3.3. Жидкостные лазеры

Жидкостной лазер представляет собой квантовый генератор, рабочим веществом которого является жидкость. Жидкостные лазеры делятся на следующие типы: на красителях, на органических жидкостях, на неорганических жидкостях.

Наибольший интерес представляет лазеры на органических красителях тем, что они допускают плавную перестройку частоты генерации по всей видимой области спектра, захватывая ближний УФ и ИК области. Такие лазеры могут работать в непрерывном, импульсном и импульсно- периодическом режиме. Энергия одного импульса может достигать сотен Дж, а мощность непрерывной генерации - десятков ватт при КПД в несколько десятков процентов при лазерной накачке.

Красителями принято называть сложные органические соединения с разветвленной системой сопряженных двойных связей (например, (-CH=)_n. Эти соединения, как правило, имеют интенсивную окраску, что связано с наличием сильных полос поглощения в видимой области спектра. Эти свойства краситель лучше проявляет в жидких и твердых растворах.

Структура молекулы красителя сложна, она может содержать несколько десятков атомов. Такая макромолекула обладает богатым набором различных значений 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. Естественно, выделить индивидуально каждый из уровней молекулы не представляется возможным.

Колебательные и вращательные состояния перекрываются друг с другом и образуют серии разрешенных энергетических полос, соответствующих определенным электронным состояниям. Эти состояния можно разбить на две группы: синглетные (S) и триплетные (Т) состояния.

Рис.3.3. Схема уровней органического красителя в растворе.

К первой группе относятся состояния с антипараллельной ориентацией спинов (S=0), ко второй с параллельной ориентацией спинов (S=1). Каждое электронное состояние, сопровождающее серией колебательных уровней (выделены жирными линиями) и серией вращающих уровней (рис. 3.3).

Согласно правилам отбора по спину оптические переходы разрешены между состояниями с одинаковой мультиплетностью () т.е. переходыS-S (синглет-синглетные) и Т-Т (триплет-триплетные). Переходы S-T и Т-S запрещены, их вероятность на три порядка меньше.

При нормальных условиях молекулы находятся в основном состоянии . В результате поглощения оптическое излучение молекулы переходит на один из колебательно- вращательных уровней состояния. Спектр поглощения представляет собой широкую бесструктурную полосу. В результате оптического перехода-молекула в результате релаксационных безызлучательных процессов по колебательно- вращательным подуровням внутри состоянияпереходит на нижние уровни группы. Этот процесс происходит за пикосекунды.

Термализованные носители из состояния излучательно или безызлучательно переходят в основное состояние. Из нескольких тысяч известных красителей лишь в некоторых из них (около 100) излучательные переходы преобладают над безызлучательными. Излученное время жизни для переходов-мало и составляет примерно 1 нс.

При интенсивной накачке между нижними состояниями и верхними состояниямиможет быть достигнута инверсия населенностей.Генерация осуществляется по четырехуровневой схеме между энергетическими состояниями полос и.

Триплетные состояния ине участвуют в процессе лазерной генерации, а напротив, препятствуют ей. Из возбужденных состояний, например, молекулы могут перейти в состояниебезызлучательным путем. Обычно вероятность этого перехода на порядок меньше вероятности излучательного перехода-. Попав в состояние, молекулы там накапливаются, поскольку переход-является запрещенным. Из состояниямолекулы могут оптическим путем переходить в состояние, поглощая фотоны соответствующих энергий. К сожалению, в большинстве красителей переходы-по энергии близки к переходу-и кроме того, они разрешены правилами отбора. Поэтому накопление молекул в состоянииприводит к появлению дополнительного паразитного поглощения на частотах генерации, что приводит ее срыву. По этой причине некоторые лазеры могут работать только в импульсном режиме.

Особенностью жидкостных лазеров является высокое значение ширины линии усиления активного перехода. Это обстоятельство позволяет создавать мощные лазеры в УФ-диапазоне длин волн. Одновременно можно производить плавную перестройку длины волны в достаточно широком диапазоне.