ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

ХОДАКОВСЬКИЙ Володимир Михайлович

УДК 621.373; 621.378

Спектральні ефекти при взаємодії випромінювання неперервного лазера на барвниках

з атомами і молекулами

01.04.05 – оптика, лазерна фізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики НАН України

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

Провідна установа: | кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник,

НЕГРІЙКО Анатолій Михайлович,

Заступник директора Інституту фізики НАН України

доктор фізико-математичних наук, професор

ОБУХОВСЬКИЙ В’ячеслав Володимирович,

Київський національний університет ім. Т.Г. Шевченка,

Радіофізичний факультет,

професор кафедри математики та теоретичної радіофізики

кандидат фізико-математичних наук,

ВАСНЄЦОВ Михайло Вікторович,

Інституту фізики НАН України,

старший науковий співробітник

відділу оптичної квантової електроніки

Інститут фізики напівпровідників НАН України

Захист відбудеться “ 17 ” лютого 2005 р. о 14-30 на

засіданні Спеціалізованої вченої ради Д26.159.01 при Інституті фізики НАН

України (03028, Київ, проспект Науки, 46)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики НАН України

Автореферат розісланий “ 17 ” січня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Чумак О.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З часу відкриття лазерів на початку шістдесятих років минулого сторіччя велика увага приділяється дослідженню спектрів їх ви-про-мінювання. Основні зусилля при цьому направляються як на розвиток фун-дамен-тальних основ фізики лазерів, так і на розробку методів управління спек-тром випромінювання лазерів з метою забезпечення практичних потреб. Одним з важ-ливих об’єктів цих досліджень є лазери на барв-ни-ках, лінія підсилення яких має велику спектральну ширину, що складає десятки нанометрів. Внаслідок цьо-го випромінювання лазерів на барвниках може бути широ-ко-сму-го-вим з ши-ри--ною спектра в десятки нанометрів (імпульсні лазе-ри з неселек-тив-ним резонато-ром), або практично монохроматичним, довжина хвилі якого може змі-нюватись (непе-рервні одномодові лазери). Спектральні характеристики лазе-рів на барвниках ви-вча-ють-ся більш ніж тридцять років, тому багато які наукові про-блеми вже розв’я-за-ні та доведені до безпосереднього практичного засто-сування. Наприк-лад, не-пе-рервні лазери на барвниках виробляються серійно та вико--ри-сто-ву-ють-ся в ба-га-тьох лабораторіях як джерела потужного непе-рервного вузь--ко-сму-го-вого ви-про-міню-вання. Тим не менш до початку дисер-та-цій-ної ро-бо-ти бага-то питань в фізиці лазерів на барвниках залишалися нез’ясова-ними чи дис-ку--сійними.

Одним із них було питання про фізичні механізми явища кон-ден--сації спе-к-тра випромінювання, яке спостерігається в широкосму-гових лазерах, у то-му чи-с-лі в лазерах на барвниках, в резонаторі яких містить-ся газ, що має силь-ні лінії поглинання. В спектрі випромінювання лазера за-мість очі-куваного про-валу, зумовленого поглинанням, спостерігається під-си-лення спектральної ін-тен-сивності в околі частоти, яка є дуже близькою до час-тоти сильної лінії по-гли-нання, але не співпадає з нею точно. У вузь-ко-сму-го-вих лазерах спос-те-рі-га-єть-ся за-хоп-лення частоти випро-мі-нювання на лінію погли-нання, коли при пере-стро-ю-ванні селективного еле-мен-та частота випроміню-вання не перестроюється, а за-ли-шається локалізо-ва-ною поблизу лінії погли-нання. В багатьох публікаціях, що були присвя-чені явищу конденсації спектра або захопленню частоти випро-мі-ню-вання, запропо-новано декілька можливих механізмів цього явища. Один з таких механіз-мів базується на впливі частотно-залежних лінзо-по-діб-них вла-с-ти-востей по-гли--наючого середовища на дифракційні втрати в лазері. Цей меха-нізм, запро-понований в одній з перших робіт, де спостерігалось за-хоп-лення ча-с-тоти непе-рер-вного лазера на барвнику поблизу лінії поглинання ато-мів у газовому роз-ряді, в подальшому був досліджений та обґрунтований в лабора-то-рії лазерної спектроскопії Інституту фізики НАН України.

Завдяки можливості реалізації вузькосмугового джерела випро-мі--ню-ван-ня, що перестроюється в широкому діапазоні, лазери на барв-ни-ках є ефек-тив-ни-ми спектральними інструментами. Однією з важ---ливих областей їх за-сто-сування є спек-троскопія лазерно-індукованої флуоресценції. Діапазон її застосувань про-стя--гається від реєстрації одиничних атомів, ототожнення молекулярних спектрів і вимірювання моле-ку-ляр-них констант до дослідження процесів зітк-нень або визначення заселення внутрішніх енергетичних станів у продуктах хімічних реакцій. Однією з важ-ли-вих областей спектроскопії лазерно-індуко-ваної флуо-рес-ценції є реєстрація з висо-кою чутливістю над-ма-лих концентрацій погли-на-ю-чих атомарних та молекулярних компонент.

