CC BY
37
УДК 535.15
Вестник СПбГУ. Сер. 4. Т. 1 (59). 2014. Вып. 2
Д. А. Акулинин, И. Р. Крылов, А. Д. Чубыкин
КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОГЛОЩЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ОСз-ЛАЗЕРА В ГАЗООБРАЗНОМ 81Е4 ПРИ НИЗКОМ ДАВЛЕНИИ
Санкт-Петербургский государственный университет, 199034, Санкт-Петербург, Российская Федерация
Линии Р(28)—Р(40) вращательной структуры колебательного перехода 00°1-02°0 (с центром на длине волны 9,6 мкм) генерации С02-лазера попадают в полосу поглощения колебания уз молекулы SiF4. Для интерпретации слабых резонансов спектра насыщения поглощения представляет интерес зависимость амплитуды резонансов от давления газа SiF4 и мощности лазерного луча. В работе проведены измерения мощности излучения С02-лазера, прошедшего кювету с газом SiF4, в зависимости от давления газа при стремлении мощности излучения к нулю. Диапазон изменения давлений 1—20 мторр. Частота генерации лазера изменялась в диапазоне 40—60 МГц в пределах каждой линии усиления СО2. По результатам измерений получены значения приведённого к единичному давлению газа коэффициента поглощения SiF4 в зависимости от частоты лазерного излучения. Библиогр. 17 назв. Ил. 6.
Ключевые слова: лазерная спектроскопия, насыщение поглощения.
D. A. Akulinin, I. R. Krylov, A. D. Chubykin
ABSORPTION COEFFICIENTS OF CO2-LASER RADIATION IN GASEOUS SiF4 AT LOW PRESSURE
St. Petersburg State University, 199034, St. Petersburg, Russian Federation
The P(28)-P(40) lines of the rotational structure of the 0001-0200 vibrational transition (with a center at 9.6 ^m) of CO2-laser generation fall into the V3 vibrational absorption band of SiF4. To interpret the weak resonances of a saturation absorption spectrum, of interest is the dependence of the resonance amplitude on the SiF4 gas pressure and the laser beam power. In this study the power of CO2-laser radiation passing through a SiF4 gas filled cell is measured as a function of the gas pressure in the range of 1-20 mTorr with the radiation power tending to zero. The laser frequency is varied in the range of 40-60 MHz for each CO2 gain line. From the results of measurements the absorption coefficients of SiF4 reduced to unit gas pressure are derived as functions of the laser frequency. Refs 17. Figs 6.
Keywords: laser spectroscopy, absorption saturation.
Ряд линий генерации С02-лазера вращательной структуры колебательного перехода 0001-0200 попадают в полосу поглощения колебания V3 молекулы SiF4. Это линии P(28)-P(40) генерации С02-лазера колебательной полосы с центром на длине волны 9,6 мкм. Такое совпадение и высокая симметрия молекулы SiF4 (точечная группа кубической симметрии Td [1]) определило внимание к молекуле в нелинейной лазерной спектроскопии [2-9]. Для интерпретации некоторых слабых резонансов [10-16] представляет интерес зависимость амплитуды этих резонансов от давления газа SiF4 и мощности лазерного луча. При исследовании слабых резонансов приходится использовать слой газа, который никак нельзя считать оптически тонким. В таком случае мощность лазерного луча значительно изменяется при прохождении кюветы с поглощающим газом. Для оценки того, как именно изменяется мощность луча вдоль кюветы, необходимо знать коэффициент поглощения газовой среды. Измерению коэффициента поглощения посвящена настоящая работа.
Экспериментальная установка подробно описана в [17]. Установка содержит С02-ла-зер, излучение которого проходит через кювету с исследуемым газом, отражается
зеркалом в обратном направлении, второй раз проходит кювету и попадает на приёмник излучения.
Перестройка ОС2-лазера между линиями усиления вращательной структуры полосы 9,6 мкм производится поворотом дифракционной решётки, которая играет роль выходного зеркала лазера. Перестройка частоты €Ю2-лазера в пределах одной линии усиления производится путём изменения длины резонатора лазера при изменении управляющего электрического напряжения на пьезокерамике, на которой укреплена дифракционная решётка.
