- 2 -
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ ........................................... 5
Глава I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЛАЗЕРА С МАГНИТОАНИЗОТРОПНОЙ НЕЛИНЕЙНО ПОГЛОЩАЮЩЕЙ СРЕДОЙ И АНИЗОТРОПНЫМ РЕЗОНАТОРОМ ... 18
§ І.І. Постановка задачи и исходные уравнения 18
§ 1.2. Получение аналитических выракений для
интенсивности генерируемого излучения 30
§ 1.3. Физический смысл параметров, определяющих интенсивность генерации .................... 37
§ 1.4. Расчёт частоты и поляризации излучения
лазера ................................... 43
Глава П. ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРА С АНИЗОТРОПНЫМ РЕЗОНАТОРОМ ПРИ НАЛОЖЕНИИ НА ПОГЛОЩАЮЩУЮ СРЕДУ ПРОДОЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ 51
§ 2.1. Сравнение результатов решения трансцендентного уравнения и расчёта интенсив -ности генерируемого излучения на основании аналитического выражения .................... 51
§ 2.2. Энергетические характеристики лазера.. 55
§ 2.3. Смещение частот генерации при индуцировании анизотропии в поглощающей среде.. 64
§ 2.4. Изменение магнитным полем поляризации
генерируемого излучения .................. 73
- 3 -
Глава Ш. ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ ПОГЛОЩАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ПАРАМЕТРОВ РЕЗОНАТОРА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ГЕНЕРАЦИИ 83
§ 3.1. Зависимость интенсивности генерации от типа перехода в поглощающей среде и поляризации генерируемого излучения в отсутствие магнитного поля................................................. 83
§ 3.2. Влияние типа перехода и величины оптической плотности среды, помещенной в продольное магнитное поле, на энергетические характе -ристики лазера ................................. 90
§ 3.3. Изменение контрастности провала в спектре генерируемого излучения на частотах линии поглощения при различных величинах линейной амплитудной и циркулярной фазовой анизотропии резонатора.................................... . 101
§ 3.4. Проявление эффектов насыщения в зависимое -тях характеристик излучения лазера от разности усиления и потерь, напряжённости магнитного поля и типа перехода в поглощающей среде ..................................................... ПО
§ 3.5. О применении полученных результатов для це-
лей внутрирезонаторной лазерной спектроскопии и управления характеристиками генерируемого излучения ................................... 118
Глава 1У. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТЙ -ЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРОВ НА РАСТВОРАХ СЛОЖНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ С ПОГЛО -ЩАЮЩЕЙ СРЕДОЙ В ПРОДОЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ 127
§ 4.1. Техника и методика эксперимента .................. 128
§ 4.2. Изменение контрастности провала в спектре генерируемого излучения при наложении на
- ц _
поглощающую среду продольного магнитного поля и повышение чувствительности внутрирезона торной спектроскопии .................... 133
§ 4.3. Влияние параметров резонатора на энергетические характеристики генерируемого излучения .. 146
§ 4.4. Исследование зависимости контрастности провала от уровня накачки активной среды лазера 151
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 156
ЛИТЕРАТУРА 159
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
Развитие квантовой электроники стимулировало интерес к исследованию лазеров, содержащих в резонаторе поглощающую среду. Во-первых, из характеристик таких лазеров можно получить спектроскопическую информацию о помещенной в резонатор среде. Во-вторых, поглощающая среда может быть использована для уп -равления параметрами генерируемого излучения.
В лазерах рассматриваемого типа существенную роль играет насыщение поглощения генерируемым электромагнитным полем.В некоторых случаях оно играет отрицательную роль, в частности, приводит к уменьшению чувствительности внутрирезонаторной ла -зерной спектроскопии. В других случаях, наоборот, насыщение поглощения размещенной в резонаторе лазера среды может быть полезным, например, для селекции генерируемых частот.
Наложение на поглощающую (либо активную) среду продольного магнитного поля при наличии в общем случае линейной ампли -тудной и циркулярной фазовой анизотропии резонатора позволяет изменять как потери резонатора на частотах поглощения (усиления), так и параметр насыщения этих потерь /I/. Поэтому исследование характеристик излучения лазеров, содержащих в анизо -тропном резонаторе магнитоанизотропную нелинейно поглощающую среду, представляет несомненный интерес. Рассмотрим кратко развитие некоторых работ в данном направлении, способствовавших постановке настоящей работы.
