Лазеры на красителях

Лазеры на красителях.1.Титульник2. Лазеры на красителях – лазеры с жидкой активной средой, в качествекоторой выступают растворы определённых соединений органическихкрасителей в жидком растворителе (этиловый спирт, метиловый спирт иливода, для струйных лазеров – этиленгликоль). Такие растворы получилиназвание красителей вследствие наличия у них широких полос поглощения илюминесценции в видимой области спектра (380-780 нм), а также в ближнемУФ (200-380 нм) и ИК диапазонах (800-2500 нм).Первые лазеры на красителях появились в середине 60-х годов 20-века.В настоящее время лазерная генерация получена более чем на трехстахкрасителях.3.

Жидкостные лазеры используются реже газовых и твердотельных, нос точки зрения некоторых приложений они обладают рядом уникальныхсвойств. Параметры излучения твердотельного лазера значительно зависят отоптических качеств используемого кристалла. Неоднородностикристаллической структуры могут серьезно ограничивать когерентностьлазера. Кристаллы постоянно подвержены разрушениям; концентрацияактивирующих ионов задается в процессе изготовления лазера и являетсяопределённой величиной для данного кристалла.

С этими конкретнымитрудностями не приходится иметь дело при работе с газовыми лазерами, нозато эти лазеры имеют заметно меньшую концентрацию активного веществаиз-за низкой концентрации атомов в газе.Преимущества жидкостных лазеров заключаются в том, что они имеютзначительно более высокую концентрацию активных атомов, которую легкоможно изменять; кроме того, активная среда является дешевой иотносительно мало подверженной повреждениям. В то же время жидкостныелазеры не столь громоздки, как газовые системы, и проще в эксплуатации.Наиболее существенным преимуществом лазера на красителяхявляется возможность плавно перестраивать частоту излучения в пределахзначительного спектрального диапазона. Типичный газовый илитвердотельный лазер можно перестраивать только внутри очень узкогодиапазона (практически лишь в пределах ширины кривой усиления).

Хотяимеющиеся газовые и твердотельные лазеры излучают большое числодискретных длин волн в диапазоне, простирающемся от ближнейультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра, всё жеостаются значительные участки оптического диапазона, в которыхотсутствуют линии генерации этих лазеров.Перестраиваемый источник узкополосного излучения оптического.диапазона при высокой когерентности этого излучения желательно иметь вомногих приложениях, таких, как спектроскопия, изучение молекулярнойдиссоциации и химических реакций, а также разделение изотопов.4. Как уже было сказано, активная среда лазера на красителе состоит израствора органического красителя.

Когда краситель возбуждается внешнимисточником коротковолнового излучения, он излучает на более длинныхволнах или флуоресцирует, поглощая фотон на длине волны возбуждения, азатем излучая фотон на длине волны флуоресценции. Разность энергиифотонов идет на безызлучательные переходы и в конечном счете переходит втепло.На рисунке приведены спектры поглощения и флуоресценциитипичного лазерного красителя. Кривая флуоресценции, захватывающаяжелтую и большую часть красной области спектра, сдвинута в болеедлинноволновую область по отношению к кривой поглощения, занимающейголубой и зеленый участки спектра. Эта ситуация аналогична рассмотреннойздесь при описании лазера на рубине: излучение лампы накачки лежитпреимущественно в зеленой и голубой областях спектра, а кристалл рубинафлуоресцирует в красной области.

Существенное различие заключается втом, что краситель флуоресцирует в исключительно широком диапазонечастот видимой области спектра в противоположность очень узкой полосефлуоресценции типичного твердотельного лазера.5. Синглет-триплетные переходы S1  T1 (интеркомбинационныепереходы 2) приводят к сильному поглощению лазерного излучения и срывугенерации за счет перехода T1  T2, ограничивающих выходную мощность(переходы 1).Широкий спектр флуоресценции красителя можно объяснить спомощью приведенной на рисунке схемы энергетических уровней типичноймолекулы красителя.