На пьезокерамику лазера подаётся синусоидальное напряжение с частотой 35 Гц. Линейный участок синусоиды используется для сканирования частоты генерации лазера. Излучение, дважды прошедшее кювету с газом 81Е4, регистрируется приёмником типа «Свод» на основе двухкомпонентного фотосопротивления охлаждаемого жидким азотом.
В эксперименте мы регистрируем зависимость мощности лазерного луча на приёмнике света от частоты (или от длины волны) генерации лазера и наблюдаем изменение этой зависимости при изменении давления газа 81Е4.
Пример экспериментальной кривой при нулевом давлении газа в кювете приведён на рис. 1. Время сканирования кривой составляет примерно 10 мс.
Эта кривая представляет собой зависимость мощности генерации ОС2-лазера от частоты излучения лазера на линии Р(38) полосы колебательного перехода с центром на длине волны 9,6 мкм. Горизонтальные участки кривой соответствуют отсутствию генерации лазера.
Слева направо увеличивается длина волны излучения и соответственно уменьшается его частота. Направление увеличения длины волны было экспериментально определено следующим образом. Глухое зеркало лазера (как и дифракционную решётку) можно механически потянуть в сторону увеличения длины резонатора. Длина волны генерации при этом увеличивается пропорционально длине резонатора, так как на длине резонатора укладывается целое число полуволн. Экспериментальная кривая смещается влево по экрану компьютера, так как в таком случае меньшего напряжения на пьезокерамике оказывается достаточно для достижения прежней длины волны генерации лазера.
Правый горизонтальный участок экспериментальной кривой расположен несколько ниже левого. Это вызвано искажением экспериментальной кривой при прохождении электрического сигнала через разделительный конденсатор.
При возникновении генерации лазера на левом краю экспериментальной кривой виден скачок мощности, в то время как на правом краю кривой аналогичного скачка нет. Возможная причина скачка состоит в следующем. При возникновении условий генерации лазера мощность его излучения экспоненциально нарастает во времени до тех пор, пока усиление лазера ни сравнивается с потерями. Экспонента быстро нарастает, но начальный участок экспоненты, на котором излучения практически нет, может составлять заметное время. Это время соответствует начальному участку экспериментальной кривой перед скачком мощности генерации лазера.
Рис. 1. Пример экспериментальной кривой зависимости мощности генерации лазера от частоты излучения в условных единицах
Масштаб по горизонтали экспериментальных кривых был определён по известному нам [9] частотному расстоянию между резонансами насыщения поглощения, которые видны, например, на экспериментальной кривой (рис. 2) для линии Р(38) 0С2-лазера при давлении поглощающего газа 81Е4 15 мторр. Интенсивность света на входе в кювету имеет порядок 3 мВт/см2.
16,2 МГц
Рис. 2. Зависимость мощности на приёмнике от частоты генерации С02-лазера на линии Р(38) с резонансами насыщения поглощения в 81Р4 0
На рис. 3 представлены экспериментальные кривые, полученные на линии Р(34) €Ю2-лазера. Кривые различаются давлением исследуемого газа Я1Р4 в кювете.
Рис. 3. Экспериментальные кривые зависимости мощности на приемнике от частоты генерации С02-лазера на линии Р(34) при разных давлениях поглощающего газа 81Р4 в кювете, мторр:
0; 5,5; 9,3; 13,7; масштаб — 36 единиц равны 16,2 МГц
Большему давлению газа соответствует кривая с меньшей амплитудой. Как видно, экспериментальные кривые сдвинуты друг относительно друга по горизонтали и вертикали. Горизонтальный сдвиг вызван тепловыми дрейфами длины резонатора лазера. Смещение по вертикали связано с тем, что среднее значение напряжения после разделительного конденсатора остается равным нулю при изменении средней мощности излучения на приёмнике. В результате изменяется значение напряжения, соответствующее нулевой мощности излучения.
В процессе обработки экспериментальные кривые были смещены по вертикали и горизонтали так, чтобы момент начала генерации на всех кривых совпадал на графике. Результат смещения представлен на рис. 4. Здесь же к экспериментальным кривым добавлена первообразная с подобранным весом для компенсации искажения экспериментальных кривых при прохождении электрического сигнала через разделительный конденсатор.
