263
Т.С. БИМАГАМБЕТОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ СУММАРНОЙ МОЩНОСТИ ВЫНУЖДЕННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА
(Алматинский институт энергетики и связи, г. Алматы)
В экспериментальной работе исследовано вынужденное излучение при нерезонансном заселении исходных уровней атома калия. Получены суммарные мощности этих излучений в зависимости от интенсивности лазера и концентрации атомов. Установлен механизм заселения исходных уровней вынужденного излучения.
Введение
Вынужденное излучение в инфракрасной (ИК) области спектра, возникающее при нерезонансном возбуждении паров калия с одним рубиновым лазером наблюдалось в работе [1]. В этой работе были обнаружены вынужденные ИК переходы 32D3/2 52P3/2 (3,14 мкм) и
2 / 1 2 2 / 5
2 5
3 D P (3,16 мкм) рисунок 1. Их появление было интерпретировано как результат двухфотонного возбуждения молекул калия и их последующей диссоциацией на атомы в состояниях
2 / 1 52P
и 52P3/2. В работе [2] обнаружены вынужденные ИК линии в более высоких атомных переходах 62S1/2 52P3/2 (3,66 мкм) и 62S1/2 52P1/2 (3,64 мкм), а также ИК ВКР (Вынужденное комбинационное рассеяния) на переходе 42P3/2 52P3/2 . Объяснить двухфотонное возбуждение молекул их последующей диссоциацией на атомы невозможно, так как избыток энергии 2
L
7S во много раз меньше энергии диссоциации молекулы.В работе [3] появление этих линий объясняется ступенчатым оптико-столкновительным заселением уровня 62S1/2, то есть сначала заселяется резонансной уровень 42P3/2, а затем 62S1/2 . Для экспериментального подтверждения этого предположения необходимо изучить заселения резонансного уровня 42P3/2.
Описание экспериментальной установки
Эксперимент проводился на следующей установке. Излучение рубинового лазера, работающего в режиме модулированной добротности, фокусировалось в центр стеклянной кюветы длиной 20 см, содержащей пары калия и имеющей оптические окна из сапфира. Средний диаметр светового пучка при фокусировке линзой с фокусным расстоянием 50 см составлял 2мм. ИК
62S1/
2
42S1/
2
42P1/
2
42P3/
2
3,66 мкм
Рисуно ккк 1
L
L 12 3 4
52P1/
2
S52P3/
2
3,64 мкм 5
32D5/
2 32D3/
2
3,14 мкм 3,16
мкм
264
излучение, выходящее из кюветы, проходило через дифракционный монохроматор МДР 23 и попадало на вход инфракрасного фотоприемника, сигнал с которого регистрировался на запоминающем осциллографе. Такая аппаратура позволяла фиксировать ИК излучение с энергией до 10-6 Дж в диапазоне длин волн 1,8 – 5,5 мкм.
Частота рубинового лазера от перехода 2-5 отличается на 8 см-1, а от частоты резонансного перехода 1-2 на 1360 см-1. ОС заселение уровня 2 и ступенчатое ОС заселение уровня 3 показаны волнистыми стрелками.
Ширина зарегистрированных ИК линий не превышала ширины аппаратной функции монохроматора, составляющей 2 см-1. Поэтому можно предположить, что их истинная ширина не превышала ширины атомных уровней и составляла < 0,5 см-1.
Экспериментальные результаты
Исследования суммарной мощности ИК излучений от интенсивности лазера.
Зависимость суммарной мощности
PS
P P P
1 2 от интенсивности лазера показана на рисунке 2. Где P1 – средняя мощность ИК излучения 3,66 мкм, P2 - средняя мощность ИК излучения 3,64 мкм, PS - средняя мощность ИК ВКР. Температура паров достигала до 420 С (N~1017cм-3) оставалось постоянной. Такая высокая температура связана с большой расстройкой частоты лазера от резонансного перехода 1-2. Дальнейшее увеличение температуры ограничено, так как это приводит к взаимодействию метала с молибденовыми стенками кюветы.Интенсивность рубинового лазера изменялась от 1 МВт/см2 до 30 МВт/см2, при этом максимальная суммарная мощность ИК излучений достигала до 1600 Вт.
Так как нижний уровень ИК перехода 52P3/2,1/2 эффективно опустошается путем каскадных вынужденных ИК переходов на нижерасположенные уровни атома тогда можно пренебрегать населенностью этого уровня N4. Поскольку для развития вынужденного излучения достаточна очень малая разность населенностей N4 - N5 то можно предположить, что и N5 0. А также в режиме сильного истощения населенности резонансного уровня 2 N2, (это режим осуществляется при w25L 1 ) суммарная мощность ИК излучений определяется скоростью заселения резонансного уровня 42P3/2[4].
Как видно из рисунка 2, суммарная мощность линейно зависит от интенсивности лазера, такая зависимость указывает на линейную зависимость заселенности резонансного уровня 2.
