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

Дифракционная Решетка

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 с высокой отражающей способностью и радиусом 75 мм

Двулучепреломляющая Пластинка

Выходное Зеркало

Пучок накачки Струя красителя аргонового ионного под углом Брюстера лазера

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).