Введение к работе
Актуальность просурми. Развитие новых отраслей применения лазеров (лазерная фотохимия и разделение изотопов, оптическая связь, локация, дальиометрия, микроскопия, лазерные хирургия, терапия и офтальмология, синтез и обработка многозональных изображений, лазерная печать, цветная голография и др.) и совершенствование традиционных (резка, сварка, термообработка материалов) существенно активизирует усилия, направленние на разработку фундаментальных ' представлений о закономерностях процесса Формирования генерации в лазерных структурах различного типа, с целью создания компактных, высокоэффективных и ден- вих устройств, работающих в пироком спектральном диапазоне и обладающих характеристиками, присущими уникальным, дорогостоящим, лабораторным системам. Проблема получения мойного лазерного излучения в широком спектральном диапазоне включает в себя целый комплекс задач как теоретического,так и практического плана.
Создание газовых лазеров, генерирующих в широком спектральном диапазоне при высоком качестве и стабильности модовой структуры, затруднено главным образом из-за малой величины и большого различия в коэффициенте усиления спектрально близко расположенных переходов. Особое значение в этом плане приобретают вопросы разработки. волноводных лазерных резонаторов с предельно низкими селективными оптическими потерями. Разрабо-такные теоретические модели идеальных лазерных систем в этом случае оказываются недостаточно эффективными, так как в действительности именно Факторы нендеальности, а также точность приближений выхолят на первый план. Кроме того для исследования оптимальных условий генерации в них необходимы специальные экспериментальные методы и аппаратура.
Перспективные в плане обеспечения высокой удельной мощности за счет больиого объема возбуждения волноводные резонаторы нетрадиционной конфигурации изучались достаточно подробно ь теории оптических волноводов, которая, однако, не позволяла в полной мере учесть наличие в системе активной среды. Последняя же может оказаться одним из решающих факторов Формирования генерации в таких структурах, стабильности ее спектральных и энергетических характеристик.
Наконец, в связи с возможностью суяеетвенного изменения
свойств самой активной среды под действием поля мощного оптического излучения, всегда присутствующего в резонаторе лазера, становятся существенными не только такие достаточно хорошо изученные процессы как насыщение, но и различные многобайтовые процессы, Фототушение и др.. Качественно отличающаяся от обычных одноквантовых природа многоквантовых процессов позволяет им оказывать влияние на внутримолекулярные взаимодействия. В то же гремя Фототушение, вследствие высокой селективности воздействия, может существенно изменить межмолекуляриые взаимодействия в системе, которые играют значительную роль в конденсированных средах. Более того, по той же причине при определенных условиях данный эффект будет проявляться даже при меньших уровнях мощности излучения, чем насыщение.
Таким образом, реализация новых возможностей волневодных лазерных структур требовала детального изучения комплексной проблемы по схеме: волн'водный резонатор-пзлучение-активная среда-генерация с использованием, в основном, методов волновой оптики и оптической нелинейной спектроскопии.
Цель работы. Разработать аналитические и численные модели формирования генерации ч волноводних лазерных структурах, перспективных в плане повышения удельной мощности и расширения спектрального диапазона генерации, которые учитывают: предельно низкие селективные оптические потери, наличие большого количества переходов с приблизительно одинаковыми условиями усиления, большой объем активной среды.
Определить основные факторы формирования модовой структуры активного волноводного резонатора с помощью численного моделирования.
Изучить Фотофизические процессы в молекулярных активных средах в условиях взаимодействия с интенсивным оптическим излучением.
Разработать методы и аппаратуру исследования волноводных лазерных структур различного типа, их элементов и молекулярных активных сред.
Научная новизна. Разработаны ' аналитические и численные модели волноводных лазерных резонаторов, характеризуемых предельно низкими селективными оптическими потерями. Разработаны експериментальний методы исследова чя таких структур, позволившие выделить основные фак.орн, определяющие энергетическую и молову» структуру генерации в них. Предложены методы
оптимизации параметров элементов. Эффективность разработанных моделей и экспериментальных методов продемонстрирована расчетами резонаторов нногечастотных лазеров видимиго диапазона.
На основании экспериментально обнаруженных отклонений спектра генерации волноводних СО» лазеров от определяемого условиями резонанса для различных мод установлена недостаточность классической теории волноводних лазерных резонаторов даже в случае малого сечения волновода. Разработан комплексный метод исследования генерационных параметров лазеров этого типа, позволивший определить основные механизмы перераспределения энергии генерации по собственным модам волноводного резонатора, разработать критерии оптимального волноводного резонатора. В рамках модели комплексной матрицы полного прохода резонатора развита теория активного волноводного лазерного резонатора с учетом резонансных и нерезонансных взаимодействий в активной среие, в том числе для большого объема возбуждаемых мод. Установлены основные макроскопические параметры активной среды, определяющие особенности активного резонатора.
Теоретическое и экспериментальное исследование спектрально-полярнзационных характеристик активных сред в условиях взаимодействия с мощным оптическим излучением позволило установить связь микроскопических параметров, определяемых механизмом преобразования энергии возбуждения, внутри и межмолекулярными взаимодействиями с макроскопическими характеристиками среды, Экспериментально обнаружена супественная спектральная неоднородность анизотропии двухфотонного поглощения и испускания несимметричных многоатомных молекул, связанная с эффективным электронно-колебательным взаимодействием, особенностями молекулярной структуры. Показана возможность управления процессом релаксации межмолекулярного взаимодействия с помоиью варьирования интенсивности воздействующего излучения. Предложен метод измерения спектральной зависимости коэффициентов Эйнштейна для спонтанных и вынужденных переходов.
Чдиия^рвие положения.
I. Аналитические и численные модели волноводных лазерных структур с оптическими потерями ниже 10-*, основанные на приближении слабоднфрагирувиих нп апертурах гауссовых пучков, распространяюиихся в во«н«воде с учетом френелевских отражений от диэлектрических и проводяиих стенок и учитывающие неидеальность элементов волноводного резонатора и юстировки. Теорети-
ческое и экспериментальное определение областей преобладания дифракционного и волноводного факторов в оптических потерях в элементах резонатора.
-
Аналитические и численные модели нендеалъных волноводных лазерных структур ИК диапазона. Определение истинного спектра генерации волноводных СОз лазеров, устанавливающее существенные отклонения От определяемого условиями резонанса волноводного резонатора и обусловленные интерференцией конкурирующих мод, резонансными и нерезонансными взаимодействиями в активной среде. Развитие теории волноводных лазерных резонаторов для большого объема возбуждаемых мод. Численные модели активных волноводных и плоскорезонаторных лазерных структур с учетом активной среды в виде слабого возмущения нодовой структуры пассивного резонатора и определении модовон структуры системы в рамках модели комплексной матрицы полного прохода резонатора.
-
Методы исследования каналов и динамики процессов релаксации энергии возбуждения, внутри и межмолекулярных взаимодействий в активных средах, основанные на использовании интенсивного оптического излучения, резонансною и нерезонансного по отношению к электронному переходу молекулы. Спектральная неоднородность анизотропии двухфотонного поглощения у испускания несимметричных многоатомных молекул связанную с эффективным электронно-колебательным взаимодействием, связь обнаруженных зависимостей с особенностями молекулярной структуры, симметрией равновесной конфигурации молекулы, условиями двухфотонного возбуждения. Экспериментальное обоснование возможности управления процессом релаксации межмолекулярного взаинодействмя варьированием мовности возбуждения. Измерение спектральной зависимости коэффициентов Эйнатейна для спонтанных и вынужденных переходов с помовью Фототушения.
