Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Обычно красители состоят из беизольных (С,Н,), пиридиновых (С,Н,И), азотных (СаН4Иг) и других колец. Оптические свойства красителя определяются наличием радикалов СН, или С,Н,, от которых в основном зависит поглощение свеса иакачкк. Краситель может находиться в кристаллическом и жидком состоянии. Оптико-генерациониые свойства красзтеля проявляются в большой мере в жидком состоянии, где наблюдается кратковременная люминесценция, определяющая генерационные свойства красителя. Так, время жизни молекулы в возбужденном состоянии составляет около 1О ' с.
Спектр поглощения и излучения красителя состоит в основном из полосы шириной 150 МГц а видимом диапазоне. Люмииесценция красителей, как правило, не зависит от длины волны возбуждающего излучения. Так, если молекулы родамииа В возбудить желтым светом (). = = 0,589 мкм), то люминесценция будет происходить зо всем спектре, Если тот же родамин Б возбудить УФ-излучением, то спектр люминесценции ие изменится, хотя при поглощении света молекулы будут переходить в более высокие возбужденные состояния.
Отсюда можно сделать вывод, что молекулы с более высоких возбужденных состояний быстро возвращаются в более низкое возбужденное сииглетиое состояние, с которого и начинается наблюдаемый процесс люминесценции. Согласно правилу Стокса— Ломмеля максимум люминесценции смещен в сторону длинных воли относительно максимума полосы поглощения. Механизм рабаты жидкостного лазера на красителях может быть поясиен на примере упрощенной структуры энергетических уровней молекулы красителя. Кратковременная люминесценции объясняется прямым переходом из возбужденного сииглетного состояния 3 в основное состояние 1 (рис. 7.!„а).
Если же переход в основное состояние осуществляется через метастабильное состоя- 206 Рис. 7Л. уярощеаяая (а — а) и летальиаа (г, д) структуры еиергееичесааа уроеяеа иолеаулег красителя хвв(п) = и (т)„д = М Ввв(р)(вт/о й(еавв, где им — эффективное поперечное сечение дли рассматриваемого перехода; с — скорость света н среде. Отношение коэффициентов Эйнштейна имеет вид " (вел — ') ~вв(~) вг В (т) При этом использовано соотношение Ев = Ев+Ь(т — «,„), где Е, и Е, — электронные энергии молекулы в состояниях 1 и 2.
Тогда выражение (7.2) преобразится к виду "("ел е) ) х„(т) = — х„(») д ( — — — е ! Мв Ув пред 1 е( е( (7.3) Усиление волны с частотой т будет, если сущеетвует неравенство в (тел «) вг Ф, (7.4) ние 2 (рис, 7.1, б), то имеет место долговременная люминесценция, поскольку метастабильное состояние характеризуется болыпим временем жизни.
Переход из состояния 2 в состояние 3 осуществляется за счет тепловой энергии. Далее наблюдаются переходы с уровня 8 в основное состояние 1. Переход молекулы в основное состояние по схеме рис. 7,1, г характеризуется также долговременной люминесценцией за счет большого времени жизни в состоянии 2. На рис. 7.1, г показана детальная структура молекулы красителя с синглетными.состояниями 3 н тринлетными 7'. Лизерное излучение определяется переходами из синглетного состояния Лв з синглетное состояние Яе (рис.
7,1, д). Следовательно, квантовую систему можно было бы представить как двухуровневую, Поскольку каждому электрокному уровню молекулы красителя принадлежит несколько колебательно-вращательных уровней, то каждое синглетное состояние имеет значительную ширину, поэтому систему можно приближенно считать четырехуровневой. Пренебрегая наличием высших возбужденных состояний молекулы красителя, представим коэффициент усиления света с частотой р в виде ;,() =-;,()и, ~- — —— Г йв Г(в Нм(п) 1 . Ем() > (7.2) где Л(в и М вЂ” населенности состояний 1 и 2; Л(е — общее число молекул; Ввв и Звв — коэффнциенты Эйнштеййа; множитель х,, (т) представляет собой предельное значение коэффициента н„(т), в(ри Мв = О, Мв = Ме получим При ч - ч,д условие (7.4) совпадает с условием инверсии населенности уровней 1 и 2.
Если же т < ч,, усиление в системе возможно даже при Ж, < М,. Для получения лазерного йзлучения удобны квантовые молекулярные системы с максимально высоким значением ам (р). Разность (ч — р) также должна быть достаточно велика. Когда частота перехода 1 значительно отличается от центральной частоты полосы люминесценции, то х„приближается к нулю. Отсюда следует, что красители„обладающие широкими энергетическими полосами, являются хорошими активными средами для лазеров. Величины о,„и Лч (половина ширины полосы) достигают высоких значений в тех красителях, в которых велика вероятность спонтанных переходов. Если краситель возбуждать с частотой рр, то можно показать, что в установившемся режиме коэффициейт усиления зависит от полуширииы Ля.
Для того чтобы качественно обьяснить эту зависимость, положим (рис. 7.1, д): чал р — Лр чр чдд = Лм(й. Если Лч невелико, т. е. Ьч (~ лТ, то нз (7.3) можно увидеть, что коэффициент усиления будет отрицателен. При увеличении Лч коэффициент х,1 (1) становится положительным. Граничное значение хм (ч) обозначено выше через хеи (ч)д, „. Если хм (ч) р,д ие уменьшается с ростом Лт, молекулярйая система особенно удобна для лазера. Иногда рост Лр приводит к уменьшению ом (р), а значит, и хм (ч)„р,д. В этом случае зависимость х„(я) от Лт характеризуется максимумом„который в некоторых пределах значений Л» имеет наибольшее значение. Поскольку жидкостный лазер на красителе в первом приближении подобен твердотельному лазеру на четырехуровневой сисгеме (см. описание иеодимового лазера з гл.
