Media-security

ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ РЕЗОНАНСНОЙ ГОЛОГРАФИЧВСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ МЕТОДОМ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ СО СТАБИЛЬНЫМИ ИЗОТОПАМИ

А.Г.Жиглинский, А.0.Морозов, А.Н.Самохин, Ю.Л.Корзинин, Г.Г.Кунд

Показана возможность значительного повышения чувствительности резонансной голографической интерферометрии с помощью метода полихроматической голографии в частично-когерентном свете, когда в качестве зондирующего используется излучение газоразрядного источника света. Идея метода заключается в том, что плазму, содержащую атомы какого-нибудь элемента, просвечивают излучением изотопа этого элемента. Для многих элементов величина изотопического сдвига такова, что позволяет тем самым приближаться к области максимальной рефракции плазмы.

1. Введение

Известно, что голографическая интерферометрия с успехом применяется для диагностики плазмы. Однако, в настоящее время чувствительность голографической интерферометрии позволяет проводить диагностику только достаточно плотной плазмы. Для увеличения чувствительности интерферометрии, в том числе и голографической, в работах /1,2/ предложен и применен метод резонансной интерферометрии, заключающейся в том, что исследуемую плазму просвечивают излучением, близким к ее линиям поглощения, там, где вклад данного перехода в рефракцию плазмы велик. Таким путем можно достичь высокой чувствительности метода. Другое преимущество резонансной интерферометрии - ее селективность, т.е. возможность разделять вклад в рефракцию различных компонентов плазмы.

- 75 -

Отметим, однако, что в работах по резонансной голографической интерферометрии (в которых в качестве зондирующего использовалось излучение вынужденного комбинационного рассеяния, 2-ой гармоники рубинового лазера и лазера на красителе) минимально обнаружимая концентрация атомов составляла лишь 10¹³ ¸ 10¹⁴ атомов·см^-3. Сравнение этих данных с результатами расчета предельной чувствительности резонансной интерферометрии показывает, что .реализованы далеко не все возможности, которые открывает резонансная интерферометрия для повышения чувствительности измерений.

Трудности дальнейшего повышения чувствительности в предшествующих работах связаны, по-видимому, с необходимостью для этого дополнительной монохроматизации излучения лазера на красителе, стабилизации частоты его излучения и прецизионного контроля (для ряда задач - интерферометрического) частоты излучения. В случае необходимости к тому же одновременно исследовать много компонент плазмы данные технические трудности могут перерасти в принципиальные.

В то же время, в работах /3,4/ показана возможность использования газоразрядных источников линейчатого спектра для получения внеосевых голограмм. При этом одновременно во многих длинах волн источник света с охлаждаемым полем катодом излучает очень узкие линии (как газов, так и металлов) со спектральной шириной ~ 10^-2 Å. Это излучение, естественно, не требует ни стабилизации, ни контроля частоты.

2. Постановка задачи

В данной работе для достижения максимальной чувствительности голографической интерферометрии предлагается зондировать плазму, содержащую изучаемый элемент, излучением изотопа этого элемента, тем самым приближаясь к области максимальной рефракции за счет изотопического сдвига (или сверхтонкого расщепления линии изотопа). По-видимому, возможно также использование для этих целей, например, явления Зеемана. В газовом разряде при вязком давлении (разряд в полом катоде, положительный столб тлеющего

- 76 -

разряда, высокочастотный разряд и т.д.) ширины линий поглощения при типичных условиях часто такою, что изотопические сдвиг и сверхтонкая структура спектральных линий обеспечивают попадание частоты зондирующего излучения в районе максимума показателя преломления излучаемого компонента плазмы.

Однако, в таких условиях ширина контроля зондирующего излучения оказывается сравнимой с собственной шириной линий, излучаемых исследуемой плазмой. Это может приводить к падению видности интерференционной картины за счет различий в набегах фазы, испытываемых различными монохроматическими составляющими контура зондирующего излучения. Одновременно, видность интерференционной картины будет уменьшаться вследствие поглощения зондирующего излучения. В связи с изложенным, задачей работы явилось теоретическое и экспериментальное исследование возможности повышения чувствительности резонансной голографической интерферометрии методом голографической спектроскопии со стабильными изотопами и газоразрядными источниками света, а также определение границы применимости такого метода.

