Перестраиваемый лазер

 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в лазерной спектроскопии, лазерной фотохимии и других областях науки и техники. Сущность изобретения: перестраиваемый лазер содержит диспергирующий резонатор с размещенной внутри него вакуумированной емкостью для активной среды, в которую помещено соединение парамагнитного металла, нагреватель, термически связанный с емкостью для активной среды, и лазер накачки, в резонатор которого установлен диспергирующий элемент, а лазер оптически связан через режекторное зеркало с дисперсионным резонатором. 1 ил.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в лазерной спектроскопии, лидарах, лазерной химии и других областях науки и техники.

Известны лазеры на различных активных средах (твердотельные, газовые), в которых при использовании дисперсионного резонатора возможна перестройка длины волны излучения в пределах полосы люминесценции [1] Недостаток таких лазеров состоит в небольшом диапазоне длины волны (единицы десятки ангстрем). Кроме того, в указанных лазерах сложно обеспечить перестройку длины волны в коротковолновой части оптического спектра и особенно в области вакуумного ультрафиолета.

Известен перестраиваемый лазер на красителе, содержащий дисперсионный резонатор с емкостью для активной среды, в качестве которой используется краситель, и лазер накачки, оптически связанный с дисперсионным резонатором [2] Диапазон перестройки указанного лазера 395-785 нм, что значительно больше, чем в вышеуказанных лазерах. Однако в данном лазере сохранились недостатки, связанные с невозможностью перестройки длины волны выходного излучения в ультрафиолетовой области спектра, в том числе в области вакуумного ультрафиолета.

Технической задачей изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно увеличение диапазона перестройки лазера от вакуумного ультрафиолета до ИК-диапазона на одном типе активного вещества, повышение мощности выходного излучения и ее равномерности в диапазоне перестройки длины волны.

Для достижения поставленной задачи в перестраиваемый лазер, содержащий дисперсионный резонатор с размещенной внутри него емкостью для активной среды и лазер накачки, оптически связанный через режекторное зеркало с дисперсионным резонатором, введен нагреватель, термически связанный с емкостью для активной среды, которая выполнена герметичной и вакуумирована, а внутри нее помещено соединение парамагнитного металла, при этом в резонатор лазера накачки установлен диспергирующий элемент.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлены элементы перестраиваемого лазера и их взаимосвязь. Перестраиваемый лазер содержит дисперсионный резонатор 1, емкость для активной среды 2, соединение парамагнитного металла 3, нагреватель 4, лазер накачки 5, помещенный в резонатор лазера накачки диспергирующий элемент 6, режекторное зеркало 7.

Дисперсионный резонатор 1 предназначен для изменения селективных свойств объема, где происходит формирование лазерного излучения с необходимой длиной волны. Дисперсионный резонатор в зависимости от назначения лазера и требований, предъявляемых к нему, может быть выполнен на основе призменных или интерференционных элементов, дифракционных решеток или их различных состояний в виде составных диспергирующих элементов [3] Емкость для активного вещества 2 предназначена для размещения в ней активного вещества при приведении лазера в рабочее состояние. Она может быть выполнена в виде кварцевой трубки, торцы которой скошены на угол Брюстера относительно ее продольной оси. Для работы в предлагаемом лазере емкость 2 вакуумируется и может заполняться буферным газом (например инертным), а внутри размещается соединение парамагнитного металла 3. Соединение 3 предназначено для получения необходимой концентрации паров металла с парамагнитными свойствами в виде рабочих атомов. В качестве соединения 3 могут быть использованы, например, соли металлов, обладающих парамагнитными свойствами, в частности соли железа.

Нагреватель 4 предназначен для нагрева соединения металла 3 и перевода его в газообразную фазу. Принципиальным ограничением в степени нагрева является температура, соответствующая точке Кюри для используемого металла.

Лазер накачки 5 предназначен для создания инверсии населенности энергетических уровней паров металла в рабочем объеме 2. Особенностью лазера 5 является размещение в его резонаторе диспергирующего элемента (например, интерферометр Фабри-Перо), обеспечивающего выделение из всего спектра генерации двух гармоник с разностью частот, составляющих доли ангстрем. Длина волны лазера 5 значения не имеет, поэтому в качестве лазера накачки могут быть использованы лазеры на основе различных активных сред в зависимости от назначения и требований, предъявляемых к перестраиваемому лазеру.

