Лазеры на красителях Активная среда находится в жидком состоянии
В качестве активной среды в них выступают растворы многоатомных органических молекул – красителей
Количество атомов в различных красителях колеблется от десятков до нескольких сотен
В красителях содержатся группы –NO2, –N=N–, =CO, –NH2, –OH, которые ответственны за их окраску
Красители имеют широкие полосы поглощения и люминесценции в видимой области спектра, а также в ближнем УФ и ИК диапазонах
Первые лазеры на красителях появились в середине 60-х годов 20-века
Лазерная генерация получена более чем на трехстах красителей
Теоретическое построение потенциальных поверхностей молекул красителей невозможно – большое количество степеней свободы
Лазеры на красителях
Упрощенные модели позволяют довольно точно описать возможные состояния многоатомных молекул красителя и переходы между этими состояниями
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
Закон Стокса: максимальная вероятность достигается для переходов, попадающих в верхнюю часть S1-состояния
Спектр флуоресценции красителей смещен в область меньших частот относительно спектра поглощения
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
Большинство лазеров на красителях обладают исключительно высоким коэффициентом усиления малого сигнала → требуется лишь небольшой объем активной среды
Накачка лазеров на красителях
Струя раствора красителя из специально сконструированного сопла выпускается в воздух, где образует ровный ламинарный слой, через который проходит излучение лазера накачки
Для возникновения ламинарного режима истечения из сопла в качестве растворителя используют вещества с очень высокой вязкостью
Накачка аргоновым лазером
Луч аргонового лазера фокусируется в пятно размером порядка 10 мкм в области пересечения со струей красителя примерно такого же диаметра
Для того, чтобы излучение лазера на красителе было линейно поляризованным, плоскость, в которой течет струя красителя, находится под углом Брюстера по отношению к оси резонатора
Лазеры на красителях
Фотография сопла лазера с ламинарным потоком красителя и коллектора. 1 – лазерное излучение накачки; 2 – область потока красителя; 3 – патрубок для сбора раствора красителя; 4 – сопло; 5 – шланг для подачи красителя
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