«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 19, ¹ 8 (2006)
Предисловие редактора
В тематическом выпуске журнала представлены некоторые результаты
по научной программе Школы «Оптическая спектроскопия молекул и радиационные
процессы в атмосфере», полученные при исполнении лота
ÐÈ-112/001/020.
Содержание большей части статей связано со спектроскопией атмосферных
газов. И среди них стоит отметить экспериментальные работы (первые
три статьи). Теоретические исследования имеют характер, вполне традиционный
для этой области. Некоторые прикладные аспекты, возникающие в связи
с задачами атмосферной спектроскопии, есть в последних трех работах.
×ë.-êîð. РАН Ñ.Ä. Творогов
Предисловие редактора
677
Стр.1
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 19, ¹ 8 (2006)
УДК 551.521;621.378
À.Ì. Êèñåëåâ1, Þ.Í. Ïîíîìàðåâ2, À.Í. Ñòåïàíîâ1,
À.Á. Òèõîìèðîâ2, Á.À. Тихомиров2
Поглощение фемтосекундного излучения Ti:Sa-лазера
атмосферным воздухом и водяным паром
1 Институт прикладной физики РАН, г. Н. Новгород
2 Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск
Поступила в редакцию 14.04.2006 ã.
Установлено, что в отсутствие эффекта самофокусировки коэффициент индуцированного поглощения
фемтосекундных импульсов излучения Ti:Sa-лазера в атмосферном воздухе и водяном паре увеличивается
прямо пропорционально энергии лазерных импульсов E. Для гауссовых пучков радиусом 2,5 мм коэффициент
индуцированного поглощения в воздухе при атмосферном давлении изменяется со скоростью
dk/dE = (2,48 ± 0,45) ⋅ 10–7 ñì–1 ⋅ ìÄæ–1 (длительность импульса 190 ôñ), а в водяном паре при давлении
13 мбар со скоростью dk/dE = (1,54 ± 0,20) ⋅10–8 ñì–1 ⋅ ìÄæ–1 (длительность импульса 120 ôñ).
Измеренный коэффициент поглощения фемтосекундных импульсов в воздухе при энергии E ≈ 0 (коэффициент
линейного поглощения) хорошо согласуется со значением коэффициента поглощения излучения
водяным паром в атмосферном воздухе, полученным из расчета с использованием базы данных HITRAN.
Введение
Распространение высокоинтенсивных фемтосекундных
(ФС) импульсов в газах и атмосферном
воздухе отличается от хорошо изученных случаев
распространения лазерных импульсов наносекундной
(НС) длительности. Одним из наиболее ярких
эффектов, обнаруженных и активно изучаемых
в последние годы, является филаментация лазерного
пучка при распространении ФС лазерных импульсов
в атмосферном воздухе [1, 2].
В [3] сообщается об обнаружении другого эффекта:
зависящего от энергии лазерных импульсов
поглощения ФС-излучения Ti:Sa-лазера атмосферным
воздухом в отсутствие филамента. В эксперименте
[3] наблюдалось индуцированное поглощение
импульсов излучения с длительностью 80 фс в атмосферном
воздухе, нелинейно возрастающее с увеличением
энергии и значительно превышающее поглощение
импульсов излучения НС-длительности
(9 нс) со сравнимыми спектральными характеристиками.
Количественные
данные о коэффициентах индуцированного
поглощения ФС-излучения атмосферным
воздухом и его молекулярными составляющими
представляют большой интерес для оценок
ослабления ФС-излучения в атмосфере. Такие
данные в литературе отсутствуют.
Целью настоящей работы являются измерения
коэффициентов поглощения ФС-излучения с длиной
волны λ0 = 800 нм атмосферным воздухом
и водяным паром при энергиях лазерного импульса,
меньших энергии филаментации.
678
ОА-спектрометр на основе
Ti:Sa-ëàçåðà
Измерения проводились с использованием оптико-акустического
(ОА) метода лазерной спектроскопии.
Схема ОА-спектрометра, созданного на
основе лазерного комплекса [4], представлена на
ðèñ. 1.
Напуск
газа
Ì1
Ì2
ÌÊ-221
У
TDS-1012
Ф
ОА-детектор
Концетратор
К вакуумному
насосу
r0 = 2,5 мм
Рис. 1. Схема ОА-спектрометра: М1 – плоское зеркало,
M2 – сферическое зеркало с F = 86,5 ñì; Ф – аэрозольный
фильтр; У – широкополосный усилитель с коэффициентом
1000; ÌÊ-221 – полудюймовый микрофон
Ti:Sa-лазер позволяет получать импульсы излучения
ФС- или НС-длительности. При отсутствии
инжекции ФС-импульсов от задающего генератора
в схему регенеративного усилителя лазерная
система генерирует импульсы длительностью τ = 9 нс.
Киселев À.Ì., Пономарев Þ.Í., Степанов À.Í. и äð.