Молекула красителя имеет две группы состояний:синглетные (S0, S1 и S2) и триплетные (T1 и Т2). (Синглетные состояниявозникают, когда полный спин возбужденных электронов в молекуле равеннулю, а триплетные — когда спин равен единице.) Cинглет-триплетные итриплет-синглетные переходы маловероятны по сравнению с синглетсинглетными и триплет-триплетными переходами. Накачка лазера накрасителях происходит при поглощении фотонов, которые переводятмолекулы из основного состояния S0 в первое возбужденное состояние S1.Стимулированное излучение возникает при переходе между уровнем,расположенным вблизи дна состояния S1, и некоторым промежуточнымколебательно-вращательным подуровнем состояния S0. Так как состояния S0и S1 содержат множество отдельных колебательно-вращательныхподуровней, показанных на рисунке отдельными линиями, то возникающаялиния излучения весьма широка. Триплетные состояния T1 и T2 неучаствуют непосредственно в генерации излучения, тем не менее, наличие ихвесьма существенно.

Имеется некоторая малая вероятность того, что будетиметь место запрещенный переход S1  T1 (называемыйинтеркомбинационным переходом). Так как переход Т1  S0(фосфоресценция) также является запрещенным, молекулы имеюттенденцию накапливаться в состоянии T1. Но переход T1  T2 являетсяразрешенным, и, к сожалению, диапазон частот для этого перехода почти вточности равен диапазону рабочих частот лазера. Как только в результатепереходов значительное число молекул накапливается в состоянии T1,поглощение на переходе T1  T2 быстро уменьшает коэффициент усиленияи может сорвать генерацию.

По этой причине некоторые лазеры накрасителях работают в импульсном режиме при длительности импульсаменьшей, чем та, которая требуется для достижения заметных значенийнаселенности состояния T1. Для некоторых красителей может также иметьместо поглощение, связанное с переходами в более высокие синглетныесостояния (S1  S2), поэтому следует выбирать такие красители, у которыхчастоты этих переходов не лежат в интересующей исследователяспектральной области.6. Лазеры на красителе работают либо в импульсном, либо внепрерывном режиме. Лазерная генерация в импульсном режиме получена набольшом числе различных красителей, причём для накачки применялись какимпульсная лампа с коротким импульсом (при длительности переднегофронта меньше 1 мкс), так и лазер, генерирующий короткие световыеимпульсы. В обоих случаях короткие импульсы необходимы для того, чтобыобеспечить генерацию до того, как в триплетном состоянии накопитсясущественная населённость.

При накачке импульсной лампой можноприменять эллиптический осветитель или осветитель с плотной упаковкой.Для лазерной накачки часто применяют азотный лазер, УФ-излучениекоторого подходит для накачки многих красителей, генерирующих ввидимой области спектра. Для получения больших энергий и среднихвыходных мощностей для накачки УФ-излучением всё чаще применяютболее эффективные эксимерные лазеры, в то время как для красителей сдлиной волны излучения более чем 550-600 нм предпочитают использоватьвторую гармонику Nd: YAG-лазера в режиме модуляции добротности( = 532 нм), а также зелёное или жёлтое излучение лазера на парах меди.В этих лазерах с накачкой в видимом диапазоне КПД преобразованияэнергии лазера накачки в выходную энергию лазера на красителе (30-40 %)намного превышает КПД преобразования, получаемые при лазернойУФ-накачке (~ 10%). Кроме того, под воздействием излучения накачкисущественно уменьшается деградация красителя.

Во всех рассмотренныхвыше случаях, когда применяют импульсную лазерную накачку, используют,как правило, схему с поперечной накачкой (т. е. направлениераспространения пучка накачки перпендикулярно оси резонатора).В этом случае пучок лазера накачки фокусируется линзой L,представляющей собой обычно комбинацию сферической и цилиндрическойлинз, в тонкую линию вдоль оси резонатора лазера. Длина линии равна длинеячейки с красителем (несколько миллиметров), в то время как поперечныйразмер, как правило, меньше 1 мм.

Для перестройки длины волны выходногоизлучения в пределах широкой полосы излучения красителя (30-50 нм)обычно применяется дифракционная решётка, помещаемая в резонатор подуглом скользящего падения. Лазер перестраивается поворотом зеркала.Скользящее падение используется для увеличения разрешающей силырешетки и, следовательно, для существенного уменьшения ширины линииизлучения (0,01-0,02 нм). Ещё более узкие полосы генерации, вплоть доодномодовой, можно получить при установке одного или более эталоновФабри – Перо.7. Для непрерывной лазерной накачки часто применяются аргоновые + -лазеры (иногда также и криптоновые + -лазеры).