Ь), критическое значение инверсии, необходимое для возбуждения лазерной генерации, очень мало и составляет относительную населенность около 1%. Регулируя добротность резонатора лазера на красителе, можно перестраивать его эмиссионный спектр. Частота излучения лазера зависит от температуры красителя и его концентрации в растворе. Генерационные характеристики лазера определяются в основном выбором красителя, В табл. 7.1 приведены наиболее часто употребляемые в жидкостных лазерах красители, Однако спектр излучения и поглощения красителя существенно зависит от типа растворителя.
Растворитель (зтиловый и метнловый спирты, вода и другие) влияет на ширину спектра, на его положение на шкале частот. Это обусловлено главным образом показателем преломления растворителя. Кроме того, раствори- тель влияет на квантовый выход люминесценции, на нремя жизни в возбужденном состоянии. В растворы красителя еще добавляют неболыпое количество специальных веществ — тушителей триплетиого состояния — для повышения эффективности работы 206 Таблииа 7.1 Наиболее насте уиотреблисмые в мидиостиык лаэерак нраситоаи Центральна» клана еалнм налу.
д анааен перестроена, нн Кр снтель сенна, нн 4-метилумбелиферон Карбостирнл 165 Кумарнн 120 Кумарин 2 7-диэтиламнно-4.метал-кумаран 415 †4 415 †4 425 †4 430 †4 445 †5 420 450 445 450 470 ' лазера. Тушителями могут быть сульфанол, олеол, масло Райсела, хостапон н др. Основные параметры жидкостных лазеров прнведены в табл. 7.2. Ламповая накачка жидкостного лазера аналогична накачке твердотельных лазеров. В качестве активного элемента нрнменяется кювета с красителем, размещенная в отражателе либо между лампами накачки, либо внутри коакснальной лампы накачки, ввиду чего последняя конструкция получила название коакснальной, К блоку накачкн предъявляют особые требования по формированию коротких электрических импульсов большой амплитуды, Применяемые емкостные накопители энергия должны быть малонндуктивнымн.
Именно такие электрические импульсы обеспечивают получение коротких световых импульсов лампы для накачкн активной среды н, следовательно„малой длительности световых импульсов лазерного излучения. Если кювета выполнена в отпаянном варианте, прн котором один н тот же раствор работает длительное время, то воздействие на краситель световых импульсов от лампы накачки приводит к неоднородному объемному нагреванию активной среды, вследствие чего активная среда приобретает свойства тепловой линзы, чаще всего положительной, обусловлнвающей увеличение угловой расходнмости излучения, Для уменьшения влияния термического эффекта работу ведут при низких частотах излучения лазера, Вариант жидкостного лазера на красителе с прокачкой позволяет уменыннть отрицательное влияние термического эффекта на его 209 Таблица 72 Основные параметры мядкостных лазеров на красителях ! типичное еввчевне Пчрчнечр Ьееимнч еевьраев» Данка волны Диапазон перестройки 540 — 1175 км До 40 нм 1,5 — 15 ни 0,05 пм ~бв нм и!ирина спек~ра ге- иерапии Расходимость лучка Выходнаи знергии удощность Прн возбумдетш в е лазером импульсной лвмпов лазером импульсной лампой лазером импульсной лампой Частота повторении импульсов Длительность импуль- са характеристики излучения и значительно увеличить частоту следования импульсов излучения лазера в отдельных конструкциях до 350 Гц.
В настояпхее время на основе указанных выше красителей выпущены промышленные образцы лазеров с ламповой накачкой. Так, жидкостиыи лазер типа ЛЖИ-402 (рис. 7.2) с зллиптическим осветителем имеет диапазон перестройки 430 — 700 им, импульсную моБциость 2 )О' Вт, частоту следования импульсов до 30 Гц, длительность импульсов 3 70 з нс. Лазер работает н режиме прокачки. Для накачки используется импульсная ксеноновая лампа. Охлаждение лампы и кюветы производится дистиллированной водой.
Жидкостные лазеры на красителях могут иметь и лазерную накачку. Различают два метода накачки: продольную н поперечную !рис. 7.3). При продольной накачке лазерное излучение направляется вдоль оси кюветы с красителем, а при поперечной — перпендикулярно к ней. В реальных условиях применяются оба метода. ркс. 7, 2. Оптическая схевв с,0 лазера ЛЖИ-402: г — елтхое вврввво; Б — вмвсеа е вреввтелен: Б — ввкнв ввввчвв; я — двварвень; Б — ввввовкма 7 этвлош з — воатнроврвчнов ввр. вло; г — вмиодвое ввлтчввкв 2 — 5 мрвд До 25вуе е 0 лад О,! Дж 2 Ддч (накснмальное значение! 2 74Вт 0,75 — 2 еннт До 500 Гп 20 — 50 Гп 20 нс 0„5 †1 мкс Опткческав изквчкв ивзером или импульсной лампой Перестройка с помощьБо приам, дирвкпнокной репштки, фкпьтров широкополосными зеркалами С применением дифрвкпионной решет.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
