наблюдается от 20 до 30 линий генерации. Подобные спектры генерации СО-лазера с наличием развитой колебательно-вращательной структуры приводятся и в ряде других работ / 19,90-91 /.

В теоретических расчетах спектра генерации, коэффициентов усиления и других параметров СО-лазера в явном или неявном виде предполагается, однако, что в излучение в каждый момент времени дает вклад лишь один вращательный переход для каждой пары колеба-

тельных уровней / 92,93 /. Физически это равнозначно предположению о наличии больцмановского распределения населенностей вращательных уровней при небольцмановеком колебательном распределении в режиме генерации. В качестве возможных причин расхождения экспериментальных результатов и теоретических предположений указываются аксиальная неоднородность активной среды, флуктуации длины резонатора / 92 /. Аксиальная неоднородность химического состава плазмы прокачного СО-лазера действительно может оказывать влияние на спектр генерации при больших скоростях прокачки / 94 /. Быстрая прокачка может приводить и к перепаду давлений на длине трубки, однаїсо в нашей работе исследовался отпаянный СО-лазер, так что эти причины неоднородностей можно исключить.

Нами был исследован также характер распределения напряженности электрического поля на длине разряда. Схема экспериментальной установки приведена на рис.1.14. Измерения проводились в разрядной трубке из молибденового стекла, внутренним диаметром 15 мм_?с дли-ной разрядного промежутка 99+0,2 см. В стенки трубки впаяны 12 молибденовых зондов диаметром I мм. Скорость прокачки газовой смеси контролировалась ротаметром. Исследовались содержащие СО газовые смеси различного состава: СО-He = 1:10, С0-Не-0о = 1:10:0.06 и СО-Не-Хе-Оо =1:6,7:28:0.9:0,05. Эксперименты проводились в отпаянном режиме и с прокачкой газовой смеси. Результаты измерений аксиального распределения напряженности электрического поля приведены на рис.1.15. Видно, что неоднородность поля наблюдается только в не содержащей кислорода смеси СО-He при сравнительно больших скоростях прокачки (60 см/сек). Уменьшение скорости прокачки до 5 см/сек и переход к отпа*янному режиму приводит к исчезновению неоднородности напряженности поля. В-смесях, содержащих добавки кислорода, распределение остается однородным практически при всех

\j

to* '

ті

'AJ

1.

a.

^1

J, ^

л I

в» "Г» ^

О s-.o

ryj Q. OO

І750

І800

a.

\

О —n

-H a.

a. I

V>cm'

Рис.I.13. Спектр генерации СО-лазера с неселективным резонатором.

Параметры активной среды: давление рабочей смеси 18 Торр, ток разряда 18 мА. Длина резонатора 162 см.

_t+

_{I I I I 1 I 1 I 1—v}

_2.

Рис.I.14. Схема экспериментальной установки для исследования

аксиального распределения напряженности электрического поля в разрядной трубке. 1,2 - танталовые электроды, 3 - разрядная трубка с 12 молибденовыми зондами, 4 -ротаметр, 5 - манометр, б - источник тока, 7 - стабилизатор, 8 - высоковольтный измеритель напряжения.

О 17,6 528 88 _L>

Рисі.15. Аксиальное распределение напряженности электрического поля. Отсчет длины Li ведется от анода к катоду. Параметры газовой смеси: О - смесь СО-Не 1:10, Р - 8 Торр, и - 10 мА, скорость прокачки газа 0,05 м/сек. X - смесь - та же; скорость прокачки газа 0,6 м/сек. А - смесь С0-Не-0₂ 1:10:0,06, Р - 8 Торр,J - 10 мА, скорость прокачки газа 0,6 м/сек.

- 62 -реализованных скоростях прокачки. Однородным остается и аксиальное распределение в смесях без прокачки, в том числе и в типичных рабочих смесях СО-лазера, содердащих ксенон. Можно, следовательно, сделать вывод о том, что в СО-лазере, работающем в отпаянном режиме, отсутствуют аксиальные неоднородности давления и напряженности поля, которые могли бы оказать влияние на спектральный состав генерации СО-лазера.

Еще одной потенциальной причиной одновременной генерации на нескольких вращательных линиях одного колебательного перехода может, в принципе, быть изменение оптической длины лазерного резонатора из-за различного рода нестабильностей: механических вибраций, температурного дрейфа длины резонатора, флуктуации показателя преломления и т.п. Подобные флуктуации приводят к смещению сетки собственных частот резонатора. При хаотическом изменении положения продольных мод могла бы возникать ситуация, когда максимальное превышение над порогом потерь достигается то для одной, то для другой вращательной линии колебательного перехода, что воспринимается интегрирующей регистрирующей аппаратурой как одновременная генерация.

Осуществление активной стабилизации длины резонатора СО-лазера, работающего в неселективном режиме, представляет особую задачу. Использование стандартной системы автоподстройки частоты (АПЧ) предполагает, что модуляция длины резонатора приводит к появлению однозначно связанного с ней сигнала ошибки при сканировании продольной моды вблизи центра контура усиления лазерного перехода. В СО-лазере число линий генерации велико; при любой длине резонатора продольные моды располагаются на контурах усиления генерирующих линий достаточно хаотично и дискриминатор для системы АЧП отсутствует.

Для стабилизации оптической длины неселективного СО-лазера была предложена и реализована следующая схема (рис.1.16). Лазерная трубка I, из молибденового стекла (внутренний диаметр 15 мм), с полной длиной разрядного промежутка 125 см установлена в резонатор, образованный диэлектрическим плоским зеркалом 2 с коэффициентом отражения 98% и пропускающим зеркалом 3 на пьезокорректо-ре (диэлектрическое напыление на ВаРг>, пропускание Ь%, радиус кривизны 5 м). Разряд поддерживается стабилизированным источником тока 4. Часть излучения отклоняется делительной пластинкой из флюорита 5 и, пройдя через монохроматор б спектрометра ИКС-ЗІ, регистрируется фотоприемником 7 {Ge - Д(Л, 77К). Сигнал с приемника 7 усиливается узкополосным усилителем У2-6 (8) и поступает на вход системы АПЧ 9. Для модуляции длины лазерного резонатора на пьезокорректор подается с АПЧ синусоидальное напряжение поискового сигнала амплитудой 0,8 В и частотой I КГц, а также управляющее напряжение, вырабатываемое АПЧ.

Для общего качественного обзора спектра излучения используется панорамный спектрометр 10 A-I6 с термочувствительным люминофором.

Дискриминатором для стабилизации длины лазерного резонатора и, таким образом, частот генерации, служит центр контура усиления лазерной линии, выделяемой монохроматором. В процессе эксперимента проводилась стабилизация по нескольким линиям. В таблице І.І указаны наиболее сильные линии, наблюдавшиеся в спектре генерации СО-лазера при стабилизации длины резонатора по линии Р(1б) перехода 9-8 и Р(1б) перехода 10-9. В таблице отсутствуют линии мощностью менее 50 мвт, что обусловлено порогом чувствительности люминофора.

Результаты эксперимента указывают, что стабилизация длины

_^J

Рис.і.16. Схема установки для исследования спектрального состава излучения СО-лазера с неселективным резонатором. I - лазерная трубка, 2 - глухое диэлектрическое зеркало, 3 - пропускающее диэлектрическое зеркало на пьезо-корректоре, 4 - стабилизированный источник тока, 5 -делительная пластинка из CaFp, 6 - монохроматор спектрометра ИКС-ЗІ, 7 - фотоприемник {Ge - f\a , 77К), 8 - селективный усилитель У2-6, 9 - блок АЧП, 10 - панорамный спектрометр A-I6.

- 65 -резонатора не приводит к заметному обеднению спектра генерации GO-лазера. Наблюдается значительное число как различных колебательных, так и - в пределах одной колебательно-вращательной полосы-вращательных переходов. Следовательно, можно сделать вывод, что одновременная генерация на нескольких вращательных линиях в пределах одного колебательного перехода не может являться следствием флуктуации длины резонатора.

