-г -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ..................................................... 5
ГЛАВА I. СЕЛЕКЦИЯ ЛИНИЙ ГЕНЕРАЦИИ В МОЛЕКУЛЯРНЫХ ИК-ЛАЗЕРАХ
С ДИСПЕРСИОННЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ........................ 14
§ I. Постановка задачи. .............................. 14
§ 2. Выбор модели и метй'дики расчета частотно-селективных потерь резонатора с дифракционной решеткой. 16 § 3. Экспериментальное и теоретическое исследование
функции частотно-селективных потерь (ФЧСП) резонатора с дифракционной решеткой. ... ............... 23
а) Анализ работы решетки в резонаторе; возможность аппроксимации решетки плоским зеркалом с дисперсией................•..........................23
б) Методика расчета <1ЧСП: резонатора с дифракционной решеткой................и *..................31
* * *• : г
в) Экспериментальное исследование ФЧСП резонатора
с дифракционной решеткой..........................35
§ 4. Результаты исследования частотно-селективных
свойств резонаторов с дифракционными решетками. 38
а) Сравнение экспериментальных и расчетных ФЧСП резонатора с дифракционной решеткой..................38
б) Сравнение селективных свойств дисперсионных резонаторов..........................................47
§ 5. Экспериментальные исследования частотно-селективных газовых лазеров ИК-диапазона..............................52
а) СС^-лазер с дифракционной решеткой................52
б) СО-лазер с дифракционной решеткой.................57
в) селекция переходов генерации в СО-лазере с
- 3 -
Стр.
дифракционным отражающим интерферометром. . . .69
г) селекция секвенциальных переходов в СО^-лазере
с комбинированным резонатором.......................78
Резюме . 33
ГЛАВА П. СТАБИЛИЗАЦИЙ И ПЕРЕСТРОЙКА ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАЦИИ,
МОДУЛЯЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЫО ЭФФЕКТА ШТАРКА В
МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗАХ.......................................86
§ I. Постановка вопроса................................... 86
§ 2. Эффект Штарка и его применение для стабилизированной
перестройки частоты лазерной генерации.................93
а) Эффект Штарка в молекулярных газах: основные
характеристики. ...............................93
б) 0 предварительном подборе молекул для штарков-
ской стабилизации частоты...................... . 95
§ 3. Экспериментальное исследование штарковской модуляции интенсивности излучения СО- и СО^-лазеров ИК-диала-зона........................................................99
а) Выбор методики измерений. Описание экспериментальной установки......................................99
б) Результаты исследования штарковской модуляции излучения С0£-лазера...................................Ю4
в) Результаты исследования штарковской модуляции излучения СО-лаз ера..................................112
§ 4. Экспериментальное исследование штарковской стабилизации частоты генерации СО и СО^-лазеров. . . . 119
а) Экспериментальная установка. Оптимизация параметров системы штарковской стабилизации. . . . П9
б) Результаты исследования штарковской стабилизации
- 4 -
Стр.
и перестройки частоты генерации СО и С0£-лазеров.126
Резюме........................................................135
ГЛАВА Ш. РАСШИРЕНИЕ И УНИФИКАЦИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СТАБИЛИЗИРОВАННОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАЩИ ЛАЗЕРА С
ПОМОЩЬЮ ДВУХСЕКЦИОННОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА....................136
§ I. Постановка вопроса.......................................136
§ 2. Применение двухсекционного интерферометра для стабилизации частоты частотно-перестраиваемого лазера. 137
а) Принцип действия......................................137
б) Выбор оптимальной конструкции и параметров интерферометра...........................................142
§ 3. Экспериментальное исследование стабилизированной перестройки частоты генерации лазера при помощи
двухсекционного интерферометра...........................151
Резюме....................................................... 156
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................159
ЛИТЕРАТУРА. . .....................................................164
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие физики и техники газовых лазеров, характерное для ряда последних лет, связано, в значительной мере, с широким кругом уже реализованных и намечающихся применений и является составной частью ряда государственных и отраслевых программ. Существует большое число научных и прикладных задач, решение которых предполагает применение лазеров, в том числе: спектроскопия, включая нелинейную, / 1-3 /. , создание стандартов частоты и длины / 4-5 /, оптическая связь / 6-7 /, локация и целеуказание / 8-10 /, обработка материалов и некоторые виды новой технологии / 11-12 /, специальные виды геодезии и строительства / 13 / и многие другие. Разнообразие проблем выдвигает и многочисленные требования к лазерам, в том числе и в отношении мощности, когерентности, стабильности спектрального состава излучения. В некоторых случаях вопрос при этом стоит о нахождении новых лазерных переходов, в других - о получении требуемых параметров от существующих лазерных систем.
