Жидкостные лазеры используются в целом реже, чем газовые либо твердотельные лазеры, однако с точки зрения некоторых приложений они обладают рядом уникальных свойств. Параметры излучения твердотельного лазера в значительной степени зависят от оптических качеств используемого кристалла. Неоднородности кристаллической структуры могут серьезно ограничивать когерентность лазера. Кристаллы постоянно подвержены разрушениям; концентрация активирующих ионов задается в процессе изготовления лазера и является определенной величиной для данного кристалла. С этими конкретными трудностями не приходится иметь дело при работе с газовыми лазерами, но зато эти лазеры имеют заметно меньшую концентрацию активного вещества из-за низкой концентрации атомов в газе. Преимущества жидкостных лазеров заключаются в том, что они имеют значительно более высокую концентрацию активных атомов, которую легко можно изменять; кроме того, активная среда является дешевой и относительно мало подверженной повреждениям. В то же время жидкостные лазеры не столь громоздки, как газовые системы, и проще в эксплуатации Из расчетных типов жидкостных лазеров наибольшее значение имеют лазеры на органических красителях. Эффект генерации раствора красителя впервые обнаружили в 1965 г . П. Сорокин с сотрудниками в лаборатории фирмы IBM в ходе исследования ряда красителей, используемых в пассивных затворах для рубиновых лазеров. Наиболее существенным преимуществом лазера на красителях над всеми рассмотренными здесь лазерами является возможность плавно перестраивать частоту излучения в пределах значительного спектрального диапазона. Типичный газовый или твердотельный лазер можно перестраивать только внутри очень узкого диапазона (практически лишь в пределах ширины кривой усиления). Хотя имеющиеся газовые и твердотельные лазеры излучают большое число дискретных длин волн в диапазоне, простирающемся от ближней ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра, все же остаются значительные участки оптического диапазона, в которых отсутствуют линии генерации этих лазеров Перестраиваемый источник узкополосного излучения оптического. диапазона при высокой когерентности этого излучения желательно иметь во многих приложениях, таких, как спектроскопия, изучение молекулярной диссоциации и химических реакций, а также разделение изотопов 1. Лазеры на органических красителях
1.1. Активная среда
Активная среда лазера на красителе состоит из раствора органического красителя. Когда краситель возбуждается внешним источником коротковолнового излучения, он излучает на более длинных волнах или флуоресцирует, поглощая фотон на длине волны возбуждения, а затем излучая фотон на длине волны флуоресценции. Разность энергии фотонов идет на безызлучательные переходы и в конечном счете переходит в тепло Рис. 1.1. Спектр поглощения (1) и флуоресценции (2) типичного лазерного красителя
На рис. 1.1 приведены спектры поглощения и флуоресценции типичного лазерного красителя. Кривая флуоресценции, захватывающая желтую и большую часть красной области спектра, сдвинута в более длинноволновую область по отношению к кривой поглощения, занимающей голубой и зеленый участки спектра. Эта ситуация аналогична рассмотренной здесь при описании лазера на рубине: излучение лампы накачки лежит преимущественно в зеленой и голубой областях спектра, а кристалл рубина флуоресцирует в красной области. Существенное различие заключается в том, что краситель флуоресцирует в исключительно широком диапазоне частот видимой области спектра в противоположность очень узкой полосе флуоресценции типичного твердотельного лазера Рис. 1.2. Диаграмма уровней для лазера на красителях. Синглет-триплетные переходы S 1 &I) T 1 (интекомбинационные перходы 2) приводят к сильному поглощению лазерного излучения и срыву генерации за счет перехода T 1 &I) T 2 , ограничивающих выходную мощность (перходы 1).