Отсутствие сильной конкуренции переходов в СО-лазере затрудняет реализацию режима жесткой селекции в том числе и для сильных переходов. Разность частот между соседними колебательно-вращательными переходами ?Q) и Р(3+1) составляет в среднем 4 см .

Таблица I.I

Наиболее интенсивные линии из спектра генерации СО-лазера с неселективным резонатором

Линия,по \

которой \ Линии генерации, наблюдаемые в спектре гене-

про водится \ рации

стабилизация \

И эксперимент, и расчет соответстущих ІЧСП СО-лазера с дифракционной решеткой показывают, что такая частотная отстройка достаточна для подавления соседних с выделяемой линий из той же колебательной полосы. Поэтому дифракционная решетка практически всегда может выделить одну вращательную линию колебательного перехода и —ІГ-о.

Но частоты различных переходов Р-ветви соседних колебательных по-лос W-~U-i и ІГ-1-+ІГ-2. молекулы СО близки и, в условиях перекрытия колебательных полос, в зависимости от конкретного значения J и ^ , могут составлять от I.I см до 0.1 см . Это осложняет получение режима жесткой селекции в СО-лазере с дифракционной решеткой.

Экспериментальное исследование селективных свойств СО-лазера с дифракционной решеткой проводилось с лазером, параметры которого описаны выше. Глухое диэлектрическое зеркало заменялось дифракционной решеткой, установленной в автоколлимационной схеме. Основные характеристики пяти исследованных решеток приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

1. кварц Ав Ю0 30 2 87+2%

2. инвар f\ot ЮО 30 2 70%

3. инвар Д_и 150 52 2 70%

4. инвар А^ 150 2350 I 91+2%

5. инвар All 150 I740 I 90+2%

Коэффициент отражения R решетки в автоколлимационном режиме определялся по методу калиброванных потерь. Измерения показали, что максимальные коэффициенты отражения имеют решетки 4 и 5, с углом блеска в области 5 мкм. Решетка 2 и 3 оптимизированы для работы с СОр-лазерами. Поэтому коэффициент отражения во втором порядке у них мал ( 70 %) из-за значительного вывода энергии в

- 67 -первый и нулевой порядок. Пониженная эффективность решеток COg-лазеров при работе в области 5 мкм отмечалась в других работах / 83 /.

Наблюдавшийся нами спектр генерации СО-лазера с дифракционной решеткой приведен на рис.1.17. При перестройке решетки генерация наблюдалась, в нашем случае, на 63 линиях, начиная от Р(18) перехода 7-6 и до Р(19) перехода 15-14.

По сравнению с неселективным режимом число возможных колебательно-вращательных переходов генерации увеличивается примерно в 2 раза. Это объясняется появлением в спектре генерации линий с относительно небольшим усилением, отсутствующих при неселективном режиме работы лазера из-за наличия частичной конкуренции переходов.

В условиях наших экспериментов наблюдается до десятка случаев одновременной генерации на двух вращательных линиях соседних колебательных переходов (на рис.1.17 эти совпадения отмечены). Нежесткая селекция наблюдается для переходов с частотой выше 1820 см . Начиная с переналоженных линий Р(22) перехода 10-9 и РЦ6) перехода 11-10 (V= 1821.62 см ) и до линии Р(19) перехода 15-14 (V = 1709.58 см ), резонатор с дифракционной решеткой обеспечивал режим жесткой селекции.

В СО-лазере с дифракционной решеткой линии соседних колебательных переходов, на которых происходит одновременная генерация, отличаются по величине вращательного квантового числа J , как правило, на 6 единиц. Это связано со спецификой спектра молекулы СО. Поскольку зависимость величины коэффициента усиления СО-лазера от номера вращательного уровня имеет довольно резкий характер / 90 /, интенсивности этих переходов значительно отличаются.

Жесткая селекция сильной линии в СО-лазере может быть осуществлена весьма просто несколькими способами: I) повышением уровня

і m і I

CO I

и !- -
I >- I

CO o> —

A¹? 7

"«in

S ? S 8Г.

I о

I Г-

Й

C^-t-н і—і

З&З

Г'

«-н I

cvr~o>

а &

хк

Рис.1.17. Относительное распределение интенсивностей в спектре генерации СО-лазера с дифракционной решеткой. Длина резонатора 172 см, давление смеси 18 Торр, ток разряда 16 мА. Переходы, не разрешаемые дифракционной решеткой, отмечены А . Обозначение линий генерации сокращенное: указаны только значения r(j ) и V . Например, 18-6 соответствует линии Р(18) перехода 7-6.

- 69 -неселективных потерь резонатора за счет разъюстировки дифракционной решетки или уменьшения диаметра апертурной ирисовой диафрагмы; 2) изменением условий в активной среде лазера (давления, тока разряда, условий охлаждения трубки). Оба варианта иллюстрируются рис.1.18. На рис.1.18а показан автограф СО-лазера с решеткой № 4. При юстировке обеспечивалась максимальная мощность для линии Р(1б) перехода 9-8. Для подавления поперечных мод в резонатор вблизи сферического зеркала помещена ирисовая диафрагма. При уменьшении диаметра диафрагмы присутствовавшая в автографе линия Р(22) перехода 8-7 исчезает из-за увеличения уровня дифракционных потерь (рис.1.186). При этом, однако, уменьшается и уровень мощности на выделяемой линии. С другой стороны, режим жесткой селекции можно получить, уменьшив ток разряда на 2 мА. (рис.1.18в). Мощности генерации на линии Р(1б) перехода 9-8 при этом практически не меняется.

Выделение слабых линий, генерирующих одновременно с сильными, напротив, не всегда возможно и требует внесения значительных неселективных потерь. Тем не менее, в области частот 1700 см *

_т J-I820 см решетка обеспечивает надежное выделение заданной линии

из спектра генерации СО-лазера. Основные трудности с селекцией

возникают в диапазоне частот V > 1820 см .

в) Селекция переходов генерации в СО-лазере.с дифракционным отражающим интерферометром

Эксперименты показали перспективность применения дифракционных отражающих интерферометров в качестве селективных элементов ряда лазеров видимого (Не-/Уе , Ль / 26 /) и инфракрасного (СО?, / 25,86 /) диапазонов.

Нами была исследована возможность применения данного метода

9(гг) 8-7

_{Р#6) 9-8}

_a)

_A

P(16)9-8

_S>

_ft

P(16) 9 -8

_S)

_A-

^л_/2

Рис.I.18. Автограф генерации СО-лазера с дифракционной решеткой при различных параметрах разряда и резонатора:

а) Р=17 Торр, «J =16 мА, диаметр ирисовой диафрагмы

d. = 8,5 мм;

б) Р=17 Торр,"3 = 16 мА,с( = 7мм.

в) Р=17 Торр,3 = 14 мА, oL = 8,5 мм.

- 71 -селекции, в частности, и для СО-лазера. Предварительно были измерены характеристики селекторов, предназначенных для дифракционных отражающих интерферометров СО-лазеров. Методы измерений, а также связь параметров селекторов с наблюдаемыми величинами подробно описаны в / 26 /. Основные параметры, характеризующие дифракционный отражающий интерферометр с селектором Троицкого - максимальный и минимальный коэффициенты отражения интерферометра R_teJiy и К . , а также фактор резкости Р. . Величина F_R определяется соотношением / 26 /:

г =. АаьЛ- (1.29)

^R ^

₅ ⁼ _{-^—г "} ⁼ _т^; _(і.зо)

Здесь \i. , /7^ - показатели преломления окружающей селектор среды со стороны падающего луча.и с противоположной стороны соответственно, \ - действительная часть приведенной поверхностной проводимотсти $ = 5 +^5 Соотношения, определяющие 5 ^и Ь ' приведены в / 26 /. Из них нетрудно найти связь , с наблюдаемыми величинами: і

_{т т}

Здесь R , R - коэффициенты отражения селектора - со стороны среды с показателем преломления Y)^ , /7^ соответственно. Соотношения (1.29)-(1.30) использованы для определения фактора резкости селектора по измерениям в бегущей волне (метод I) / 26 /. Величины F_R , ^mm > ^*іл< определялись также по методу пассивного интерферометра / 25 / (метод П), и по методу калиброванных потерь / 86 / (метод Ш).

