ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ НА КРАСИТЕЛЯХ

Из приведенного выше рассуждения можно видеть, что активные среды на красителях являются весьма подходящими для получения лазерной гене­рации (по схеме четырехуровневого лазера) на длинах волн в пределах спек­тра флюоресценции. Действительно, быстрая безызлучательная релаксация внутри возбужденного синглетного состояния 5?! приводит к очень эффектив­ному заселению верхнего лазерного уровня, а быстрая безызлучательная ре­лаксация внутри основного состояния — к эффективному обеднению нижне­го лазерного уровня. Тем не менее, первый лазер на красителях был запущен довольно поздно (в 1966 г.) от момента начала развития лазерных устройств [29, 30], и можно понять основные причины этого. Во-первых, короткое вре­мя жизни т состояния £1в тогда как мощность накачки обратно пропорцио­нальна величине т. И хотя такой недостаток частично компенсируется боль­шой величиной сечения перехода, произведение от все же остается пример­но на три порядка величины меньше (например, для родамина 6(7), чем для твердотельных лазеров, таких как Ш:УАО (напомним, что в четырехуров­невых лазерах пороговая мощность накачки обратно пропорциональна вели­чине ат (см. выражения (7.3.12) и (6.3.20)). Вторая трудность обусловлена синг - лет-триплетной конверсией. Действительно, если тт то молекулы бу­

Дут накапливаться в триплетном состоянии, что, в свою очередь, приведет

К поглощению излучения (на длине волны генерации) за счет триплет-три - плетного перехода. Можно показать, что именно поэтому непрерывную гене­рацию можно получить лишь в случае, когда тт меньше некоторого значения, определяемого свойствами активной среды лазера на красителе. Чтобы полу­чить желаемый результат, обозначим через N2 и NT населенности верхнего лазерного и трип летного состояний соответственно. Тогда генерация будет происходить при условии, если усиление за счет вынужденного излучения будет превышать собственные потери, обусловленные триплет-триплетным поглощением, т. е.

OeN2 > aTNT, (9.3.4)

Где ат — сечение триплет-триплетного поглощения, причем значения ие и стт выбираются исходя из длины волны генерации. В стационарных усло­виях скорость релаксации населенности триплетного состояния Nt/tt долж­на быть равна скорости ее нарастания kSTN2 за счет синглет-триплетной конверсии, т. е.

N т — kgjiTrpN 2» (9.3.5)

Объединяя выражения (9.3.4) и (9.3.5), получаем условие:

Тгр < ое/cTyfegy, (9.3.6)

Которое является необходимым для непрерывной генерации (т. е. условие, в некотором смысле эквивалентное соотношению (7.3.1) для примера двух­уровневой системы). Если это условие не выполняется, то лазер может гене­рировать только в импульсном режиме, причем длительность импульса на­качки должна быть достаточно короткой, чтобы обеспечить значительную населенность, прежде чем она накопится в триплетном состоянии. И нако­нец, третьей решающей проблемой являются тепловые неоднородности, воз­никающие в жидкости под действием накачки. Они приводят к градиентам показателя преломления, препятствующим возникновению генерации.

Лазеры на красителях работают либо в импульсном, либо, если выполня­ется условие (9.3.6), в непрерывном режиме. Лазерная генерация в импульс­ном режиме была получена на многих красителях, при этом использовалась одна из следующих схем накачки:

■ импульсная лампа с коротким по времени импульсом (длительность им­пульса менее 100 мкс);

■ лазер накачки, генерирующий короткие световые импульсы.

В обоих случая короткие импульсы необходимы для того, чтобы обеспе? чить генерацию до того момента, когда в триплетном состоянии накопится значительная доля населенности, и до момента появления градиентов пока­зателя преломления в жидкости.

При накачке импульсной линейной лампой можно применять эллипти­ческий осветитель (см. рис. 6.1а), размещенный в жидкости, которая содер­жит активную среду, протекающую по стеклянной трубке, которая, в свою очередь, располагается вдоль линии второго фокуса эллипса. Чтобы обеспе­чить хорошую однородность накачки, а отсюда и более симметричные градйг енты показателя преломления, также применяют кольцевые (спиральн1

Устройство лазера на красителе с поперечной накачкой:

В качестве накачки может служить пу­чок азотного лазера, эксимерного лазе­ра или лазера на парах меди, а также пучок второй гармоники Nd: YAG лазе­ра, работающего в режиме модуляции добротности.

Дифракционная

Решетка

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ НА КРАСИТЕЛЯХ

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ НА КРАСИТЕЛЯХ

L

 

Кювета с красителем

 

Пучок накачки

 

Лампы, состоящие из двух концентрических стеклянных трубок, располо­женных по схеме, аналогичной рис. 6.1а.