В /2,3/ в резонатор гелий-неонового лазера помещалась поглощающая газоразрядная неоновая ячейка с целью изучения харак -теристик неонового разряда. В этих работах методом калиброван -
- б -
ных потерь /4/ были измерены коэффициенты поглощения разряда на длине волны А= 1,15 мкм и по их значениям рассчитаны при различных условиях (давлении, силе тока разряда, плотности радиа -ции) заселенности уровней 2Б2 и 2 Я, неона, используемых в качестве рабочих уровней гелий-неонового лазера. В /5,6/ изучалось радиальное распределение усиления и поглощения в газораз -рядных ячейках с гелий-неоновой смесью и чистым неоном, помещенных в резонатор лазера. На основании экспериментальных данных делались выводы о механизмах возбуждения уровней лазерного перехода с Я = 1,15 мкм /2,3,5,6/.
В /7/ было предложено помещать в резонатор лазера среду с неоднородно уширенным контуром линии поглощения для автостаби-лизации частоты генерируемого излучения. При этом использовался резонанс мощности генерации на центральной частоте перехода в поглощающей среде. Этот резонанс, аналогично лэмбовскому провалу для усиливающей среды /8/, возникает из-за совпадения на центральной частоте беннетовских провалов /9/, "прожигаемых" в контуре поглощения сильной электромагнитной волной. Возможность такой автостабилизации экспериментально продемонстрирована в /Ю/.
Обусловленные эффектом насыщения резонансы мощности газовых лазеров с поглощающей ячейкой внутри резонатора экспериментально наблюдались в /11-13/. В этих не работах было предложено использование нелинейных резонансов для определения однородной ширины, уширения и сдвига линий давлением. Подобные измерения проведены в ряде работ (см.напр., /12,14/ ).
Помещение поглощающих сред в лазерный резонатор нашло ши -рокое применение для селекции генерируемых частот. Впервые по -
- 7 -
добная селекция вплоть до получения одночастотного режима генерации осуществлена в гелий-неоновых лазерах, работающих на длине волны 1,15 мкм, с помощью неоновой поглощающей ячейки в продольном магнитном поле /15,16/. Она была обусловлена селективным изменением потерь резонатора вследствие эффекта Зеемана и эффектами насыщения в усиливающей и поглощающей средах /12, 13,16/. Несколько позже /17-19/ селекция частот генерации была получена только за счет эффектов насыщения, без использования магнитного поля в поглощающей среде (существенным условием для этого было различие параметров насыщения усиления и поглощения).
Наложение на поглощающую среду продольного магнитного поля, как показано в /20/, приводит к появлению дополнительных резо -нансов мощности генерации при сканировании ее частоты. Они возникают из-за совпадения для некоторых частот провалов, "прожигаемых" в зеемановских контурах расщепленной линии поглощения.
В /20/ такие резонансы предложено использовать для стабилизации и перестройки частоты генерируемого излучения (перестройка достигалась изменением напряженности магнитного поля в среде), а в /21/ - для измерения изотопического сдвига. В /22/ магнитное сканирование линии поглощения неона с % = 1,15 мкм использовано для измерения ее контура.
В /15,16,20-22/ учитывалось и использовалось влияние только мнимой части комплексного показателя преломления среды (т.е. ее поглощения) на спектрально-энергетические характеристики излучения лазера. Вместе с тем, продольное магнитное поле изменяет также действительную часть показателя преломления среды и создает циркулярное двулучепреломление в ней. При наличии ли -нейной амплитудной анизотропии резонатора это двулучепреломление проявляется как фарадеевское вращение плоскости поляризации
- 8 -
генерируемого излучения и приводит к образованию дополнитель -ных селективных (магнитооптических) потерь в лазере. Вопрос о вкладе действительной части поляризуемости среды в энергетические характеристики генерируемого излучения оставался открытым. Для лазеров с активной средой в продольном магнитном поле су -шествовали противоречивые оценки такого вклада. Например, в /23/ магнитооптические потери оценивались как несущественные, а в /24,25/ наоборот, как единственная причина изменения мощности генерации лазера при наложении на его активную среду продольного магнитного поля.