У дисертаційній роботі досліджено такі проблеми, що становлять значний науковий та прикладний інтерес, але на момент її ви-ко-нання залишались недос-тат-ньо вивченими.

§ Важливим параметром, знання якого є визначальним при аналізі ефектів кон----ден-сації спектра і захоплення частоти, є величина ефективного змен-шен-ня втрат поблизу лінії поглинання. Експери-мен-таль-них даних про величину цьо-го па-ра--метра до початку дисертаційної роботи практично не бу-ло. Тому ак-туаль-ни-ми були розробка методики вимі-рю-вання селективного за частотою змен-шен-ня втрат або додаткового під-си-лення в резонаторі широ-ко-смугового лазера і проведення таких вимірів.

§ Становило інтерес дослідження нових схем лазерів на барв-никах, (насам-пе-ред, ла-зера з резонатором з інтерференційно-замкненим виходом), у яких ефект за-хоплення частоти є більш контрольо-ваним, що істот-но полегшує прив’язку частоти випро-мі-нювання широкосмугового лазера до при-род-них реперів.

§ Однією з важ-ливих практичних задач реалізації граничної чутливості методу виявлення надмалих концентрацій поглинаючого газу за допомогою лазер-но-флуоресцентної спектроскопії було вирішення актуальної проблеми еко-ло-гії – виявлення дов-го-живучого ізотопу йоду 129I. Контроль над цим ізото-пом є важ-ли-вим при переробці відпрацьованого ядерного палива та при оцінці за-бруд-нен-ня нав-колишнього середовища. Основною особливістю цієї задачі є необ-хід-ність розробки методики визначення надмалих концентрацій ізотопу йоду 129I на фоні значно більших концентрацій стабільного природ-но-го ізотопу 127I, що ви-магає поряд з досягненням високої чутливості також забезпечення високої селективності детектування.

§ На сьогодні найбільш поширеним джерелом еталонних довжин хвиль для метрологічних цілей є He-Ne лазери, стабілізовані за компонентою і над-тон-кої структури (НТС) лінії 11-5 R(127) переходу B-X 127І2 з довжиною хви-лі 633 нм, які, зокрема, становлять основу Дер-жавного еталона одини-ці дов-жи-ни України. Зсуви частоти випромінювання таких лазерів сильно корелюють з кон-цен-трацією домішок сто-ронніх газів у поглинаючих комірках. Домішки молекул 127I129I, 129I2 в комірці з 127I2 також можна роз-гля-дати як сторонні до-міш-ки. Вплив та-ких до-мішок є недосить дослідженим, проте саме з ним пов’я-зу-ється ано-маль-но ве-ликий зсув частот компонент НТС для деяких комірок, на який вка--зувало-ся під час міжнародних звірень. Тому актуальним було вив-чення ме-ха--ніз-мів впливу таких домішок на частоту випромінювання ста-білі-зованого ла-зера і роз-робка мето-дів кон-тролю рівня домішок у по-гли-на-ю-чих йодних комір-ках, зокрема за допо-могою індукованої лазером на бар-в-нику селективної флуо-ресценції.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в лабораторії лазерної спектроскопії відділу фотоактивності Інституту фізики НАН України в рамках наукових тем НАН України “Фізика ко-герентних лазерних джерел та квантові ефекти у взаємодії атомів та молекул з лазерним світлом”, № держреєстрації 0104U000684; “Когерентні та не-лінійні ефекти у взаємодії вільних атомів та молекул з лазерними полями та роз-робка на їх основі методів керування станом квантових систем”, № держреєстрації 0101U000355; “Динаміка когерентного лазерного збуд-ження атомів і молекул та фізика високостабільних лазерів”, № держреєстрації 0198U016823; “Нелі-ній-ні ефекти у взаємодії лазерного випроміню-вання з атомами та молекулами та фізика вузьких оптичних резонансів”, № держреєстрації 0195U016823, “Лазер-на спектроскопія на основі вузьких оптичних резонансів і фізика стабілізованих лазе-рів”, № держреєстрації 01910008609; “Дослідження резонансних явищ у лазерах і їхнє використання в лазерній спектроскопії, оптичних стандартах час-тоти і гіроскопії”, № держреєстрації 01860042914; проекту Міністерства освіти і науки України “Розробка технології виготовлення пасивних газонаповнених елементів високостабільних лазерних систем, методів і засобів контролеві їх якості” №8/87-2001. Автор був співвиконавцем зазначених робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи було дослідження спект-ральних ефектів при взаємодії випромінювання неперервного лазера на барв-нику з атомами і молекулами, а саме, ефекту якісного перестроювання спектра випро-мі-ню-вання лазера на барвнику при спектральному настроюванні резона-то-ра в область сильної лінії внутрішньорезонаторного атомного поглинання; розвиток методу флуоресцентної лазерної спектроскопії з використанням лазера на барвнику з вузьким спектром і його використання для прецизійних вимірів.

Для досягнення поставленої мети розв’язувалися такі основні наукові задачі:

1.

2.

3.

4.

Об’єктом дослідження дисертаційної роботи є взаємодія випромінюван-ня лазера на барвнику з атомами і молекулами, а предметом дослідження – спектр випромінювання неперервного лазера на барвнику з внутрішньо-резо-наторним атомним поглинанням і спектри збудження флуоресценції молекул йоду при перестроюванні вузькосмугового неперервного лазера на барвнику.