-
Методы оптимизации условий генерации волноводных лазеров, основанные на удовлетворении условий резонанса как для волноводных мод низкого порядка,так и преобразования их в моды свободного пространства, а в случае высокой добротности резонатора, дополнительно, выборе формы волновода, соответствующей условиям оптимального пропускания гауссова пучка.
Б. Методы и аппаратура для измерении: оптических и генерационных параметров волноводных лазеров и их элементов, основанные на сканировании длины резонатора, а в случае предельно низких оптических потерь, использовании сканирующего интерферо-
метра; спектроскопических характеристик однократных процессов нелинейного взаимодейстпия излучения с веществом на базе многоканального стробируеиого накопления фотоэлектрического сигнала. Использование нелинейного преобразования излучения для определения параметров систем фотоэлектрической регистрации, повышения точности измерительной аппаратуры.
Практическая значимость. Проведенные исследования лазерных резонаторних структур, влияния элементов конструкции, активных сред на параметры генерации показали высокую эффективность волноводних и плоскореэонаторных структур для создания мощных, компактных излучательных устройств видимого и ИК диапазона. Стало ясно, что процессы Формирования лазерного пучка генерации в данных системах существенно более многообразны, чем предполагалось ранее, в частности, модовая структура генерации оказалась существенным образом зависящей от ннтерферренционных эффектов собственных мод волноводного резонатора и возникающих в активной среде, резонансных и нерезонансных взаимодействий в полости активного резонатора. Это позволяет значительно расширить возиохностм изучения процессов, происходяаих в лазерных системах, а также использовать их для создания новых, высокоэффективных устройств. Результаты, полученные по изучению нелинейного взаимодействия излучения с веществом в различных агрегатных состояниях, дают новую информацию о характере процессов вынужденного испускания под действием резонансного и нерезонансного по отношению к электронному переходу излучения, структуре и свойствах молекул природе и динамике процессов межмолекулярного взаимодействия, а также позволяют использовать ее как для исследования процессов внутри п межмолекулярного взаимодействия, так и для оптимизации активных лазерных сред.
Разработанные аналитические и численные модели, результаты экспериментальных исследований лазерных резонаторов н их элементов использованы при разработке многоцветных llp-tle и Но-Se лазеров видимого диапазона, а такхе волноводних и плоскореэонаторных СО г лазеров.
Програмные средства для численного моделирования используются в настоящее время в промышленности (например в отделе "Пассивные элементы и трубы" корпорации "Siemens", г. (йонхен) и научно-исследовательских организациях ( в частности, "Отделе научных ' исследований и разработок материалов и электронных компонент физики плазмы" корпорации "Siemens", г. Эрлангеи,
ИФАН Беларуси).
При выполнении работы предложены защикенные авторскими свидетельствами способы повышении точности измерительной .аппаратуры; используемой в нелинейной спектроскопии, обработки результатов измерений, определения и управления параметрами лазерных элементов, активных сред, целенаправленного оптического воздействия на различные материалы.
Диссертационная работа выполнялась на кафедре общей физики Белгосуниверситета в 1976-1879 гг., в лаборатории спектроскопии НИИ прикладных физических проблем им. Л.Н.Сегченко в 1979-1993 гг. в соответствии с плановыми научными исследованиями по темам, входившим в планы АН СССР и All БССР, комплексные программы АН СССР и республики. Часть работы в 1987-1988 гг. и в 1В90-1991 гг. была выполнена на кафедре электрооптики FypcKoro университета (ФРГ, Бохум).
Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты работ, выполненых автором лично. Ему же принадлежит выбор направления, постановка задач исследования, получение основных теоретических и экспериментальных данных и их интерпритацня. Ряд работ по изучению спектрально-поляризационных характеристик люминесценции сложных молекул в растворах в условиях взаимодействия с интенсивным оптическим излучением выполнялся совместно с другими сотрудниками НИИ ПФП, сотрудниками кафедры общей Физики Белгосуниверситета, по изучению волноводных лазерных структур - совместно с сотрудниками кафедры электрооптики Рурского университета. Вклад автора в упомянутые выше публикации заключается: совместно с А.М.Саржевским и Г.Шиффнером - в постановке конкретной задачи исследования, разработке методик эксперимента и расчетных моделей, проведении непосредственных экспериментальных измерений, анализе и обобщении полученных результатов; совместно с Е.С.Воропаем и В.А.Гайсенком - разработке методик эксперимента, проведении непосредственных экспериментальных измерений, анализе и обобчении полученных результатов; совместно с другими коллегами - дополнительно к вышеуказанному, в определении направления и постановке задачи исследования. В полученных совместно с другими коллегами свидетельствах нл изобретение автору принадлежит идея предлагаемых способов и устройств и их обоснование.
Апсобдпия работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 24. 25, 26 Всесоюзных совещаниях по
лкиинесценции ( Минск, 1977 г. Самарканд. 1979 г., Ленинград. 1931 г.): бессоюзном совеиании по молекулярной люминесценции и ее применениям (Харьков, 1982 г.); 19 Съезде по спектроскопии (Томск, 1983 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1984 г.); Всесоюзной научно-технической вколе-семннаре по лазерному, оптическому и спектральному приборостроению (Минск, 1986 г.); 3 Всесоюзной конференции "Применение лазеров в технологии и системах пегедачи информации' (Таллин, 1987 г.), конференциях Немецкого Физического общества (ФРГ, Бонн 1983 г., 1991 г.), Международной конференции по современным проблемам оптической спектроскопии и лазерной техники (Гродно, 1993 г.), семинарах отдела "Пассивные элементы и трубы" "Siemens AG" (ФРГ, Мюнхен 1338 г., 1991 г.), семинарах центра научных исследований и новых технологий "Siemens AG" (ФРГ, Эрланген 1990 г., 1991 г.), сехинарах Факультета электротехники Рурского университета (ФРГ, Во%ГМ. 1988 г., 1991 г.).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в препринте, 26 статьях, 17 тезисах докладов в трудах конференций и совеиании, защиаены 8 авторскими свидетельствами СССР, зарегистрированы в фондах алгоритмов и программ в качестве программных продуктов. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
одчієм работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и приложения объемом . 333 страницы и содержит 57 рисунков, б таблиц и 222 наименования библиографии.
fl-э введении обоснована цель работы, ее научная новизна и (Фактическая значимость и основные защищаемые положения.
а я«м«ор главе изложены аналитические и численные модели, рззрявотаииме для исследования процесса формирования генерации а ролиогодішх лазерных резонаторах с низкими оптическими потерями, анализируются обдие закономерности данных систем, возможности их совершенствования. Приведены результаты экспериментальных исследований оптических характеристик их элементов. Гассмотреня конкретные примеры применения полученных результатов для ' оптимизации многоцветных волноводных лазеров видимого диапазона, гемерирапояиж на переходах с низким коэффициентом
усиления.-
Использовался подход аналогичный разработанному П.Белландон (F.Belland), Я.П.Креном (J.P.Creen) н Д.Веро (D.Veron) для субмиллиметровых мазеров. Однако, в нашем случае задача была более общей и сложной. Это связано с необходимостью обеспечения точности расчетов, как минимум, на порядок превышающей ранее достигнутую, учетом факторов неидеалыюстн элементов системы. Излучение в системе апроксимовалось гауссовым пучком, дифрагирующим на апертуре волновода и распространяющимся в нем по законам оптики, т.е. с учетом Френелевского отражения от стенок. На основании данного подхода развита обаая аналитическая модель распространения квазигауссова пучка через лазерную систему и ее различные элементы. Ключевыми моментами при построении обпей модели было решение следующих задач.
