ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Жидкостные лазеры

Интерес к жидкостным лазерам объясняется: легкостью получения активной среды, воз­можностью прокачки жидкости и обусловленной легкостью создания системы охлаждения, возможностью плавной перестройки частоты и т. п. Разновидности и параметры жидкостных лазеров иллюстрирует рис. 5.6.

Р

POCl3:Nd

SeOCI3:Nd

І 10®--

10 100 1000 X

Длина волны, мкм

Рис. 5.6. Разновидности и параметры жидкокристаллических лазеров

Широкое применение имеют лазеры на органических красителях (Dye — Lasers). Раз­личные красители допускают перестройку длины волны генерации в диапазоне нескольких десятков нанометров при высокой монохроматичности, достигающей 1 МГц. Энергия одно­го импульса может достигать сотен джоулей, а мощность непрерывной генерации — десят­ков ватт при кпд в несколько десятков процентов в случае лазерной накачки. В режиме син­хронизации мод могут быть получены лазерные импульсы длительностью в десятые доли пикосекунды. Устройство жидкостного лазера приведено на рис. 5.7.

Активным веществом лазеров на красителях служат растворы молекул органических красителей в органических растворителях или в воде. Красителями являются сложные орга­нические соединения с разветвленной системой сопряженных химических связей. Эти со­единения обладают выраженной окраской, что вызвано наличием сильных полос поглоще­
ния в видимой области спектра. Структура молекулы красителя сложна. Она содержит бен­зольные (С6Н6), передоновые (CeHsN), азотные (C4H4N2) и другие кольца. В лазерной техни­ке широко применяются красители на основе родамина 6G.

Структурная формула органического красителя родамин 6G приведена на рис. 5.8.

Такая макромолекула обладает богатым набором разрешенных значений энергии элек­тронных, колебательных и вращательных состояний. Энергетические расстояния между этими состояниями имеют порядок (1...3); (0,1...0,01) и (10~3...10-4) эВ соответственно. Колебательные и вращательные состояния перекрываются друг с другом, образуя серии разрешенных энергетических полос, соответствующих определенным электронным состоя­ниям. Последние можно разбить на две группы: синглетные (S) и триплетные (7) состояния (рис. 5.9). К первой группе относится состояние с антипараллельной ориентацией спинов (5 = 0), а ко второй — с параллельной (5=1) ориентацией.

Каждое электронное состояние сопровождается серией колебательных уровней (выде­лены жирными линиями) и серией вращательных уровней. Согласно правилам отбора по спинам оптические переходы разрешены между состояниями с одинаковой мультиплетно - стью (AS = 0) т. е. переходы S-S (синглет-синглетные) и Т-Т (триплет-триплетные). Они имеют наибольшую вероятность.

При нормальных условиях молекулы находятся в основном состоянии S0. В результате поглощения оптического излучения молекула переходит из основного состояния So на один из колебательно-вращательных уровней S,. Спектр поглощения, определяемый такими пе­реходами, представляет собой широкую полосу. Спектральное положение максимума поло­сы поглощения определяет цвет красителя и для разных веществ изменяется примерно от 0,3 до 1 мкм. Ширина полосы поглощения также различна для разных красителей и пример­но равна 0,2 эВ.

Падая в результате оптического перехода S0 —> Sj в одно из возбужденных состояний полосы St, молекула в результате релаксационных безызлучательных процессов по коле­бательно-вращательным подуровням внутри состояния Si переходит на нижние уровни группы S|. Этот процесс термализации происходит очень быстро, за время порядка 1 пс. Термализованные носители из состояния S| излучательно или безызлучательно переходят в основное состояние S0. У небольшого количества известных красителей излучательные процессы преобладают над безызлучательными. Излучательное время жизни для перехо­дов S| —» S0 мало и составляет примерно 1 не.

При интенсивной оптической накачке между Синглетные

Состояния

НИЖНИМИ СОСТОЯНИЯМИ ПОЛОСЫ Si и верхними S0 мо­жет быть достигнута инверсия населенностей. Ге­нерация осуществляется по четырехуровневой схе­ме между энергетическими СОСТОЯНИЯМИ ПОЛОС 51! и Sb. Триплетные состояния Т и Т2 не участвуют в процессе лазерной генерации, а, напротив, препят­ствует ей.

Наибольший интерес лазер на органическом красителе представляет как генератор с перестраи­ваемой длиной волны. Для осуществления этой воз­можности применяют дисперсионный резонатор, собственную частоту которого можно перестраи­вать. Идеальный вариант — одномодовый одночас­тотный резонатор.

Вероятность оптических переходов So —> Si с красителем весьма высока, показатель поглоще­ния и показатель усиления для этих веществ могут быть очень велики. Они примерно на два порядка превышают показатель усиления малого сигнала для твердотельных лазеров на гранате и рубине.

По этой причине лазеры на красителях, обладая вы­соким коэффициентом усиления, требуют неболь­шого объема активной среды (1 мм3).

Поглощение интенсивного излучения накачки и последующий нагрев малого объема красителя при­водит к необходимости быстрой непрерывной заме­ны вещества в рабочем объеме. Если этого не де­лать, произойдет термическое разложение красите­ля, а также накопление молекул в триплетном со­стоянии Т, и срыв генерации.

Применяя набор различных красителей, жидко­стные лазеры перекрывают диапазон длин волн от 0,34 до 1,17 мкм. КПД современных лазеров на ор­ганических красителях достигает 30% при накачке лазерным излучением и 1% при накачке импульсными лампами.

В непрерывном режиме выходная мощность рассматриваемых лазеров достигает не­скольких ватт, в импульсных режимах мощность может достигать МВт при длительности импульса 20 не и частоте повторения до 200 Гц, расходимость лазерного пучка составляет (2...2,5) мрад.

В режиме синхронизации мод возможна генерация очень коротких световых импульсов (31014с).