Методи досліджень. Для експериментальних досліджень використовува-лися лазери неперервної дії на розчинах органічних барвників, спектром випромінювання яких можна було керувати за допомогою внутрішньорезо-на-торних спектрально селективних елементів. Методи лазерно-флуоресцентної спектроскопії використовувалися при розробці методу ізотопічно селективного аналізу гетероізотопного молекулярного йоду і спектрального контролю чисто-ти йодних поглинаючих комірок.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній вперше:

1.

2.

3.

4.

5.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Запропонований метод вимірювання малих селективних за частотою
кое-фіцієнтів підсилення може використовуватись для пошуку нових
підси-люючих лазерних середовищ і оптимізації їх параметрів.

2. Розроблені в дисертації методи лазерно-флуоресцентного ізотопічно селек-тивного детектування малих домішок сторонніх ізотопів йоду можуть вико-ри-стовуватися для контролю процесів переробки ядерного палива на заво-дах по переробці ядерних відходів, створення систем моніторингу навко-лиш-нього середовища на вміст радіоактивного ізотопу йоду 129I, що має великий період напіврозпаду і є глобальним забруднювачем навколишнього середовища.

3. Результати досліджень зсуву частоти He-Ne/127I2 лазера, зумовленого зміною ізото-пічного складу поглинаючого середовища, і розроблені в дисертації мето-ди лазерно-флуоресцентного контролю рівня забруднення пари молеку-лярного йоду сторонніми ізотопами лягли в основу розробки високоякісних йод-них поглинаючих комірок, що використовуються на практиці, наприк-лад, в ГНПО “Метрологія” (Харків).

Особистий внесок автора. Усі результати, включені в дисертацію, отримані при безпосередній участі здобувача у постановці експериментальних задач, розробці методик досліджень та вузлів експериментальних установок, особис-тому проведенні експериментальних досліджень спектрів випроміню-вання лазера з внутрішньорезонаторним поглинанням, спектрів поглинання та лазерної флуоресценції гетероізотопного молекулярного йоду, обробці експери-ментальних результатів, формулюванні висновків і написанні наукових праць.

Апробація результатів дисертації. Включені в дисертацію результати досліджень доповідалися й обговорювалися на 1-й робочій нараді “Нелінійні і когерентні ефекти в методі ВРЛС”, (Кіровоград, Україна, 1988), 6-й Всесоюз-ній конференції “Оптика лазерів”, (Ленінград, Росія, 1990), школі-семінарі-виставці “Лазери і сучасне приладобудування - 2”, (Санкт-Петербург, Росія, 1993), XІІІ Національній школі-семінарі з міжнародною участю “Спектроскопія молекул і кристалів”, (Суми, Україна, 1997), XV Міжнародній школі-семінарі “Спектроскопія молекул і кристалів”, (Чернігів, Україна, 2001) і на Іnternatіonal Quantum Electronіcs Conference (Moscow, Russіa, 2002). Матеріали робіт, вклю-чених у дисертацію, доповідалися на щорічних наукових конференціях Інституту фізики НАН України і на наукових семінарах лабораторії лазерної спектроскопії відділу фотоактивності інституту.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в шістьох статтях у наукових журналах, двох препринтах, чотирьох тезах наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків та списку цитованої літератури, що містить 150 найменувань. Загальний обсяг дисертації складає 158 сторінок, включаючи 28 рисунків та 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету та наукові задачі роботи, новизну її наукових результатів та їх практичну цінність, особистий внесок здобувача, апробацію роботи та її зв’язок з науковими темами.

Перший розділ містить аналітичний огляд робіт, при-свя-че-них експери-мен-тальному і теоретичному дослідженню явища захоплення частоти та кон-ден--сації спектра випромінювання широко-смугових лазерів лініями внутрішньо-резона-тор-ного поглинання. Особливу увагу приділено ролі просторової неодно-рідності поглина-ю-чо-го середовища як причини явища захоплення частоти ви-про--мі-ню-вання неперервних лазерів на барвниках лініями поглинання внутріш-ньо-резонаторного атомарного газу. Проведено аналіз літературних даних про вплив на параметри лазера на барвнику внутрішньорезо-на-тор-ної лінзи, зумовленої раді-аль-но неоднорідним розпо-ділом поглинання і, відповідно, показника заломлен-ня, у газовому роз-ря-ді.

Значну увагу в цьому розділі приділено методу лазерно-флуорес-цен-т-ної спектроскопії збудження. У цьому методі погли-нання лазерних фо-то-нів реє-стру-ється за допомогою збуд-женої ла-зе-ром флу-о-рес-ценції. Ідея лазерно-флуоресцентного методу ізотопічно селективного детектування надмалих концентрацій елементів базується на се-лек-тив-ному (за ізотопічним складом) лазерному збудженню елементів у пробі. Досягається це завдяки наявності ізотопічного зсуву енергетичних рівнів атома або молекули і відповідної різниці частоти фотона, що поглинається.