Преобразование параметров гауссова пучка при слабой дифракции ма апертуре волновода.
Построение модели распространения пучка в волноводе с учетом Френелевскнх потерь на отражение от стенок волновода.
Учет Формы волновода, неидеальности элементов конструкции и юстировки.
Разработана модель дифракции гауссова пучка на апертурах волновода при изменении в широких пределах расстояния от зеркал до апертур. Показано, что дифракцию пучка можно представить как слабое изменение радиуса перетяжки.
Для пропускания дифрагированного гауссова пучка через волновод с учетом отражения от стенок по законам Френеля получены приближения, учитывающие влияние Формы волновода, неидеальности элементов конструкции и юстировки, влияния зеркал резонатора на параметры волнового фронта. Гасематриваемая система адаптирована к условиям самовоспроизведения пучка в результате полного прохода резонатора.
В результате при учете вышеизложенных Факторов для коэффициента пропускания системы в приближении дальнего поля получено выражение:
В данном выражении первый сомножитель учитывает дифракцию
на конце волновода, второй - изменение сечения по длине волновода, а частное - распространение внутри волновода. Члени с индексами 2 учитывают возможную раэъюстировку элементов.
Дифракиїїо-'мі.'і? Oj и 0,, волноводние Fl и F, и учитывающие
геометрию системи члени U, и Ог можно представить соответственно как
*-х< *-ё&'
(2)
Н1^)1' Rr**"-"'
''і-9(1
*ь.
!Г"2
Ла-1 ^output k'rM
д..
п'+1 Ь» 1 . (3)
і *"
H'H^Hfefc)
(4)
Здесь г0 - радиус гауссова пучка при интенсивности в в раз меньше максимальной; Lv,Rimlc,Reutrue соответственно длина и радиус волновода на входе и виходе; z - расстояние от эеркала
до конца волновода; к - волновое число; п - коИФицигнт преломления материала стенок волновода; fn ( - угод разъюстироекн и комичности волновода.
Формула (1) описывает общий случаи системы, содер-ьчиеи все необходимые элементы конструкции волноьодноїо лазерного резонатора, позволяет учесть их иеидеалыюсть. Разделение влияния Факторов, определяемых различными элементами дс-ласт такой подход весьма плодотворный для практического использования.
На базе разработанной модели теоретически и экспериментально исследованы элементы полноводного лазерного резонатора, определены их основные факторы, влияющие на выходные характеристики генерации, выявлены области прнобладания последних.
В качестве иллюстрации на рис.1 приведены некоторые результаты расчета по формулам (1-4), а также экспериментально измеренные оптические потери на различных элементах конструкции Не-Ые лазеров генерирующих на различных переходах (А-543,5; С32.8 нм).
Рис.1 Потери за проход волноводного лазерного резонатора.
Цредставхени: а) изолинии одинаковых потерь в системе; 6) дифракционные (1,2). волноводные (3,4) и суммарные (5) потери при идеальной (1,3) и неидеальной (2,4,5) юстировке элементов; в) расчиташши (1-4) к экспериментально измеренные (0,л)нотери
для диафрагмы (1,2,О) и волновода (3,4, л) длиной 30 мм при идеальной (1,3) и неидеальной (2,4,0,4) юстировке; г> то ».<= дли члноводов переменной длины при величине 1/р: 1.8 (1) и 1.9 (2).
Из представленного рисунка можно сделать заключения.
Разработанная модель позволяет получить результаты расчи-танных оптических потерь в диапазоне 10-z-10"*, что полностью удовлетворяет лазерным системам, работающим на низкоэффективных переходах.
Гасчнтанные результаты показывают хорошее количественное соответствие с экспериментально измеренными, недостижимое в рамках общих численных моделей.
Учет влияния дифракции на параметры гауссова пучка с помощью приближенных выражений, приведенных выше, возможен при 1.6 іа/ґ0*3 .
Разработанный нетод описания лазерных структур был использован для систем с проводящими волноводами. Основным отличием в данном случае являются Френелевские потери при распространении излучения в волноводе.
Получены аналитические выражения для оптимального пропускания волновода в зависимости от материала стенок. Показано, что в обычных условиях Я/Л гредпочтительным является волноводы с низкой проводимостью.
Более строгие модели волноводного лазера основаны на решении уравнений распространения излучения внутри волновода, дополненных условиями распространения излучения между его концами и зеркалами. Вследствие больного объема численных расчетов связь результатов с реальными параметрами системы оказывается, клк правило, весьма опосредованной. Однако, с точки зрения оптимизации условий генерации, такой подход-оказался незаменим. Поэтому были использованы и получили дальнейиее развитие оба подхода.
Разработаны алгоритмы расчета лазерной системы с цилиндрической симметрией и ограниченными зеркалами. В отличии от ранее полученных выражений, для повышения точности расчетов, использовалось первое приближение не только в амплитудных, но и фазовых частях волновых уравнений. /Особое внимание выло уделено повышению точности задания формы распределения амплитуды/. Задача решалась методом последовательных приближений.
Сравнивая начальное и конечное распределение поля после каждого прохода резонатора и повторяя численный расчет дифракционных интегралов распределение поля устойчивой моды получалось за 30-200 проходов в зависимости от количества внутрнрезонаторных элементов.
Наиболее общим и информативным в плане определения оптимальных для генерации параметров системы оказалось определение собственных мод лазерной системы в виде решений комплексной матрицы полного прохода резонатора.
Моды произвольного несимметричного резонатора, содержащего волновод, можно представить в виде решений на собственные значения матричного уравнения вида
(5)
-a,(J2,Y2)tf
аи,-каг/С, Pli-^.j/C, 1 і,г"ЬІЛ/a\
где ^л-г1 р-ый комплексный собственный вектор, т-ая компонента которого описывает вклад волноводной моды LPm в распределение
поля на конце волновода вблизи первого зеркала. Я1"1 -комплексная симметричная матрица, описывающая преобразование мод, отраженных от сферического (или параболического) зеркала с радиусом кривизны С, помещенного на расстоянии z от конца волновода радиуса а. (|" - матрица, описывающая влияние одного прохода через волновод на распределение поля.
Основное внимание уделено оптимальным условиям для получения одномодовой генерации в результате конкуренции собственных мод системы. Показано, что подавление мод высоких порядков возможно за счет выбора оптимальны» размеров волиоводного резонатора, удовлетворяющим условиям разонанса. Определены области преимущественной генерации моды низшего порядка.
Во второй главе разработан общий подход описания неидеальных водноводних лазерных структур ИК- диапазона, использованный дли разработки волноводных СОа лазеров.
Общая проблема сводилась к решению следующих задач: а) определить оптические потери в системе для различных собственных мод волиоводного лазера с учетом неидеальности волновода и
юстировки; 6) определить условия резонанса мод реального волноводного резонатора с учетом дисперсии среды и уширения линий; в) расчитать коэффициенты усиления системы для различных собственных мод для определения абсолютной величины выходной модности генерации.
Первоначально была разработана и детально опробована на серии промышленных лазеров LGK-8000 и LGK-8100 аналитическая модель Формирования потока излучения СОг лазера с волноводом прямоугольного сечения.
