6,4.2, Параметры лазеров на красителях

Из приведенного выше рассмотрения вполне разумно ожи­дать, что лазеры, в которых используются красители, могут ге­нерировать на длинах волн в области спектра флуоресценции. Действительно, быстрая безызлучательная релаксация внутри возбужденного синглетного состояния 5, приводит к очень эф­фективному заселению верхнего лазерного уровня, а быстрая

релаксация внутри основного к эффективному обед-

нению нижнего лазерного уровня. Следует также заметить, что в области длин волн флуоресценции раствор красителя доста­точно прозрачен (т. е. соответствующее сечение поглощения о_а невелико; см., например, рис. 6.29). Фактически же первый ла­зер на красителях был запущен поздно (в 1966 г.) [24, 25] от­носительно времени, с которого началось общее развитие лазер­ных устройств. Рассмотрим некоторые причины этого. Во-пер­вых, это очень короткое время жизни т состояния S_b поскольку мощность накачки обратно пропорциональна т. Хотя такой не­достаток частично компенсируется большой величиной сечения перехода, произведение о% [напомним, что пороговая мощность накачки пропорциональна (сгт)""¹; см. (5.35)] все же остается примерно на три порядка величины меньше, чем для твердо-тыльных лазеров, таких, как Nd : YAG. Вторая трудность обус­ловлена ₍синглет-триплетной конверсией. Действительно, если

тг к$т * то молекулы будут накапливаться в триплетном со­стоянии, что приведет к поглощению за (счет перехода Т\ -> Г₂ (который является оптически разрешенным). К сожалению» это

поглощение как правило, на длине волны флуорес-

ценции (см., например, опять-таки рис. 6.29), что приводит к серьезному препятствию для возникновения генерации, t Можно показать, что именно поэтому непрерывную генерацию можно получить лишь в случае, когда хт меньше некоторого значения, определяемого свойствами активной среды из красителя. Чтобы получить этот результат, заметим прежде всего, что кривую пропускания флуоресценции красителя (рис, 6.29) можно опи­сать с помощью сечения вынужденного излучения а^Таким об­разом, если JV₂—полная населенность состояния Si, то соответ­ствующее усиление (без насыщения) на определенной длине вол­ны, при которой рассматривается о_е, равно ехр (iV₂0<?/), где /-длина активной среды. Предположим теперь, что NT населен­ность триплетного состояния Т\. Тогда генерация будет проис­ходить при условии, что усиление за счет вынужденного излу­чения больше потерь, обусловленных триплет-триплетным по­глощением, т. е.

^o_e^{N<> ^ OfNj" (6.17)}

В стационарных условиях скорость релаксации населенности с триплетного состояния N_T/x_T должна быть равна скорости ее нарастания за счет синглет-триплетной конверсии ksiN₂, т. е.

N_T = k_s^x_TN_r (6.18)

Объединяя (6,17) и (6.18), получаем условие

^хт ^ ^Cre/^Cr7^,^ST'

_(6.19)

^{которое является необходимым для непрерывной генерации}

[т. е. мы получили условие, в некотором смысле эквивалентное соотношению (5.25)]. 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. Наконец, третьим ме­шающим фактором являются тепловые неоднородности, возни­кающие в жидкости под действием накачки. Они приводят к градиентам показателя преломления, препятствующим возник­новению генерации.

Лазеры на красителе работают либо в импульсном, либо, если выполняется условие (6Л9), в непрерывном режиме, Лазер­ная генерация в импульсном режиме получена на большом чис­ле различных красителей, причем для накачки применялись как импульсная лампа с коротким импульсом (при длительности пе­реднего фронта < 1 мкс), так и лазер, генерирующий короткие световые импульсы. В обоих случаях короткие импульсы необ­ходимы для того, чтобы обеспечить генерацию до того, как в триплетном состоянии накопится существенная населенность, и до появления градиентов показателя преломления в жидкости. При накачке импульсной лампой можно применять эллиптиче­ский осветитель или осветитель с плотной упаковкой (см. рис. 3.1,6 и в). Чтобы обеспечить лучшую однородность накач­ки, а отсюда и более симметричные градиенты показателя пре­ломления, применяют также и спиральные лампы в конфигура­ции, аналогичной рис. 3.1, а. Для лазерной накачки часто приме­няют азотный лазер, УФ-излучение которого подходит для

^{накачки многих красителей, генерирующих в видимой области}

спектра. Для получения больших энергий и средних выходных мощностей для накачки УФ-пзлучением все чаще применяют бо­лее эффективные эксимерные лазеры (в частности, KrF и XeF), в то время как для красителей с длиной волны излучения более чем 550—600 нм предпочитают использовать вторую гармонику Nd : YAG-лазера в режиме модуляции добротности (%= 532нм), а также зеленое пли желтое излучение лазера на парах меди.

В этих лазерах с накачкой в видимом диапазоне КПД преоб­разования энергии лазера накачки в выходную энергию лазера на красителе (30—40 %) намного ирепышает КПД преобразо­вания, получаемые при лазерной УФ-накачкс (~ 10 %). Кроме того, под воздействием излучения накачки существенно умень­шается деградация красителя. Во всех рассмотренных выше слу­чаях» когда применяют импульсную лазерную накачку, исполь­зуют, как правило, схему с поперечной накачкой (т. с. направ­ление распространения пучка накачки перпендикулярно оси

резонатора); см. рис. 6.32. В этом случае пучок лазера накачки

Дифракционная

Зеркало

Кюеета — с красителем

Зеокало

Пучок накачки

решетка

Рис. 6.32. Устройство лазера на красителе с поперечной накачкой. В каче­стве накачки может служить пучок азотного лазера, экснмерного лазера или лазера на парах меди, а также пучок второй гармоники Nd : YAG-лазера с