Эксперименты проводились с СО-лазером,описанным в 56). Результаты измерений приведены в таблице 1.3.

Таблица І.З

Характеристики дифракционных селекторов

№№ІМате- ! Период; Мат е-jTomqaf D. ! n ^l

_f*

пп риал іструк- риал f : на; ^ЪхМ ! *»*«Vi

{структуры, под- \иод-\ а \ а

|туры жм ложки |ЛОЖУИ ' '

В скобках после значений измеряемой величины в таблице указан номер методики. Видно, что согласие результатов, полученных разными методами, вполне удовлетворительно.

Дифракционный отражающий интерферометр с селектором Троицкого по коэффициенту отражения превосходит дифракционные решетки (ср. табл.1.1 и 1.3), обладая в то же время, лучшей селективностью. За счет нанесения соответствующих согласующих покрытий коэффициент отражения дифракционного интерферометра может быть увели-, чен / 26 /.

Нами было проведено экспериментальное исследование спектра генерации С0-лазера с отражающим интерферометром. Экспериментальная установка в целом аналогична применявшейся для исследований СО-лазера с дифракционной решеткой (см. 56). Там же описаны параметры активного элемента.

Вывод излучения осуществляется через диэлектрическое зеркало

- 73 -пропусканием 6%, укрепленное на пьезокорректоре. Другим отражателем является дифракционный отражающий интерферометр, образованный селектором и золотым зеркалом (R = 98%). Конструкция интерферометра предусматривает как возможность сканирования базы в пределах yj/^ с помощью пьезокорректора, так и плавное изменение длины в пределах нескольких миллиметров с помощью микрометрических винтов (точность контроля изменения базы не хуже +0.02 мм). В зависимости от положения собственных частот резонатора и величины базы интерферометра в спектре генерации лазера наблюдались различные линии. В общей сложности было идентифицировано 83 линий генерации, от Р(17) перехода 16-15 ( V = 1642,65 см ) до Р(18) перехода 6-5 (V = 1940.27 см ). Волновые числа даны в соответствии с / 95 /.

Увеличение числа линий генерации объясняется, в первую очередь, снижением уровня неселективных потерь, вносимых в резонатор дифракционным отражающим интерферометром по сравнению с дифракционной решеткой.

Применение дифракционных отражающих интерферометров с большими базагш обеспечивает высокую селективность лазера. Например, были селектированы две линии - Р(16) перехода 8-7 и Р(22) перехода 7-6, частоты которых отличаются лишь на 0,0347 см . Интерферометр при этом был образован селектором № I и глухим золотым зеркалом, база равнялась 25+0.5 мм.

Высокая селективность дифракционного интерферометра иллюстрируется, в частности, выделением отдельных продольных мод на контуре усиления при сканировании базы. Этот эффект наблюдался для всех трех селекторов (величина базы ^10 мм). На рис.1.19 приведен фрагмент зависимости интенсивности излучения лазера от величины базы отражающего интерферометра. При сканировании базы отражающего ин-

- 74 -терферометра в на. jj/ (общая длина лазерного резонатора оставал-лась неизменной) исследовалась зависимость интенсивности излучения от & в пределах одной линии. Из рисЛ.19 видно, что контур лазерной линии генерации имеет специфическую форму. Сопоставление разности частот центров максимумов на рис.I.19, с межмодовым интервалом С J'2_1_Г 8? МГц показывает, что они с хорошей точностью совпадают. Селективность дифракционного отражающего интерферометра достаточна для выделения отдельной продольной моды резонатора на контуре усиления лазерной линии.

Возможность выделения продольной моды в пределах контура имеет самостоятельное значение. Межмодовый интервал налагает естественное ограничение на полосу плавной перестройки частоты: hv ^ CJ2_li Для расширения полосы перестройки необходимо уменьшать размеры резонатора (и )и, следовательно, длину активной среды. Использование резонаторов с отражающими интерферометрами позволяет ослабить ограничение на полосу перестройки, связанные с величиной свободной спектральной области резонатора. При соответствующем подборе базы интерферометра, длины резонатора и уровня неселективных потерь возможно, в принципе, реализовать перестройку частоты генерации лазера с полосой AV> ^C/2.L' Однако и в этом случае полоса перестройки ограничена вследствие конкуренции колебательно-вращательных переходов в условиях малой свободной спектральной области интерферометра. Максимальную ширину полосы перестройки можно получить в комбинированном резонаторе, включающем дифракционный отражающий интерферометр и селективный элемент с угловой дисперсией - призму или дифракционную решетку (см. следующий раздел).

Так как зависимость коэффициента отражения дифракционного интерферометра от частоты периодична, возможно, что превышение над

^{90 ±2 МГц}

_{Ш 4 і 0,2 ГГц}

Рис.І.19. Зависимость интенсивности генерации СО-лазера от изменения величины базы отражающего интерферометра. Длина резонатора 172+0,2 см, база интерферометра 14,5+0,5 мм. Показана линия Р(16) перехода 10-9.

- 76 -порогом потерь при заданной базе интерферометра будет достигаться одновременно для нескольких переходов лазерной генерации. В случае СО-лазера, обладающего развитым спектром генерации и характеризующегося слабой конкуренцией переходов, возможность реализации режима жесткой селекции при работе с отражающим интерферометром не очевидна. Впервые она была нами экспериментально реализована в работе / 44 /. Лучшие результаты были получены при работе с селектором № I.

На рис.1.20 показан фрагмент зависимости интенсивности излучения СО-лазера от изменения базы отражающего интерферометра с идентификацией переходов генерации. Видно, что линия Р(22) перехода 10-9 не переналожена с другими линиями. Если зафиксировать величину базы интерферометра (уход частоты меньше I МГц/мЫ и сканировать длину резонатора, то в автографе генерации будет наблюдаться одна линия Р(22) 10-9. Это доказывает возможность практической реализации жесткой селекции в СО-лазере с отражающим интерферометром. Режим жесткой селекции реализуется путем подбора базы отражающего интерферометра и положения продольной моды резонатора. Конструкция интерферометра предусматривает возможность измерения базы интерферометра с точностью не более 0.5 мм, хотя изменение базы определяется значительно точнее (+0.02 мм) благодаря применению микрометрических винтов. Так, режим жесткой селекции был получен при базе 6,3+0.5 мм для линии Р(16) перехода 10-9. Изменение базы на 0.1 мм приводило к тому, что жесткая селекция была реализована уже для линии Р(І9) 10-9. Аналогичная картина наблюдалась для ряда других линий (в общей сложности более 10) как при работе с селектором № I, так и селектором № 2 и № 3. Жесткая селекция с дифракционным интерферометром была нами реализована, при соответствующем подборе базы, на всех 83 переходах генерации С0-лазера

I;

і в

і ЛІ

Q.

3?

&>

ex.

_1111.111

_CO

L+J/₂

_S)

Рис.I.20. а) Фрагмент зависимости интенсивности генерации СО-лазера от изменения базы отражающего интерферометра (фрагмент). База интерферометра 25+0,5 мм.

б) Автограф генерации СО-лазера с дифракционным отражающим интерферометром. База интерферометра пассивно стабилизирована. Наблюдается жесткая селекция линии Р(22) перехода 10-9.

- 78 -из надпороговой зоны усиления.