Развивая подход, разработанный Лбрамсом (R.L.Abrans), Дегнаном (J.J.Degnan) и Холлом (D.R.Hall), в рамках первого приближения теории волноводных резонаторов были найдены аналитические выражения для вычисления потерь волноводных мод в системе, обусловленные следующими факторами:
Отражение от стенок волновода:
Ж)'**
(e.-l)IJ (і„П>
(6)
«.VeAj,o,-<0.«5-0.038i)'.
Шероховатость поверхности стенок и искривление волновода:
*»"
Rainy,) *
Р.+Р.
д'»'І.лУ>) кк 2п~, (mta1X^n*a,X\nk*a 2я „,
(7)
(>-!)* <,-!)*
Преобразование мод на концах волновода после отражения от зеркал:.
(8)
Разгюстировка зеркал резонатора:
- доя 1 зерхала,
І і-|е-І'
Потери: ..._,.
(9)
в,, вг-углы разъюстировки по осям х и у.
В отличии от ранее использованных моделей здесь удалось разделить влияние различных Факторов на величину оптических потерь в системе, учесть нендеальность элементов и их юстировки.
На основании разработанной модели теоретически и экспериментально показано, что определение потерь в системе суммой диссипативных и потерь преобразования на концах волновода хорошо подходит для случая классического волноводного резонатора с идеально съюстированными зеркалами, расположенными вплотную к концам волновода. Поэтому в последующем, развивая подход, впервые предложенный Дж.Дж.Дегнанои (J.J.Degnan) и Д.Р.Холлом (P.R.Hall) и модифицированный К.А.Киллом (С.А.Н111), разработаны методы и алгоритмы расчета спектра, мощности и модовой структуры генерации для лазерного резонатора с зеркалами, расположенными на некотором расстоянии от концов волновода. В этом случае энергетический коэффициент потерь находился в виде:
Ъш-2«,—І1п|т*|; (Ю)
где Tj, - собственное значение матрицы прохода резонатора. Эта
величина определяет коэффициент преобразования к- ой моды резонатора, определяемой как k-ый собственный вектор той же матрицы. Для классического, идеально с-ьюстированного волноводного резонатора эта мода близка к полноводной. Однако, как
показали исследования, в области резонанса для двух или более волноводних мод она может существенно изменяться вследствие, эффектов интерференции мод свободного пространства с волновод-ными. В отличии от ранее используемых моделей было показано, что данный эффект наблюдается даже при минимальных технологически достижимых зазорах (1 мм). Кроме того, в результате детальных экспериментальных исследований спектра генерации впервые удалось обнаружить эффект, аналогичный конкурирующим пучкам в твердотельных лазерах.
', Из условий резонанса мод волноводного резонатора с учетом дисперсии материала и уширенип линий за счет столкновений полечены выражения для зависимости интенсивности генерации от параметров резонатора, условий усиления в активной среде.
Обчий вид полученных соотношений для расстройки частоты Effmn моди и нормированной к максимуму интенсивности генерации можно представить в виде:
hEihzk\ г 1 и, I
Т(у\-У(Уо)-4 <"-».>' bm * (Ду)« *
m,n- числа пучностей поперечних мод в направлениях х и у, Lo и L - соответственно резонансные длины резонатора для центра линии С частотой v0 и EHmn моды с частотой vm і - целое' число, v -текущая частота, Ьж -усредненный коэффициент потерь энергии,ff,(v) - коэффициент ненасыщенного усиления.
В нашей модели существенным было относительное распределение величины коэффициента усиления по различный вращательным линиям, а не абсолютная величина его. Поэтому последний определялся на основании четырех-температурной модели, используя коэффициенты Эйнштейна, определенные к настоящему времени -высокой точность».
Существенным моментом приближения модели к реальной системе явилось использование полученных эмпирически, на основании результатов эксперимен~тльных измерений, профиля распределения температуры по сечению волновода а также зависимостей полушири-
ны линий от парциальных концентраций различных газои if вида:
(12)
АФ)
Одной из основных нерешенных проблем была достоверная оценка параметров реальной рсзонаторной структуры, которую практически невозможно было провести с помоиью независимых измерений. В частности, вариация размеров поперечного сечения волновода на уровне нескольких мкм, возникающая вследствие предельно достижимых технологических допусков, непредсказуемым образом изменяет спектр генерации лазера. Поэтому разрабатываемые ранее модели позволяли получать лишь качественную картину. Решение удалось найти с помощью статистического анализа экспериментальных данных, проведенного для серии лазеров одной партии. Использовались экспериментально наблюдаемые в свободном спектральном интервале последовательности мод различных линий. То есть
Y ш,т,п г 20,1,1
Ді».«.»«І2 Ії ; (13)
дао.і.і/2
где верхние индексы и и m,n обозначают соответственно вращательное состояние и поперечные моды. Трехпараметрическая задача соответствия (в смысле минимального среднеквадратического отклонения) рассчитанных и экспериментально измеренных значений величин ЛЬ решалась с учетом ограничения на область возможных изменений размеров резонатора (волновода), полученные из предварительных измерений, наличия множества линий и мод с двумя взаимно ортогональными состояниями поляризации, наблюдаемых экспериментально. Искомый свободный спектральный интервал корректировался с нарастающей точностью по мере увеличения Д»«»-1,Длі-л-l,Ал-л-1 и уменьшения вариации размеров резонатора. В результате удалось привязаться по длине резонатора к определенному свободному спектральному интервалу при определенном на уровне нескольких мкм поперечном сечении волновода.
Экспериментальная проверка разработанных моделей осуществлялась на технологических моделях СОг лазеров серии LGK-8000
д)
в)
v ra.n
в)
2« 1,1
яг и-
20 ЯД-
20 1,1
10 8.1
|в 1,1
і і і—і—г—*—г
І і—р-т—і—t—і—|—г—і—г-
й)
Р.ОТИ.ЄД,
Температура Т, С
Рис.2. Выходные характеристики водноводного СОг лаэера.
и I/3K -в 100 с контролем спектра, кодовой структуги. мощности и поляризации генерации, а такхе юстировки ъ*1*яя и температури
системы. Пример сравнения результатов расчета и экспериментально наблюдаемых линий для лазера LGK-0000 представлен на рнс.2. Здесь представлены измеренные: а) зависимость выходной мощности лазера от температуры (х), б) и в) области наблюдения различных линий (о) и мод (и,я), поляризованных в вертикальной и горизонтальной плоскости соответственно и расчитанные: г) и д) результаты, соответствующие, приведенным на а) и б) соответственно и масштабированные по шкале температур с экспериментальными. Количественная корреляция областей проявления различных мод и в определенных интервалах выходной мощности свидетельствуют о возможностях разработанной модели. Поведение системы в области одновременного резонанса нескольких мод можно объяснить только с учетом влияния активной среды.
третья глава посвящена исследованию влиянии активной среды на нодовнй состав и спектр генерации волноводного и, как его предельный случай, плоскоре? наторного лазера. Следует отметить, что в последнем активная среда оказалась решающим фактором формирования модовой структуры генерации.
Теория активного волноводного резонатора строилась на основании модели комплексна 1 диэлектрической функции параболического профиля, разработанной Эрнстом (G.J.Ernst) и Битеианом (Н.J.Wlttemnn) и развитой П.В.Короленко и В.Г.Макаровым для волноводных мод. Модели вышеупомянутых авторов использовали лишь Формальные параметры, не позволяющие судить о реальных процессах в активной среде. Кроме того для упрощения задачи, с целью получения аналитического решения, использовалось большое количество приближений и достаточно жесткие ограничения.