У другому розділі дисертації описано експериментальну установку, на якій проводились експерименти по дослідженню явища захоплення частоти ви-про--мі--ню-вання неперервного лазера на барвнику атомними лініями поглинання, та лазерний спектро-флу-о-риметр для реєстрації спектру погли-нання молекуляр-ного йоду різ-но-го ізотопного складу. Для прове-дення досліджень був розробле-ний і виготовлений неперервний ла-зер на барвнику, у якому вико-рис-то-ву--ється трьохдзер-кальна конфі-гу-рація ре-зонатора з плос-ким вихідним дзер-калом і тон-ким активним середо-ви-щем у вигля-ді плоскопаралельного стру-меню, нахиленого під кутом Брюстера до осі резонатора і розта-шованого в короткому плечі резо-натора між сферичними дзер-калами (рис. 1). Особливістю непе-рервного лаз-ера на барвнику є необхідність гостро-го фокусування випро-мінювання на-кач-ки для досяг-нення гра-нич-них рівнів гус-тини по-туж-ності і пов'я-за-на з цим не-об--хідність фор-мування такого розпо-ділу поля моди в резонаторі, щоб її попе-реч-ний розмір в активному середови-щі був узгод-женим з розподілом випромі-ню---вання накачки. Крім цього, для зни-жен-ня впливу на роботу лазера три-плет-но-го поглинання барвника і термо-оптич-них ефектів потрібна велика швидкість про-качування розчину барвника через резонатор лазера. Трьохдзеркальна схема ре-зо-натора узгоджує розмір каустики резо-натора з розмірами області барвника, що накачуєть-ся, мінімізує втрати в резонаторі лазера завдяки компенсації астиг-матизму, внесе-ного струменем барвника, розташованого під кутом Брюстера до осі резонатора.

Реєстрація спектра випромінювання лазера у відносно широкому діапа-зоні довжин хвиль для визначення ширини лінії випромінювання в режимі вільної генерації, області перестроювання довжини хвилі, дослідження спектрів внутріш-ньо-резонаторного поглинання здійснювалася за допомогою дифрак-цій-но-го спектрографа. Аналіз спектра з більш високою роздільною здатністю здій-с-нювався за допомогою скануючих інтерферометрів Фабрі-Перо. Настрою-ван-ня довжини хвилі випромінювання лазера на центр лінії поглинання неону і ге-лію з досить високою точністю контролювалося шляхом реєстрації опто-галь-ва-ніч-ного сигналу.

Для реєстрації спектру по-глинання молекулярного йо-ду різного ізотоп-ного скла-ду розроблено та виготовлено лабораторний макет лазерного флуоримет-ра, побудованого за типовою для лазерно-флуоресцен-тно-го аналізу схемою (рис. 2). Він містить у собі такі основні складові час-тини: дже-рело лазерного випро-мі-нювання – неперерв-ний ла-зер на бар-внику зі змінною дов-жи-ною хви-лі випро-мінювання; флу-оресцент-ну кювету з моле-ку--ляр-ним йодом; апа-ра-туру для реєстрації сигналу флуо-ресценції; комплекс спе-к-т-раль-них приладів для настро-ювання довжини хвилі випро-мінювання лазе-ра на дослід-жувану лінію йоду.

У лазер-ному спектро-флуо-ри-метрі вико-ристо-ву-вав-ся описаний вище непе-рер-вний лазер на барвнику. В експери-ментах по дослід-женню флуорес-цен-ції моле-кулярного йоду для збудження ро-бочої лінії йоду необхідне зву-жен-ня спектра до величини по-рядку ширини допле-рів-сь-ки роз--ши-реного переходу. То-му в резонатор лазера вста-нов--лю--вався додатковий селективний елемент – нена-пи-ле-ний еталон Фабрі-Перо, ви-го-тов-ле-ний зі скла K-8 тов-щиною 1,6 мм. Еталон за-без-печував дво-частотну ге-не---ра--цію лазера на барвнику з від-станню між мода-ми 1,5 ГГц, що близько до ши-рини лінії йоду. Область пере-стро-ю-вання частоти лазера при прове-ден-ні експери-мен-тів складала 60 ГГц.

У третьому розділі дисертації описано дослідження явища захоплення часто-ти випромінювання неперервного лазера на барвнику, методику вимірювання селек-тив-ного зменшення втрат в околі лінії поглинання та дослідження явища захоплення частоти випромінювання лазера на барвнику, що містить кільцевий антирезонанс-ний інтерферометр. Вперше за-хоп-лення частоти неперервного лазера на барвнику лінією погли-нання гелію з = 587,56 нм спостерігалось в [1]. У гелії як верхній, так і нижній рівні поглинаючого переходу заселені внаслідок зіткнень атомів з електронами. Кількість збуд-жених атомів, а отже, і величина поглинання, мак-симальна на осі газороз-рядної трубки і практично дорів-нює нулю біля стінок. Таким чином, для низько-частотного крила лінії поглинання газорозрядна трубка служить позитивною лінзою, а для високочастотного — негатив-ною.