Дальнейшая обработка результатов проведена в соответствии с законом Бу-гера—Ламберта—Бера для зависимости интенсивности света от координаты вдоль луча при прохождении света через поглощающую среду: I(г) = 10. Здесь
0
50
100
150
Рис. 4- Те же кривые, что и на рис. 3, после математической обработки
к — коэффициент поглощения света. Он зависит от частоты света и давления газа, которое в нашем эксперименте менялось в пределах от 1 до 20 мторр. Все измерения проводились при комнатной температуре. В таком случае коэффициент поглощения примерно пропорционален давлению газа к = аР, где коэффициент пропорциональности а зависит от частоты света. В нашей экспериментальной установке свет, прежде чем попасть на приёмник, проходит кювету длиной 3 м в двух направлениях, соответственно г = Ь = 6 м. Тогда I = 1ое-аЬР. Обозначим в = аЬ и получим I = 1ое-вР.
Измерение величины в и было задачей работы. Если рассмотреть интенсивности р и 12 при двух давлениях газа Р1 и Р2, то в = — 1п(12/11) / (Р2 — Р1).
Соответствующий график зависимости величины в от длины волны генерации С02-лазера в пределах перестройки его частоты на линии Р(34) представлен на рис. 5. Здесь изображены кривые только для случая Р1 =0.
В идеальном эксперименте мы должны были бы получить три совпадающие кривые. Наблюдаемый разброс определяется погрешностью эксперимента. Поведение на краях частотной области перестройки лазера определяется аппаратными эффектами и не представляет интереса.
Дальнейшая обработка результатов состояла в следующем. При каждом значении частоты генерации лазера по каждой паре экспериментальных кривых было получено значение коэффициента в. При этом каждая из экспериментальных кривых может быть при ненулевом давлении газа. Для массива значений при одинаковых условиях вычислялась медиана и медианное отклонение от неё. Из величины в = аЬ была рассчитана величина а, здесь Ь = 6 м — длина пути луча в кювете с газом.
400
300
200
100
Рис. 5. Рассчитанная по результатам эксперимента зависимость коэффициента в (торр-1) в формуле I = 1°е~вР от частоты генерации ОЭ2-лазера в пределах перестройки частоты на линии Р(34):
0
25 50 75 100 125
масштаб по горизонтали — 36 единиц равны 16,2 МГц
Окончательные результаты проделанной работы представлены на рис. 6 в виде зависимостей коэффициента поглощения а, выраженного в обратных метрах и приведённого к давлению газа 81Е4 1 торр, от частоты генерации в пределах перестройки С02-лазера на линиях Р(28)—Р(40), где средняя кривая соответствует медиане экспериментальных данных, а верхняя и нижняя пунктирные кривые — медианному отклонению. По горизонтали отложена отстройка лазера по частоте в мегагерцах относительно центра соответствующей линии усиления С02-лазера.
а б
6
4
2
0
Р(28)
15 +
10
-30 -20 -10 0 10 20 30
0
Р(30)
-30 -20 -10 0 10 20 30
20 15 10 5 0
Р(32)
-30 -20 -10 0 10 20 30
д
Р(36)
\__
-20 -10 0 10 20
20 15 10
5
Р(34)
-20 -10 0 10 20
30 20 10
Р(38)
-20 -10 0 10 20
Рис. 6. Коэффициент поглощения газа Я1Р4 в зависимости от частоты, МГц, отсчитанной относительно центров линий Р(28)-Р(40) полосы 9,6 мкм генерации С02-лазера, м-1-торр-1
10
8 6 4 2 0
Р(40)
-20 -10 0 10 20
Авторы приносят благодарность Владимиру Васильевичу Берцеву за предоставленный газ 81Е4.
8
5
0
0
Литература
1. ГерцбергГ. Колебательные и вращательные спектры многоатомных молекул. М., 1949. 648 с.
2. Petersen F. R., Danielson B. L. Laser saturated molecular absorption in SiF4 // Bull. Am. Phys. Soc. 1970. Vol. 15, N 11. P. 1324-1324.