Разработанная нами модель активного волноводного резонатора позволяла ввести произвольную пространственную зависимости комплексной диэлектрической функции активной среды, учесть как резонансные (насыщение усиления), так и нерезонансные (температурные неоднородности) взаимодействия излучения с активної* средой. Поэтому рассматривался общий случай с учетом реальных Физнчест.их параметров.
Поле актигного волноводного резонатора являится рсвением скаляржч о волнового уравнения:
(V)'Stf)+«(f)*;»B(f)-0;
(14)
Здесь первый член чиэлектрической проницаемости не зависит от I и реальный внутри волновода, второй - содержит зависимость or f и мнимую часть.
Учет изменения плотности газа в виде gJk-lO"*, т.е. как
малое воэмуиение, позволил представить поле активного волновода суперпозицией мод пустого волновода вместо описания поперечного профиля поля свободной двухразмерной функцией. Распространение излучения в активном волноводе описывалось системой нелинейных цепляющихся уравнений для их амплитуд.
В окончательном виде задача активного волноводного резонатора сводилась к решению нелинейного дифференциального уравнения для коэффициентов разложения его собственных мод по модам пустого волновода вида:
d/dz»±/}<*)S,{i) і
(15)
в„,Ы— i(pr*)8M,+*/P,c„,(e);
которое необходимо било решать для QiziL, с учетом граничних условий:
ь. (0)-^5.(0),
(16)
Матрицы /$, и й^ описывают влияние зеркал резонатора и промежутков свободного пространства рассмотренные детально выше.
Для решения данного уравнения был разработан метод, являвшийся развитием методов расчета пустого резонатора и лозволяю-иий учесть нелинейные свойства активной среды. Самосогласованное решение находилось с помощью итераций при,первоначальном задании приближения для Ь, (ж) и сведении таким образом задачи к линейной. При решении линейной задачи основным отличием от случая пустого резонатора являлась процедура определения матрицы' распространения Pt, которая заключалась в пошаговом
интегрировании уравнения (10).
Зависимость матрицы Ё от г приводі г к лрог-гранстьенным
бИеНИЯМ ИНТеНСИВНОСТИ ПОЛЯ ВСЛеДСТВИе riftV't'i -ІЗОРЛНІі.. IlilCCllCHUK
мод резонатора (аналогично раэъюстировке гшсснвногг. реэонат*-'\) а также вариаций интенсивности вносимых и .'однородностью yen. .-кия. Поэтому даже в случаи резонатора типа I модов<тп структура
ИОЖЄТ существенно ОТЛИЧаТЬСЯ ОТ ВОЛНОВОДЖ'й.
В развитие предложенного общего подхода разработан ьахный для экспериментальной практики приближенный метод расчета для резонатора достаточно высокой добротности, в котором влияние неоднородности усиления практически устраняется вследствие интерференции волн, распространяющихся в противоположных z-направлениях. Вследствие этого можно пренебречь зависимостью^ от г, коэффициенты в системе (15) становятся константами, и задача сводится к нахождению собственных значений данной матрицы.
Разработанная в рамках данного подхода макроскопическая модель активной среди учитывает нереэоиансний 6,^(3?) и резонансный брЧ-?) члены взаимодействия с полем излучения, обусловленные соответственно неоднородностямн температуры и усиления.
Окончательное выражение для диэлектрической проницаемости активной среды волноводного лазера полученное с учетом квадратичной зависимости нерезонансного и резонансного членов от координат :
i(x,y)'l*&t1ll+tJI{x/a)'*trly/b)1]
. i.srM(l*c,U/a)»*cr(y/Jt>)»)
к i+dv»
1 (17)
l+J0(x,y)SP/(l+cfv1)
<2d»+i>;
d»-2 (»-»„)/Д», SP"P/ Ш^аЪ) .
Величины it і, tj,, tr являются свободными параметрами, gu-коэффицюнт усиления на оптической оси, сх, ст используются для моделирования пространственной неоднородности усиления, 1л(х,у) -распределение интенсивности, нормированное при условии постоянства полной мощности поля Р.-
Оценки нерезонансной »> резонансной частей диэлектрической проницаемости показали, что для типичного одноканального полноводного COt лазера нерезонансная часть доминирует над резонансной (|влг(х,у)1»2-іо_8,|в*,(хіу)|<1.3-10"*). Однако, если значительно увеличить один из размеров прямоугольного волновода, что аналогично плоскорезонаторному лазеру, обе части уже становятся одного порядка величины. Поэтому при малом сечении волновода достаточно учитывать только нерезонансную часть , и задача решается без итераций. Для пдоскореэонаторных структур приходится решать задачу в полном объеме.
Развитая общая модель активного волноводного резонатора позволила провести исследования влияния следующих факторов на параметры генерации системи.
Градиент температуры по сечению разряда из-за охлаждения системы за счет диффузии. Характеризуется значительным падением температуры от центра волновода к его стенкам. В результате наведенного градиента показателя преломления излучение деФоку-сируется, но распределение фазы не изменяется.
Неоднородность насыщения усиления может вызываться увеличением объема возбуждаемых мод (например; существенным увеличением одного из поперечных размеров волновода), степеньхі насыщения и неоднородностью коэффициента усиления. Первый фак"ір приводит к неоднородному усилению только в результате неоднородности насыщения. Это сужает пучок (относительно изменяемого размера волновода) и вызывает существенный фазовый сдвиг, соответствующий концентрации излучения в центре резонатора, которое компенсирует падение усиления за счет более сильного насыщения. Второй Фактгр определяет максимальные отклонения от модовой структуры пустого резонатора при промежуточном уровне насыщения. Это связано с уменьшением величины Ьег для сильного
насыщения. Последний фактор также может существенно изменить модовую структуру. Это связано с зависимостью- коэффициентов преобразования мод из (15) от фурье-компонент профиля 8t. В частности, выпуклый профиль коэффициента усиления уменьиает, вогнутый - увеличивает отклонения от структуры пустого резонатора по отношению к случаю однородного ненасыщенного коэффициента усиления. Расстройка ча-тотм также существенно изменяет модовую структуру лазерного резонатора вследствие сильной дисперсии в области полосы поглощения. При расстройке в высоко-
частотную область пучок уширяется, в низкочастотную - сужается. Данная зависимость определяется формой линии не только непосредственно, но также через зависимость от частоты модовой структуры вследствие неоднородности (выхода) усиления. Интересно отметить, что максимальное усиление наблюдается не в центре линии, а в более высокочастотной области.
Для иллюстрации вышесказанного в таблице 1 пннксдсны некоторые результаты исследования влиянии различных параметров на Фундаментальную моду генерации активного лазерного резонатора.
На основании результатов расчета нескольких самосогласованных мод определялось, будет ли активная среда способствовать одномодовому режиму генерации. Для этого выходную нощно.-ть Фундаментальной моды активного резонатора сравнивалась с мощностью всех остальных. Табл. 1 Относительное содержание моды B'Hrlt в зависимости от
параметров.
На основании полученных данных сделаны следупиие заключения.
Наиболее сильным оказывается насыщение для моды ВИи.
Падение выхода от центра к стенкам волновода также дает преимущество моде ЯН,,.
Неоднородное распределение температуры приводит к увеличению мощности фундаментальной и уменьшению для других мод. Это согласуется с уширением пучка, отмеченным выше и связанным с более эффективным использованием сечения активной среды.
Таким образом, пространственная зависимость температуры по сечению волновода стабилизирует режим одномодовой генерации в Фундаментальной моде.
Результаты исследования конкуренции мод активного резонатора в зависимости от расстройки частоты позволили сделать
следующие заключения.