У механізмі явища конденсації спектра або за-хоп-лення частоти випро-мі-нювання широкосмугового лазера лініями поглинання внутрішньорезонатор-но-го газу важливим параметром є величина ефективного збіль-шення підсилення або зменшення втрат поблизу лінії поглинання. Експериментальні дані про величину додаткового ефективного підсилення в околі внутрішньорезона-тор-ної лінії поглинання на момент виконання дисертаційної роботи практично були відсутні. Для проведення вимірювань такого підсилення була розроблена наступна методика.У лазері з однорідно розширеним контуром лінії підсилення із шириною 0 дисперсійний елемент (селектор частоти) вносить додаткові втрати , де c – частота, що відповідає мінімумові втрат диспер-сій-ного елемента, c – характерна ширина контуру втрат дисперсійного еле-мента, c – величина втрат, внесена селектором при відстройці -с=с (рис. 3). Параметри с і с залежать від типу селектора, типу резона-тора, його параметрів і їхній розрахунок або експериментальне визначення в конкретній схемі досить складні. Тому значно зручні-шим є метод відносного виміру додат-кового посилення . При цьому вимі-рю-ється критична відстройка від лінії з відомою величиною , а потім критична від-стройка від досліджу-ва-ної лінії. Невідому величину тоді можна визначити з виразу

Як опорні лінії з відомими значеннями до-дат--кового підсилення при дослідженні захоп-лення частоти в лазері з гелій-неоновим роз-рядом у резонаторі доцільно викорис-то-ву-ва-ти лінії підсилення неону, що попадають в область перестроювання лазера, тобто лінії з довжинами хвиль 593,9 нм, 604,6 нм, 611,8 нм. Величину підсилення на цих переходах можна визначити з відомих літературних даних – імовірностей переходів між робочими рівнями і відомій величині підсилення на довжині хвилі 632,8 нм.

Ефект захоплення частоти неперервного лазера на барвнику крім науко-во-го інтересу для фізики лазерів становить і значний практичний інте-рес у зв'яз-ку з можливістю створення на його основі джерел випромінювання з висо-кою спектральною яскравістю, довжина хвилі випромінювання яких при-в'я-за-на до природного репера. Використання для цього описаної вище кон-струк-ції ла-зе-ра, у якій газорозрядне поглинаюче середовище розташоване у дов-гому плечі трьохдзер-каль-ного резонатора, не є оптимальним, оскільки існують труднощі керу-вання спектром лазерного ви-про-мінювання. Зокрема, важко здійс-нити захоп-лення частоти з високочастотного боку лінії поглинання. Це позв'я-зано з несиметричністю впливу позитивної і негативної лінз на дифракційні втрати трьохдзеркаль-ного резонатора.

В дисертації розглянуто схему лазерного ре-зонатора, який містить кільцевий ан-ти--резо-нанс-ний інтерферометр (рис.4). Така схе--ма не вносить додаткових час-тотно-селективних втрат, небажа-них в експериментах по дослід-жен-ню ефектів захоплення часто-ти. Крім того важливо, що кільце-вий антирезонансний інтерферо-метр із плоскими дзеркалами і 50% ділильною пластиною цілком відбиває падаюче на нього випромінювання, а втрати в холосте плече відсутні. Проведе-ний аналіз втрат в холосте плече з використанням підходу, що грунтується на використанні ABCD-матриць, показав, що втрати в резона-торі будуть міні-мальними в тому випадку, коли комплексний параметр пучка, що розпов-сюджується в кільцевому ан-ти--резо-нанс-ному інтерферометры за часовою стріл-кою, буде рівним комплексному параметру пуч-ка, що розповсюд-жу--єть-ся проти часової стрілки. Це можливо, якщо фокусна відстань лінзи становить

Як уже відзначалось, газорозрядне поглинаюче середовище має лінзоподібні властивості із-за радіальної не-од-норідності поглинаючих атомів у розряді і йому може бути приписана оптична сила D, яка при настроюванні на крило лінії по-гли--нання наближено визначається формулою

де N0 – густина поглинаючих атомів на осі комірки, f – сила осцилятора, e, m – заряд і маса електрона, l, r0 – довжина і радіус капіляра газорозрядної труб-ки, – довжина хвилі атомного переходу, – відстройка частоти випромінювання лазера від центра лінії поглинання. Якщо в якості лінзи F2 використати газорозрядну трубку, то при відстройці , рівній

оптична сила газорозрядної трубки є "оптимальною " з точки зору мінімі-за-ції втрат у холосте плече. При цьому частота випроміню-вання лазера буде бли-зь-ка до , тобто в лазері має місце захоплення частоти випроміню-ван--ня широко-смугового лазера лінія-ми погли-нан-ня внутрішньо-резо-натор-ного газу.

Експериментальна перевірка даного механізму була виконана з вико-ристан-ням неперервного лазе-ра на барвнику Родамін 6Ж. Кіль-цевий анти-резонансний інтер-фе-ро-метр був утворений дзер-калами M1 (плоске, R=99.8%), M2 (сфера радіусом 4м, R=98%) і світло-ді-лиль-ною пласти-ною P, одна з граней якої просвітле-на, а на другу нанесене діелектричне покриття з коефіцієнтом відбиття 50%. Периметр інтер-феро-метра L=102 см, відстані від світлоділь-ни-ка до дзеркал d11 = d12 = 30 см. В сере-дину ін-тер-ферометра поміща-лась газорозрядна трубка довжиною l=20 см і радіусом r0=3 мм, напов-нена He-Ne сумішшю. При поміщен-ні газорозрядної трубки в інтерферо-метр спостерігалося звуження лінії ви-промінювання і її локалізація поблизу лінії погли-нан-ня неону, тобто спостерігалося захоплення частоти. Знак і величина відстройки від центра лінії визначалися розташуванням трубки в інтер-ферометрі. На рис. 5 показано спектри випромінювання лазера для випадку захоплення частоти лінією неону =594,5 нм при поміщенні трубки в плече інтер-феро-мет-ра між світло-діль-ником і дзерка-лом M2 (рис. 5а, лінія лазера локалізо-ва-на з довго-хвильо-вої сторони від центра лінії поглинання) і при поміщенні трубки в плече інтерферо-метра між світлоділь-ни-ком і дзеркалом M1 (рис. 5б, лінія лазера локалізована з коротко--хвильової сторони). На рис.5в показана ден-си-то-грама реперної лінії неону.