3. Эксперимент

Экспериментальная установка (рис.1) представляла из себя двулучевой голографический интерферометр, где s - источник света, СД - светоделитель, П - исследуемая плазма, К - оптический кварцевый клик, применяемый для локализации интерференционной картины на объекте, Л₁ и Л₂ - линзы, проецирующие объект исследования и клин К в плоскость входной щели спектрографа СП, Д - диафрагма, расположенная в плоскости изображения источника и ослабляющая собственное излучение исследуемой плазмы, попадающее на голограмму, З₁, 3₂, 3₃ - зеркала, направляющие световые пучки, СП - спектрограф с дифракционной решеткой 600 штр/мм и линейной дисперсией в 1-м порядке 0,8 нм.мм^-1, Л₃ - антивиньетирующая линза, проецирующая зондирующий разряд s на дифракционную решетку спектрографа. С помощью Л₃ все излучение зондирующего источника s, освещающее входную щель спектрографа, попадало и на голограмму Г, расположенную в выходной плоскости

- 77 -

Рис.1. Схема получения полихроматических голографических интерферограмм методом двух экспозиций.

- 78 -

спектрографа. Источником s служил разряд в охлаждаемом жидким азотом полом катоде диаметром 6 мм и длиной 20 мм при силе разрядного тока i = 200 ма и давлении Р = 1 мм Нg. Для обеспечения требуемой для экспериментов области пространственной когерентности источник s располагался на расстоянии ℓ = 120 см от объекта. В этих условиях область пространственной когерентности (т.е. область, внутри которой степень пространственной когерентности точек волнового фронта 0,7) в плоскости объекта имела диаметр 0,1 мм. Несущая пространственная частота на голограмме составляла » 60 мм^-1. Голограммы фотографировались на пленке изопанхром-18 с экспозициями 15 ¸ 60 с. Ширина входной щели спектрографа составляла 3 ¸ 4 мм, при этом перекрытия применявшихся для измерения' линий соседними линиями в спектре не происходило.

Исследуемый объект (см.рис.1) представлял собой разряд в медном катоде, выполненном в виде цилиндра диаметром 8 мм и длиной 40 мм с разрезом по образующей (аналогично конструкции катодов в лазерах на парах металлов), размещенный внутри кварцевой трубки диаметром 6 см и длиной 40 см.

Исследование возможности резонансной голографической интерферометрии с изотопами в частично-когерентном свете выполнено в условиях измерения концентрации атомов кальция в таком разряде. Напомним, что в природном изотопном составе этого элемента 97% составляет изотоп ⁴⁰Са. В исследуемом разряде располагали металлический кальций такого состава. В зондирующем же источнике был помещен кальций, обогащенный изотопом ⁴⁸Са (согласно паспортным данным состав содержал 69% ⁴⁸Са и 30% ⁴⁰Са). Резонансная линия изотопа ⁴⁸Са l = 422,7 нм смещена на 0,05 см^-1 относительно линии изотопа ⁴⁰Са /5,6/. Как показали проведенные с помощью интерферометра Фабри-Перо измерения, температура атомов в исследуемой плазме составляла 400 ¸ 900° К. При этом контур линии практически доплеровский (D u _{лоренц.}/D u _доппл. » 10^-2). В этих условиях линия изотопа ⁴⁸Са расположена вблизи максимума рефракции изотопа ⁴⁰Са.

Как показали расчеты, сдвиг интерференционных полос в случае немонохроматического освещения отличается от сдвига при

- 79 -

монохроматическом освещении с частотой, соответствующей центру контура зондирующей линии, не более чем на 5 ¸ 10%, В этом случае расчет чувствительности определения концентрации атомов в плазме может быть произведен по формулам для монохроматического освещения /7/, что дает сдвиг, равный 0,1 полосы, при концентрации атомов кальция 3,5·10¹⁰ см^-3 (при длине разряда ℓ = 4 см и силе осциллятора ¦ = 1,49).

Были рассчитаны также оптимальные для получения голограммы (с точки зрения максимальной видности картины) отношения интенсивностей предметного и опорного пучков с учетом поглощения предметного пучка и засветки голограммы собственным излучением исследуемой плазмы. При поглощении 50 ¸ 90% и потоке излучения от исследуемого объекта, сравнимом с потоком зондирующего излучения, наибольшая бедность интерференционной картины достигается при отношении интенсивностей предметного и опорного пучков в диапазоне 3:1 ¸ 1:1. Однако, вследствие неоднородности изучаемой плазма (т.е. радиального изменения поглощения и излучения) достичь одинаковой контрастности интерференционной картины сразу по всей плошади голограммы не удается.

Схема восстановления голограмм представлена на рис.2.

Рис.2. Схема восстановления.

Восстановление производилось с помощью лазера ЛГ-38, Л₁ и Л₂ - расширитель пучка, Г - голограмма, Л₃ - линза, проектирующая восстановленную интерференционную картину на фотопластинку, Д - диафрагма, расположенная в фокальной плоскости линзы Л₃ и фильтрующая рассеянный на фотопластинке свет и неиспользуемые

- 80 -

дифракционные порядки. Типичный вид восстановленной с голограммы интерференционной картины представлен на рис.3. Сдвиги интерференционных полос измерялись с помощью измерительного микроскопа.