максимум выходной энергии фундаментальной mo,huBHjj смещен от центра линии в более высокочастотную область.
- Уменьшение различия в выходной энергии фундаментальной моды по отношению к другим, например ЕИ1У наблвдается по мере увеличения расстройки частоты также вследствие уширения пучка.
П четвертой гланя приведены результаты исследований по оптимизации параметров генерации волноводнык іазових лазеров различного типа.
Как правило, оптимальным режимом генерации лазеров является однсмодовый. Однако для различных типов лазеров причины появления многомодовой генерации обусловлены суиественно различными факторами. В частности, для многоцветных газовых лазеров видимого диапазона, наиболее существенным моментом является конкуренция различных иод одной линии. В нестабилизированнык СО} лазерах термический дрейф вызывает случайные переключения генерации не только в различные моды, но и линии. Кроме того, как было показано в предыдущих главах, даже собственные моды низаего порядка могут иметь достаточно сложную и неоднозначную пространственную структуру. Поэтому При обсуждении проблемы оптимизации параметров лазеров различного типа необходимо было уточнить понятие качества пучка генерации.
Рассмотрены два критерия. Первый основывался на однородности перетяжки пучка в процессе нестабилиэированного дрейфа лазерных параметров в области автографа. Второй - на отклонении модовой структуры от чисто KHjj или TEHtf, моды. Оба подхода важны для полного описания системы. Однако для практики более последовательным является второй, так как обычно необходимо простое устройство, гарантированно выдающее иоду, похожую на TBIqq в течении длительного времени.
Ориентируясь в основном на этот подход и опираясь на разработанные модели м результаты экспериментальных исследований, мохно суммировать основные критерии оптимального волнввод-ного лазерного резонатора следующим образом:
-
Соответствие размеров волновода условиям резонанса мод низкого порядка.
-
Выполнение условий резонанса для преобразования волмо-водных мод в моды свободного пространства.
-
Выбор оптимальной формы волновода.
Показано, что реалпзиции первого критерия связана с возможностью выбора геометрии резонатора, в которой различие частот между Vj,lt и »j,ia кратно ы.личине c/2Lv. Тогда мода EHj, на выходе из лазера всегда будет совпадать с БНп по фазе и последняя превалировать как имекщая бо ге низкие потери (исключая случаи сильного влияния интерференции на модовую структуру генерации). Аналогичные условия применимы для всех остальных мод высокого порядка. Отметим, что данное совпадение для поперечных мод выполняется очень хорошо (порядка 1 к 10000) для различных аксиальных мод одной и той же ' линии и достаточно хорошо (порядка or I к і0 до 1 к 100) для различных линий в частности СО, лазера. В общем в.:ке для круглого м прямоугольного сечения резонатора соответственно это можно записать как
и* - 2«з .
L, . 8g (1В)
*а' ж|я»-л'1щ,-п',|
*-1,а,3,4,
На Рис.3 в качестве иллюстрации представлены решения уравнения (18) для нескольких мод низкого порядка и в~1,2,Э,4. Для круглого сечения сравнение проводится с модой с П-О.Ш-1, в то время как для прямоугольного - л-1,и-1.
Рис.3. Оптимизация размеров волновода.
На рисунке представлеі. решение уравнения (18) для СО, лазера типа I с квадратным сечением волновода (а) для ЕНи (1,2), ВН,,
(3,4). - (5,6) мод и ii~ Но лазера с круглым сечением волновода (б) для B/fj, (1,::1, Я„ (.5,4). Ш,< (Ь,»Л мод.
113 ЭТОГО ГИСУНКЛ ВИДНО, ЧТО Р" !' ОЕПХ, выбор размеров
волноводного резонатора оптимизированный для одномодопого режима генерации строго индивидуален и по- вторых,оитимнзироеян ная длина волновода круглого сечения о отличии от квадратного оказывается значительно меньше. Наиболее сутестренннм фактор оптимальных размеров волновода скатался для пшмопиднихСО, лазеров с волноводом прямоугольного сечения.
Для : іета второго критерия необходимо учесть (інтерференцію не только волноводнык мод, но также под споиоднпго пространства. Получить аналитическое выражение для записимс-сги потері резонатора от z1,z1 не представляется возможным. Однако, рет>,л матричное уравнение полного прохода резонатора на собственные значения,были получены зависимости, приведенные графически :i.'. Рис.4.
'у—КЇ
L./ka8
J 1СГ
.-)0.15
И
"]
Рис.4, оптимизация полноводного резонатора.
Здесь показаны зависимости потерь симметричного полноводного резонатора от величины зазора между концами волногода и эеркя-лами (а) при Lw/ka**0.35,Re*a/kBm0.002 и от дл.жч волновода (б)
При z/*a»-0 (1),0.02 (2 ),0.06(3) и Яв»„/*а«0.С02.
Как- видно иэ рисунка, всегда можно найти область величин і1,21 в которой потери лазерного резонатора будут иметь минимальную величину. Кроме того, при учете промежутков свободного пространства между волноводом и зеркалами становится немонотонной и зависимость потерь от длины волновода. На Рис.4 в
качестве примера представлена зависимость от этого параметра для моды наиболее низкого порядка. Исходя из технологических особенностей изготовления излучателя, данный фактор оказался наиболее супественным для многоцветных.лазеров видимого диапазона.
Заключительным, наиболее существенным моментом, оказалась возможность дополнительного уменьшения потерь, а соответственно увеличения выходной энергии волноводных лазеров видимого диапазона за счет вариации формы волновода. В частности, использование волноводного капилляра слабо конической формы позволяет снизить потери как за- счет уменьшения количества отражений, так и дифракционных потерь на выходе волновода. На рис.Б в качестве примера представлены зависимости потерь в волноводного резонатора, расчитанные для конических волноводов круглого сечения в зависимости от входного сечения и угла коничности- волновода. Из рисунка также видно, что даже малая отрицательная коничность (на уровне 10'') дает вклад по потерям, равный суммарным идеальной системы.
Рис.5 Изолинии отношения потерь приведены конических волноводов к прямым: результаты исследования фото- -jj(1) 0.5(2), 1(3), 2(4), физических процессов в газообразных и конденсированных активных средах в условиях взаимо-. действия с интенсивным оптическим излучением.
В главе 3 в рамках макроскопической модели показано влияние активной среды на спектральные и їиергетические характеристики пассивного лазерного резонатора. Для более детального изучения связи внутренних параметров молекулярных систем, используемых обычно в жидком и газообразном состояниях, и генерации системы в целом можно использовать метод" спектроскопии и люминесценции. И основным фактором, взаимосвязывающим систему, является поле мойного оптического излучения, которое в то же время служит своеобразным инструментом управления как внутри,так и межмолекулярных процессов. Поэтому при изучении періpjопределения энергии возбуждения, под дейгтнием внешнего излучения (ПЭВ) его можно разделить на возбуждающее (ВИ) и дополнительное
или управляючеє (УН).
В гайках подхода, основанного на решении системы беллансчых уравнений, изучено преобразование энергии возбуждения с учетом УН. Показано, что в случае низкого кнантового сыхода фотоФизи-ческих реакций и малых скоростей переходов в триплетов состояние, количество Фотонов 1С, испускаемых молекулой в состоянии 5j, определяется следующим образом:
1с
i"r=*io / < Vn> dt+Mo t"i(A t) +л„<Л t) ] /klt>n) (19?