Використовуючи дані про ве-ли--чи-ну відстройки, отримані з об-робки спек-тро-грам, по формулі можна розрахувати фокусну відстань лінзи, яка еквівалент-на газорозрядній трубці. Приймаючи для викори-стовуваних в експери-мен-ті умов розряду см-3, f=0,056, одер-жимо у випадку коротко-хви-льової відстройки см; для іншого випадку см. Роз-ра-ху-нок фокус-ної відстані "опти-маль-ної" лінзи за формулою , коли сферичне дзеркало M2 еквівалентне лінзі з фокусною відстанню 2 м, і в припущенні, що газорозрядна трубка еквівалентна тонкій лінзі, роз-та-шованій на відстані 15 см від світло-діль-ника в обох випадках, дає см при поміщенні трубки між світлоділь-ником і дзерка-лом M1 і см при поміщенні трубки між світлоділь-ником і дзеркалом M2. З порівняння теоретично розрахованої та експеримен-таль-но виміряної опти-маль-ної фокусної відстані видно співпадіння знаку та порядку величини цієї фо-кус--ної відстані, однак для більш адекватного опису явища захоплення частоти випромінювання неперервного лазера на барвнику з інтерференційно-замк-неним виходом лініями поглинання атомів неону необ-хідно більш детально роз-гля-нути та розв’язати задачу про розподіл поля в резо-наторі з астигматичним антирезонансним інтерферометром.

Четвертий розділ дисертації присвячений лазерно-флуоресцентній спек-тро-скопії гетероізотопного молекулярного йоду. На даний час для детектування молекул йоду різного ізотопного складу вико-ристовуються методи збудження флуоресценції ви-про-мінюванням лазерів на барвниках [2] і He-Ne лазерів [3]. Істотно, що лазерно-флуорес-центні методи дозволяють детектувати 129I в суміші з природ-ним ізотопом 127I. Так, згідно [3], граничне відношення концент-ра-цій 129I2 і 127I2, вимі-рюваних при збудженні флуоресценції багатомодовим He-Ne лазером, скла--дає величину порядку 0,01 і може поліпшитись при одномодовому режимі роботи лазера.

В даному розділі наведено напівемпі-рич-ний розрахунок спектру поглинання молекулярного йоду різного ізотопного складу, розрахунок спектру флуоресценції молекулярного йоду при його збуд-женні неперервним лазером на барвнику, аналіз граничної чутливості флуо-ресцентного методу та результати експериментального дослідження спектрів збудження флуоресценції молекулярного йоду різного ізотопного складу.

Метою досліджень, результати яких представлені в даному розділі, була розробка лазерно-флуоресцентної методики для визначення малих концент-ра-цій ізотопу 129I. Головною проблемою цієї задачі є необхідність реєстрації ма-лих концентрацій 129I на фоні значно більших концентрацій стабільного при-род-ного ізотопу 127I. При цьому зразок містить в основному молекули 127I2 з не-ве-ликою домішкою 127I129I, а внеском молекул 129I2 у сигнал флуоресценції можна знехтувати. Для забезпечення високої селективності вимірювань 127I129I на фоні 127I2 було проведене співставлення спектрів поглинання 127I129I і 127I2, що дозволило виділити ряд спектральних "вікон" у спектрі поглинання 127I2, у яких спостерігаються інтенсивні лінії 127I129I.

Для розрахунку спектру поглинання молекулярного йоду необхідно ви-зна-чити структуру енергетичних рівнів, їх населеності, правила відбору та фак-тори Франка-Кондона для переходів з основного X до збудженого стану В моле-кулярного йоду. Повна енергія молекули в одиницях хвильових чисел може бути представлена у вигляді суми електронної, коливальної і обер-таль-ної частин . Згідно з даними роботи [4]

де і – коливальне і обертальне число відповідно, , – маса мо-лекули 127I2, – приведена маса молекули іншого ізотопу, g, b, d, h, B, D, H – коефіцієнти розкладу, взяті з роботи [4].

Для оптимальної реєстрації наявності 127I129I у суміші з 127I2 по сигналу флу-о-ресценції необхідно вибрати таку ділянку спектру, де інтенсивні лінії по-глинання 127I129I максимально віддалені від ліній поглинання 127I2. Як критерій при попередньому відборі оптимальних ділянок спектру вибиралась величина параметра q, визначеного відношенням коефіцієнтів по-гли-нання 127I129I і 127I2 при настро-ю-ванні на центр лінії поглинання 127I129I. Згідно з цим критерієм були розра-хо-вані 132 лінії поглинання 127I129I в спек-т-ра-льному діапазоні 585–610 нм, для яких ве-личина q перевищувала 105. На рис. 6 наведено розраховані спектри погли-наня для 127I2 та 127I129I в околі ліній поглинання 127I129I 2–12 P(82) (=601.978 нм).