Рис.3.

Интерферограммы, восстановленные с одной из линий спектра-голограммы полученной методом трех экспозиций с плазмой.

Известной трудностью измерений концентрации атомов является то, что при интерферометрических измерениях необходимо иметь начало отсчета для измерения смещения интерференционных полос. Эта проблема решалась методом, который состоит в создании искусственным образом на голограмме сфокусированных изображений областей без сдвига интерференционной картины и может быть назван методом трех экспозиций". Для создания таких областей в плоскости входной щели спектрографа устанавливалась диафрагма, последовательно закрывающая путь свету на различные участки голограммы. В момент горения исследуемого разряда (1-я экспозиция) экспонировалась не вся голограмма, а только ее средняя часть Затем, после выключения исследуемого разряда, экспонировалась оставшаяся периферийная часть голограммы (2-я экспозиция). И, наконец, после поворота клина К (по-прежнему при выключенном

- 81 -

разряде) экспонировалась вся голограмма одновременно (3-я экспозиция). При восстановлении такой голограммы положение интерференционных полос на периферии являлось началом отсчета при определении сдвига интерференционных полос в плазме. Недостатком метода является невозможность измерения сдвигов на целое число полос. Однако, начиная проводить измерения в условиях, когда концентрация атомов невелика и не приводит к сдвигу более чем на 1 полосу, можно, монотонно увеличивая концентрацию определенных атомов, обойти это ограничение. Ясно, что метод трех экспозиций может быть легко распространен и на голографическую интерферометрию несфокусированных изображений. Если в связи с характером задачи или спецификой объекта закрывать изображения периферийных участков плазмы с двух сторон нельзя, то изображение плазмы диафрагмировалось только с одной стороны. При этом для экстраполяции хода неискаженных интерференционных полос в область исследуемой плазмы использовалась интерференционная картина в тех из соседних линий спектра, на которых сдвига интерференционных полос заведомо не должно быть. Эта возможность является специфическим достоинством полихроматической голографии.

4. Обсуждение результатов

С помощью описанного выше метода были проведены измерения концентрации атомов кальция в плазме разряда в полом катоде при токах i = 5 ¸ 50 ма и давлениях Р = 1 ¸ 6 мм Нg. Получены радиальные распределения концентрации атомов кальция в разрядной трубке, представленные на рис.4а. На рис.4б представлены зависимости концентраций атомов кальция на оси разряда от давлении инертного газа Р в разрядной трубке.

Минимальные концентрации, измеренные в работе, составляли величину 3·10¹⁰ атомов/см³. Таким образом, достигнутая в работе чувствительность голографической интерферометрии при измерении концентрации атомов на 2 порядка превышает чувствительность при подобных измерениях в известных голографических экспериментах. Это позволяет распространить голографическую диагностику

- 82 -

а)

б)

Рис.4. Результата измерений концентрации атомов кальция в плазме:

а) распределение атомов Са по диаметру полого катода;

б) зависимость концентрации атомов Са от давления газа в разрядной трубке.

- 83 -

плазмы на ранее недоступные объекты-разряды при низком давлении и сравнительно небольшой силе тока, применить голографию при исследовании метастабильных состоянии и ионов, концентрации которых в этих разрядах невысоки.

Результаты работы также открывают возможность полной голографической диагностики многокомпонентной плазму с одновременным раздельным изучением вкладов каждого компонента плазмы путем помещения в источник зондирующего излучения сразу нескольких изотопов, а также возможность резонансной голографической интерферометрии плазмы в тех областях спектра, где генерация отсутствует.

Литература

1. Ю.И.Островский. Авт.свид. № 268732, 1961; бюлл. изобретений № 14, 1970.

2. Г.В.Дрейден, А.Н.Зайдель, Г.В.Островская, Ю.И.Островский, Н.А.Победоносцева, Л.В.Танин, В.И.Филиппов, Е.И.Шедова. Физика плазмы, 1, 3, 462, 1975.

3. А.Г.Жиглинский, Г.Г.Кунд, А.О.Морозов. Опт. и спектр, 45, 5, 995, 1978.

4. А.Г.Жиглинский, Г.Г.Кунд, А.О.Морозов. Опт. и спектр., 46, 6, 1196, 1979,

5. h.w.brandt, k.heilig, h.knockel, a.stendel, phys. lett., 64 a, n 1, 29-30, 1977.

6. g.i..epstein, s.p.davis, phys. rev., А 4, n 2, 464-473, 1971.

7. r.m.measures, appl.opt., 9, n 3, 737, 1970.