Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Они могут в результате поглощения усиливаемого излучения перейти на вышележащие триплетные уровни, тем самым затрудняя или подавляя процесс генерации лазерного излучения. Необходимое для перехода Ю, — > Я, время составляет порядка 1О нс. При возбуждении лазера на красителе короткими импульсами триплет-эффекты роли не играют. Однако при длительности импульсов более 100 нс и непрерывном возбуждении они — в случае некоторых видов красителей — способны привести к срыву генерации лазерного излучения. С помощью соответствующих добавок — О, или СОТ (циклооктатетраен) — можно уменьшить столкновительную Т-населенность. В результате понижается нежелательное триплетное поглощение лазерного излучения. К другому способу сокращения триплет-эффекта прибегают в случае лазеров непрерывного действия, когда краситель протекает через зону возбуждения.
При скоростях от 10 до 100 м/с красители проходят активную зону за ! мкс. Высокая Т -населенность при этом невозможна. 8.2. Возбуждение с помощью ламп-вспышек Благодаря применению ламп-вспышек удается создать довольно экономичные конструкции лазеров. При этом используются специальные лампы, отличающиеся коротким периодом нарастания (100 нс) и расположенные коаксиально вокруг цилиндрической кюветы: они генерируют лазерные импульсы длительностью от О,! до 3 мкс. Эти лампы-вспышки состоят из двойного цилиндра, причем во внутреннем цилиндре находится раствор красителя, а в стенке предусмотрен разрядный канал.
Энергия накачки составляет от 50 до 500 Дж. Здесь находят применение и линейные Хе-лампы (10 — 60 Дж) — такие же, как у твердотельных лазеров. С учетом населенности триплетного состояния требуются короткие импульсы накачки. Выходная мощность коммерческих лазеров на красителях с лампой-вспышкой может достигать 20 Вт, а энергия импульсов — несколько джоулей. Частота следования импульсов находится в диапазоне от 1 до 100 Гц. При этом необходимо — во избежание нежелательного нагрева — позаботиться о механической циркуляции бб.д бб д Щ *Р !41~)) накаченного оптическим способом красителя. Коэффициент полезного действия для преобразования электрической энергии, необходимой для срабатывания лампы-вспышки, в лазерное излучение, составляет около 0,5 %.
При накачке с помощью лампы-вспышки раствор красителя довольно сильно нагревается. Это приводит к образованию свилей, что ухудшает оптическое качество пучка и затрудняет одномодовую генерацию. Сравнительная характеристика лазеров на красителях, накачка которых осуществляется с применением ламп-вспышек и лазеров, приведена в таблице 8.1. Благодаря способу возбуждения лампой-вспышкой достигается, прежде всего, высокая энергия лазерного излучения и большая средняя мощность.
Табанил 8.1. СВОйСтВа ЛаЗЕрОВ На КраСИтЕЛяХ С раЗНЫМИ ИСтОЧНИКаМИ НаКаЧКИ (по данным Кнойбюля и Зигриста). Указанные диапазоны перестройки достигаются при использовании многих красителей Средняя Пиковая моШность мощность длительность имлульсов Шириналиний Источник накачки 100 Вт 10' Вт Многомодовл 1О !-1О' нм одномодов. 10' нм 100 МГц Фурье-ограничение 0,1 — 10 мкс Лампа-вспышка 1О' Вт 1О' Вт 10' Вт )Чсб НАГ (532; 355 нм) Азотный лазер Лазер на эксимере Непрерывный Агь- лазер !0 нс ! — 10 нс 1 — 10 нс непрерывная 1 Вт 1 Вт 10 Вт 20 Вт 1 МГц 8.3.
Возбуждение с помощью лазера При накачке лазеров на красителях для применения в спектроскопии нередко ис- пользуют другие импульсные или непрерывные лазеры. Длина волны накачки опти- мально выбирается для возбуждения конкретного красителя, что позволяет избежать нежелательного эффекта нагрева и получить лазерный пучок хорошего качества Импульсные лазеры (нс) В качестве источников накачки лазеров на красителях часто привлекают другие импульсные лазеры в ультрафиолетовой или видимой области спектра: азотный лазер (337 нм), лазер на меди (510 нм), лазер на эксимере (УФ), рубиновый лазер (б94 нм) или лазер с умноженной частотой )щ(бч ИАГ (532 нм и 355 нм). Эти лазеры накачки генерируют импульсы в наносекундном диапазоне при мощностях от 1 до 100 МВт.