г) Селекция секвенциальных переходов в СС^-лазере с комбинированным резонатором

Как было показано в предыдущих разделах, применение селекти- ' вных резонаторов с дифракционной решеткой или отражающим интерферометром позволяет осуществить жесткую селекцию основных переходов [001-100, 020J генерации СОр-лазера и переходов СО-лазера. Однако жесткая селекция секвенциальных переходов полос [00 1/1 --I0U". , 01 V -I J с такими резонаторами затруднено, вследствие малой разности частот основных и секвенциальных переходов, а также большого различия в коэффициентах усиления. Нами была получена / 89 / жесткая селекция для линий Р(37)-Р(41) перехода 002-101. Для линий от Р(27) до Р(43) той же полосы в автографе наблюдалось 2 линии генерации, основного и секвенциального переходав (см. таблицу 1.4). Выделение секвенциальных переходов с 1< 27 в резонаторе с дифракционной решеткой оказалось невозможным.

Расширение спектра генерации COn-лазера на секвенциальных переходах обеспечивает предложенный в / 96,98 / метод селекции с применением внутрирезонаторной нагреваемой ячейки с С0о. Однако эта методика имеет ряд существенных недостатков: ухудшение долговременной частотной стабильности лазера вследствие внесения нагреваемого элемента в резонатор, увеличение геометрических размеров резонатора, рост неселективных потерь, инерционность переключения генерации с основных переходов на секвенциальные. Эти недостатки отсутствуют в предложенном нами методе селекции секвенциальных переходов в лазере с комбинированным резонатором / 89 /. Комбинированный резонатор включает 2 селективных элемента - дифракционный отражающий интерферометр и призму или дифракционную решетку (см. рис.I.21). Такая схема совмещает достоинства обоих селективных

_а)

З 5)

Рис.1.21. Схема комбинированного резонатора с дифракционной решеткой (а) и призмой (б). І - золотое зеркало на пьезокор-ректоре, 2 - дифракционный селектор на пьезокорректоре, 3 - лазерная трубка, 4 - дифракционная решетка, 5 - призма в положении минимального отклонения, б - сферическое пропускающее зеркало на пьезокорректоре.

- 80 -рис.I.21). Такая схема совмещает достоинства обоих селективных элементов: высокую селективность отражающего интерферометра и большой свободный спектральный интервал дифракционной решетки.

Первые эксперименты по селекции секвенциальных переходов в СОр-лазере с комбинированным резонатором проводились по схеме рис. 1.21а. Однако выяснилось, что такая конфигурация резонатора чрезвычайно критична к юстировке и, к тому же, имеет высокий уровень неселективных потерь. Генерация на секвенциальных переходах в такой схеме получена не была. Предпочтительнее оказалась схема, приведенная на рис.1.22. Резонатор образован плоским отражающим зеркалом (R - 98%, золото на кварце) I, дифракционным селектором 2, установленным на пьезокорректоре (предусмотрена также возможность механического изменения базы микрометрическими винтами), поворотным сферическим зеркалом 3 и дифракционной решеткой 4. Подобная схема обеспечивает существенно меньший уровень неселективных потерь благодаря переходу от плоскопараллельного резонатора к резонатору "плоскость-сфера". Параметры селективных элементов следующие: дифракционная решетка - .100 штр/мм, Є_5л = 30, золотое напыление на инваре. Дифракционный селектор: подложка G<* /js с напыленной двумерной решеткой с периодом 20 мкм из п% , коэффициент заполнения металлом 0.5. Измеренный и расчетный факторы резкости F— 15. Спектр генерации регистрируется панорамным спектрометром 5. Часть излучения пройдя через монохроматор б спектрометра ИКС-2І, у которого зеркало Литтрова заменено дифракционной решеткой, регистрируется фотоприемником 7 (Ge- /\vl , 77К). Активный элемент СОр -лазера - разрядная трубка из молибденового стекла 8, внутренним диаметром 13 мм и полной длиной разрядного промежутка 95 см. Общая длина резонатора равна 133+0.5 см. Трубка - трехэлектродная, что позволяло работать как с полной длиной разряда 95 см на двух сек-

Рис.I.22. Схема экспериментальной установки для получения генерации на секвенциальных переходах молекулы СОп в лазере с комбинированным резонатором. I - плоское золотое зеркало на пьезокорректоре, 2 - дифракционный селектор на пьезокорректоре, 3 - сферическое золотое зеркало, 4 -дифракционная решетка, 5 - панорамный спектрометр A-I6, 6 - монохроматор спектрометра ИКС-21,6,9 - фотоприемник, ( G>e - f\cc , 77), 8 - разрядная трубка, 10 - стабилизированный источник тока, II - система АПЧ.

циях, так и на одной секции (длина 60 см). Эксперименты проводились с двумя смесями газов: С0^ - Л- Не(14:20:66) и COg- /^ - Не - Хе (13:19:63:5) при давлении 10 Торр и токе 16 мА. Разряд поддерживается стабилизированньм источником питания 10. Для контроля базы интерферометра и стабилизации частоты генерации лазера применяется система автоподстройки частоты (блок АЧП II, сигнал на вход АПЧ поступает с фотоприемника 9).

Таблица 1.4 Линии генерации секвенциальных переходов СОо-лазера, полученные в резонаторе с дифракционной решеткой и в комбинированном резонаторе

! ! !

Линия перехода!Частотная рас- !Дифракционная!Комбинация 00? тот !стройка до бли- !решетка !дифракционной

^ ^х Іжайшей линии !_TRn .„„„л... !решетки с ^С02 [перехода ОСІ-ІСОІ¹ "^о' 'селектором

Ком^-1) ! ^5А !

+ +

+ +

B лазере с комбинированным резонатором была получена генерация на линиях от Р(13) до Р(43) перехода 002-101 (см. таблицу 1.5). Отстройка секвенциального перехода от ближайшего по частоте основного перехода изменялась от 1.08 см для линии Р(39) до 0,27 см для линии Р(13). Максимальный показатель усиления наблю-

о _т

дался для линии Р(19) и составлял 2.10 см . Для всех линий обеспечивалась жесткая селекция. Из проведенных измерений показателя усиления и уровня неселективных потерь резонатора следует, что переходы с J *= 13 и J "> 43 лежат ниже порога потерь (^ 25 % на два прохода) и генерация на этих переходах в наших экспериментальных условиях не могла быть получена.

Резюме

1. Экспериментально и теоретически исследована задача селек
ции колебательно-вращательных переходов молекулярных ИК-лазеров
среднего ИК-диапазона с дисперсионными резонатора; Полученные дос
таточно общие результаты конкретизируются для условий работы не
прерывных COg и СО электроразрядных лазеров пониженного давления

с открытыми устойчивыми резонаторами.

2. Развиты количественные представления о селективных свойст
вах лазерных резонаторов с дифракционными решетками .в автоколли
мационном режиме. Функция частотно-селективных потерь (ФЧСП) опре
деляется из численного решения скалярных уравнений Кирхгофа-Шрене-

- 84 -ля. Теоретическая модель основана на описании решетки как плоского зеркала с углом разъюстировки, зависящим от частоты и определяемым законом дисперсии.

3. Разработана методика экспериментального получения ФЧСП по зависимости мощности одночастотной генерации от калиброванных потерь резонатора. Экспериментально подтверждена справедливость расчетных результатов.

4. Развит метод расчета непрерывных частотных перестроечных характеристик лазера в пределах надпороговои зоны контура усиления с учетом вида ШСП и основных характеристик активной среды. На примере СОо лазера продемонстрировано хорошее согласие расчета

и эксперимента.

5. Установлено, что для сильных линий генерации основных переходов СС^-лазера [00I-I00, 020] и СО-лазера в области частот генерации 1800 см подбором соответствующей геометрии резонатора может быть реализована жесткая селекция с помощью дифракционной решетки.