Для большинства указанных выше и подобных им задачи важнейшим является вопрос о монохроматичности излучения. Спектральный состав излучения определяется как физическими механизмами в активной среде, обеспечивающими образование инверсии на лазерных (лазерном) переходах, так и параметрами лазерного резонатора. В общем случае в спектре генерации присутствуют частоты, соответствующие различным модам резонатора, на линиях, определяемых атомной (молекулярной) структурой перехода. Возникает проблема управления спектральными характеристиками лазерного излучения, которая включает: а) вьщеление в спектре генерации требуемого перехода; б) селекцию мод резонатора; в) возможность контролиру-
- б -
емого изменения частоты генерации в пределах надпороговой зоны контура усиления ввделенного перехода.
Наибольшие трудности при решении этой задачи возникают в случае лазеров с развитой структурой полосы усиления, в частности, молекулярных лазеров. Именно этому вопросу и посвящена настоящая работа. В качестве объекта исследований выбраны электро-разрядные молекулярные ИК-лазеры на С0£ и СО непрерывного действия, что связано с рядом причин. Они относятся к наиболее перспективным представителям газовых лазеров и обеспечивают на сегодняшний день максимальные мощности и эффективности. Они обладают развитым колебательно-вращательным спектром генерации, насчиты-вающим в каждом случае ~10 линий генерации в средней ИК-области 4,8-8,2 мкм (для СО-лазера / 14 /) и 9,2-11,2 мкм (для 002-лазера / 14 /). Для этих спектральных областей разработаны высокочувствительные и быстродействующие детекторы излучения, работающие как в прямом, так и в гетеродинном режимах приема. Важно также, что частоты значительного числа линий генерации этих лазеров совпадают с окнами прозрачности атмосферы Земли. С другой стороны, уже известно значительное количество молекул различных веществ, в том числе и радикалов / 15 /, частоты линий поглощения которых совпадают с частотами генерации СС^ и СО-лазеров, что привлекательно для аналитических и спектроскопических приложений. Не менее существенно и то, что эти лазеры хорошо изучены с точки зрения механизмов образования инверсии, и имеется богатый опыт их создания в различных модификациях. Отдельные типы С0% и СО -лазеров выпускаются серийно. На повестку дня встает вопрос об освоении отечественной промышленностью Еыпуска одночастотных перестраиваемых лазеров. Однако до последнего времени эта задача не может считаться решенной в полном объеме даже в лабораторных
- 7-
условиях.
Исследования вопросов управления спектральным составом генерации молекулярных ИК-лазеров, ввиду их очевидной важности, были начаты вскоре после появления СС^-лазера / 16,17 /. Сравнительно простыми средствами - надлежащим подбором апертуры / 18 / -решается задача выделения одного поперечного типа колебаний резонатора. Решение остальных указанных выше частей проблемы сталкивается со значительно большими трудностями, характер которых зависит от специфики конкретных лазеров. Большое значение играют здесь физические механизмы образования инверсии, и в этом отношении С0£ и СО-лазеры существенно отличаются. Для типичных режимов работы СО^-лазера характерна сильная конкуренция колебательно-вращательных переходов, вследствие чего в спектре присутствует одна линия, имеющая максимальное превышение усиления над потерями. Возможно самопроизвольное переключение линий, связанное с различного рода флуктуациями параметров резонатора и активной среды. Ясно, что в таких условиях применение внерезонаторных способов вьщеления требуемых переходов бесперспективно, и требуется применение селективных резонаторов. В случае лазеров на СО, работающих обычно на большом числе колебательно-вращательных переходов, конкуренция значительно ослаблена, и лазер с неселективным резонатором генерирует широкий спектр линий. Для их выделения, в принципе, можно использовать внешний по отношению к лазеру монохроматор. Однако, как показано в работе / 19 /, целесообразность такого приема, даже при условии отсутствия потерь в монохроматоре, оправдано по энергетическим соображениям лишь для небольшого числа линий, и здесь также требуется применение резонаторов с частотно-селективными потерями. В качестве селективных элементов резонатора могут быть применены дифракционная решетка / 20 /,