Широкий спектр флуоресценции красителя можно объяснить с помощью приведенной на рис. 1.2 схемы энергетических уровней типичной молекулы красителя. Молекула красителя имеет две группы состояний: синглетные (S 0 , S 1 и S 2 ) и триплетные (T 1 и Т 2 ). (Синглетные состояния возникают, когда полный спин возбужденных электронов в молекуле равен нулю, а триплетные — когда спин равен единице.) Как мы уже отмечали при рассмотрении правил отбора и радиационных времен жизни, синглет-триплетные и триплетсинглетные переходы маловероятны по сравнению с синглет-синглетными и триплет-триплетными переходами. Накачка лазера на красителях происходит при поглощении фотонов, которые переводят молекулы из основного состояния S 0 в первое возбужденное состояние S 1 . Затем происходит быстрый безызлучательный переход в наинизшие из уровней состояния S 0 . Стимулированное излучение возникает при переходе между уровнем, расположенным вблизи дна состояния S 1 , и некоторым промежуточным уровнем состояния. Так как состояния S 0 и S 1 содержат множество отдельных колебательно-вращательных подуровней, показанных на рисунке отдельными линиями, то возникающая линия излучения весьма широка. Триплетные состояния T 1 и T 2 не участвуют непосредственно в генерации излучения, тем не менее, наличие их весьма существенно. Имеется некоторая малая вероятность того, что будет иметь место запрещенный переход S 1 ??? T 1 (называемый интеркомбинационным переходом). Так как переход Т 1 &I) S 0 (фосфоресценция) также является запрещенным, молекулы имеют тенденцию накапливаться в состоянии T 1 . Но переход T 1 &I) T 2 является разрешенным, и, к сожалению, диапазон частот для этого перехода почти в точности равен диапазону рабочих частот лазера. Как только в результате переходов значительное число молекул накапливается в состоянии T 1 поглощение на переходе T 1 &I) T2 быстро уменьшает коэффициент усиления и может сорвать генерацию. По этой причине некоторые лазеры на красителях работают в импульсном режиме при длительности импульса меньшей, чем та, которая требуется для достижения заметных значений населенности состояния T 1 . Для некоторых красителей может также иметь место поглощение, связанное с переходами в более высокие синглетные состояния ( S 1 &I) S 2 ), поэтому следует выбирать такие красители, у которых частоты этих переходов не лежат в интересующей исследователя спектральной области Рис. 1.3. Выходная мощность некоторых распространенных лазерных красителей: 1 —карбостирил 165 (1,5 Вт, УФ); 2—кумарин 120 (1,5 Вт, УФ); 3— кумарин 2 (1,8 Вт. УФ); 4 — 7-диэтиламино-4-метилкумарин (1,35 Вт, УФ); 5 — кумарин 102 (1,5Вт, УФ); 6 — кумарин 7 (1,2 Вт, 4765 ); 7—кумарин 6 (2,3 Вт, 488O ); 8 — Na-флуоресцеии (4 Вт суммарного излучения); 9— родамин 110 (4 Вт суммарного излучения); 10— родамин 6G (4 Вт суммарного излучения); 11— родамин 6G (2 Вт суммарного излучения); 12— родамин В (4 Вт суммарного излучения); 13—перхлорат крезила фиолетового (5 Вт суммарного излучения; 14—перхлорат нильского голубого (0,75 Вт, 6471 ). В скобках у наименования красителя указаны типичная мощность накачки излучением Аг+-лазера, необходимая для получения приведенных кривых перестройки и область спектра излучения. Использование различных красителей в качестве активных сред позволило осуществлять плавную перестройку рабочей частоты в широком диапазоне, охватывающем почти всю видимую область спектра ( рис. 3 ). Из рисунка видно, что применение родамина 6G характерно для многих систем; это связано с его высоким КПД преобразования ( » 20%) и широким спектральным диапазоном перестройки. Максимальная выходная мощность лазера на красителях зависит от используемого растворителя и качества юстировки оптического резонатора. Некоторые добавки, такие, как циклооктатетрен, могут слегка сдвигать полосу флуоресценции красителя и увеличивать мощность излучения
1.2. Накачка
Все лазеры на красителях накачиваются оптическим методом. При накачке важно, чтобы источник накачки излучал на частотах, близких к положению максимума полосы поглощения. По самой природе красителя лазерное излучение является более длинноволновым, чем возбуждающее излучение. Например, накачка родамина 6G, флуоресцирующего вблизи 590 нм (в оранжевой области спектра), осуществляется излучением в области длин волн 490—515 нм. Для накачки красителя, флуоресцирующего в синей области спектра, нужен источник ультрафиолетового излучения Тип источника накачки определяет не только спектральный диапазон генерации, но и применяемую геометрию накачки. Первым и самым простым методом накачки красителей является метод, аналогичный оптической накачке твердотельных лазеров. Прокачка красителя осуществляется по трубке, помещенной в эллиптический отражатель. Оптическая накачка проводится с помощью стержневых ламп. Эти лампы обеспечивают импульсные значения мощности накачки несколько киловатт и средние мощности излучения в видимом диапазоне порядка 50 мВт В качестве источника для накачки красителей можно также использовать лазер на азоте. Оптическая накачка производится в поперечном по отношению