В /26/ показано, что вклады действительной и мнимой частей поляризуемости активной среды, помещенной в продольное магнит -ное попе, в энергетические характеристики лазера с анизотропным резонатором сравнимы. Сделанные в этой работе выводы о роли магнитооптических потерь справедливы, как показали дальнейшие ис -следования, и для лазеров с поглощающей средой в магнитном поле.
В последующих работах (они подробно описаны в монографии /I/ и обзоре /27/ ) были предложены и развиты фазово-поляризационные методы управления спектром генерируемого излучения.Сущность этих методов состоит в использовании дисперсии анизотро -пии, индуцируемой внешним полем в усиливающей либо поглощающей средах, помещенных в амплитудно и фазовоанизотропный резонатор лазера. Частотная зависимость действительной части комплексного показателя преломления среды при этом преобразуется в зависимость потерь резонатора от частоты, т.е. возникают селективные потери, с помощью которых и осуществляется селекция гене -рируемых частот.
В первых работах по фазово-поляризационным методам была по-
- 9 -
лучена селекция частот излучения гелий-неоновых лазеров на длинах волн 0,63 и 1,15 мкы при индуцировании в активной среде продольным (или поперечным) магнитным полем циркулярной (или линейной) фазовой анизотропии. Резонансное фарадеевское вращение плоскости поляризации излучения в среде преобразовывалось с помощью частичного поляризатора в селективные потери резонатора. Эти потери компенсировались в той или иной степени для различных частот при внесении в резонатор нерезонансного фазового элемента - фарадеевского вращателя, осуществляющего поворот плоскости поляризации излучения в противоположном, чем в среде, направлении. Точную компенсацию потерь можно было осуществить для одной (центр контура) либо двух симметрично расположенных относительно центра частот контура усиления. Для этих частот потери резонатора были минимальны, поэтому генерация осуществлялась преимущественно на них. При изменении угла поворота плоскости поляризации излучения в фарадеевском эле -менте осуществлялась перестройка генерируемых частот в пределах контура усиления.
Понятно, что селективные потери резонатора можно созда -вать и с помощью поглощающей ячейки в магнитном поле, помещенной в резонатор лазера. Первая попытка осуществить таким образом селекцию частот излучения лазера на красителе была предпринята в /28/. Для этого в резонаторе лазера использовался "фильтр Фарадея" - натриевая поглощающая ячейка в продольном магнитном поле, помещенная между двумя скрещенными поляризаторами. Такой фильтр пропускает лишь частоты, на которых плоскость поляризации излучения поворачивается в ячейке на угол Ж+пОІ (П- целое число). Для достижения угла поворота необходима большая
- 10 -
оптическая плотность среды, что влечёт за собой необходимость использования сильных магнитных полей, чтобы сделать малым поглощение на выделяемых частотах. Эти трудности привели к тому, что в /28/ не было получено селекции вблизи центральных частот © - линий натрия. Спектр генерации вблизи каждой линии состоял из пары симметрично расположенных относительно её центра компонент. Отстройка компонент от центра была довольно большой (до десяти допплеровских ширин линии) и зависела от напря -женности магнитного поля в ячейке.
Оптимизация величины амплитудной анизотропии резонатора (использование не полного, а частичного поляризатора - брюсте-ровских пластин) позволило успешно осуществить селекцию частот /29-52/ в лазерах на красителях с помощью неоновых /29,31,32/ и натриевых /30/ поглощающих ячеек.
В /33/ фазово-поляризационные методы были распространены также на полупроводниковые лазеры. При использовании в резонаторе поглощающих сред они, в принципе, применимы в лазерах любого типа. Кроме циркулярной, можно использовать и линейную фазовую анизотропию, индуцируемую в среде с помощью эффектов Керра и Коттон-Мутона /32/.