- в -
призма / 21 /, интерферометр Фабри-Перо / 19 /, селектор Троицкого / 22 /. Однако опыт работы с ними, в том числе и наш собственный опыт, показывает, что полностью вопроса о селекции применение решеток (и, тем более, призм) не решает. В случае СО-лазера это связано с наличием ряда близко расположенных линий. В СО2 -лазерах с помощью решетки удается вьщелить большинство из потенциально возможных линий генерации для основных колебательных переходов 00°1-10°0,02о0 . При этом, однако, возникает существенное ограничение, связанное с нежесткостью селекции, которое проявляется в возникновении двух или нескольких линий генерации при сканировании длины резонатора. Последнее, при наличии вращательной конкуренции, приводит к ограничению полосы плавной перестройки частоты в пределах контура усиления выделенного перехода. Невозможной - также из-за конкуренции - оказывается селекция с помощью решетки большинства т.н. секвенциальных переходов генерации СС^-лазера / 23 /. К сожалению, какие-либо оценки возможностей селекции лазерных переходов дифракционными решетками крайне затруднены. Несмотря на существующее качественное понимание механизма работы резонатора с дифракционной решеткой, методы расчета функций частотно-селективных потерь (ФЧСП) в таких резонаторах не разработаны. Поэтому приходится удовлетворяться ограниченным набором экспериментальных сведений, часто, к тому же, существующих в совокупности с побочными факторами (либо в отрыве от необходимых дополняющих данных) - неконтролируемые неселективные потери, нестабильность резонатора, отсутствие сведений о распределении коэффициентов усиления по линиям и т.д.. Трудности, связанные с применением наклонного эталона Фабри-Перо, обусловлены конечной величиной свободной области дисперсии и проанализированы в / 24 /.
- 9 -
Хорошо исследованы вопросы селекции линий основных колебательных переходов СО^-лазера с помощью дифракционных отражающих интерферометров с поглощающими / 22 / и дифракционными / 25 / селекторами Троицкого, Методы расчета их ФЧСП известны / 26 /. Высокая селективность интерферометров с селекторами Троицкого привлекательна для задач жесткой селекции линий в СО-лазере или, например, полос секвенций в СО^-лазере, что ранее не исследовалось.
В еще меньшей степени, по сравнению с выделением отдельных колебательно-вращательных переходов, исследованы вопросы плавной перестройки частоты в пределах контура усиления. Как правило, информация ограничивалась данными: по т.н. "автографам11 лазеров, т.е. зависимостями мощности генерации от изменения в пределах половины длины волны Л длины резонатора с одновременной спектральной идентификацией участков зависимостей / 27 /. Такая информация дает ответ лишь о ширине зоны перестройки. Вместе с тем, в ряде практически важных задач существует необходимость перестройки частоты в сочетании с возможностью стабилизации для любой частоты в области перестройки. В работах / 28-30 / предложен способ реализации такой возможности с применением в качестве репера пика пропускания внерезонаторного интерферометра с изменяемой базой. При этом, однако, возникают высокие требования к температурной и механической стабильности интерферометра, с трудом реализуемые на практике. Большее внимание обратило, на себя предложение, высказанное в работе / 31 /г применить в качестве управляемого репера штарковскую компоненту линии поглощения молекулярного газа в электрическом поле. Реализация этого предложения привела к осуществлению плавной стабилизированной перестройки частоты генерации СС^-лазера в пределах контуров линий Р(20) и РЦ4)
- 10 -
в области 10 мкм при использовании газа Ь1 Н^Д) / 31 /. Вопрос о возможности такой перестройки во всем спектральном диапазоне, потенциально имеющемся у С0£ и СО-лазеров, не был решен.
Таким образом, анализ состояния проблемы управления спектральным составом излучения молекулярных лазеров и потребностей ее решения к моменту начала в 1978 г. нашей работы привели к следующей формулировке цели работы: решение взаимосвязанных задач жесткой селекции лазерных переходов и стабилизированной перестройки частоты генерации в пределах надлороговой зоны контура усиления выделенных линий.
