Лазеры на красителях
Активная среда находится в жидком состоянии
В качестве активной среды в них выступают растворы многоатомных органических молекул – красителей
Лазерная генерация получена более чем на трехстах красителей
S2
T2
S1
T1
S0
Все состояния можно разделить на электронные, колебательные и вращательные
Расстояния между электронными состояниями составляют порядка 104 см-1
Состояния делятся на синглетные S-состояния и триплетные Т-состояния
Лазеры на красителях
Вследствие очень большого количества степеней свободы расстояние между отдельными колебательно-вращательными состояниями мало – имеется практически непрерывная полоса поглощения в пределах одного электронного состояния
Правилами отбора разрешены излучательные переходы без изменения полного спина - разрешены синглет-синглетные и триплет-триплетные переходы
Излучение накачки возбуждает переходы из S0-состояния в S1-состояние
Далее сначала происходит установление термодинамического равновесия внутри S1-состояния
Затем электроны с испусканием фотона переходят в S0-состояние в
соответствии с принципом Франка-Кондона - максимальная вероятность достигается для переходов, попадающих в верхнюю часть S1-состояния
В S0-состоянии электроны быстро релаксируют вниз в соответствии с больцмановским распределением
Лазеры на красителях
Схема накачки в лазерах на красителях практически является аналогом классической четырехуровневой системы
Схема накачки и генерации лазера на красителе
Верхние уровни S1-состояния
Нижние уровни S1-состояния
|
|
|
|
Накачка |
|
Генерация |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Верхние уровни S0-состояния
Нижние уровни S0-состояния
Лазеры на красителях
Механизмы ухода электронов из S1-состояния
1.Частоты испущенных фотоном могут оказаться резонансными частотам переходов в S2-состояние
2.Часть электронов может перейти из S1-состояния в триплетное
Т1-состояние излучательно или безызлучательно (синглет-триплетная конверсия)
Разрешенные триплет-триплетные переходы Т1-Т2 совпадают по частотам со спектром люминесценции красителя, что сильно препятствует генерации
Опустошение Т1-состояния - добавление в краситель компонентов, при
столкновении с которыми скорость безызлучательной релаксации из Т1-состояния в S0-состояние увеличивается (тушение триплетного состояния)
Ширина спектра генерации лазеров на красителях определяется шириной спектров их люминесценции с плавной перестройкой по частоте
Лазеры на красителях
Источники накачки для импульсного режима: либо немонохроматические импульсные лампы, либо лазерные источники – рубиновый лазер на второй гармонике, гармоники неодимового лазера, эксимерные лазеры, азотный лазер.
Длительность импульса накачки не превышает нескольких микросекунд
Для непрерывного режима генерации одни из наилучших результатов |
||
получаются при использовании аргонового лазера |
||
|
Схема накачки |
|
Зеркало |
|
Зеркало |
Пересечение струи красилеля |
Зеркало |
|
|
|
|
и излучения лазера накачки |
|
|
|
Зеркало |
Выходное излучение |
Излучение лазера накачки |
|
|
|
|
|
Лазеры на красителях Необходимость быстрой прокачки активной среды
устранение температурных эффектов 
устранение продуктов фотолиза красителя
нагрев красителя излучением накачки → возникновение температурных градиентов → неоднородности показателя преломления
ксантеновые красители – видимая область спектра
кумариновые красители - от 400 нм до 500 нм
Типы
красителей
сцинтилляторные красители – УФ диапазон (< 400 нм)
полиметиновые красители - от 700 нм до 1.5 мкм
Широкие полосы люминесценции красителей позволяют осуществлять генерацию в лазерах на красителях в режиме синхронизации мод
Твердотельные лазеры
Активная среда - либо диэлектрический кристалл, либо стекло
Концентрация частиц увеличивается на несколько порядков по сравнению с газом, что приводит к большим величинам коэффициента усиления и, как следствие, к большим выходным мощностям излучения твердотельных лазеров
Рубиновый лазер
Активная среда - диэлектрический кристалл Al2O3 (корунд), в котором 0.05% ионов Al3+ замещены на ионы Cr3+
Для лазеров кристаллы специально выращиваются
Накачка и генерация в рубиновом лазере осуществляется на переходах между энергетическими состояниями ионов хрома, находящихся в электрическом поле кристаллической решетки корунда
Ион хрома имеет широкие полосы поглощения в фиолетовой и зеленой спектральных областях
Твердотельные лазеры: рубиновый лазер |
4F |
1 |
4F |
2 |
2A |
E |
1= 694.3 нм |
2= 692.8 нм |
4A |
2 |
Схема энергетических состояний иона хрома в Al2O3 |
Твердотельные лазеры: рубиновый лазер
Состояния 4F1 и 4F2 вследствие эффекта Штарка расщеплены на ряд
близкорасположенных уровней, давая широкие полосы поглощения в зеленой и фиолетовой спектральных областях с центрами на длинах волн 0.55 мкм и 0.42 мкм
Из состояний 4F1 или 4F2, электрон быстро за времена порядка пс безызлучательно релаксирует в состояния 2Aи E
Расстояния между уровнями 2A и E составляет 29 см-1, переходы из них в
основное состояние запрещены в приближении электрического диполя
Схема накачки - трехуровневая
Две длины волны генерации - 692.8 нм и 694.3 нм
Накачка - оптическая
Источники накачки - импульсные ксеноновые или ртутные лампы
Активная среда - цилиндрический рубиновый стержень диаметром 2-3 см и длиной от 5 см до 30 см
Твердотельные лазеры: рубиновый лазер
Системы оптической накачки
Отражатель
Лампа
Стержень |
Лампа |
Стержень |
|
Отражатель |
|||
|
|||
|
|
Лампа |
Стержень |
|
Лампы |
||
|