где л, (At) - средняя за интервал времени At населенность
состояния ttitkij - скорость излучлтельного перехода между
состояниями 1 и J. "дльнейиие варианты расчета квантовой интенсивности Флуоресценции зависят от параметров ВИ и УИ. В частности, в простейшем стационарном случае при слабом возбуждении отношение квантовой интенсивности испускания молекул из состояния S1 в отсутствие ii и при наличии It УИ будет
і'
y"pl«(ou*t»JV' (20)
Здесь введены параметры сечения о, и эффективности взаимодействия с УИ q.
Из выражения (20) видно, что наличие УИ приводит в первукі очередь к уменьшению квантового выхода Флуоресценции в отличие от эффектов насыщения, где ч\ не изменяется, или многофотонного поглощения, когда однозначное определение ч\ вообве затруднено. Кроме того, наличие ПЭВ обнаруживается уже при таких плотностях излучения, когда другими нелинейными эффектами ещч мохно пренебречь. Если чв определяется первым членом, то преобладают вынужденные переходы вниз, если вторым - вверх. Подобное разделение ітжно как с точки зрения влияния ПЭВ нь характеристики молекул, так и возможного использования данного явления.
Исследования механизма тв для широкого класса соединений, основанные на использовании спектральной и ориентационной
селектньности данного эффекта, показали, что, как правило, в газообразном состоянии ПЭВ определяется переходами вверх, в конденсированном-вниз. Следует отметить, что ориентацноннаи селективность ПЭВ позволяет сделать выбор в пользу одного из механизмов на основании лишь знака изменения степени поляризации люминесценции.
При уровнях мощности излучения, необходимых для эффективного ПЭВ, начинают проявляться нногофотонные процессы, отличающиеся суиественным образом от обычного возбуждения. В первую очередь это касается процессов двухфотонного поглощения как наиболее эффективных. Совместные спектральные и поляризационные исследования процессов двухфотонного погдопения и испускания в молекулах позволили получить новую информации как об их свойствах, так и о характеристиках самих фотофизических процессов. В частности,экспериментально обнаружена существенная спектральная неоднородность анизотропии двухфотонного поглощения и люминесценции молекул низкой симметрии. Спектральная зависимость может быть как линейной,так и нелинейной, причем характер ее определяется условиями двухфотонного возбуждения (частотой и взаимной поляризацией возбуждающих потоков) и особенностями строения молекулы.
Анализ полученных результатов, проведенный s рамках теории возмущений, позволил объяснить полученные зависимости проявлением электронно-колебательного смещения, которое оказывается более эффективным, чем в случае однофотонного возбуждения за счет участия в элементарном акте поглощения высоких возбужденных состояний. Таким образом можно заключить, что при взаимодействии с интенсивным оптическим излучением в спектроскопических характеристиках молекул могут проявляться весьма глубокие и тонкие внутримолекулярные процессы.
На основании результатов исследования ПЭВ, обусловленного вынужденными переходами в основное состояние, разработаны методы определения спектроскопических характеристик молекух, связанных с параметрами первого возбужденного состояния.. В частности, определение спектра коэффициентов Эйнмтейиа при измерении интенсивности излучения на Фиксированной частоте. Это позволяет измерять спектры испускания молекул даже-при наличии значительно превосходящего по интенсивности излучения другой природы, что невозможно при традиционном методе записи спектра. С другой стороны, зная параметры молекулы (например, из слек-
ПЛЬНМХ Измерений), МОЛН.' огц.'РДРЛНТЬ ПЛОЇНООТЬ СІ '.'Т'. вого
тока, эффективно в за им од-. йсті*упі;іс-то с образцом. Для импул; -их лазерних источников тикая задача весьма актуальна > спя >и
сложностями уч^тд пг<:'С1 іансті.. иной и временной структуры чка.
Показано, что при наличии эффективного канала ПЭВ "вверх" является возможность определения параметров высоких воз-жденных состояний, молекулы с помощью стандартной методики следования ПЭВ. В обак м случае интенсивность люминесценции ределяется как насыщением состояния, так и ПЭВ « достигает ксимальной величини при интенсивности возбуждения 1*1^,.
WKiOu"»''"1'". (2D
е т„ - время жизни состояния 8п . Полученные таким обра чом личины о,л и тп хорошо совпадают с результатами измерений
тодами Флеш-Фотолнза и спектроскопии высокого временного зревения. Поэтому имеются хорояие переспективы использования В для определения параметров молекул, получаемых рпнее только использованием достаточно сложной техники.
Данный вывод подтверждается еде и способностью ЛЭВ конкури-івать с процессами преобразования энергии возбуждения, обус-івленними внутри - и межмолекулярными взаимодействиями. Гаэви-я представления о процессах поглощения-испускания в молекуле учетом конечной величини скорости релаксации в еоетоянияхв, 50 на случай нескольких потоков взаимодействующего с ней ітенсивного излучения, показано, что вследствие высокой селек-івности оптическое излучение может использоваться для определил параметров внутри и межмолекулярных процессов, а также іравления ими.
При ПЭВ вверх в результате внутренней конверсии происходит >Фективное заселение состояния S, с избытком колебательной
іергии . Причем при о1жио" см2 и т^-ЮО/йт/ое* величина
„Г,~1011С"1 оказывается сравнимой со скоростью процесса териа-
ізации. Поэтому ПЭВ может, в частности, увеличивать средний шас колебательной энергии возбужденных молекул, причем не свивалентно увеличению равновестной или эффективной температу-і. С другой стороны, наличие эффективного канала ПЭВ состояний
в,(к,-1.5101вс"Ч и Sadc^Jc,) за счет, например, процесса .изомеризации, позволяет достичь аналогичного результата за счет конкуренции с процессом колебательной релаксации. Определение эффективности данного процесса по линиям резонансного комбинационного рассеяния позволило зафиксировать структурные изменения в молекуле, вызываемые возбуждением различных типов колебаний, а также их взаимодействие.
Аналогичная методика с использованием линий когерентного антнстоксова комбинационного рассеяния использовалась для непосредственного измерения распределения температуры по сечение волновода работакндего COz лазера в зависимости от мощности излучения в резонаторе.
ПЭВ вниз является эффективным инструментом изучения и управления динамикой процессов межмолекулярного взаимодействия. Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что конкуренция сдвига центра тяжести спектра излучения в ,процессе межмолекулнрной релаксации и дезактивации возбуждении вследствии ПЭВ приводит к возникновению спектральной зависимости как его эффективности q, так и анизотропии испускания растиоров Р (Рис.6 ft). Величины F и q определяются не только параметрами УИ, но и характеристиками самого процесса релаксации, чго позволяет использовать ПЭВ для их исследования. . В частносіи по мере уиеньвения частоты возбуждения спектральная зависимость Р также уменьшается (Рис.66), что связано со статистическим характером уширения /ровней.
В случае, когда скорость возбуждения сравнима со скоростью ори-ентацнонной релаксации, т.е.
а,,Т-Хш1, Рис.6. Влияние ПЭВ н;і интенсивность q Os)
и анизотропию F (о ) люминесценции, возрастает
эффективность переходов с поглощением из нерлвновестшіх состоя-
ний. В результате может осуществляться своеобразная ступгнчлтая "раскачка" межмолекулярной релаксации, впервые обнаруженная экспериментально. Данный зФФект проявляется при ьыполиении следующих условий Д t.>-T, ij-T.Ojjr.-t/1 . Таким образом, с помогай
УИ можно в определенной степени управлять развитием процессов межмолекулярной релаксации но вариацией термодинамических параметров ( температура. вязкость, концом грации), гак ото обычно делается, а за счі.т уменьшении времени лизни молекул.