В розділі також аналі-зу-ю-ться гра-ничні можливості флуорес-цен-тного ме-тоду реєстрації відносної кон--цен-тра-ції 127I129I у суміші 127I2 і 127I129I. При цьому вва-жа-ється, що збуд-ження 127I129I здійснюється ви-промінюванням одномо-дово-го лазера з по-туж-ністю P і частотою . Для міні-мальної відносної концентрації, що мо-же бути зареєстрованою, отримано вираз:

де – амплітуда шумової модуляції потужності лазерного випромінювання, p – тиск насиченої пари 127I2, – фоно-вий коефіцієнт поглинання 127I2, та – відносна частина інтенсивності флуоресценції 127I2 та 127I129I відповід-но, що реєструється фотоелектричним по-мно-жувачем, – геометричний фак-тор, що характеризує ефективність системи збо-ру випромінювання флуоресцен-ції, – коефіцієнт, що описує розсіювання лазерного випромінювання на оп-тичних неоднорідностях комірки та флуо-рес-цен-цію вікон комірки, – екві-валентна потужність шуму фотоелек-тричного помножувача, – число, що залежить від форми лінії поглинання. Для реальних умов експерименту цілком можливо зареєструвати молекули 127I129I при відносній концентрації 10-5.

Експериментально флуоресценція йоду вивчалася в оптичних кюветах, що містять проби йоду різного ізотопічного складу: проба I (вміст 127I > 99%), проба II – із вмістом ізотопів 127I і 129I у співвідношенні 1:1, проба III – із вмістом 127I і 129I у співвідношенні 13:87. На рис. 7 приведені розрахунковий (a) і експериментальний (б) спектри збуд-ження флуоресценції проби II поблизу лінії поглинання неону 597.5 нм. При розрахунку спектр поглинання моделю-вався лініями гаусової форми з напів-ши-ри-ною 0,5 ГГц. Видно досить добру відповідність спектрів a) і б), що свідчить про надійність теоретичної моделі.

Як зазначалось вище, чутливість ме--то--дики детектування надмалих кон-цен--т-рацій 127I129I на фоні 127I2 за допомогою ла-зер-ного флуориметра визна-чається дво-ма факто-рами: 1) фоновим сигналом флу-о--рес-ценції 127I2 в околі ро-бо-чої лінії 127I129I і розсію-ванням на елементах кю-вети; 2) відносною нестабільністю потужності ви-про-мі-ню-ван-ня лазера на час-тоті реє-с-т-ра-ції. Фоновий сигнал на робочій лінії 127I129I (перехід 12-1 R(87), =594,43198 нм), зумовлений флуоресценцією 127I2, до-сліджувався за допомо-гою кювети, наповненої 127I2. Його величина, відне-се--на до сигналу флуоресцен-ції най-ближчої сильної лінії 127I2, складала 1,510-3. Про-ве-де-ні вимірювання до-зво-лили визначити мінімальну зареє-стро-вану відносну кон-цент-рацію nmin 127I129I на фоні 127I2 за допомогою лазерного флуориметра на основі не-пе-рервного лазе-ра на барвнику, яка склала nmin=310-4.

У п’ятому розділі розглянуто механізми зсувів частоти стабілізованих He-Ne/127I2 лазерів, причиною яких є наявність домішок в йодній поглинаю-чій комірці. Особливу увагу приділено механізму зсуву та його залежності від кількості радіоактивного ізотопу йоду 129I як домішки в йодній поглинаючій комірці з 127I2, яка використовується в стабілізованих He-Ne лазерах.

Джерелом випромінювання для метрологічних цілей, що найширше використовується, є стабілізований гелій-неоновий лазер на довжині хвилі 633 нм. Випромінювання такого лазера відтворює лінію 11-5 R(127) переходу B-X у 127I2, компонента і надтонкої структури (НТС) якого вклю-чена в список рекомен-до-ва-них частот. На точність і відтворюваність час-тоти He-Ne/127I2 лазера впливають декілька факторів, серед яких є девіація частоти лазера, тиск йоду, внутрішньо-ре-зо-на-торна потужність, кривизна хви-льового фронту, пружні зіткнення молекул йоду, лінзові ефекти. Відомо також, що зсуви частот компонент НТС сильно корелюють с рівнем концентрації сторонніх газів в поглинаючій комірці, що є одним з головних факторів, що збурюють частоту переходу [5].

Як відзначалося в [5], серед можливих домішок особливе місце займа-ють домішки сторонніх ізотопів йоду. Забруднення комірок іншими, відмін-ни-ми від 127I, ізотопами пов'язане з тим, що на практиці при виготовленні комірок використовується як ізотоп 127I, так і 129I. Комірки з такими домішками були виявлені навіть на міжнародних звіреннях стабілізованих лазерів [5].