Режекторное зеркало 7 предназначено для разделения лазерных пучков лазера накачки и перестраиваемого лазера.

Зеркало 7 имеет высокий коэффициент отражения только на длине волны лазера накачки, а в диапазоне излучения перестраиваемого лазера должно быть прозрачным.

Теоретической основой предлагаемого лазера является обнаруженный эффект спинполяризации парамагнитных веществ бигармоническим лазерным излучением.

Известно [4] что если атомы квантового газа поляризованы по спину, т.е. спины их ядер направлены в одну сторону, то это приведен к значительному изменению макроскопических свойств газа, таких, например, как вязкость и теплопроводность, кроме того могут возникать квантовомеханические корреляции между ядрами и спиновые волны, которые до настоящего времени наблюдались только в некоторых жидкостях и твердых телах, подобных ферромагнетикам. В частности, в работе [4] изучение указанных квантовых эффектов проводилось в разбавленных растворах жидкого гелия-3 в сверхтекучем гелии-4.

Из теории, изложенной, в частности, в работе [4] следует, что эффекты, обусловленные поляризацией ядерных спинов, возникают не за счет связанных со спинами магнитных воздействий, а определяются принципами, заложенными в основу квантовомеханического описания систем, состоящих из тождественных частиц фермионов, имеющих полуцелые значения спина 1/2, 3/2, 5/2 и т.д. Согласно квантовой механике, идентичные частицы с одинаковым спином неразличимы и при столкновении между собой проявляют важные неклассические эффекты, природа которых зависит от того, являются ли они фермионами или бозонами.

Согласно принципу Паули, если один фермион находится в некотором состоянии, характеризуемом определенной энергией, координатой или импульсом, а также спином, то все тождественные ему фермионы не могут находится в том же состоянии.

Поэтому два электрона, имеющих, например, одинаковые спиновые состояния, нельзя обнаружить одновременно в одной точке пространства, т.к. они будут стремиться избегать друг друга, что влияет на их взаимодействие при столкновениях.

В отличии от ферминов бозоны не подчиняются принципу Паули и для них отсутствуют какие-либо ограничения на число частиц, которые могут находиться в одинаковом состоянии. Если два простых бозона, например два фотона, имеют одинаковые спины, то они стремятся сблизиться друг с другом больше, чем две различные частицы. Аналогичные эффекты наблюдаются у составных бозонов. Из указанной теории также следует, что для того, чтобы квантовые эффекты, связанные с неразличимостью частиц, начали играть существенную роль при столкновении между двумя фермионами, длина волны де Бройля для них должна превышать то расстояние, на котором силы межатомного взаимодействия еще имеют заметную величину. Поскольку длина волны де Бройля обратно пропорциональна импульсу частиц, то для ее увеличения необходимо снижать температуру газа. Поэтому важнейшее условие отечественных и зарубежных исследований состоит в том, что они проводились при очень низких температурах, не более чем на несколько градусов превышающих абсолютный нуль. "Выключение" межатомных взаимодействий приводит к существенному изменению длины свободного пробега частиц и, следовательно, тех физических свойств квантового газа, которые от нее зависят. Таким образом поляризованный фермионный газ типа "гелий-3" должен иметь значительно боле высокую теплопроводность, чем неполяризованный аналог. Теплопроводность стремится к бесконечности по мере роста длины свободного пробега. По аналогичным причинам должна расти вязкость такого газа.

Эффекты, связанные с поляризацией бозонов, должны иметь противоположный характер. Это обусловлено тем, что бозоны как тождественные частицы легче сближаются друг с другом. Поляризация их спинов должна приводить к уменьшению средней длины свободного пробега, а это вызовет уменьшение вязкости и теплопроводности. Однако в отличии от фермионов у бозонов эффекты, связанные со спинополяризацией, отражены не столь ярко.

Таким образом, спинополяризация, т.е. создание неравной населенности различных спиновых состояний, может весьма сильно повлиять на макроскопические свойства квантовых газов. Причем, как установлено авторами в процессе многолетних исследований, спинополяризованными могут быть не только квантовые газы, но и все парамагнитные вещества в газообразном состоянии. При этом изменяются не только квантомеханические характеристики (вязкость и теплопроводность), но и оптические и электрические характеристики среды.