В основном, фазово-поляризационные методы применялись для селекции частот излучения лазеров, за исключением нескольких работ, где они использованы в спектроскопии высокого разреше -ния и для определения малых оптических плотностей по фарадеев-скому повороту плоскости поляризации излучения (см./1/,/34/ ). Не исследовались ранее характеристики излучения лазеров,содержащих в резонаторе поглощающую среду, фазовая анизотропия ко -торой не компенсирует, как это имеет место при селекции частот,
- II -
а ещё больше увеличивает фазовую анизотропию резонатора на частотах поглощения. Не изучалось подробно влияние параметров резонатора (величин его циркулярной фазовой и линейной амплитудной анизотропии), а также эффектов насыщения потерь, вносимых поглощающей средой в магнитном поле, на характеристики генерации. Вообще не исследовалось, как влияет на частоты генерируемого излучения индуцирование анизотропии внешним продольным магнитным полем в поглощающей среде. Кроме того, подробно ( с учетом насыщения) не изучалась поляризация излучения лазера на частотах поглощения среды, помещенной в его резонатор.
Решение перечисленных задач, однако, представляет несом -ненный интерес. Так, например, смещение генерируемых частот при наложении внешних полей (в частности, магнитного) на усиливающую либо поглощающую среды может играть определенную роль в стабилизированных по частоте узкополосных источниках излучения /30-32/,либо в лазерных стандартах частоты, т.к. на поглощаю -щую среду, часто используемую в таких стандартах /35,36/, и на активную среду лазера воздействуют, как правило, магнитное поле Земли и различного рода наведенные поля.
Исследование энергетических и поляризационных характеристик лазеров, содержащих в резонаторе поглощающую среду, наве -денная циркулярная фазовая анизотропия которой увеличивает анизотропию резонатора, а также влияния на эти характеристики эффектов насыщения, представляют интерес для внутрирезонатор-ной лазерной абсорбционной спектроскопии (ВЛС) /37-66/.
Метод ВЛС основан на высокой чувствительности спектрально-энергетических характеристик генерируемого излучения к потерям, вносимым исследуемой средой з резонатор лазера. Для лазеров с широким спектром генерации он был предложен в /37/,
- 12 -
хотя узкополосные газовые лазеры использовались для этой цели раньше (см.,напр., /2-6, 15,16,22/; чувствительность метода с применением узкополосного лазера сильно уменьшается). В настоящее время внутрирезонаторная спектроскопия является одним из наиболее чувствительных (в /43/ экспериментально зарегистрированы оптические плотности Ю“7, а в /44/ - Ю“8) методов определения оптических плотностей и широко применяется для исследования различных сред с использованием твердотельных /37— 40, 42,56-58/, газовых лазеров /59-64/, лазеров на красителях /45-55/, полупроводниках /65/ и Р - центрах /66/. В то же время, сам метод ВЛС до сих пор остается объектом исследований. Одним из практически важных и актуальных направлений, вызывающих постоянный интерес, являются исследования чувствительности метода и разработка способов её повышения.
Чувствительность внутрирезонаторной спектроскопии ограничивается шумами в спектре генерируемого излучения, возникающими за счёт интерференционных эффектов /37,38/, спонтанным из -лучением активной среды лазера /38,43/, неоднородностью выго -рания инверсии в ней /47,52,43/, временем непрерывной генера -ции в окрестностях исследуемой линии /39,42,49,70,67/, неста -ционарными и случайными процессами в лазерах /67-69/. К пони -жению чувствительности приводят и эффекты насыщения в исследуемой среде /71-73/, а также, возможно, и другие нелинейные эффекты типа вынужденного рассеяния Манделыитама-Брилпюэна /67/ и параметрического взаимодействия мод лазера /44,74/.
Способы повышения чувствительности ВЛС основываются, как правило, на уменьшении шумов в спектре генерируемого излучения. Исключением является, пожалуй, увеличение времени непрерывной генерации в окрестностях исследуемой линии (при этом увеличи -
- 13 -
вается полезный сигнал - глубина провала в генерируемом спектре на частоте пинии поглощения). Чувствительность ВЛС можно повысить и другим путём - если создать дополнительные селек -тивные потери резонатора на частотах поглощения, однозначно связанные с параметрами исследуемой среды. Интересно исследовать возможность применения для этой цели фазово-поляризационных методов создания селективных в пределах контура поглощения (усиления) потерь.
