4.4 Жидкостные лазеры
Интерес к жидкостным лазерам обусловлен: легкостью получения активной среды, возможностью прокачки жидкости и обусловленную этим легкость создания системы охлаждения, возможностью плавной перестройки частоты и т. п. Разновидности и параметры жидкостных лазеров иллюстрирует рис. 4.6.
Рис. 4.6. Разновидности и параметры жидкокристаллических лазеров
Широкое применение имеют лазеры на органических красителях (Dye - Lasers). Различные красители допускают перестройку длины волны генерации в диапазоне нескольких десятков нанометров при высокой монохроматичности, достигающего 1 МГц. Лазеры на органических красителях в непрерывном, импульсном и импульсно – периодическом режимах. Энергия одного импульса может достигать сотен джоулей, а мощность непрерывной генерации десятков Ватт при КПД в несколько десятков % при лазерной накачке. В режиме синхронизации мод могут быть получены лазерные импульсы длительностью десятых долей пикосекунды. Устройство жидкостного лазера иллюстрировано на рис. 4.7.
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. Она содержит бензольные (С6Н6), передоновые (С6Н5N), азотные (С4Н4N2) и другие кольца. В лазерной технике широко применяются красители на основе родамина 6G.
Рис. 4.7. Устройство жидкостного лазера
Структурная формула органического красителя родамин 6G приведена на рис.. Структурная формула органического красителя родамин 6G приведена на рис. 4.8.
Рис. 4.8. Структурная формула органического красителя родамин 6G
Такая макромолекула обладает богатым набором разрешенных значений энергии электронных, колебательных и вращательных состояний. Энергетические расстояния между этими состояниями имеют порядок (1÷3)эВ, (0,1÷0,01) эВ и (10-3÷10-4) эВ, соответственно. Колебательные и вращательные состояния перекрываются друг с другом, образуя серии разрешенных энергетических полос, соответствующих определенным электронным состояниям.
Эти состояния можно разбить на две группы: синглетные (S) и триплетные (Т) состояния (см. рис. 4.9) к первой группе относится состояние с антипараллельной ориентацией спинов (S = 0), а ко второй – с параллельной (S = 1) ориентацией.
Рис. 4.9. Электронные состояния жидкостного лазера
Каждое электронное состояние сопровождается серией колебательных уровней (выделенных 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). Они имеют наибольшую вероятность.
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 широкую полосу. Спектральное положение максимума полосы поглощения определяет цвет красителя, и для разных веществ изменяется примерно от 0,3 до 1 мкм. Ширина полосы поглощения также различна для разных красителей, и примерно равна 0,2 эВ.
Падая в результате оптического перехода S0 → S1 в одно из возбужденных состояний полосы S1, молекула в результате релаксационных безызлучательных 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 безызлучательно переходят в основное состояние S0. У небольшого количества известных красителей излучательные процессы преобладают над безызлучательными. Излучательное время жизни для переходов S1 → S0 мало и составляет примерно 1 нс.
При интенсивной оптической накачке между нижними состояниями полосы S1 и верхними S0 может быть достигнута инверсия населенностей. Генерация осуществляется по четырехуровневой схеме между энергетическими состояниями полос S1 и S0. Триплетные состояния Т1 и Т2 не участвуют в процессе лазерной генерации, а, напротив, препятствует ей.
Наибольший интерес представляет лазер на органическом красителе, используемый как генератор с перестраиваемой длиной волны. Для осуществления этой возможности применяют дисперсионный резонатор, собственную частоту которого можно перестраивать. Идеальный вариант – одномодовый одночастотный резонатор.
Вероятность оптических переходов S0 → S1 с красителем весьма высока, показатель поглощения и показатель усиления для этих веществ могут быть очень велики. Они примерно на два порядка превышают показатель усиления малого сигнала для твердотельных лазеров на граните и рубине. Лазеры на красителях, обладая высоким коэффициентом усиления, требуют небольшого объема активной среды (1 мм3).
Поглощение интенсивного излучения накачки и последующий нагрев малого объема красителя приводит к необходимости быстрой непрерывной замены вещества в рабочем объеме. Если этого не делать, произойдет термическое разложение красителя, а также накопление молекул в триплетном состоянии Т1 и срыв генерации.
Применяя набор различных красителей, жидкостные лазеры перекрывают диапазон дин волн от 0,34 мкм 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 десятка Ватт, в импульсных режимах мощность может достигать от десятка ватт до нескольких 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 световых импульсов (3∙10-14 с).