6. Найдено, что селективность резонатора с решеткой недостаточна для селекции близких по частоте линий генерации СО-лазера

в области перекрытия колебательных полос и для секвенциальных переходов СОр-лазера. Для выделения указанных переходов в СО-лазере использован дифракционный отражающий интерферометр с селектором Троицкого, а в СОо-лазере - комбинация этого интерферометра с дифракционной решеткой (комбинированный резонатор).

Таким образом, достигнутые нами результаты, описанные в главе I, позволяют решить проблему жесткой селекции практически всех линий генерации молекулярных непрерывных ИК-лазеров с различными механизмами конкуренции переходов. Это дает возможность перейти к проблеме реализации контролируемой частотной перестройки гене-

рации в пределах надпороговои зоны контура усиления лазерного перехода, выделенного одним из описанных выше способов. Этому посвящена следующая глава.

Выбор модели и методики расчета частотно-селективных потерь резонатора с дифракционной решеткой.

Общепринятая эмпирическая характеристика селективных свойств дисперсионного резонатора - режим т.н. жесткой селекции / 27,43 /. Жесткая селекция реализуется, если в автографе генерации лазера отсутствуют все линии, кроме выделяемой. (Автограф генерации лазера представляет зависимость интенсивности излучения лазера -с соответствующей спектральной идентификацией - от длины резонатора L при ее изменении в пределах L , L + л Л , где л - длина волны излучения). В резонаторе с дифракционной решеткой режим жесткой селекции может быть обеспечен не всегда. Это, как показывает практика, (см., напр., / 27,44 /), относится и к лазерам на молекулах С0 и СО. С другой стороны, достижимость жесткой селекции, что также следует из опыта работы с дифракционной решеткой, зависит как от выбора линий генерации и условий работы активной среды лазера, так и от параметров резонатора. В такой ситуации, очевидно, существует возможность управления селективностью лазера. Необходимым условием для этого является наличие количественного описания селективных характеристик лазерного резонатора с дифракционной решеткой. В то же время, количественные методы расчета селективности такого резонатора до настоящей работы отсутствовали. Информация о селективных свойствах лазерного резонатора с дифракционной решеткой содержится в зависимости величины потерь резонатора от частоты - функции частотно-селективных потерь ( 5ЧСШ. Зная ФЧСП лазерного резонатора и характеристики активной среды, можно заранее определить селективные свойства лазера, сравнивать селективность различных резонаторов. Первые, качественные попытки анализа селективных свойств резонатора с дифракционной решеткой были предприняты довольно давно / 45,46 /. При этом авторы исходили из таких хорошо известных в технике спектроскопии характеристик дифракционных решеток, как угловая и линейная дисперсия, разрешающая сила дисперсионного элемента / 47 /. Так, в работе / 45 / приведено выражение для угловой дисперсии решетки, установленной в положении автоколлимации: где Q - угол отражения от решетки, Л - длина волны излучения, ft. - порядок дифракции, d - период решетки. Автор / 45 / справедливо указывает, что селективность резонатора зависит от угловой дисперсии решетки. Никаких других выводов относительно селективных свойств дисперсионных лазерных резонаторов автор / 45 / не делает, ограничиваясь общими указаниями на необходимость учета размеров резонатора, апертурных диафрагм, параметров зеркал и т.п.. В работе / 46 / решетка рассматривается как отражатель с переменным коэффициентом отражения.

Закон изменения коэффициента отражения определяется аппаратной функцией решетки Е / 47 /: где 0 = -А и _ разность фаз дифрагировавших лучей, А 2 - ли-нейная разность хода лучей, Л - длина волны падающего на решетку излучения, hi - полное число освещенных штрихов решетки. Из выражения (1.2) можно определить зависимость мощности генерации от длины волны излучения лазера. Однако при таком подходе не учитывается геометрия резонатора, параметры апертурных диафрагм и пр.. В / 46 / отмечается "качественный характер проведенного рассмотрения". Попытка учета влияния геометрических размеров резонатора на селективность проводится в / 49 /. В приближении геометрической оптики рассмотрен резонатор с дифракционной решеткой. Считается, что для выделяемого перехода резонатор съюстирован. Для соседнего с выделяемым перехода ось резонатора наклонена на угол Q , определяемый угловой дисперсией решетки. При оценке селективности предполагается, что генерация на соседних переходах подавлена, если угол меньше критического угла разъюстировки ко (т.н. критерий Синклера). Критический угол определяется как / 50 /: где 2а - диаметр апертурной диафрагмы, 2иґ - диаметр пучка в плоскости диафрагмы, L - длина резонатора, а р - безразмерный параметр, равный Здесь С - расстояние от диафрагмы до сферического зеркала (пред полагается, что диафрагма установлена вблизи сферического зерка ла), 0-1 - /R пз-раметр конфокальности, Кэ радиус зеркал эквивалентного резонатора: Кэ = , 3 Численные оценки для резонатора с Z= 1,72 м,л = 5 М, # = = 3 мм, с = 5 см, Jl =. 10,6 мкм дают значение критического угла разъюстировки 5 = 9". В соответствие с критерием Синклера на всех переходах, для которых ось резонатора повернута на угол s 9",генерация будет подавлена. Однако и эксперименты, и о э кь результаты точного расчета, приведенные ниже, показывают, что такого рода оценка существенно завышает селективность резонатора с дифракционной решеткой. Кроме того, в критерии Синклера не учтено усиление в активной среде. Поэтому его применение даже для оценочных расчетов нецелесообразно. Более подробное и последовательное рассмотрение #ЧСП лазерного резонатора с дифракционной решеткой проведено в работе /51/. Авторы / 51 / исходили из высказанного в работе / 52 / предположения о возможности рассмотрения дифракционной решетки в резонаторе как разъюстированного плоского зеркала. Для частоты Ч выделяемого перехода резонатор отъюстирован (режим автоколлимации). Угол разъюстировки для частот V У0 определяется угловой дисперсией решетки. Таким образом, задача определения ФЧСП резонатора с дифракционной решеткой сводится к задаче о нахождении потерь резонатора с разъюстированным плоским зеркалом. В / 51 / для нахождения ФЧСП использованы результаты работы / 53 /, в которой получено приближенное аналитическое выражение, связывающее величину приращения потерь резонатора /\и с углом разъюстировки зеркала х : Такой подход, однако, не совсем точен. Во-первых, аналитическая зависимость (1.4) получена для случая плоскопараллельного резонатора.

При рассмотрении резонаторов "плоскость-сфера" в / 51 / используются экспериментальные данные. Во-вторых, как по казано в / 54 /, выражение (1.4) совпадает с результатами точного расчета только для резонаторов с числом Шренеля N - 0,5. Эти факторы ограничивают применимость результатов работы / 51 / и / 53 / для расчета ЧСП лазерного резонатора. Тем не менее, идея о сведении задачи определения потерь резонатора с дифракционной решеткой к задаче о потерях эквивалентного резонатора с разъюстированным плоским зеркалом весьма плодотворна. Допустимость подобной замены будет обсуждена нами ниже. Существуют различные методы расчета дифракционных потерь разъюстированного лазерного резонатора - как численные, так и аналитические. При численном расчете структуры поля, фазового сдвига и потерь лазерного резонатора решается интегральное уравнение Фокса-Ли / 55 /, связывающее распределение поля на одном из зеркал резонатора с распределением поля на другом зеркале. Например, для неразъюстированного резонатора длиной L , образованного плоскими полосковыми зеркалами, уравнение іокса-Ли имеет вид / 55 /: Здесь &( к і) - собственная функция уравнения (1.5), определяющая стационарное распределение поля на поверхности і -го зеркала, j\ - длина волны генерации, К и " - точки с координатами {.х± )%±\ и xaj&2J на первом и втором зеркалах соответственно, /Зг - ( R - R ) , X - собственное значение уравнения (1.5), определяющее потери и сдвиг фазы на проход. Интегрирование ведется по поверхности S зеркала. Аналогичное уравнение можно записать и для резонатора, разъюстированного на угол d / 54 /. При этом в подынтегральное выражение уравнения (1.5) добавляется член ЄХр 7 \dx f , учитывающий влияние разъюстировки. Уравнение (1.5) является линейным интегральным уравнением Фредгольма 2-го рода. Предложены различные численные методы решения (1.5). Исторически первым был предложен итерационный метод / 54,55 /. Его основной недостаток - большие затраты машинного времени. Более перспективны методы, в которых интегральное уравнение сводится к системе линейных алгебраических уравнений / 56, 57 /. Они существенно повышают скорость расчетов по сравнению с интерационными методами и позволяют одновременно определять потери наиболее добротных мод резонатора.