3. Nella J. Saturated resonance spectroscopy of SiF4 // Appl. Phys. Lett. 1973. Vol. 23, N 10. P. 568-570.
4. Бетеров И. М., Василенко Л. С., Го,нго,рдтВ. А., Чеботаев В. П. Исследование узких резонансов при насыщении поглощения в четырёхфтористом кремнии на переходах 00°1-0200 лазера на двуокиси углерода // Квант. электроника. 1974. Т. 1, № 4. С. 970-973.
5. Иванов Э. И., Крылов И. Р. Некоторые детали спектра насыщенного поглощения С02-лазера молекулой SiF4 // Опт. и спектр. 1979. Т. 46. Вып. 6. С. 1214-1215.
6. McDowell R. S., Patterson C. W., Nereson N. G., Petersen F. R., Wells J. S. CO2 laser coincidences with V3 of SiF4 near 9.7^m // Opt. Lett. 1981. Vol. 6, N 9. P. 422-424.
7. Иванов Э. И., Крылов И. Р. Спектр насыщенного поглощения SiF4 вблизи линий генерации P(28)-P(38) 9,4 мкм С02-лазера // Опт. и спектр. 1985. Т. 59. Вып. 4. С. 911-913.
8. ВершовскийА. К., Иванов Э. И., Крылов И. Р., Филимонов Н. А. Спектр насыщения SiF4 на линии P(30) полосы 9,4 мкм С02-лазера // Опт. и спектр. 1986. Т. 60. Вып. 3. С. 639-641.
9. Иванов Э. И., Имхесин Х. Х., Крылов И. Р., Пазгалев А. С. Спектр насыщенного поглощения SiF4 в частотной области генерации С02-лазера низкого давления // Опт. и спектр. 1991. Т. 71. Вып. 5. С. 754-757.
10. Иванов Э. И., Крылов И. Р. Сателлиты мультиплетов супертонкой структуры спектра насыщенного поглощения молекулы SiF4 // Опт. и спектр. 2000. Т. 88, № 4. С. 568-580.
11. KrylovI. R., Tsygankov M. A. Satellites of the superfine structure multiplets in the spectrum of the SiF4 // Brief outline rep. 2nd int. conf. "Laser Optics for Young Scientists", St. Petersburg, Russia, 2003.
12. KrylovI. R., Polischuk V. A., Tsygankov M. A. Collisional cross satellites of the superfine structure multiplets in the spectrum of the SiF4 // 13th int. school on quantum electronics "Laser physics and applications". Bourgas, Bulgaria, 2004. P. 55-55.
13. Крылов И. Р., Цыганков М. А. Перекрёстные сателлиты мультиплетов супертонкой структуры спектра SiF4 // Тезисы докл. 5-й Междунар. науч.-техн. конф. Минск, 2004. С. 132-132.
14. KrylovI. R., Polischuk V. A., Tsygankov M. A. Collisional cross satellites of the superfine structure multiplets in the spectrum of the SiF4 // SPIE The International Society for Optical Engineering. 2004. Vol. 5830. P. 291-295.
15. Андреев К. А., Крылов И. Р., Метелькова М. Б., Цыганков М. А. Слабые спутники спектральных кластеров насыщенного поглощения четырёхфтористого кремния // Лазерные исследования в Санкт-Петербургском государственном университете: c6. статей. 2005. Вып. 4. С. 68-76.
16. Крылов И. Р. Многофотонные сателлиты в спектре насыщенного поглощения газа SiF4 // Опт. и спектр. 2009. Т. 106. № 2. С. 222-230.
17. Крылов И. Р. Спектрометр насыщенного поглощения на основе С02-лазера низкого давления // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2009. Вып. 1. С. 38-46.
Статья поступила в редакцию 27 января 2014 г.
Контактная информация
Акулинин Дмитрий Анатольевич — аспирант; e-mail: [email protected]
Крылов Игорь Ратмирович — кандидат физико-математических наук, доцент; e-mail: [email protected]
Чубыкин Алексей Дмитриевич — студент; e-mail: [email protected]
Akulinin Dmitry Anatol'evich — post-graduate student; e-mail: [email protected]
Krylov Igor Ratmirovich — Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor; e-mail: [email protected]
Chubykin Alexey Dmitrievich — student; e-mail: [email protected]
