Способ лазерной поляризационной спектроскопии

 

Изобретение относится к лазерной спектроскопии и может быть использовано в спектрально аналитическом приборостроении и газоанализе. Цель изобретения повышение чувствительности, точности и расширение спектрального диапазона анализа. Генерацию осуществляют на активной среде с однородно уширенной линией усиления, двулучепреломление осуществляют с фазовыми сдвигами обыкновенного и необыкновенного лучей в зазоре между активной средой и ближайшим к ней концевым зеркалом резонатора и по другую сторону активной среды, удовлетворяющими определенным условиям. 1 ил.

Изобретение относится к лазерной спектроскопии и предназначено для использования в спектрально-аналитическом приборостроении и газоанализе.

Целью изобретения является повышение чувствительности, точности и расширение спектрального диапазона анализа за счет осуществления генерации в режиме захвата двух ортогонально поляризованных мод на среде, дисперсией которой можно пренебречь.

Структурно-функциональная схема одного из возможных устройств реализации способа представлена на чертеже. Внутри резонатора, образованного концевыми зеркалами 1 и 2, на его оптической оси расположены активный элемент 3 с широкой однородно уширенной линией усиления, например, слой раствора органического лазерного красителя, соединенный с источником его возбуждения 4, и внутрирезонаторный селектор 5, снабженный устройством управления 6. По обе стороны активного элемента 3 установлены двулучепреломляющие элементы 7 и 8, снабженные устройством 9, регулирующим их двулучепреломление. Главные оптические оси элементов 7 и 8 параллельны или перпендикулярны друг другу. Внутри резонатора размещена также оптическая кювета 10. Активный элемент 3, внутрирезонаторный селектор 5 и оптическая кювета 10 фазо- амплитудно-изотропны по осям двулучепреломления элементов 7 и 8. Через зеркало 1 резонатор оптически связан с фотоэлектрическим устройством регистрации поляризации излучения 11.

Способ реализуется следующим образом. При включении источника 1 возбуждения активного элемента 3 в последнем образуется инверсная населенность и возникает генерация за счет положительной обратной связи, обеспечиваемой в оптическом резонаторе концевыми зеркалами 1 и 2. Из-за фазовой анизотропии двулучепреломляющих элементов 7 и 8 снимается поляризационное вырождение мод резонато- ра. Каждая вырожденная мода расщепляется на две ортогонально поляризованные с частотные сдвигом Δf (1) где c -скорость света, L оптическая длина резонатора, ϕ₁ фазовый сдвиг обыкновенного и необыкновенного лучей в двулучепреломляющем элементе 7, расположенном в зазоре между активным элементом 3 и ближайшим к нему концевым зеркалом 1, ϕ₂ аналоговый сдвиг в элементе 8. Имеют место две системы мод различной поляризации. Каждая состоит из эквидистантных мод, сдвинутых одна от другой по частоте на с/2L, как в фазоизотропном резонаторе. Системы как целое сдвинуты друг относительно друга на величину расщепления (1). Модуль разности частот двух любых невырожденных мод есть: f q , q=0;1 (2) При q=1 выражением (2) дается частотный сдвиг невырожденных мод, соответствующих соседним вырожденным модам резонатора, а при q=0 это, как в (1), расщепление единой вырожденной моды. Посредством устройства управления 6 внутрирезонаторный селектор 5 настраивается на выделение одной из указанных пар мод в нужной части спектрального диапазона генерации лазера.