Результаты исследования частотно-селективных свойств резонаторов с дифракционными решетками.

Было проведено экспериментальное исследование и расчет частотно-селективных потерь в резонаторе с круглыми и щелевыми апертур-ными диафрагмами. Рассматривались резонаторы в широком диапазоне параметров л и & . Все эксперименты проводились с СОр-лазером. Некоторые типичные графики ЧСП приведены на рис. I.5-I.8. На рис.1.8 по оси абсцисс, наряду с углами разъюстировки, указаны величины соответствующих этим углам частотных расстроек, вычисленные по формуле (I.II) для дифракционных решеток 100 штр/мм, ( = = 30 и 150 штр/мм, 0д = 52. Сплошные кривые на графиках соответствуют расчетным результатам, точки - экспериментальные значения. На рис.1.5-І.6 приведены зависимости частотно-селективных потерь для резонатора со щелевой диафрагмой, а на рис.1.7-І.8 -для резонатора с круглой диафрагмой. Характер изменения частотно-селективных потерь при увеличении угла разъюстировки одинаков для всех рассмотренных случаев. На начальном участке зависимости, пока приращение потерь резонатора ДО за счет разъюстировки мало (Ии Ъ%), наблюдается квадратичный рост потерь. По мере увеличения угла разъюстировки квадратичная зависимость плавно переходит в линейную. Следует отметить, что результаты работ / 53,54,56,61,62 /, в которых также рассчитывалось изменение потерь резонатора при разъюстировке зеркал, указывают только на существование квадратичного участка. В ряде работ это ограничение носит принципиальный характер, поскольку является следствием применения теории возмущений / 53,61,62 /. В тех же работах, где задача о потерях резонатора с разъюстированными зеркалами решалась численно / 54,56 /, авторы ограничивались малыми углами разъюстировки, не достигая линейного участка, Поэтому полученный нами результат является существенным для анализа ЧСП дисперсионных лазерных резонаторов, где необходимо рассматривать случаи больших угловых разъюстировок, соответствующих частотным расстройкам 1-2 см . Использование для приближенной оценки селективных свойств лазерного резонатора квадратичной зависимости ІЧСП приводит к значительной погрешности. Знак погрешности зависит от параметров резонатора. Для сильно диафрагмированных резонаторов, когда А/ I, ЧСП нарастает медленнее, чем аппроксимирующая ее квадратичная зависимость. Для слабо диафрагмированных резонаторов сД/ 1 квадратичная зависимость, наоборот, приводит к понижению селективности. Экспериментальные и расчетные графики ІЧСП с хорошей точностью совпадают.

Обращает на себя внимание, что ФЧСП в масштабе: потери - угол для решеток 100 штр/мм и 150 штр/мм совпадают (см. рис.1.8). Этот факт подтверждает правильность рассмотрения дифракционной решетки в лазерном резонаторе как плоского зеркала с переменным углом разъюстировки. Если рассматривать ІЧСП в масштабе: потери - частотная растройка, то видно, что при равной частотной расстройке решетка 150 штр/мм вносит большие потери, чем решетка 100 штр/мм. В резонаторе с параметрами Д/« 0,34, &- 0,43 (рис. 1.6) приращение потерь на 10% достигается для решетки 100 штр/мм при расстройке 18 Ггц, а для решетки 150 штр/мм - при расстройке 9 ГГц. Это - количественная иллюстрация того известного факта, что селективность резонатора с дифракционной решеткой увеличивается при увеличении угловой дисперсии решетки / 45 /. Таким образом, наиболее очевидным способом повышения селективности резонатора с дифракционной решеткой является использование решеток с наибольшей практически достижимой для данной длины волны угловой дисперсией. Селективность лазерного резонатора с дифракционной решеткой возрастает с увеличением длины резонатора. Рассмотрим резонаторы с различными R , L и 66 , но равными /1/иО . Параметры А/ и й входят в качестве независимых переменных в исходные интегральные уравнения для расчета ШСП. Зависимости приращения частотно-селективных потерь резонатора от величины приведенного угла разъюстировки Д = —-—- ( РС - геометрический угол разъюстировки) для резонаторов с равными N и О- совпадают / 81 /. Выражая приведенный угол разъюстировки Л через число Френеля, получим: гается для обоих резонаторов при угле разъюстировки Д . При этом для первого резонатора приведенному углу разъюстировки будет соответствовать геометрический угол х , а для второго резонатора - угол oi . Углы оС. и cL относятся как Т.о., видно, что при увеличении длины резонатора, например, вдвое ( N и и = cornst), селективность его возрастает в у 2 раз. Селективные свойства резонатора с дифракционной решеткой зависят от параметра конфокальности- резонатора. Селективность резонатора монотонно возрастает по мере перехода от полуконфокальной конфигурации к плоскопараллельной. Это иллюстрирует рис.1.9. По оси абсцисс отложен параметр конфокальности Q . По оси ординат откладывается величина приращения потерь, по сравнению с потерями неразъюстированного резонатора 00 , при разъюстировке решетки на угол Д =0,1. Параметры резонатора указаны на рисунке. Зависимости построены для двух фиксированных значений начальных потерь резонатора О = 5% и 20%. Длина резонатора фиксирована; изменяются радиус кривизны зеркала R и диаметр апертурной диафрагмы 2а. Из рис.1.9 видно, что при изменении а в пределах от 0,4 до 0,8 наблюдается незначительный рост селективных потерь. При дальнейшем увеличении параметра конфокальности частотно-селективные потери начинают резко возрастать.

Оптимальное значение параметра конфокальности для резонаторов частотно-селективных лазеров лежит в области 0,8 Q I. Следует также отметить, что в этой области параметров а селективные потери для резонаторов с большими апертурними диафрагмами (малые величины G0 ) нарастают быстрее, чем для сильно диафрагмированных резонаторов (большие 00 ). Этот факт следует учитывать при конструировании частотно-селективных лазеров Выше были представлены результаты экспериментального и теоретического исследования ШЧСП резонаторов с дифракционными решетками, получивших в настоящее время наибольшее распространение. Целесообразно сравнить их с ФЧСП дисперсионных лазерных резонаторов других типов. В ИК-области спектра используются также резонаторы с призмой / 21,33 / или с отражающим интерферометром / 22 /. ФЧСП этих типов селективных резонаторов приведены на рис.1.10. Зависимости представлены в координатах "потери-частотная расстрой ка". ФЧСП резонатора с дифракционной решеткой (кривые 1,2) рассчитана для следующих параметров: оптическая длина резонатора L, = « 172 см, радиус кривизны сферического зеркала R = 5 м, диаметр апертурной диафрагмы, установленной вблизи зеркала 2а = 9 мм. Длина волны генерации у/ = 10,6 мкм. При этом число Френеля /V- 1,1, параметр конфокальности f = 0,656. ІЧСІІ приводятся для резонатора с дифракционной решеткой 100 штр/мм, 0Л = 30 (кривая I) и 150 штр/мм, вг = 52 (кривая 2). Результаты расчета ФЧСП резонатора с дифракционной решеткой пригодны и для определения ФЧСП резонатора с призмой» Задача о потерях такого резонатора также может быть сведена к задаче о потерях резонатора с разъюстированным зеркалом. В работе / 71 / показано, что если база призмы t ± ,\о » где v , - расстояние от граней призмы от зеркал резонатора, то функции Грина призмы и дифракционной решетки (для резонаторов с равными fv , Я и Л ), совпадают. Следовательно, ФЧСП в координатах "потери - угол разъ-юстировки" для дисперсионных резонаторов с призмой и с дифракционной решеткой при равных hi » #- также совпадают. Рассмотрим резонатор с призмой, установленной в положении минимального отклонения. При этом грани призмы расположены под углом Брюстера к направлению распространения пучка в резонаторе, и призма не вносит дополнительных френелевских потерь. Нетрудно показать, что связь угловой разъюстировки с частотной расстройкой для призменного резонатора определяется соотношением Здесь YL - показатель преломления материала призмы на частоте V , і - угол падения луча на призму, -jTj дисперсия призмы.