Настоящая работа поставлена с целью исследования характеристик излучения лазеров с анизотропным резонатором, в который помещена поглощающая среда в продольном магнитном поле, эффектов насыщения вносимых средой потерь, а также возможностей ВЛС при наложении на исследуемую среду продольного магнитного поля.
Для физической интерпретации расчетных и экспериментальных данных в работе используется приближенный метод расчёта энергетических характеристик генерируемого излучения с учётом свойств (в том числе и нелинейных) усиливающей и поглощающей сред, разработанный в /75,76/. Подробное описание этого метода и обоснования его применимости приведены в первом и нзчале второго па -раграфа гл.1.
Диссертация состоит из четырёх глав, заключения и списка цитированной литературы.
В первой главе описывается теоретическая модель лазера с амплитудно и фазовоанизотропным резонатором, содержащим поглощающую среду, в которой внешним продольным магнитным полем индуцируется циркулярная анизотропия. На основании известных общих соотношений выводятся уравнения для расчёта энергетических, частотных и поляризационных характеристик лазеров рассматриваемого типа. Выясняется физический смысл параметров,определяющих
- 14 -
эти характеристики.
Во второй главе исследуется влияние продольного магнитного поля в поглощающей среде на вносимые в резонатор лазера потери и параметр насыщения этих потерь генерируемым излучением. Определяется вклад в потери и параметр их насыщения действи -тельной и мнимой частей комплексного показателя преломления поглощающей среды. Рассматривается влияние магнитного поля в среде на энергетические характеристики лазера. Выясняется вклад действительной и мнимой частей комплексного показателя преломления среды в параметры, определяющие частотные характеристики излучения. Изучается смещение частот и изменение поляризации генерируемого излучения под действием магнитного ПОЛЯ.
В третьей главе исследуется влияние оптической плотности поглощающей среды, поляризации излучения лазера, значений квантовых чисел полного электронного момента поглощающих атомов на параметр насыщения вносимых средой в резонатор лазера потерь и на энергетические характеристики генерируемого излучения. Изменение последних изучается при различных уровнях мощности гене -рации. Исследуется влияние величин линейной амплитудной и цир -кулярной фазовой анизотропии резонатора на энергетические характеристики излучения лазера. Рассматривается влияние перечисленных факторов на чувствительность и воспроизводимость измерений в методе ВЛС. Обсуждаются некоторые возможности применений полученных результатов в квантовой электронике и лазерной спектроскопии.
В четвертой главе излагаются результаты экспериментальных исследований энергетических характеристик лазеров на красите -лях с магнитоанизотропной поглощающей средой в резонаторе.Приводятся зависимости энергетических характеристик генерируемого
- 15 -
излучения от напряженности магнитного поля в поглощающей среде, оптической плотности среды, величин амплитудной и фазовой анизотропии резонатора, мощности генерируемого излучения.экспериментальные данные сравниваются с расчётными.
В работе получены следующие новые результаты.
Рассчитаны зависимости потерь, вносимых поглощающей средой в резонатор лазера, и параметра насыщения этих потерь от напряженности продольного магнитного поля в поглощающей среде. Найдено, что наложение магнитного поля при определённых уело -виях может сильно, вплоть до перемены знака, изменять указан -ные величины.
Теоретически и экспериментально исследованы зависимости энергетических характеристик генерируемого излучения от напряженности продольного магнитного поля в поглощающей среде, 11о -казано, что в случае, когда индуцируемая в среде циркулярная фазовая анизотропия увеличивает на частотах поглощения циркулярную фазовую анизотропию резонатора, контрастность провала в спектре генерации на частотах поглощения возрастает. Экспе -риментально получено увеличение контрастности на порядок. На -ложение на поглощающую среду продольного магнитного поля предложено использовать для повышения чувствительности внутрирезо-наторной лазерной спектроскопии.
Рассчитаны и экспериментально исследованы энергетические характеристики излучения лазера в зависимости от величин ли -нейной амплитудной и циркулярной фазовой анизотропии резона -тора. Выяснено, что влияние магнитного поля в поглощающей среде на мощность генерируемого излучения возрастает, когда величина амплитудной анизотропии резонатора приблизительно равна
- Київ+380960830922