В розділі приводяться результати оцінок зсуву частоти стабілізо-ва-но-го He-Ne/127I2 лазера, зумовленого на-яв-ністю в поглинаючій комірці, як домішки, сто-рон-нього ізотопу 129I, і результати експериментальних досліджень можли-во-сті детектування надмалих гетероізотопних домішок стосовно контролю якості йодних поглинаючих комірок. При наявності в поглинаючій йодній комірці ма-лої домішки стороннього ізотопу 129I, нелінійно-поглинаюче се-ре-довище скла-да-ється, в основному, з поглинаючих часток двох видів: мо-лекул 127I2 і молекул 127I129I. На рис. 8 показано розташування компонент НТС для молекул 127I2 і моле-кул 127I129I в околі лінії 11-5 R(127) йоду 127I2. Як видно з рисунка, лінії погли-нання молекул 127I129I знаходяться до-сить близько від компо-нент надтонкої стру-к-тури молекули 127I2. Це призво-дить до зміни форми резонансу і, як наслідок, до зсуву частоти стабілізо-ваного лазера.

Величину зсуву частоти випро-мі-нювання лазера, стабілізованого за компо-нентою j, можна знайти, розв’язавши рівняння

де – сигнал третьої гармоніки на виході системи автоматичної під-стройки частоти лазера, – зсув частоти, – частота модуляції, – вихідна потужність лазера, - девіація частоти. В умовах слабого насичення поглинання залежність вихідної потужності лазера в околі досліджуваних компонент можна описати формулою:

де – потужність лазера на центрі доплерівськи розширеного контуру підси-лен-ня за відсутності компонент НТС, – частотний інтервал між компо-нентою j та центром лінії, – час-тотний інтервал між компонентами j та i, Гi і ki – однорідна ширина та контрас-тність i-го резонансу.

Для експериментальної оцінки од-но--рідної ширини резонансів реєстру-вав-ся сиг-нал третьої гармоніки на виході си-с-теми АПЧ лазера. На рис. 9 предста-в-ле-ні експериментальні залеж-ності сиг--на-лу третьої гармоніки від час-тоти ви-про-мі-ню--ван-ня для різних зна-чень деві-а-ції, отри-мані з коміркою, що містить рів-ні кіль-кості ізотопів 127I і 129I. З таких ек-с-пе-риментальних залежностей були от-ри-ма-ні наступні зна-чен-ня ши-ри-ни та кон-т-ра-с-тності резонансів: Г = 2.5 МГц, k = 3.65% – для компоненти k лінії по-гли-нан-ня P(54) смуги 8-4 молекули 129I2, Г =2.4 МГц, k = 0.6% – для ком-понент лінії поглинання P(33) смуги 6-3 моле-кули 127I 129I, Г = 2.2 МГц, k = 0.11% – для ком-по-нент лінії поглинання R(127) смуги 11-5 молекули 127I2. Викорис-товуючи от-ри-мані параметри резонансів, були об-чис-лені зсуви частоти компонент d, e, f, і g лінії 11-5 R(127) молеку-ли 127I2, по-в'я-за-ні з забрудненням комірки ізото-пом 129I. Величини зсувів розрахо-вувались ме-тодом чисельного розв’язання рів-нян-ня . Відповідні залеж-но-сті зсуву від відносної кон-центрації ізо-то-пу 129I показані на рис. 10.

Присутність стороннього ізотопу йо-ду з кон-цент-раціями, що призводять до помітних зсу-вів частоти не вияв-ля-єть-ся методами, що ба-зуються на пога-шен-ні флуоресценції. Вимірювання зсу-вів час-то--ти досліджуваного ла-зера до-зво-ляє ли-ше встановити факт наявності зсу-ву, але не дозволяє однозначно пов'я-зати йо-го із присутністю стороннього ізо-топу йоду. Для виявлення стороннього ізотопу в поглинаючих комірках, що викори-сто-вуються для стабілізації часто-ти ви-проміню-вання He-Ne/127I2 лазерів, було використано метод ізото-пічно селек-ти-в-но-го збудження лазерної флуо-ресценції за допомогою неперервного лазера. Цей метод дос-лід-же-но і експериментально обґрунтовано у чет-вер-тому розділі. Застосування ме-тоду для тестування йодних по-гли-на-ючих ко-мі-рок здійс-нено на уста-новці, схема якої при--ведена на рис. 2. Гранична чут--ли-вість методу, як і в попе-ре-дніх екс-периментах, складала 3·10-4, оскільки основ-ними факто-рами, що об-ме-жували чутливість виявлення гетероізотопних моле-кул йоду, зали-ша-лися ам-плі-тудний шум лазерного випромінювання та фо-но-ва флуо-ресценція молекул 127I2. Екс-периментально досягнуто чутливість, що є дос-тат-ньою для здійснення конт-ро-лю якості йодних поглинаючих комірок для метро-ло-гічних лазерів. Тестування ко-мі-рок, виготовлених у лабораторії лазерної спе-ктро-скопії Інституту фізики НАН України відповідно до розробленої і осво-є-ної технології наповнення і контролю якості йодних комірок [6], показало, що на рівні точності 3·10-4 домішки 129I в комірках відсутні. Це дозволило гаран-ту-ва-ти відповідність виго-тов-лених комірок вимогам Міжнародного комітету мір і ваг.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Shank C.V., Klein M.B. Frequency-locking of a CW dye laser near atomic absorplines in a