Для импульсной лазерной накачки зачастую применяют азотный лазер, УФ-излучение которого подходит для возбуждения многих красителей, ге­нерирующих в видимой области спектра.[52] Для получения больших энергий и средних выходных мощностей при накачке УФ-излучением все чаще при­меняют более эффективные эксимерные лазеры (в частности, КгЕ и ХеЕ), в то время как для красителей с длиной волны излучения более чем ~550- 600 нм предпочитают использовать вторую гармонику Мс1:УАО лазера в ре­жиме модуляции добротности (к = 532 нм), а также зеленое или желтое из­лучение лазера на парах меди. Следует отметить, что в лазерах с накачкой в видимом диапазоне спектра КПД преобразования энергии накачки в выход­ную энергию лазера на красителе (30 - ь 40% ) намного превышает КПД преоб­разования, получаемого при лазерной УФ-накачке (~10%). Кроме того, под воздействием видимого излучения накачки существенно уменьшается де­градация красителя. Во всех рассмотренных выше случаях (при импульсной лазерной накачке), как правило, используют схему с поперечной накачкой, т. е. когда направление распространения пучка накачки перпендикулярно оси резонатора (рис. 9.16). В этом случае пучок лазера накачки фокусирует­ся линзой Ь, представляющей собой обычно комбинацию сферической и ци­линдрической линз, в тонкую линию вдоль оси резонатора лазера. Длина линии равна длине ячейки с красителем (несколько миллиметров), в то вре­мя как поперечный размер, как правило, меньше 1 мм. Для перестройки длины волны выходного излучения в пределах широкой полосы излучения красителя (~30-50 нм) обычно применяется дифракционная решетка, поме­щаемая в резонатор под углом скользящего падения, при этом лазер пере­страивается поворотом зеркала 2 (рис. 9.16). Скользящее падение использу­ется для увеличения разрешающей силы решетки[53] и, следовательно, для существенного уменьшения ширины линии излучения (-0,01-0,02 нм). Бо­лее узкие полосы генерации, вплоть до одномодовой, можно получить при
установке в резонаторе одного или более эталонов Фабри-Перо, как уже было показано в разделе 7.8.2.1.

Для непрерывной лазерной накачки часто применяются Аг+ лазеры (ино­гда также и Кг+ лазеры). Чтобы обеспечить существенно более низкий порог генерации, что необходимо при непрерывной накачке, зачастую использует­ся схема возбуждения, близкая к продольной (рис. 9.17). Жидкая активная среда с красителем имеет вид тонкой струи (диаметром около -200 мкм), свободно текущей в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка и на­клоненной под углом Брюстера к оси пучка лазера на красителе. Соответст­венно, лазерный пучок является линейно поляризованным, причем вектор его электрического поля расположен в плоскости рисунка. И пучок накач­ки, и лазерный пучок фокусируются в очень маленькое пятно (диаметром примерно 10 мкм) внутри струи. Для перестройки частоты лазера в резона­тор можно внести призму или двулучепреломляющий фильтр. Для селек­ции одной продольной моды в резонатор дополнительно помещают эталоны Фабри-Перо (как правило, два эталона) и часто используют однонаправлен­ную кольцеобразную конфигурацию (см. рис. 7.25). Для генерации фемтосе­кундных (или ультракоротких) импульсов обычно используется схема с так называемым резонатором с синхронизацией мод на сталкивающихся пучках (см. рис. 8.29). Для получения ультракоротких импульсов (-25 фс при ис­пользовании комбинации раствора красителя родамина 60, взятого в каче­стве активной среды, и красителя 2)02)С/, используемого в качестве насы­щающегося поглотителя) также используется призменное устройство для управления дисперсией, помещенное внутри резонатора.

Благодаря возможности перестройки длины волны, широкому спектраль­ному диапазону работы и возможности генерации фемтосекундных импуль­сов лазеры на органических красителях играют важную роль в различных областях. В частности, эти лазеры широко используются в научных прило­жениях либо как непрерывные узкополосные (вплоть до одномодовых) пере­страиваемые источники излучения для частотной спектроскопии сверхвы­сокого разрешения, либо в качестве лазеров с фемтосекундными световыми импульсами для спектроскопии с высоким разрешением по времени. Среди

Зеркало накачки

Рис. 9.17

Устройство непрерывного лазера на красителе с накачкой аргоновым ионным лазером

/ | Зеркало с высокой

'м отражающей способностью

4 II по тгтиглпм ММ

И радиусом 50 мм

Зеркало с высокой отражающей способностью и радиусом 75 мм

 

Двулучепреломляющая

Пластинка

 

Выходное

Зеркало

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ НА КРАСИТЕЛЯХ

Пучок накачки Струя красителя аргонового ионного под углом Брюстера лазера

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ НА КРАСИТЕЛЯХ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ НА КРАСИТЕЛЯХ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ НА КРАСИТЕЛЯХ

Других областей использования следует отметить биологию и медицину (на­пример, лечение диабетической ретинопатии или лечение некоторых дерма­тологических заболеваний), а также лазерную фотохимию. В частности, для лазерного разделения изотопов урана 235и была построена импульсная ла­зерная система, включающая в себя 20 лазеров на красителях (с поперечной накачкой лазером на парах меди, средняя мощность накачки ~100 Вт).

ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

Лазерная резка и гравировка в Киеве

Гравировка по металлу проводится на профессиональном оборудовании. Гравировка с высокой детализацией применяется для оформления подарков, памятных вещей.

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ И ВРЕМЕННАЯ КОГЕРЕНТНОСТЬ ТЕПЛОВЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

В данном разделе приводится краткое описание когерентных свойств света, который излучается обычной лампой (лампой накаливания или га­зонаполненной лампой). Поскольку свет в этом случае обусловлен спон­танным излучением многих атомов, по существу …

УРАВНЕНИЕ ИОНИЗАЦИОННОГО БАЛАНСА

В результате соударений частиц с электронами в объеме электрического разряда происходит постоянное образование электронов и ионов. Ударная ио­низация осуществляется присутствующими в разряде горячими электронами, т. е. теми, энергия которых больше …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.