Длительность накачки короче времени перехода в триплетной системе (Я, — + Т,), так что здесь не возможна сколько-нибудь значимая триплетная населенность. Поэтому могут использоваться и такие красители, которые в силу нх короткого (о! -ь Т,) времени перехода не пригодны для накачки с применением лампы-вспышки. Световой импульс длиной 1 нс соответствует цугу волн в 30 см. Длина резонатора лазера на красителе должна быть значительно меньше, чтобы лазерная волна как можно чаще проходила через активную среду. (~42 Г »Л р р с красителем Перестраивающая решетка Рис.
8.4. Конструкция импульсного лазера на красителе с поперечной накачкой. Ячейка с красителем имеет наклонные стенки — во избежание генерации лазерного излучения между плоскостями Ю 88 Г С»Г-О О о Ош 2- $ 10О 5О .» и с л 8» и а е Х Л2 1О 5 520 400 450 500 600 700 550 1000 350 Длина волны,нм Рис. 8.5. Диапазоны перестройки и типовые величины энергии импульсов разных красителей при накачке лазерами на эксимере (данные фирмы »ламбда-физика») Для лазеров на красителях, накачиваемых импульсными лазерами, предлагается множество красителей с разными свойствами. На рис.
8.5 представлена спектральная характеристика соединений, возбуждаемых разными лазерами на экснмере в УФ-диапазоне. Длины волн могут быть от 300 до )000 нм. Излучение для накачки может вводиться в раствор красителя в продольном либо поперечном направлениях. В настоящее время при импульсных лазерах чаше используют поперечную накачку (рис. 8.4). Излучение накачки фокусируется с помошью цилицдрической линзы. Это излучение интенсивно поглощается, и максимальная инверсия преобладает в тонком слое в фокальной линии шириной около 0,2 мм.
Для селекции длины волны узкий лазерный пучок расширяется с помощью телескопа или нескольких призм и отражается на поворотной дифракционной решетке. Основным поводом для такой дивергенции служит облучение большей поверхности решетки. В результате возрастает спектральная резкость излучения, так как разрешающая способность понижается с количеством эффективных штрихов решетки. Достигаемая ширина линий составляет около 0,1 нм. Далее, в результате расширения уменьшается плотность мощности и расходимость пучка. Частота следования импульсов у лазеров накачки на ИАГ легированном неодимом, или лазеров на эксимере составляет несколько сотен Гц. С помошью лазеров на меди может быть достигнуто несколько десятков кГц с кпд порядка 50 %.
дб.д бб д к р 1Д3 Если сравнивать с лампами-вспышками, можно назвать следующие преимущества накачки с помощью импульсных лазеров: высокая пиковая мощность в диапазоне мегаватт, короткие импульсы в единицах наносекунд, частота следования импульсов выше 100 Гц, большие диапазоны перестройки — особенно в случае накачки УФ-лазерами.
Неирерыеные лазеры В области спектроскопии высокого разрешения предпочтение отдается лазерам на красителях для накачки непрерывными ионными лазерами (Аг+ и Кг+). При этом раствор красителя в виде свободно падающей струи протекает через зону фокуса излучения накачки. Из-за быстрого течения имеет место уменьшенная населенность и пониженное поглощение на триплетном уровне. Два типовых исполнения показаны на рис. 8.6 и 8.7. В конструкции по рис. З.б пучки лазера накачки и лазера на красителе проходят коаксиально.
В этом случае зеркала резонатора приходится снабжать специальным покрытием с целью обеспечения пропускания волны накачки. В самой распространенной конструкции по рис. 8.7 пучок лазера накачки проходит с легким опрокидыванием относительно оси резонатора мимо зеркал в краситель. Это дает то преимущество, что поток красителя, выходящий из Шелевого сопла, используется под углом (полной поляризации) Брюстера. В результате удается избежать потерь при отражении, и лазерный пучок поляризуется.
Но по причине наклонного потока красителя возникает эллиптическое искажение (астигматизм) пучка лазера. Это искажение компенсируется за счет исполнения резонатора с ломаной траекторией пучка, ибо при наклонном отражении на вогнутом зеркале также возникает астигматическое искажение. Волна накачки находится — в зависимости от фокусировки и числа оптических поверхностей в резонаторе — в диапазоне от нескольких милливатт до нескольких ватт.
В зависимости от используемого красителя может быть преобразовано до 30 % поглощенной мощности. Элементы для селекции длины волны по рис. 8.7 подробнее рассматриваются ниже, а также в главе 18. Лазер пуе бР~ накачки Входное Выходное зеркало зеркало Рие. ВЗИ Конструкция лазера на красителе с продольной накачкой Рис. 8.7. Лазер на красителе с ломаной траекторией пучка в непрерывном режиме генерации (~44 Р Р.Л р р При непрерывных лазерах на красителях в одномодовом режиме может быть достигнута высокая стабильность частоты (от МГц до кГц) вследствие температурной и механической стабилизации, а также на основе активного регулирования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