Для спинополяризации среды предлагается принципиально новый динамический метод оптической накачки молекул парамагнитных газов бигармоническим лазерным излучением. Причем разностная частота бигармоники резонансна типичным частотам элементарных возбуждений в среде, обусловленных движением ядер и электронов.

Предлагаемый перестраиваемый лазер работает следующим образом.

Подготовка лазера к работе состоит в нагреве (с помощью нагревателя 4) соединения металла 3, испарении его и создании требуемой концентрации рабочих атомов металла.

Работа перестраиваемого лазера начинается с включения лазера накачки 5, который может работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

В лазере 5 с помощью диспергирующего элемента 6 формируется двухчастотное лазерное излучение 8, которое направляется на зеркало 7 и, отражаясь от него, поступает в активную среду перестраиваемого лазера.

Ключевым моментом в предложенном лазере является взаимодействие бигармонического лазерного излучения с парами металла. В отличии от прототипа, где атомы активного вещества поглощают кванты излучения накачки, в предлагаемом лазере взаимодействие атомов металла происходит одновременно с двумя квантами лазерного излучения, имеющими различные частоты. При этом спины электронов и (или) ядер атомов, попадающих в магнитное поле разностной электромагнитной волны, ориентируются вдоль силовых линий ее магнитного поля. При этом под действием бигармонического лазерного излучения происходит поляризация спинов свободных атомов металла, а между отдельными атомами возникает дальнодействующие (несколько сантиметров) обменные взаимодействия (спиновые волны), и пары металла переходят в квазикристаллическое состояние.

Следует отметить, что разрушению квазикристаллической структуры паров металла под действием внешних факторов препятствует взаимосвязь элементов этой структуры с помощью спиновых волн. Это приводит к значительному (на несколько порядков) росту времени релаксации. Кроме того, спинополяризованное состояние характеризуется резким изменением макроскопических свойств и в том числе оптических свойств паров металла и, в частности, на несколько порядков возрастает коэффициент поглощения оптического излучения. В результате значительная часть квантов оптического излучения поглощается парами металла, переводя его в возбужденное состояние.

Вынужденное излучение атомов металла происходит уже не на частоте излучения накачки, а в собственном спектре излучения металла. Выделение требуемой ширины линии излучения и ее перестройка вдоль всего спектра осуществляется с помощью дисперсионного резонатора 1. Через зеркало 7 (прозрачное в диапазоне перестройки лазера) лазерное излучение 9 поступает на выход перестраиваемого лазера.

Технико-экономическая экспертиза предлагаемого лазера проводилась теоретически и экспериментально. Исследования проводились на парах железа, при этом получена генерация излучения с перестройкой в диапазоне от 180 до 800 нм, что значительно больше, чем в прототипе.

Ширина спектра излучения изменялась от 0,001 до нескольких ангстрем, а при необходимости может быть и больше.

Теоретически коэффициент преобразования излучения накачки в выходное излучение в предлагаемом лазере должен быть весьма высоким, т.к. в атомах железа возбуждаются наименьшие над основными энергетические уровни, что до минимума снижает вероятность безызлучательных переходов. Качественные оценки показывают, что величина КПД превышает 10% Мощность выходного излучения пропорциональна объему используемого активного вещества, поэтому при использовании в качестве лазеров накачки, например, лазера на углекислом газе, имеющего высокие КПД и мощность излучения, и использовании емкости с достаточно большим объемом паров металла на предлагаемом лазере может быть получена весьма значительная мощность выходного перестраиваемого в широком диапазоне излучения.

Формула изобретения

Перестраиваемый лазер, содержащий дисперсионный резонатор с размещенной внутри него емкостью для активной среды и лазер накачки, оптически связанный через режекторное зеркало с дисперсионным резонатором, отличающийся тем, что в него введен нагреватель, термически связанный с емкостью для активной среды, которая выполнена герметической и вакуумирована, а внутри нее помещено соединение парамагнитного металла, при этом в резонатор лазера накачки установлен диспергирующий элемент.

РИСУНКИ

Рисунок 1