Интенсивность резонансов насыщенного поглощения в газе низкого давления Покасов, Павел Викторович

Введение к работе

Актуальность темы

Повышение разрешающей способности нелинейной лазерной спектроскопии и улучшение характеристик стабильности оптических стандартов частоты связаны с исследованием и развитием существующих, а так же с разработкой новых методов получения сверхузких оптических резонапсов с относительной шириной ~1(Г¹²-1(Г¹³. Большая часть спектроскопических данных [1] и высокая воспроизводимость и стабильность частоты лазеров ~1(Г^И-1(Г¹⁵ получены с использованием резонансов насыщенного поглощения [2]. Экспериментальная реализация эффекта оптической селекции молекул по скоростям в газе низкого давления [3J подтвердила указанную в [4] возможность применения метода насыщенного поглощеїшя для получения узких нелинейных резонансов, свободных от пролетного уширения. В последующих многочисленных экспериментальных и теоретических работах различных авторов, обобщенных в [5], были заложены основы нового научного направления - нелинейной лазерной спектроскопии, свободной от квадратичного эффекта Доплера. Исследования интенсивности и формы узких резонансов насыщенного поглощения [1 -3 ] в широкой области изменения пролетного параметра Гт₀ (Г- однородная полуширина линии поглощения, то - время пролета поглощающей частицы со среднетепловой скоростью и через световой пучок) позволили оценить реальную возможность регистрации узких резонансов и их практическую ценность.

Самостоятельный научный интерес, вместе с тем, тесно связанный с общей темой работы, представляет явление усиленной оптической бистабильности, впервые наблюдавшееся и описанное в [4 ]. Этот новый тип оптической бистабильности, характерной особенностью которого является аномально высокий контраст бистабилыюго перехода [4 ,5 ], со временем может найти широкое использование, например, при детектировании и исследовании слабоинтенсивных оптических сигналов, в качестве которых могут выступать как сверхузкие оптические

* - ссылки на публикации автора

резонансы [6 ,7 ,6], так и слабые сигналы, возникающие в оптических схемах гетеродинного приёма, большебазовой интерферометрии и т.д..

Цель работы:

1. Проведение детальных экспериментальных исследований
поведения интенсивности и ширины узких оптических резонансов в
мощности излучения лазера с внутренней нелинейно-поглощающей
ячейкой в широкой области изменения пролетного параметра / и
величины насыщающего поля в резонаторе лазера.

2. Экспериментальное наблюдение и качественное рассмотрение
эффекта усиленной оптической бистабильности в активном
интерферометре с насыщающимися поглощающей и усиливающей
средами и демонстрация возможности его использования для повышения
интенсивности резонансов насыщенного поглощения.

Основные задачи:

1. Создать автоматизированный лазерный спектрометр с
разрешением лучше 10¹⁰ на базе He-Ne/CH* -лазера на Х=3.39мкм для
наблюдения и исследования формы оптических резонансов в метане в
пролетной области (при Аъ«1).

2. Провести исследования поведения интенсивности и ширины
нелинейного резонанса в метане (линия F₂⁽²⁾P(7)v₃) в широкой области
изменения давления поглощающего газа (когда 1»Аь>1) при слабом и
сильном насыщении поглощения.

3. Исследовать особенности полевого уширения резонанса"
насыщенного поглощения в пролетной области.

4. Разработать методику эксперимента, создать экспериментальную
установку и осуществить наблюдение нового типа бистабильности -
усиленной оптической бистабильности в активном интерферометре,
содержащем усиливающую и поглощающую среды, насыщающиеся под
действием внешнего излучения лазера.

5. Провести качественное рассмотрение явления усиленной
оптической бистабильности и установить его характерные особенности.

6. Выполнить наблюдение нелинейного резонанса в ноле стоячей
волны в активном интерферометре с поглощением.

Научная новизна работы определяется следующими, впервые полученными результатами:

1. Экспериментально исследовано влияние пролетных эффектов на
форму узких нелинейных резонансов в мощности излучения He-Ne -лазера
на Х^3.39мкм с внутренней СНЦ -поглощающей ячейкой при изменении
давления метана в области 0.05<р<50 мТорр (диапазон изменения
пролетного параметра Гт₀ ~0.05 - 6 ) :

а) При малой величине параметра насыщения поглощения аэ~0.1
получена нелинейная зависимость интенсивности резонанса от изменения
пролетного параметра (давления поглощающего газа). В области низких
давлении р поглощающего газа (в эксперименте Гт₀ <0.1) интенсивность
резонанса уменьшается пропорционально р^ъ, а при /г₀>1 меняется ~ р.

б) Выявлена зависимость поведения величины оптимальной
интенсивности резонанса Д/_0Пт (т.е. интенсивности, соответстветствующей
максимальной амплитуде резонанса) от давления поглощающего газа. При
/г₀<0.1 Д/опт меняется линейно от давления поглощающего газа, а с
увеличением давления газа в области 7~го>1 растет, как р~.

в) При Гто<0.\ установлены особенности полевого уширения
резонанса и первой производной резонанса по частоте. В области слабых
насыщений (аэ«1) полуширина резонанса у ~(77го)^ш, а полуширина его
первой производной (расстояние от нуля до максимума производной)
f>~r. При увеличении амплитуды 2Е насыщающего поля (Г«с1ЕГЬ «го ,
d - дипольный матричный элемент поглощающего перехода) y~(dE/b то)^1/2,
/^-(rff/Tl). С дальнейшим ростом насыщения (dE/b-To'¹) у и /
описываются корневой зависимостью от мощности у~т₀~^х(1+ее(Гт₀)²)^т,
^~у/3^1п;.

