Способ определения концентрации электронов в плазме газовых лазеров
Саиоз оветеккк
СОцив пкстичбеки м
Ржп облик
ОП ИГРАНИ
ИЗОБРЕТЕНИ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
434811 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено12,04,72 (21) 1771253/26-25 (54) уй. Кл
G 01 М 21/4б
Н 01 S 3/00
Н 05 Н 1/00 с присоединением заявки ЮГосударственный комитет
СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет (53) УДК5ЗЗ.8 (088. 8) Опубликовано0501.79 Ьюллетеиь № 1
Дата опубликования описания 0501.79 (72) Авторы изобретения
В.В Тучин и В A Седельников
Научно-исследовательский институт механики и физики при Саратовском государственном университете им. Н.Г.Чернышевского (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ
В ПЛАЗМЕ ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ
Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для измерения концентрации электронов в плазме газового разряда генерирующего лазера.
Известны способы определения концентрации электронон в плазме газового разряда, основанные на измерении сдвига собственной частоты резонатора, в который помещена исследуемая плазма, или изменения фазы пропущенной через нее световой волны.
Однако эти способы дают значительные ошибки из-за существенного сдви15 га фазы или частоты, обусловленного нейтральными атомами.
Цель изобретения — расширение измерений и повышение экспрессности.
Цель достигается путем использона. 3) ния активного настраиваемого резонатора исследуемого лазера и излучения только на одной генерируемой длине волны. Для этого модулируют величину тока разряда и измеряют результирую- . щее изменение частоты одной моды лазера, настроенной -на цечтр атомной спектральной линии.
Предлагаемый способ измерения заключается в слелующем.
Величину тока разряда модулируют по гармоническому закону на определенной частоте Юл . Это влечет за собой модуляцию концентрации электронов и, как следствие, сдвиг собственной частоты излучения лазера. Реличина девиации частоты лазера пропорциональна концентрации электронон.
Используя выражение для сдвига частоты, обусловленного плазмой электронов с концентрацией Nв, нетрудно получить простую формулу для сдвига частоты, вызванного модуляцией тока разряда, е у где 4 0 — сдвиг частоты излучения лазера на частоте модуляции (o
Š†заряд электрона; птв — масса электрона;
Д вЂ” частота рабочего переходау уи = и- -глубина модуляции тока разряд дау
3 — величина тока заряда.
Если предположить, что концентрация электронов Лв линейно зависит от величины тока разряда, то ф Л:мулу можно привести к виду
434811.
Формула изобретения ка
СОставитель В . СошникОВ
Техред М.Борисова 1(орректорС.Шекмар
Редактор Т.Колодцева
Заказ 7390/2 Тираж )G g9
ЦНИИПИ Государственного комитета по делам изобретений и открь1тий
113035, Москва„ )Х-35, Раушская наб.
11одписное
СССР
Филиал ППП Патент, г, ужгород, ул. Проектная, 4
21ггле А1
Ы
1 )
„Ы 3
Таким Образом, измерение сдвига частоты O !I глубины модуляции тока разряда с использованием формулы .(1) оцнозначно дает искомую величину концентрации электронов. Для измерения девиации частоты можно, например, воспользоваться гетеродинным методом, ПОдкл10чив на ВыхОде частотного детек— тора анализатор гармоник, IacTpoe»ный на частоту МОДуляцииЮу,. 10
Для газОВЫх ЛаэеРОВ ВЕличина час
ТОТНОй МОДУЛЯЦИИ ПРИ ?ЛОДУЛЯЦИИ ВЕЛИ чины тока разряда зависи не только от модуляции показателя преломления плазмы электронов, но также от модуляции показателя преломления, обусловленного Дисперсией рабочего хода лазера и дисперсией близких сильно поглощающих переходов. Сильно поглощающи переходы образуются метастабильными уровнями рабочих газов.
Время жизни на этих уровнях велико, следова:.тельно значительна и концент рация частиц, поэтому сдвиг частоты излучения лазера, вносимый этим пере25 ходом, может оказаться также значитeJIЬНЫМ при иэмeнeнHИ ВeЛИЧИНЫ ТOKа разряда, (при условии близости частоты этого перехода к частоте рабочего перехода лазера). Однако бл, годаря большой величине времени жизни метастабильных уровней оказывается возможным устранять их Влияние выбора час 1оты модуля,ии щ- НаГ1ример, в гелий-неоновом лазере (Л -- 0,63 мкм) поглощающий переход неона 46 .- 2 Рз, <5 (А = 0 6334 1лкм) дает значjлтельный
Вклац В девиацию частоты„ а среднее обратное время жизни мстастабиль лых уровней 1 5 неона состав-1яет 2040 кГЦ. СледоВатЕЛЬНО, для устране-,10 ния влияния поглощающих перехоцов неОбхОДимо частотy МОДуляции Выбирать значительно больше, чем обратное время жизни соответствующих уровней рабочих газов. Некоторый вклад в сдвиг частоты на частоте рабочего перехода могут давать близкие поглощающие пе- 45 реходы, начинающиеся и оканчивающиеся на уровнях, время жизни на которых мЫло.
Влиянне близких поглощающих пере- 50 ходов в этом случае можно устра11ить примe;Iение:.1 Оптич скои модуляции населенности на соответствуюцих уровнях, Тогда концентрация электронов будет определяться по разности значений отклонений частоты, измеренной при модуляции тока разряда и при оптической модуляции. Влияние же дисперсии собственного перехода лазера нетрудно устранить, настраивая частоту излучения лазера на центр линии.излучения, так как в центре линии излучения сдвиг частоты, обусловленный модуляцией собственного перехода, равен кулю. Вследствие значительной крутизны зависимости девиации частоты от настройки резонатора в этом случае контроль настройки моды на центр линии излучения по минимальному значению сдвига частоты осуществляется с большой степенью точности.
Измерения, выполненные для гелий(Л = 0,6328 MKM) показали, что для частоты модуляции
200 кГц наблюдается зависимость сдвига частоты) от тока разряда, характерная для влияния переменной составляющей показателя преломления плазмы электронов. Обработка результатов опыта по формуле (1) дала линейную зависимость концентрации электронов от величины тока разрядаdéе /о3 = д -з
= 4,5. 10 см МА, что для-тока разряда J =10 МА сООтветствует величи7О -3 не )(,,=4,5 . 10 см . Длина разряда исследуемого лазера примерно 20 см, диаметр капилляра около 0,2 см.
Способ определения концентрации . электронов В плазме газовых лазеров, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью расширения, области измерений
;и повышения зкспрессности, подвергают амплитудной модуляции ток разряда, настраивают лазер на центр испускаемой à= î.ìíîé спектральной линии так, чтобы з11ачение сдвига собственной частоты В 2 былО минимально, измеряют
Ь9 и рассчитывают концентрацию электронов по формуле
mmд id@)
tl -2
J где III и б — масса и заряд электрона, fi>.= a 1!3 1"лубина МОДуляЦии то