Таким образом, появление ИК излучения определяется ОС заселением резонансного уровня 2.
Отметим, что при двухфотонным возбуждении молекулы и последующем распаде на атомы, зависимость мощность ИК излучений от интенсивности лазера является квадратичной.
IL, Рисун МВт/
P,
ВтВт
5 1
5
3 0 2
0
0 1
0
2 5 4
0 0 8 0 0 10 00
6 0 0 12 00 14 00 16 00
2 0
265
Исследование зависимости суммарной мощности ИК излучений от концентрации атомов.
Волнистой линией на рисунке 1 показана передача части энергии светового кванта в кинетическую энергию атома. При выполнении условия w25
L 1 суммарная мощность
P P1P2 PS излучения определяется скоростью ОС перехода 1-2. В данном эксперименте25 L 60
w
, то есть требуемое условие выполняется.Концентрация атомов N изменялась в интервалах от 1016 см-3 до 7,1016 см-3 , при этом интенсивность лазера накачки оставалась постоянной и составляла 70 МВт/см2. Было установлено, что суммарная мощность излучений изменяется пропорционально N2, а следовательно и скорость ОС перехода 1-2 изменяется пропорционально N2 рисунок 3.
Квадратичная зависимость суммарной мощности излучений от концентрации атомов указывает, что заселение резонансного уровня 2 происходит в результате бинарных столкновений атомов Rb+Rb (квадратичная зависимость).
Заключение
Таким образом, из полученных экспериментальных результатов можно сделать следующие выводы:
1. Появление ИК излучений 3,66 мкм и 3,64 мкм, как следствие ступенчатого ОС заселения исходных уровней, то есть сначала заселяется резонансной уровень 2, затем уровень 62S1/2.
2. Линейная зависимость суммарной мощности вынужденных ИК излучений от интенсивности лазера позволяет сделать вывод, что заселение резонансного уровня 2 происходит за счет ОС процесса.
3. Квадратичная зависимость суммарной мощности вынужденных ИК излучений от концентрации атомов указывает на то, что заселение резонансного уровня происходит за счет столкновения атомов и поглощение фотона лазера.
4. Для выяснения вклада молекулярного заселения уровня 52P3/2,1/2 необходимо дополнительно изучить корреляцию ИК линии 3,66 мкм и 3,14 мкм (аналогично 3,64 и 3,16 мкм).
5. Полученные результаты объясняют появление ИК излучений как следствие оптико- столкновительного заселения резонансного уровня 2.
Рисунок 3
N.1016, см-
3
P,
Вт
Вт
1 3 6
200 400 600 800
2 100
0 120 0
4 5 7
266
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Sorokin P.P., Lankard J.R. Infrared lasers resulting from giant pulse laser excitation of alkali metal molecules. // Journal Chem. Phys., 1971, №5, 54, C. 2184-2189.
2. Бимагамбетов Т.С., Знаменский Н.В. Генерация вынужденного инфракрасного излучения при резонансном возбуждении атомов калия. // Деп. ВИНИТИ, 1987, № 1659-В87. С. 2-9.
3. Бимагамбетов Т.С., Одинцов В.И., Пономарев А.Н. Вынужденное ИК излучение при нерезонансном возбуждении атомов калия. // Тезисы докладов III Всесоюзная конференция
«Теоретическая и прикладная оптика». Ленинград 1988. С. 44-45.
4. Аканаев Б.А., Бимагамбетов Т.С. Расчет порога возбуждения и энергии ИК излучения в условиях ступенчатого нерезонансного заселения исходного уровня. // Известия Министерства науки – АН РК. Серия физико-математическая. 1998.- №2.- С. 81-84.
Еріксіз сәлеленудің инфрақызыл аймақтағы спектрінің қорытқы қуатын зерттеу Т.С. Бимагамбетов
Тәжірибелік жұмыста калий атомының бастапқы деңгейлері резонанстық емес түрде қонысталған еріксіз сәулелердің қуаты зерттелген. ИҚ еріксіз сәуле шығарудың қорытқы қуатының атомдар концентрациясына квадрат тәуелділікте болуы резонанстық деңгейде қоныстану атомдардың бір бірімен соқтығысуы және лазер фотонының жұтылуынан болатыны анықталған.
Сәулелер қуатының қосындыларының лазердің интенсивтілігі мен атомдардың концентрациясына байланыстылығы алынған. Еріксіз шығарылған сәулелердің қоныстану деңгейінің механизмі анықталған.
The study to total power compelled radiation of the infrared area of the spectrum T.S. Bimagambetow
In the experimental work the stimulated radiation at a UN resonance occupation of the initial level of potassium atom is researched. The sum powers of these radiations in the dependence on the intensive of laser and concentration of atoms are got. The mechanism of initial level of stimulated radiation is set up.