Структура работы соответствует поставленным задачам. Диссертация состоит из настоящего Введения, трех Глав и Заключения. Первая глава посвящена исследованиям селекции линий генерации молекулярных лазеров с помощью дисперсионных резонаторов. В рамках скалярной теории Кирхгофа-Френеля рассматривается задача о частотно-селективных потерях резонатора с дифракционной решеткой при ее установке в автоколлимационной схеме. Предполагается, что такой резонатор с точки зрения дифракционных потерь эквивалентен резонатору, в котором решетка заменена наклонным плоским зеркалом. Это предположение подтверждается экспериментально. Угол наклона зеркал зависит от длины волны излучения и определяется дисперсией решетки. Функция частотно-селективных потерь (ФЧСП) для наиболее добротных мод резонатора рассчитывается численно. Расчеты проводятся для резонаторов различной конфокальности и различной геометрии апертурных диафрагм. Результаты расчета ФЧСП проверяются экспериментально. Полученные данные используются для анализа возможностей селекции линий в ИК-лазерах с помощью дифракционных решеток. Для селекции близко расположенных и конкурирующих линий рассматривается и реализуется, на примере выделения
- II -
секвенциальных лазерных переходов в СО^ь схема комбинированного резонатора. Такая схема, использующая дифракционную решетку и отражающий дифракционный интерферометр с селектором Троицкого, позволяет решить указанную задачу. Исследуется возможность применения дифракционного отражающего интерферометра для жесткой селекции линий генерации СО-лазера, в том числе и наиболее близко расположенных.
Во второй главе рассматривается указанная выше возможность / 31 / применения штарк-эффекта для стабилизированной перестройки частоты генерации лазера. Решается задача о распространении этого метода на другие линии генерации СС^-лазера и на линии генерации СО-лазера. Проводится экспериментальный поиск газов, пригодных для применения в системах стабилизации и перестройки частоты. Предварительно, с целью ограничения круга возможных объектов, проводится анализ особенностей эффекта Штарка в молекулах различного типа симметрии. На первом этапе поиска исследуется штарковская амплитудная модуляция излучения СО^ и СО-лазеров, зависимости индексов модуляции, определяющих контрастность дискриминатора, от давления газа и взаимной ориентации поляризации излучения и направления вектора напряженности электрического поля в штарковской ячейке. Испытывалось в общей сложности 20 различных газов и паров для 45 линий генерации С0£ и 85 линии генерации СО-лазера. Возможности перестройки исследуются экспериментально. Выявлен набор газов и определены лазерные переходы, для которых с их помощью реализуется стабилизированная перестройка частоты в пределах надпороговой зоны контура усиления. Анализ полученных результатов приводит к выводу о целесообразности создания более универсальных методов стабилизированной перестройки частоты генерации лазера. Этощу вопросу - расширению возможное-
- 12 -
тей перестройки - посвящена третья глава, В ее основу положено предложение, позволяющее сочетать положительные стороны методов штарковской стабилизации и стабилизации с внерезонаторным перестраиваемым интерферометром. Исследуется сопряженный двухсекционный интерферометр с одним общим отражателем. Одна секция управляется системой автоподстройки частоты (АПЧ) с помощью лазера, стабилизированного по штарк-эффекту (задающий лазер). Это приводит к управлению второй секцией, что, в свою очередь, позволяет также через систему АПЧ - управлять частотой второго (перестраиваемого) лазера. Проводятся исследования такой системы, включая возможности расширения, по сравнению с задающим лазером, полосы перестройки и ее переноса в другую спектральную область. Обсужда-ется возможность управления остротой дискриминатора за счет зеркал с различным пропусканием или тонкослойных дифракционных структур в интерферометре. Рассматриваются перспективы предложенного метода.
Вслед за заглавиями параграфов указываются ссылки на опубликованные оригинальные работы, положенные в основу соответствующего раздела диссертации.
Основные положения, выносимые на защиту:
- Возможен расчет частотно-селективных потерь лазерного резонатора с дифракционной решеткой в автоколлимационной схеме; полученные расчетные данные в широком диапазоне параметров резонаторов хорошо согласуются с экспериментом.
- Селекция секвенциальных переходов СС^-лазера может быть реализована с помощью комбинированного резонатора.
- Селекция линий генерации СО-лазера может быть достигнута в резонаторе с дифракционным отражающим интерферометром.