Явление захвата двух мод в общем виде состоит в том, что при достаточно малом отличии их частот обе они генерируют устойчиво с независящей от времени относительной фазой, т.е. на одной частоте. В лэмбовском приближении разложения поляризации среды вплоть до членов третьего порядка по полю, вполне корректном для превышений усиления над потерями ≈10% стационарная генерация в режиме захвата описывается следующей системой уравнений: f χ (E_x² + E_y²) sin 2 Ψ(ρ-τ-ζ cos 2 Ψ) (E_x² E_y²), (3) E²_x,y= в которых β,Θ,χ коэффициенты нелинейной поляризуемости среды, отражающие соответственно собственное, перекрестное насыщения и вклад в последнее комбинационных тонов, ρ,τ,ζ соответствующие дисперсии этих коэффициентов, α одинаковый для обеих мод коэффициент линейного усиления с учетом внутрирезонаторных потерь, Ψ относительная фаза генерируемых мод, Е_х², Е_y² квадраты проекций электрического вектора генерируемого одночастотного поля на оси двулучепреломления, или, что то же, вклады мод в суммарную интенсивность генерируемого поля. Принимая во внимание масштаб ширины однородной линии усиления раствора красителя, дисперсией коэффициентов нелинейной поляризуемости активной среды в пределах полосы резонатора можно пренебречь, т.е. достаточно корректно положить, что ρ,τ, ζ 0. При этом стационарный режим захвата устойчив, если χcos2Ψ<(β-Θ), χcos2Ψ<-χ²/(β+Θ). (4) Первое уравнение (3) преобразуется к виду
f=Δν_р(η-1) (5) где Δν_р полоса резонатора, η отношение усиления активной среды к внутрирезонаторным потерям. Из (4), (5) следует, что режим захвата реализуется при значениях частотных сдвигов соседних невырожденных мод резонатора
f<Δν_р(η-1) (6)
если χ²<(Θ²-β²), (7)
и f<Δν_р(η-1) (8)
если χ²>(Θ²-β²). (9)
Для однородно уширенной линии с масштабом ширины, как в растворе красителя
3, Θ=22(2+cos2ϕ₁) (10)
Здесь cos 2 ϕ₁ отношение второй пространственной гармоники инверсии к ее среднему значению, отражающее в режиме захвата пространственный сдвиг мод вдоль оси резонатора в пределах активной среды. С учетом (2) и (10) выражения (6)-(9) тождественно преобразуются в соответствующие признаки (11)-(14), определяющие необходимые для реализации режима захвата соотношения между двулучепреломлением в элементах 7,8 и параметрами резонатора
+< sin2 (11)
если < arccos (-2) (12)
и
+< (13)
если arccos(-2)<< (14)
Пользуясь известной фазоамплитудной структурой эллиптически поляризованного света, нетрудно установить, что главные оси эллипса поляризации генерируемого одночастотного излучения захваченных мод ориентированы под углом Φ к биссектрисам прямых углов между осями двулучепреломления, который дается выражением
tg2Φ (15) при этом квадраты малой и большой осей эллипса поляризации относятся, как
R=tg (16)
Сканирование частоты генерации достигается путем сканирования оптической длины резонатора с амплитудой порядка длины волны излучения, осуществляемого одним из стандартных приемов, например, пьезоэлектрической коррекцией этой длины. При этом частота генерации захваченных мод сканируется в диапазоне, не превосходящем c/2L. Поскольку коэффициенты нелинейной поляризуемости среды из-за несравненно большей, чем с/2L, ширины однородной линии усиления остаются постоянными, относительная фаза Ψ как можно видеть из (5), при удовлетворяющей (6)-(9) величине f= const тоже не меняется.

С учетом тождественности соответствующих выражений (6)-(9) и (11)-(14) ясно, что установкой ϕ₁ и ϕ₂, удовлетворяющих критериям (11)-(14), обеспечивается режим захвата двух мод, в котором при сканировании частоты генерации ориентация (15) и эллиптичность (16) излучения остаются постоянными.

Устройством регистрации 11 электрический сигнал преобразуетcя в поcтоянный по чаcтоте генерации электричеcкий cигнал. Очевидно, что стандартным образом с помощью четвертьволновой и поляризационной оптики он может быть снижен до нуля (с точностью до шумов фотоэлектрического преобразования). Отсутствием основного фона в информационном электрическом сигнале обусловлены преимущества перед прототипом, в котором при сканировании частоты генерации эллипс поляризации испытывает поворот до 90^о.

Если во внутрирезонаторную кювету 10 ввести газообразную пробу, содержащую компонент с линией поглощения в пределах диапазона сканирования частоты, то происходит обычное для двухкомпонентных лазеров насыщение поглощения. Для разреженных проб относительное изменение β,Θ,χ весьма незначительно, Ψ меняется слабо (5) и столь же мало меняется эллипс поляризации (16). Информативный отклик системы регистрации 11 адекватен изменению ориентации (15) поляризации
tg2n(γ²_-+ (17) где n_- плотность частиц, γ_- однородная полуширина линии поглощения, ω_- отстройка от ее центральной частоты чаcтоты генерации.

Формула изобретения

СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ, заключающийся в том, что лазер путем внутрирезонаторного двулучепреломления, осуществляемого по обе стороны активной среды в совпадающих осях поляризации, настраивают на генерацию в режиме захвата двух соседних невырожденных ортогонально поляризованных мод, сканируют частоту генерации, регистрируют при этом поляризационное состояние выходного одночастотного излучения, вводят внутрь резонатора анализируемую пробу, содержащую резонансные генерируемому излучению компоненты, регистрируют изменение поляризационного состояния выходного излучения, определяют по нему концентрацию и спектральные характеристики резонансных компонентов пробы, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, точности и расширения спектрального диапазона анализа, генерацию осуществляют на активной среде с однородно уширенной линией усиления с шириной масштаба линии усиления органического лазерного красителя, а двулучепреломление осуществляют с фазовыми сдвигами обыкновенного и необыкновенного лучей ϕ₁ в зазоре между активной средой и ближайшим к ней концевым зеркалом резонатора ϕ₂ по другую сторону активной среды, удовлетворяющими условиям





где c скорость света;
η отношение усиления активной среды к внутрирезонаторным потерям;
L оптическая длина;
Dn_p полоса генерации резонатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1