Одним из важнейших параметров межмолекулярных взаимодействий является функция Флуктуациониого распределения активных центров по частоте электронных переходов. Изучению данного параметра било посвящено много работ, однако анализ их результатов указывал на отсутствие критериев, позволяющих сделать обоснованный выбор о пользу того или иного вида Функции распределения. Для реиения данной задачи был использован подход, основанный на выборе объектов исследования с четко выраженной колебательной структурой и поэтому даючих более однозначные экспериментальные данные, с последующим подбором искомой функций методом итераций при численным моделированием спектроскопических характеристик раствора. Это позволило определить в качестве экспериментального критерия выбора формы функции флуктуационного распределения площадь нормированных спектров испускания, доказать наличие асимметрии данной Функции, обнаружить корреляции ее параметров со структурой равновесной конфигурации молекулы и ее изменениями при оптическом возбуждении.
УИ по существу формирует дополнительные канали преобразования энергии возбуждения. Високая селективность его (как спектральная, так и ориентационная) позволяют направленным образом воздействовать на параметры генерации молекулярных систем и, в частности, управлять такими характиристнками, как порог, анизотропия и спектр генерации, регулироваться эффективность фотохимических процессов. Особо необходимо отметить, что зачастую ВН одновременно является и управляющим (при уровнях мощности далеких от насыщения), учет этого обстоятельства является очень важным для оптимизации условий оптической накачки.
Другим наиболее важным аспектом использования ПЭВ в плане оптимизации условий генерации является возможность воздействия на временные характеристики генерации. Показано, что дантя возможность может реализовыватьея либо синхронним с накачкой
изменением населенности и времени жизни состояний, межд которыми Формируется генерация, либо воздействием на них уже процессе сформировавшейся генерации. Использование второг варианта, в частности, позволяет реализовать режим генерації одного сверхкороткого импульса лазера при уровнях накачки существенно превышающих порог генерации за счет подсветки УН.
Таким образом, перераспределение энергии возбуждения вызываемое управляючим излучением, оказывается весьма сущее таенным не только в плане развития представлений о процесса: усиления и генерации света молекулярных системах, но и достаточно эффективным инструментом управления параметрами генерации лазеров,
в дестой rjang изложены разработанные методы и средстве обеспечения экспериментальных измерений, результаты поиска новых областей применения лазерных источников излучения.
Для исследования волноводных лазерных систем различногс типа, генерирующих на низкоэФфективных переходах необходимс было измерять оптические потери различных элементов в диапазоне lO^-tlO"1 , Прямые методы записи пропускания стандартными спектрофотометрами не обеспечивают требуемую точность. Поэтому была разработана экспериментальная методика измерения оптических потерь с помощь», сканирующего интерферометра Фабри-Перо, геометрия которого была аналогична резонатору лазера. Создана установка на базе скоростного регистратора, управленая от персональной мини-ЭВМ. Разработан ряд специальных методов применительно к данной методике для повышения точности измерений. В частности. Формирование пробного гауссова пучка, исключение обратной оптической связи от различных элементов, статистическая обработка формы фотоэлектрического сигнала, варьирование скорости сканирования интерферометра. В результате удалось измерять потери элементов лазерного резонатора ( диафрагм, зеркал, капиляров и т.п.) на уровне 5 10-.
Исследования нелинейных оптических процессов включали'три момента: наличие достаточно интенсивных возбуждающих световых потоков в вироком спектральном диапазоне; одновременное получение возможно бохьвего количества спектроскопических параметров объекта и взаимодействующего с ним излучения от каждого импульса ОКГ вследствие невысокой частоты повторения мощных лазерных импульсов и относительно высокого уровня Флуктуации энергетических и временных параметров в них; оперативной
Зработки большого обыма информации в процессе работы для онтроля и корректировки эксперимента. сохранения и многоратного использования массивом данных для различных целей, острого наглядного представления расчетов нелинейных характеристик в виде графикой и т.д.
Для регистрации и обработки спектральних и кинетических
»ракгррнстик оптических процессов, имеющих низкую эффекгив-
ость взаимодействия излучения с веяеством ( в частности,
вухфотонного возбуждения люминесценции, вынужденного рассеп-
ия и т.п.) разработан спектрометрический комплекс, включлюдий
истемы: возбуждения, оптическух), синхронзамии, регистрации,
правления и обработки данных, осуществляема от мини-ЭВМ. Р
истеме возбуждения использовались моноимпульсные ОКГ на
убине, алюмоиттриевом гранате и фосфатном стекле с каскадами
силител^й, преобразованием излучения с поиовыо нелинейных
ристаллов и. лазеров на красителях. Многоканальная система
егнстрацни фотоэлектрических сигналов представляла собой
тробируюциП интегратор, реализованный на базе быстрых фотопри-
мников ФЭУ-87 и ЛФД-2 с разработанными вирокополоснымн
полоса пропускания до 10СІСІ КГц) усилителями и стробоскопичес-их преобразователей напряжения D9-5.
Система регистрации управлялась от специально разработан-ого модуля, состоящего из устройств дифференцирования, дмскри-инации нулевого уровня и паралллельно включенного амплитудного искриминатора. Модуль обеспечивал привязку системы к опреде-енным фазам опорного сигнала с точностью 0,3нс для импульсов лительностью около 2d не при флуктуациях амплитуды порядка :10.
Важным моментом яплялось введение опорного канала, в ачестве которого использовался один из каналов системы регис-рации. Это позволило проводить измерения мгновенных значений нтенсирности коротких (несколько наносекунд) импульсов.
Разработанное математическое обеспечение позволяло решать яд экспериментальных задач в диалоговом режиме, проводить татнетическую обработку результатов и выводить информацию на невние устройства.
Для повышения точности измерения временной формы оптическо-о импульса наносекундного диапазона, инициированного нелин> \-ым процессом, разработан метод, оснрв-лнны* на использовании аносекуидного светового потока, а также полученного из него
пут«"М нелинейного преобразования, например, излучение основной частоты лазера и его второй гармоники. Проведенные изнерения показали, что таким образом удается определить импульсную у переходи»» характеристику системы регистрации с погрешностью не более *Ь\ при длительности применяемого для измерений импульса на порядок больше,
Гаэработан метод разделения линейных и нелинейных процессов, основанный на кинетических измерениях формы суммарных импульсов. В частности, для одно- и двухфотонно возбуждаемой люминесценции они могут быть определены делением суммарного контура испускания образца на элементарный контур однофотон-новозбуждаемой люминесценции. Оценки показали, что при длительности возбуждающих импульсов -30нс и времени разрешения системы регистрации -Знс , ошибка определения двухфотонновозбуж-даемой люниесценции составляет не более 10% даже в случае, когда интенсивности одно- и двухфотонно возбуждаемой люминесценции соотносятся как 3.1.
На основании результатов исследования ПЭВ, индуцированного УИ разработан метод определения спектра коэффициентов Эйнштейна для спонтанных переходов, т.е. истинного спектра люминесценции, основанный на измерении эффективности фототушения люминесценции перестраиваемым излучением и обладающим рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционным. В частности,расширяется спектральная область измерений, особенно в ИК диапазоне, существенно снижаются требования к используемым Фотоприемникам, отпадает необходимость предварительной градуировки системы регистраини, появляется возможность измерения, спектров соединений в условиях интенсивного Фонового излучения.
Разработан метод управления параметрами термообработки поверхности металла варьированием режима работы лазера, на основании которого реализован метод изготовления образцов со стандартными дефектами на поверхности металла для калибровки дефектоскопов.