- Подобранные в процессе выполнения данной работы газы и
- 13 -
пары пригодны для штарковской стабилизации частоты и амплитудной дгтарковской модуляции излучения большого количества линий генерации (Юг, и СО-лазера.
- Обеспечение расширения полосы перестройки в пределах свободной области дисперсии резонатора и переноса полосы перестройки в область других частот может быть осуществлено с помощью метода двухсекционного сопряженного интерферометра.
Работа выполнена в лаборатории Оптики низкотемпературной плазмы Физического института им. П.Н.Лебедева АН СССР. Работа выполнялась в соответствии с планом АН СССР по теме "Исследование активных плазменных сред и управление спектральным составом генерации молекулярных ИК-лазеров". Номер Государственной регистрации 81087569.
- 14 -
ГЛАВА І СЕЛЕКЦИЯ ЛИНИЙ ГЕНЕРАЦИИ В МОЛЕКУЛЯРНЫХ ИК-ЛАЗЕРАХ С ДИСПЕРСИОННЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ
§ I. Постановка задачи
Для молекулярных газовых лазеров проблема выделения из спектра генерации линии с необходимой частотой, как уже упоминалось во введении, наиболее актуальна. Это обусловлено, в первую очередь, развитой вращательно-колебательной структурой спектров излучения молекул, на переходах которых реализованы эффективные ИК-лазеры: СО^, СО, НР, и ряда других. Наличие большого чи-
сла возможных линий генерации приводит к тому, что при изменении параметров активной среды (температура, давление, химический состав плазмы) или резонатора (флуктуации оптической длины) в спектре излучения лазера наблюдаются различные переходы генерации. Более того, в лазерах, например, на молекулах СО, НР,Д)Г , где слаба конкуренция мевд колебательно-вращательными переходами, при работе в неселективном режиме вклад в генерацию дают несколько линий (~ 10-20) одновременно. Это лишает лазер одного из главных его достоинств - монохроматичности. С другой стороны, вследствие наличия конкуренции, как жесткой (С0£-лазер), так и ослабленной (С0-лазер), достижение режима генерации для ряда линий малой интенсивности в лазере с неселективным резонатором проблематично. Это относится, например, к линиям полос секвенций молекулы С0£, к переходам в длинноволновой области спектра генерации молекулы СО и т.п.. Возникает необходимость применения селектирующих устройств для обеспечения генерации на необходимом лазерном переходе. В частотно-селективных лазерных резонаторах используются дифракционная решетка, призма, дифракционный отра-
- 15 -
жающий интерферометр с селектором Троицкого, наклонный эталон Фабри-Перо, а также комбинация этих селективных элементов / 32,
33 /. Наибольшее распространение получили на сегодняшний день дисперсионные лазерные резонаторы с дифракционной решеткой / 34 /• Они применяются для селекции частоты генерации лазеров видимого / 35-';36/ и инфракрасного диапазона / 37-39 /. Для селекции линий в СС^-лазере дифракционная решетка была применена еще в 1965 го-ду / 40,41 /. Однако, в ряде случаев селективность дисперсионных резонаторов оказывается недостаточной для обеспечения режима жесткой селекции или для вьщеления необходимой линии из спектра генерации* Очевидно поэтому, что для успешного развития частотноселективных газовых лазеров ИК-диалазона необходимо проведение анализа селективных свойств различных дисперсионных резонаторов и выработка рекомендаций, позволяющих, в зависимости от конкретной задачи и требований, предъявляемых к лазеру, выбрать оптимальную схему резонатора и вид селективного элемента* Такого рода исследования проведены для интерферометра Фабри-Перо / 24,42 /. Известны работы, в которых изучаются селективные свойства отражающего интерферометра с селектором Троицкого в резонаторе 002-лазера / 22,25 /. Однако несмотря на то, что они чаще всего и используются^к моменту начала работы практически отсутствовал подробный экспериментальный и теоретический анализ селективных свойств лазерного резонатора с дифракционной решеткой.
Это было учтено при определении основных целей исследований, результаты которых изложены в первой главе:
- Изучение селективных свойств лазерного резонатора с дифракционной решеткой, включающее построение теоретической модели, выбор методики расчета селективных свойств резонатора и сравнение результатов расчета с данными эксперимента.
- Київ+380960830922