Влияние буферного газа на параметры ВКР генерации в сжатом

УДК 535(06)+004(06)
Е.А. МАКАРОВ, В.Г. БЕСПАЛОВ
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
ВЛИЯНИЕ БУФЕРНОГО ГАЗА НА ПАРАМЕТРЫ ВКР ГЕНЕРАЦИИ В СЖАТОМ ВОДОРОДЕ
В работе представлены результаты анализа процесса генерации нестационарного вынужденного
комбинационного рассеяния (ВКР) в сжатом водороде при добавлении буферного инертного газа. При
малых парциальных давлениях водорода и больших инертного газа при коротких длительностях лазерных
импульсов происходит существенное снижение инкремента ВКР усиления. Выявлено, что наиболее
перспективным является добавление буферного газа к водороду при его плотностях больше 2 амага, при
которых не изменяется инкремент усиления в режиме нестационарного ВКР, но приводит к уменьшению
влияния нестационарности и сохранению инкремента усиления.
Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) является эффективным средством преобразования
частоты. В частности ВКР можно использовать для создания затравочных источников излучения для
мощных импульсных CO2 лазеров короткой длительности. Основным параметром для ВКР преобразования
является стационарный коэффициент усиления g. Известно, что для газовых сред коэффициент усиления
ВКР прямо пропорционален заселенности рабочего уровня активной молекулы и обратно пропорционален
кубу стоксовой частоты и ширине линии спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) (). Для
газообразного H2 в области столкновительного уширения время дефазировки молекулярных колебаний T2
обратно пропорционально зависит от ширины линии СКР. Таким образом, добавление буферного газа
уширяет линию СКР при сохранении общего числа активных молекул, что приводит к пропорциональному
уменьшению коэффициента усиления g и снижению общего инкремента усиления в режиме стационарного
ВКР. Одновременно уширение линии СКР водорода приводит к уменьшению времени T2, что обуславливает
сложное поведение инкремента усиления для коротких лазерных импульсов в режиме нестационарного
ВКР. Выражение для усиления стоксового сигнала нестационарного ВКР в приближении заданной накачки
можно записать в следующем виде [1]: I S  I S 0 exp( M ) , где
M [
8 gz
I P (t )dt ]1 / 2 ,
T2 
(1)
инкремент усиления.
Существуют многочисленные исследования профиля колебательной линии СКР Q01(1) молекулы
водорода, в работе [2] наблюдались особенности линии для смеси газов H2-Ar и интерпретировались с точки
зрения теории столкновений. Авторы экспериментально получили коэффициент уширения линии СКР
равный 4.6∙10-3 см-1/амага для соотношения водорода и аргона в смеси 1 к 50 при температуре 295 К. В
работе [3] авторы получили коэффициент столкновительного уширения 4.42∙10 -3 см-1/амага для соотношения
водорода и аргона один к одному, и 0,87∙10 -3 см-1/амага для чистого водорода. Таким образом, добавление
инертного буферного газа Ar приводит к почти 5-ти кратному уширению линии и одновременно к
пропорциональному уменьшению времени дефазировки T2 ~ 1/. Исходя из (2) и результатов [2] можно
сказать, что в приближении стационарной накачки, добавление буферного газа к водороду при плотностях
больше 2 амага не изменяет инкремент усиления в режиме нестационарного ВКР, но приводит к
уменьшению влияния нестационарности. В реальных ВКР экспериментах эффективность преобразования из
накачки в Стокс может достигать 50% и более и необходимо проведение дополнительных численных
расчетов.
При давлении водорода 30 амага T2  200 пс и режим ВКР становится существенно нестационарным уже
при длительности импульсов накачки меньших 2 нс [1]. Таким образом, добавление буферного газа
позволит частично ослабить влияние нестационарности и это обстоятельство можно использовать при
создании ВКР генераторов импульсов излучения длительностью ~100 пс и меньше.
Список литературы
1. Krylov V., Ollikainen O., Wild U., Rebane A., Bespalov V.G., Staselko D.I. Femtosecond stimulated Raman
scattering in pressurized gases in the ultraviolet and visible spectral ranges. // JOSA B.- 1998.- V.15.- No.12.- P.
2910-2916.
2. Farrow R.L., Rahn L.A., Sitz G.O. Observation of a speed-dependent collisional inhomogeneity in H2
vibrational line profiles // Phys.Rev.Lett. 1989. V.63. P.746-749.
3. Berger J.Ph., Saint-Loup R., Berger H. Measurement of vibrational line profiles in H2 – rare-gas mixtures:
Determination of the speed dependence of the line shift // Phys. Rev. A 1993. V.49. P. 3396-3406.