2. Представлена модель абсорбционной бнстабильностн во внешнем
интерферометре, содержащем поглощающую и усиливающую среды,
насыщающиеся под действием внешнего когерентного поля.- На
качественном уровне показано, что введение в интерферометр
усиливающей среды и учет характера насыщения последней, приводят к
изменению механизма возникновения чисто абсорбционной
бнстабильностн таким образом, что она возникает даже в случае
неоднородно уширенной линии используемого поглотителя, что
принципиально невозможно в аналогичной пассивной системе.

3. Создана экспериментальная схема, разработана методика измерений и осуществлено наблюдение нового типа оптической бистабильности - усиленной оптической бистабилыюсти. Экспериментально установлены характерные особенности данного явления. Зарегистрированный контраст бистабильного перехода составил ~10⁴, достигнута добротность интерферометра ~10^п.

4.- Предложен и продемонстрирован метод повышения интенсивности резонанса насыщенного поглощения с использованием режима дифференциального усиления системы с усиленной оптической бистабнлыюстыо.

Практическая ценность работы

1. Полученные зависимости поведения интенсивности и ширины
оптических резонансов в метане использованы при разработке
транспортируемого Не-Ые/СЩ оптического стандарта частоты на
Х=3.39мкм с долговременной стабильностью ~5х10~¹⁵ и шириной линии
излучения ~10Гц, созданного в Институте лазерной физики СО РАН [8 ].
Аналогичный образец стандарта частоты был изготовлен по контракту с
Институтом Макса Планка (г. Garchiiig, Германия), где он использовался
в качестве частотного репера при измерении абсолютного значения
частоты перехода 1S-2S атома водорода и уточнения величины
постоянной Ридберга, выполненных сегодня с рекордной точностью [7].

2. Система с усиленной оптической бистабильностыо может
использоваться для регистрации слабоинтенсивных оптических сигналов,
например, узких оптических резонансов [6 ,7 ,6], а так же при создании
лазерного стабилитрона [8] и стабилизированного по частоте лазера [9 ].

Защищаемые положения

1. В пролетной области при малом параметре насыщения поглощения (аэ«1) интенсивность резонанса в мощности излучения лазера с внутренней поглощающей ячейкой Д/ пропорциональна кубу давления /; поглощающего газа. При этом полуширина резонанса на полувысоте /~(/7го)^ш, а полуширина его первой производной /¹⁾а\АГ (где Г -однородная полуширина линии поглощения, ть -время взаимодействия поглощающей частицы со среднетепловой скоростью со световым полем).

2. В случае сильного насыщения поглощения (ж(/г₀)²>1), при
/го«1 оптимальная интенсивность резонанса ДЛпт меняется линейно от
давления поглощающего газа, а с увеличением давления газа в области
/го> 1 растет, как р'.

1. В активном интерферометре с насыщающимися усиливающей и поглощающей средами наблюдается новый тип оптической бистабилыюсти - усиленная оптическая бистабилыюсть, характерной особенностью которой является возможность получать высокий контраст бнстабилыюго перехода к. Величина к зависит главным образом, от соотношения параметров насыщения усиливающей и поглощающей сред и может превышать 10⁴.

2. Использование режима дифференциального усиления системы с усиленной оптической бистабильностью для наблюдения узких оптических резонансов позволяет увеличить амплитуду и контраст полезного сигнала.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на конференциях:

1. IX-ая Международная Вавиловская конференция но нелинейной оптике, Новосибирск, 16 - 18 июня 1987.

2. Eight International Conference on Laser Spectroscopi VIII, Are, Sweden, June 22 - 26, 1987.

3. Fourth Symposium on Frequency Standards and Metrology, Ancona,

Italia, September, 1988.

4. Tenth International Conference on Laser Spectroscopi
(TENICOLS'91); Font-Romeu, France, June 17 - 21, 1991.

5. Международная конференция "Оптика лазеров'93", С-Петербург,

21 - 25 июня, 1993.

6. International Conference on Precision Electromagnetic
Measurements, Boulder, USA, June 27 - Jule 1, 1994.

Структура и объем диссертации

Похожие диссертации на Интенсивность резонансов насыщенного поглощения в газе низкого давления

Исследование сдвига колебательно-вращательных линий H2O O2 и СН4 давлением буферных газовЛаврентьева, Нина Николаевна

Исследование каналов релаксации энергии в распадающейся плазме тяжелых инертных газов при средних давленияхМалешин, Михаил Николаевич

Критические неравновесные процессы в газе и плазме, индуцируемые резонансным давлением в поле бегущей электромагнитной волныСизых, Дмитрий Владимирович

Механизмы и константы физико-химических процессов в плазме низкого давления в смесях инертных и молекулярных газов. Спектроскопическое исследованиеИоних, Юрий Зиновьевич

Резонансы насыщенного поглощения на атомных переходах с метастабильным нижним уровнем в условиях оптической накачки в интенсивных лазерных поляхКарташов Игорь Анатольевич

Исследование запрещенных колебательных переходов в спектрах поглощения сжатых газов и растворовАхмеджанов, Рустам

Экспериментальное исследование индуцированного и континуального поглощения ИК-радиации основными атмосферными газамиБаранов Юрий Иванович

Исследование индуцированного спектра поглощения в области фотодиссоционного континуума Герцберга кислорода и его бинарных смесей с буферными газами Бутурлимова Марина Валерьевна

Интегральное поглощение излучения в колебательно-вращательных полосах молекул типа симметричного и асимметричного волчка в разреженном газеИшов, Александр Григорьевич

Исследование зависимости коэффициентов взаимной диффузии углеводородных газов от давления при различных температурахНезовитина, Мария Александровна