Эффект Штарка и его применение для стабилизированной перестройки частоты лазерной генерации

Закономерности взаимодействия молекул с внешним электрическим полем хорошо известны / 107,122-124 /. Воздействие электрического поля сводится к расщеплению уровней и смещению расщепленных компонент. Величина смещения зависит от напряженности поля и параметров уровней (квантовые числа J , К , М , тип симметрии). Для колебательно-вращательных переходов смещение энергетических уровней вследствие эффекта Штарка может „-быть определено с помощью теории возмущений / 107,122,123 /.Ограничимся рассмотрением линейного эффекта Штарка. Он представляет наибольший интерес для исследуемой нами проблемы, поскольку позволяет достичь достаточно широкой полосы перестройки компоненты поглощения при достаточно малых напряженностях поля в ячейке. Линейный эффект Штарка наблюдается для различных типов молекул. Так, для молекул типа симметричного волчка (СВ) величина смещения Ш энергетического уровня в поле напряженностью Е определяется, с точностью до линейных по полю членов, выражением /124/: где 4- - вращательное квантовое число, К и М - его проекции на ось симметрии молекулы и на направление внешнего электрического поля Е соответственно (предполагаем, что вектор Е направлен по оси %),] - электрический дипольный момент, направленный вдоль оси симметрии молекулы, . v ,-"— В молекулах типа асимметричного волчка (АВ) линейный или близкий к линейному эффект Штарка имеет место в нескольких случаях: а) слабо асимметричный волчок (CAB), когда расщепление уровней с квантовыми числами К и - К мало / 107 /; б) АВ, для которого выражение по К сохраняется вследствие внутреннего вращения (например, СНдОН / 125,126 /, в) случайное вырождение энергетических уровней. В результате расщепления и смещения энергетических уровней изменяются спектры поглощения и испускания молекул, помещенных в электрическое поле. Величина смещения уровня может быть определена из выражения (2.1). Результирующая величина сдвига частоты поглощения, однако, значительно меньше, чем сдвиг верхнего или нижнего энергетических уровней, связанных радиационным переходом, что иногда не учитывается / 127 /. Величину реально наблюдаемого смещения частоты можно определить, записав выражение (2.1) для верхнего и нижнего колебательно-вращательных уровней. Учитывая правила отбора ДК = 0, Д/1/ = 0, +1 для колебательно-вращательных переходов Р , Q и R - ветви получаем: Р- &M- О» Для параллельной вектору напряженности электрического поля в штарковской ячейке поляризации падающего излучения и AM=L для перпендикулярной.

На основании вышеизложенного можно сформулировать требования, которым должны удовлетворять молекулы, используемые для штарковской модуляции и стабилизации частоты. б) 0 предварительном подборе молекул для штарковской стабилизации частоты К моменту начала настоящей работы данные об ИК-спектрах молекул во внешнем электрическом поле были известны лишь для незначительного числа молекул, полосы поглощения которых совпадают с областью генерации COg-лазера / 108,112,128,129 /, GO-лазера / 119, 130-132 / и №р О -лазера / 108 /. Однако использование экспериментальных данных из этих работ для предварительного подбора молекул оказалось, как уже указано в I, затруднительным. Поиск молекул, пригодных для использования в схеме штарковской стабилизации частоты, проводился нами с учетом результатов, полученных при исследовании штарковской модуляции лазерного излучения / 112,133-134 /. Требуется, чтобы вблизи частоты лазерного перехода генерации находилась интенсивная штарковская компонента поглощения молекулярного газа, частота которой может быть приведена в резонанс с частотой лазерного перехода при достаточно малых напря- женностях электрического поля в штарковской ячейке. Количественной характеристикой штарковской модуляции служит индекс модуляции / 134 /, определяемый как где Ie , I - интенсивность излучения, прошедшего через штарков-скую ячейку при поле напряженностью Е и в отсутствие поля, соответственно. Наличие модуляции является необходимым условием для использования молекулы в схеме штарковской стабилизации. Для подбора газов, потенциально пригодных для использования в схеме штарковской стабилизации частоты мы, с учетом результатов / 133 / использовали следующие критерии: 1. Молекула должна относиться к классам симметрии C3ir (сим метричный волчок) или Сд ,Су- (асимметричный волчок), причем в последнем случае необходимо, чтобы молекула была а) слабо асимметричной, или б) наблюдалось случайное вырождение для одного из уровней, связанных радиационным переходом, или в) молекула обладала внутренним вращением (например, СН ОН) (т.е. эффект Штарка должен быть линейным). 2. Молекула должна обладать большим постоянным дипольным моментом ТЪ . 3. Молекула должна иметь интенсивную полосу поглощения в области генерации лазера.

Требованиям 1-3 удовлетворяет значительное число молекул. Большая конкретизация этих требований возможна, но ъ ф\ ли целесообразна из-за отсутствия - как правило - исходной информации о спектрах и молекулярных константах. Поэтому окончательно вопрос о пригодности той или иной молекулы для штарковской стабилизации решается путем экспериментального исследования характера штарковской модуляции. Анализ зависимости индекса модуляции и его первой производной от напряженности электрического поля позволяет значительно сузить круг молекул, потенциально прйодных для штарковской стабилизации частоты. Необходимо, в дополнение к сформулированным выше трем требованиям, чтобы: 4) индекс модуляции был отрицателен и имел экстремум dvn/ds = 0 {Jmj — млх-) при напряженности поля Е меньше пробойной Еиь ї 5) в резонанс с частотой лазерной генерации приводилась одна разрешенная штарковская компонента линии поглощения или неразрешенная группа близких по частоте штарковских компонент (в последнем случае разность центральных частот неразрешенных штарковских компонент должна быть значительно меньше ширины компонент). Смысл требования 4 понятен из рис.2.2, где показано 4 возможных варианта взаимного расположения частоты штарковской компоненты поглощения и частоты генерации лазера. Рис.2.2а соответствует случаю, когда штарковская стабилизация частоты возможна. Известно, что система АПЧ подстраивает частоту генерации лазера таким образом, чтобы она совпадала с центральной частотой контура дискриминатора (автоподстройка по нулю первой производной). Поэтому, если электрический пробой газа в штарковской ячейке происходит раньше, чем достигается экстремальная точка dtn/j = О (рис.2.26, 2.2в), применение этой штарковской компоненты линии поглощения для целей стабилизации частоты невозможно. Использование в качестве дискрим-минатора частотной настройки штарковских компонент линии поглощения, для которых т 0 (рис.2.2г), нецелесообразно по ряду причин.

Экспериментальное исследование штарковской стабилизации частоты генерации СО и СОо-лазеров.

