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.

Широкое применение имеют лазеры на органических красителях (Dye - Lasers). Раз­личные красители допускают перестройку длины волны генерации в диапазоне нескольких десятков нанометpов при высокой монохроматичности, достигающей I 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 могyт быть получены лазерные импульсы длительностью в десятые доли пикосекунды. Устройство жидкостного лазера приведено на рис. 4.8

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 поглощения в видимой области спектра. Структура молекулы красителя сложна. В лазерной техни­ке широко пpименяются красители на основе родамина 60.

Макромолекула родамина 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 дрyг с другом, образуя серии разрешенных энергетических полос, соотвeтcтвующих определенным электронным состоя­ниям. Последние можно разбить на две группы: синглетные (S) и триплетные (Т) состояния (рис. 4.9). К первой группе относится состояние с антипараллельной ориентацией спинов (S= О), а ко второй -с параллельной (S= 1) ориентацией.

Рисунок 4.9. Электронные состояния жидкостного лазера: - постоянные синглет - триплетной конверсии (10-9с) и триплет – синглетного перехода (10-6с)

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 мультиплетностью (∆S = 0), т.е. переходы S-S (синглет-синглетные) и Т-Т (триплет-триплетные).

При нормальных условиях молекулы находятся в основном состоянии S₀. В результате поглощения оптического излучения молекула переходит из основного состояния S₀ на один из колебательно-вращательных уровней S₁. 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 I мкм. Ширина полосы поглощения также различна для разных красителей и пример­но равна 0,2 эВ.

Падая в результате оптическогo перехода S₀→S₁ в одно из возбужденных состояний полосы S₁ молекула в результате релаксационных безизлучательных процессов по коле­бательно-вращательным подуровням внутри состояния S₁ переходит на нижние уровни группы S₁. Этот процесс термализации происходит очень быстро, за время порядка 1 пс. Термализованные носители из состояния S₁ излучательно или безизлучательно переходят в основное состояние So. У небольшого количества известных красителей излучательные процессы преобладают над безизлучательными. Излучательное время жизни для перехо­дов S₁→S₀ мало и составляет примерно I нс.

При интенсивной оптической накачке между нижними состояниями полосы S₁ и верхними So мо­жет быть достигнута инверсия населенностей. Ге­нерация осуществляется по четырехуровневой схе­ме между энергетическими состояниями полос S₁ и So. Триплетные состояния T₁ и Т₂ не участвуют в пpoцессе лазерной генерации, а, напротив, препятствуют ей.

Наибольший интерес лазер на оргaническом красителе представляет как генератор с пepecтpaи­ваемой длиной волны. Для осуществления этой воз­можнocти применяют дисперсионный резонатор, собственную частоту которого можно перестраи­вaть. Идеальный вариант - одномодовый одночас­тотный резонатор.

Вероятность оптических переходов S₀→S₁, с красителем весьма высока, показатель пoглоще­ния и показатель усиления для этих веществ могут быть очень велики. Они примерно на два порядка превышают показатель усиления малого сигнала для твердотельных лазеров на грана-те и рубине. По этой причине лазеры на красителях, обладая вы­соким коэффициентом усиления, требуют неболь­шого объема активной среды (1 мм).

Поглощение интенсивного излучения накачки и последующий нагрев малого объема красителя при­водит к необходимости быстрой непрерывной заме­ны вещества в рабочем объеме. Если этого не де­лать, пpoизойдет термическое разложение красите­ля, а также накопление молекул в триплетном со­стоянии Т₁ 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 Вт, в импульсных режимах мощность может достигать МВт при длительности импульса 20 нс и частоте повторения до 200 Гц, расходимость лазерного пучка составляет (2…2,5) мрад. В режиме синхронизации мод возможна генерация очень коротких cветовых импульсов (3·10^-14 с).

Поиск по сайту: