Жидкостные лазеры

Жидкостные лазеры- это лазеры, где в качестве активной среды используются жидкие среды.

В связи с этим они имеют ряд особенностей:

• не ограничен объём активной среды;

• более высокая оптическая однородность по сравнению с твёрдыми телами;

• возможность более высокой концентрации активных центров по сравнению с газами, что позволяет генерировать высокие мощности;

• легко решается проблема теплоотвода, так как жидкость можно прокачивать через рабочий объём;

• форма активного элемента определяется формой кюветы, которая заполняется жидкостью.

Например:

В зависимости от типа активной среды жидкостные лазеры делятся на 3 типа:

1. Лазеры на растворах редкоземельных хелатов(сложные органические

комплексы, в которых ионы редкоземельных элементов находятся в окружении атомов кислорода, принадлежащих органической молекуле);

2. Лазеры на растворах неорганических соединений редкоземельных элементов

(типичные ионные системы). Отличаются высокой эффективностью и фотохимической стойкостью (например, раствор окиси неодима в оксихлориде селена Nd(SeOCl₂). Работа аналогична твердотельному лазеру на неодимовом стекле.

3. Растворы органических красителей. Эти лазеры наиболее широко

распространены и дают возможность перестройки длины волны в широком диапазоне длин волн (от УФ до ИК).

Активная средажидкостных лазеров состоит из растворителя и растворённого в нём активного вещества.

В качестве растворителя используются различные вещества, например, такие как:

• дистиллированная вода;

• спирты;

• кислоты;

• глицерин;

• ацетон.

В лазерах на растворах органических красителей используются органические красители, которые составляют обширный класс сложных органических соединений, который в отличие от других лазерных материалов характеризуется широкой полосой люминесценции (до 0,2 мкм) и имеет неустойчивый верхний лазерный уровень (длительность возбужденного состояния 10^-8÷ 10^-9с).

Лазерное излучение получено на красителях, относящихся к 3 группам:

1. Ксантеновые красители;

2. Полиметиновые красители;

3. Производные кумарина.

В настоящее время широко используются, в частности, следующие красители:

Родамин 6G(λ– 0,55 мкм)I

Родамин G(λ– 0,585 мкм)IРастворитель -

Родамин B(λ– 0,608 мкм)Iэтиловый спирт.

Акридон (λ– 0,437 мкм)I

И др. (см. справочные материалы).

Основные физические представления о механизме генерации растворов красителей.

В начале, при создании жидкостных лазеров пытались получить генерацию также как в твёрдых телах. Вводили примесные ионы, искали узкие энергетические уровни (метастабильные), вводили элементы редких земель, железо и т.п. Генерация была очень неэффективной.

Затем поняли, что если уровни достаточно широкие, то можно получить генерацию и в двухуровневой системе, что невозможно, если уровни узкие, так как при этом невозможно осуществить инверсию.

Итак, основная особенность лазеров на красителях – это использование двух уровней значительной ширины.

Молекулы красителя весьма сложны и обладают широкими энергетическими уровнями (полосами). Полоса – это широкий уровень, состоящий из огромного числа подуровней. На приведённой ниже схеме изображены нижние электронно-колебательные уровни молекулы красителя.

τ_в.у., τ_н..у- время внутренней релаксации;

S- синглетные уровни (имеют скомпенсированные спины);

Т- триплетные уровни (имеют нескомпенсированный спин).

Наиболее вероятны переходы синглет-синглет, чем синглет-триплет, так как последние связаны с переориентацией спина. Переориентация спина связана со столкновениями частиц.

S₀: ↑↓↑↓↑↓ скомпенсированный

S₁: ↑↓↑↓↑ ↓ спин

T₀: ↑↓↑↓↑ ↑ нескомпенсированный спин

Накачку производят из нижней части полосы S₀в верхнюю часть полосыS₁. При этом нарушается тепловое равновесие (распределение Больцмана) как между уровнямиS₁ - S₀, так и между подуровнями внутри каждой из полосS₁иS₀. Время релаксации между уровнямиS₁иS₀составляет~10 ^-8÷10 ^-9с(время межуровневой релаксации) и значительно больше, чем время релаксации между подуровнями полосыS₀и полосыS₁, которое составляет~10^-12 с(время внутриуровневой релаксации).

Таким образом, время межуровневой релаксации S₁ → S₀значительно больше времени внутриуровневой релаксации в полосахS₁иS₀.

Это обстоятельство и позволяет получать инверсию населённостей между нижней частью полосы S₁ и верхней частью полосыS₀при воздействии накачки, описанной выше. При этом генерация возможна в широком диапазоне длин волн, соответствующих переходам между различными подуровнями нижней части полосыS₁и верхней части полосыS₀и возможна перестройка генерируемых длин волн в широком диапазоне!

Обратим внимание на то, что длительность импульса накачки должна быть короткой и не превышать время релаксации S₁ → T₁,так как в противном случае молекулы начнут переходить на уровеньT₀, затем поднимаются на уровеньT₁ и генерация прекратится, так как молекулы не вернутся в исходное состояниеS₀.

Таким образом, хотя в данном случае используются 2 уровня (но широких), генерация происходит как в четырёхуровневой схеме со всеми её преимуществами.

Дополнительное пояснение:

На рис. 35пунктирной линией показано распределение частиц до начала накачки (равновесное распределение Больцмана), а сплошными линиями, то распределение, которое устанавливается внутри полосS₁иS₀после накачки за время внутриуровневой релаксации и свидетельствующее о факте возникновения инверсии между частью подуровневой полосыS₁иS₀.

Способы возбуждения (накачки) жидкостных лазеров.

Лазеры на растворах красителейработают соптической накачкой.

Важной особенностью является то, что импульс не должен превышать время межуровневой релаксацииS₁ → T₀, то есть быть не более10^-6 с. При коротком импульсе переходыS₁ → T₀не успевают проявиться. Для накачки используют как лазеры (лазерная накачка), обычно работающие в режиме модуляции добротности (τ_{генерации}~10^-8 ÷ 10^-9 с), так и специальные лампы накачки (в частности, коаксиальной конструкции, имеющие малую индуктивность), излучающие короткие импульсы.

При лазерной накачке (например, с помощью рубинового лазера) с модуляцией добротности (особенно, для фталоцианиновых красителей), неодимового лазера с модуляцией добротности (для полиметиновых красителей), азотного лазера (λ ~ 3000Å) различают 2 варианта:

1. Продольная накачка:

2. Поперечная накачка:

При ламповой накачке используют, в частности, коаксиальные лампы:

О

сновным преимуществом жидкостных лазеров на растворах красителейявляетсялёгкость управления частотой излучения и перестройка её в широком диапазоне. Наиболее эффективный метод – использование дифракционной решётки или призмы.

При этом удаётся получить излучение с Δλ ~1Å с диапазоном перестройки сотни Å (даже до 1000 Å). С помощью двух сменных кювет можно перекрыть весь спектр от УФ до ИК.

С этой точки зрения эти лазеры – непревзойдённые источники. Эти лазеры характеризуются высоким коэффициентом усиления и небольшим порогом накачки.

Недостатки– высокое значение термооптического коэффициента.