В результате исследований штарковской модуляции излучения СО и С0 лазеров был отобран ряд газов и паров, перспективных для штарковской стабилизации. Экспериментальное исследование стабилизации проводилось на установке, схема которой представлена на рис. 2.12. Лазер I активно стабилизирован по центру контура усиления с помощью системы автоподстройки (фотоприемник 7, селективный усилитель 8 и блок АПЧ 9). Штарковская стабилизация частоты исследовалась для лазера П. Часть излучения лазера П отклоняется делительной пластинкой из BaJ и проходит через штарковскую ячейку 10. Промодулированное в ячейке излучение регистрируется фотоприемником II. Сигнал с приемника, пройдя через селективный усилитель 12, поступает на вход системы АПЧ 13. К электродам ячейки приложено постоянное напряжение U и прямоугольные импульсы напряжения амплитудой U . с высоковольтного усилителя 15. Импульсы формируются триггером 14 из синусоидального напряжения, вырабатываемого в блоке АПЧ 13. Частотная стабильность и полоса стабилизированной перестройки частоты генерации лазера П определялись методом оптического гетеродинирования / 80 /. Смешение сигналов лазеров I и П проводится на фотоприемнике 16 (Ge -/9 , 77К), сигнал биений с которого регистрируется спектроанализатором 17. Идентификация линии генерации лазера осуществляется с помощью панорамного спектрометра с визуализацией 18. Исследования штарковской модуляции лазерного излучения показывают, что /юі/ І-гЗ%. Кроме того, для стабилизации частоты желательно отводить небольшую часть лазерного излучения. Поэтому возникает задача улучшения отношения сигнал/ /шум управляющей схемы. Одним из возможных путей решения этой задачи является подбор оптимальной величины поискового сигнала системы автоподстройки. При стабилизации частоты по внутрирезонаторному реперу (нелинейные резонансы, центр контура усиления и т.п.) поисковый сигнал должен быть по возможности минимальным.

В то же время, во внере-зонаторных дискриминаторах (зеемановская или штарковская ячейка, интерферометр Фабри-Перо) для выработки сигнала ошибки модулируется не лазерная частота, а частота поглощения дискриминатора. Изменяя величину модулирующего сигнала, мы можем обеспечить максимум амплитуды гармоники, на которой работает система АПЧ. (В нашем случае АПЧ работает на первой гармонике, т.е. в качестве особой точки дискриминатора при стабилизации частоты используется ноль первой производной). Пусть d (V) - функция, описывающая форму контура поглощения отдельной штарковской компоненты. К электродам ячейки приложено переменное поле Е = Е0 cos cot . Для молекул с линейным штарк-эффек-том частота V штарковской компоненты поглощения изменяется при этом по закону Vtv = V + Сщ.т Р05 t»t-% Здесь Сщт - коэффициент, определяемый как отношение смещения частоты штарковской компоненты к напряженности поля: СШт= ЛУшг/о ; "V? - текущая частота. Величину (JL ( V + д vItn-CA3SLot) можно разложить в ряд После регистрации промодулированного в штарковской ячейке излучения К-я гармоника модулирующей частоты может быть выделена с помощью синхронного детектора. Сигнал на выходе сихронного детектора при этом пропорционален /)к (V/. Величина коэффициента /J; (v1) определяется как / 141 /: Учитывая, что подынтегральная функция четная, можно записать Для определения оптимальной глубины модуляции интеграл (2.7) вычислялся на ЭВМ (по методу Симпсона). Результаты расчетов приведены на рис.2.13, где показана зависимость амплитуды первой гармоники от величины (tm - отношения глубины модуляции Л Vtur к полуширине контура линии Д)/А или AV» . Кривая I соответствует случаю лоренцевского контура, кривая 2 - доплеровского контйА. В первом Задача о нахождении оптимальной амплитуды модуляции для систем с внерезонаторным дискриминатором, к которым относится и система штарковской стабилизации частоты, существенно упрощается, если вместо синусоидальных опорного и модулирующего сигналов использовать последовательность прямоугольных импульсов той же частоты. Выражение (2.7а) при этом принимает вид Для доплеровского и лоренцевского контуров интеграл (2.8) вычисляется аналитически. Оптимальные амплитуды модуляции равны соответственно AV 0,3б AVa , AVIV7 - 0,29 А \ л.

Уменьшение оптимальной амплитуды поискового сигнала выгодно, поскольку большая величина А гограничивает полосу перестройки частоты в штарковской системе стабилизации. Для практического применения полученных результатов необходимо перейти от оптимальной амплитуды модуляции, выраженной в единицах частот, к величине оптимального напряжения поискового сигнала на электродах штарковской ячейки. Это можно сделать, зная коэффициент сшт- Рассчитаем, в качестве примера, оптимальную амплитуду поискового сигнала при штарковской стабилизации частоты линии Р(20) 001-100 СОо-лазера. При этом в резонанс с линией генерации приводится отдельная разрешенная штарковская компонента перехода поглощения (0а, 4Q4» 4)--(Ia, 6Q5»5) молекулы Н Ь / 21 /, , частотакоторой на 2,011 ГГц меньше центральной частоты линии Р(20). Известно, что доплеровская ширина линии N[\b &V _ „ s 84.5 МГц, параметр столкновительного уширения AV/ = 40.2+0,4 МГц/ /Торр / 142 /, штарковская постоянная Сщт=0.564 МГц/В/см. Эти данные использованы для вычисления показанной на рис.2.14 зависимости оптимальной напряженности поля поискового сигнала от давления газа в ячейке. Зависимость построена для синусоидального (I) и прямоугольного (2) поисковых сигналов. Зависимости, аналогичные приведенным на рис.1.14, полезны для определения оптимальной величины поискового сигнала в системах штарковскои стабилизации частоты. б) Результаты исследования штарковскои стабилизации и перестройки частоты генерации СО и COg-лазеров. Исследование штарковскои модуляции позволило подобрать газы и пары, перспективные для штарковскои стабилизации частоты. Эксперименты по изучению штарковскои стабилизации проводились на установке, описанной выше. Для проверки работы установки была осуществлена стабилизированная перестройка частоты генерации СОр-лазера в пределах надпороговой зоны контура усиления линии Р(20) перехода 00І-І00. В качестве реперной линии служила штарковская компонента линии поглощения (0a,4Q4,4)- (Ia,5Q5,5) полосы Уд_ молекулы A/H D / ЗІ /. Давление газа в ячейке составляло I Торр. Измерения штарковскои постоянной дали значение Сшт 0,56 МГц/В/см. Оптимальная величина поискового сигнала на электродах штарковскои ячейки составляла 12 В, что соответствовало напряженности поля 60 В/см. Оптимальная величина модуляции, найденная экспериментально, хорошо согласуется с определенной из рис.2.14.

Похожие диссертации на Селекция линий и перестройка частоты генерации газоразрядных непрерывных CO2- и CO-лазеров

Роль контактов в повышении эффективности и предельных частот генерации диодов Ганна мм и субмм диапазоновАркуша, Юрий Васильевич

Исследование процессов генерации и обращения волнового фронта при четырехволновом взаимодействии с обратной связью в диапазоне излучения CO2-лазераЕргаков, Константин Владиславович

Теоретическое исследование оптических и спектральных характеристик импульсных электроионизационных CO -лазеровСерегин, Александр Михайлович

Импульсно-периодический электроионизационный CO-лазер с криогенным охлаждениемПопков Геннадий Николаевич

Газоанализ атмосферы лазерными источниками с непрерывной перестройкой частотыРазумихина, Татьяна Борисовна

Дифракционные потери и разность частот генерации встречных волн в кольцевом резонаторе Владимиров Андрей Георгиевич

Нелинейные пространственно-временные оптические структуры в широкоапертурном лазере с отстройкой частоты генерацииКренц, Антон Анатольевич

Микроструктурированные световоды для генерации перестраиваемых по частоте сверхкоротких лазерных импульсов и элементов волоконно-оптических сенсоровФедотов, Илья Валерьевич

Генерация высших оптических гармоник и комбинационных частот пикосекундного лазерного излучения в лазерно-индуцированной плазмеФедотов, Андрей Борисович

Генерация пико- и наносекундных лазерных импульсов с преобразованием частоты и их применение в спектроскопии и зондированииПершин, Сергей Михайлович