Ti:Sa-ëàçåð
Стр.2
Инжекция отдельных ФС-импульсов от задающего
генератора синхронно с накачкой регенеративного
и выходных усилителей позволяет получать мощные
ФС-импульсы света с частотой повторения 10 Гц
(подробнее см. [4]). Для исключения эффекта самофокусировки
в настоящих экспериментах с воздухом
энергия ФС-импульсов не превышала 5 мДж.
Длительность ФС-импульсов на полувысоте (FWHM)
τ составляла 190 фс. Радиусы гауссовых пучков
излучения на выходе из лазерной системы в обоих
случаях одинаковы и равны примерно 5 мм. В настоящей
работе спектр излучения НС-импульсов,
регистрируемый с помощью монохроматора и ПЗСлинейки
с разрешением 0,04 нм, хорошо аппроксимировался
функцией Гаусса со значением длины
волны в максимуме λ0 = 791 нм и шириной на полувысоте
∆λ = 23,4 íì. Для ФС-импульсов λ0 равна
800 íì, ∆λ – 17,7 íì. Энергия импульсов излучения
изменялась поляризационным аттенюатором
и измерялась с помощью калиброванного фотодиода.
Излучение лазера заводилось в ячейку ОАдетектора
с помощью двух диэлектрических зеркал.
Первое зеркало было плоским, второе имело фокусное
расстояние F, равное 86,5 см. Цилиндрическая
ÎÀ-ÿ÷åéêà длиной 25 см и диаметром 20 ñì,
c окнами из MgF2 толщиной 2 ìì, размещалась
таким образом, что фокус сферического зеркала
находился за ячейкой, а радиус лазерного пучка r0
в плоскости измерительного микрофона МК-221
составлял 2,5 мм. Форма электрических сигналов,
генерируемых в результате поглощения импульсов
излучения воздухом и регистрируемых на выходе
широкополосного усилителя с помощью осциллографа
TDS-1012, представлена на ðèñ. 2.
U, В
0,06
A
0,00
–0,06
0 200
400
600
t, мкс
Рис. 2. Осциллограмма сигнала ОА-детектора
В ОА-ячейке установлен «концентратор» [5],
состоящий из двух параболических рефлекторов
и служащий для увеличения чувствительности детектора.
Первый импульс А с амплитудой Uпр (см.
рис. 2) соответствует воздействию на микрофон
импульса давления, приходящему непосредственно
из освещенной излучением области. Импульс С
с амплитудой Uотр соответствует импульсу давления,
сфокусированному на микрофон с помощью
«концентратора» (подробнее см. [5]). В зависимоUпр
Uотр
С
сти
от величины поглощения измеряются либо амплитуда
прямого сигнала Uпр, либо амплитуда сфокусированного
сигнала Uотр.
На рис. 3 представлена корреляция между Uотр
и Uпр. Из рис. 3 видно, что переход в измерениях
от Uпр к Uотр позволяет увеличить чувствительность
ОА-спектрометра примерно в 6 раз.
Uîòð, B
1
2
3
4
5
0
0,2
H2O в воздухе
λ0 = 694,38 нм
y = A + Bx
A = (0,8 ± 4,5) ⋅ 10–3
B = 6,10 ± 0,01
R2 = 0,999
0,4 0,6
0,8 Uïð, В
Рис. 3. Корреляция между амплитудами Uпр и Uотр
В настоящей работе при калибровке ОАдетектора
и измерениях коэффициентов неизвестного
поглощения излучения Ti:Sa-лазера водяным
паром и воздухом регистрировалась амплитуда Uотр.
Формулы для амплитуды ОА-сигнала
при поглощении НС- и ФС-импульсов
излучения. Калибровка ОА-детектора
В случае линейного поглощения амплитуда
сигнала ОА-детектора Uотр связана с коэффициентом
поглощения излучения в газе k, энергией лазерного
импульса E и амплитудой импульса сжатия
сигнала давления pmax соотношениями [6, 7]:
pmax ≈
Ua max,
Vçâ
îòð== ε
2 p
0
kE K p
2
πÑTr r
3/2 1/2 kE,
(1)
(2)
где a и ε – чувствительность ОА-детектора и чувствительность
микрофона соответственно; K – коэффициент
связи между амплитудами Uотр и Uпр;
T – температура газа; Cp – удельная теплоемкость
газа при постоянном давлении; Vзв – скорость звука
в газе; r0 – радиус лазерного пучка в точке измерения;
r – расстояние от центра лазерного пучка
до микрофона.
Выражение (2) справедливо для случая «большого»
размера гауссова пучка, когда форма сигнала
давления не зависит от времени тепловыделения
[7]. В формуле (1) для немонохроматического излучения
величина k определяется из уравнения [6]:
kk k gν ν − ν)dν, лл (3)
i
=ν =∑ ∫
()
∆ν
Поглощение фемтосекундного излучения Ti:Sa-лазера атмосферным воздухом и водяным паром
679
i( ) (
Стр.3