К.ф.-м.н. Бакуменко В.М., к.т.н. Петров С.В., Шпак П.С.

Українська інженерно-педагогічна академія, Харків, Україна

Методика визначення релаксаційних

параметрів субміліметрових лазерів

з оптичним накачуванням

Для визначення коливальної релаксації Г субміліметрових лазерів з оптичним накачуванням (СММЛОН) найчастіше використовується метод дослідження перехідного процесу сигналу на виході лазера при східчастому сигналі накачування на вході [1]. Перевагами цього методу є простота, достатньо високе відношення сигнал/шум, а також можливість проводити вимірювання в тих же умовах, в яких молекула, що досліджується, використовується в якості робочої речовини лазера. Недоліком методу є методична похибка, пропорційна швидкості накачування (або інтенсивності накачування).

В роботі розглянута методика, що дозволяє виключити похибку, пов'язану з швидкістю накачування. Aналіз релаксаційних процесів у лазері при східчастому накачуванні, проведений на основі спрощеної моделі робочої молекули [1] показує, що вихідна потужність СММ лазера (пропорційна різниці населеностей рівнів n₂ i n₃, що знаходяться в коливальному стані N₆ і між якими відбувається СММ перехід) може бути представлена у виді постійної складової та компонент, що спадають по експоненціальному закону. Швидкість загасання компонент залежить від характеру різноманітних релаксаційних процесів. Складова, що визначає процес, обумовлений коливальною релаксацією, може бути представленою у виді , де початкове значення і швидкість загасання знаходяться з формул:

, (1)

, (2)

де , (3)

, (4)

, (5)

де n₁ – нижній лазерний рівень, f₁, f₂ i f₃ – відносні населеності рівнів n₁, n₂ i n₃, N – загальна кількість молекул газу, w – швидкість накачування,швидкість переходу із стану в стан , швидкість зворотного переходу, початкова населеність стану N₃,

З урахуванням того, що

, (6)

, (7)

де - швидкість дифузії; - швидкість коливально-поступальної релаксації;- швидкість накачки при заданому тиску, одержимо вираз для у виді:

. (8)

Для аналізу цього виразу розглянемо два граничних випадки. Якщо

, (9)

тобто процеси зіткнення переважають над дифузійними, рівняння (8) приймає вид:

. (10)

З рівняння (10) можна визначити . Для цього одержують експериментальні залежності l₁(р) і А₁(р). З останньої залежності визначають значення р, при якому А₁(р)=0 і використовують його для визначення l₁ з першої залежності. Отримане значення підставляють замість в рівняння (10) для визначення і потім DГ. Така методика використовувалась при визначенні релаксаційних параметрів молекули CH₃Br.

При протилежному знаку в нерівності (9), тобто у випадку переваги дифузії над процесами зіткнень, вираз для приймає вид:

. (11)

Видно, що не залежить від р, i, відповідно, залежність А₁(р) не проходить через нуль. Така ситуація має місце для більшості переходів молекули НСООН: методика визначення в цьому випадку описана нижче. Підставляючи , яке отримано з виразу (11) при c =0, в рівняння (2) і розв’язуючи останнє відносно , одержимо:

(12)

де l₁₀ - значення l₁ при А₁ = 0.

Проведено аналіз осцилограм вихідного сигналу лазера на переході (в коливальному стані n₆) молекули CH₃Br (довжина хвилі 715,4 мкм) при східчастому накачуванні СО₂-лазером, що працював на переході (довжина хвилі 10,28 мкм) з вихідною потужністю 10 Вт [1]. Для сигналів, які спостерігались, характерними являлись 2 режими. Для першого з них (тиск 3,5 Па, тривалість розгортки 0,5 мс/под., чутливість 2 мВ/под.) після зростаючої ділянки, яка визначається швидкістю зростання переднього фронту імпульсу підкачування, спостерігалось спадання сигналу до стаціонарного значення спочатку з більшою швидкістю, а потім з меншою. Для іншого режиму (тиск 13,3 Па, тривалість розгортки 0,5 мс/под., чутливість 5 мВ/под.) остання ділянка являлась не спадаючою, а зростаючою. Перехід від одного режиму до іншого здійснювався шляхом збільшення тиску або зменшення потужності накачування. При даній потужності накачування лазерна генерація спостерігалась в діапазоні тисків 3…16 Па; при цьому перехід від одного режиму до іншого, що характеризується присутністю тільки першої ділянки, відбувався при тиску .

Визначаючи швидкість загасання повільної компоненти при тиску, і використовуючи одержану величину для визначення w з (10), а потім з (3) знаходимо з (2) швидкість коливальної релаксації , яка вже не утримує в собі систематичної похибки, зумовленої сигналом накачування і відповідно з методикою, представленою в роботі [1], знаходимо, що , .

З осцилограм вихідного сигналу лазера на молекулах НСООН знаходилися швидкості загасання, які для різних переходів, відповідно, складали: (2,65 ± 0,15) кПа/с для переходу 398,6 мкм; (2,35 ± 0,13) кПа/с для переходу 742,6 мкм; (2,08 ± 0,20) кПа/с для переходу 669,5 мкм.

При однаковій потужності сигналу накачування в зв'язку з різним коефіцієнтом поглинання цього сигналу у субміліметровій комірці швидкість накачування для кожного з переходів різна, тому різними являються і швидкості загасання.

Для виключення похибки, пов'язаної з швидкістю накачування, для кожного з переходів вимірювались залежності А₁(р) для побудови А₁(l₁)). З цієї залежності знаходилась величина l₁₀ (при А₁ = 0), що підставлялась в формулу (12). Після корекції результату були знайдені швидкість дифузії = (1,96 ± 0,15) кПа/с і швидкість коливальної релаксації =40 0,4 с^-1·Па.

Висновки. Приведена в роботі методика визначення релаксаційних параметрів субміліметрових лазерів з оптичним накачуванням дозволяє уникнути систематичної похибки, пов’язаної з сигналом накачування.

Література:

1. Бакуменко В.М., Фесенко Л.Д., Шевырев А.С. Исследование релаксационных характеристик СН₃Вr–лазера с оптической накачкой // Известия вузов. Радиофизика. 1987. Т.30, № 8. С.973-979.

2. Бакуменко В.М., Фесенко Л.Д., Бакуменко А.В., Шумейко Н.Ю. Определение релаксационных параметров молекулы НСООН // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. 1998. Вып. 105. С. 176-182.