§1.5. Жидкостные лазеры
В жидкостных лазерах в качестве активной среды, как правило, используются водные или органические растворы.
Жидкости с активными ионами редкоземельных металлов.
В определенной мере жидкие растворы могут иметь преимущества перед твердотельными матрицами. Поскольку концентрация активных ионов в них может быть того же порядка, что и в стеклах, то и энергии, получаемые с единицы объема активных сред, могут быть сравнимы с характеристиками твердотельных лазеров. Объем активных сред пря этом ограничен лишь объемами кювет. В жидкостях отсутствуют постоянные напряжения, структурные неоднородности и включения, однако при оптической накачке в них могут возникать значительные неоднородности. Возможна прокачка активной среды через лазерную кювету для охлаждения рабочего тела. При больших плотностях энергии в активной среде не возникает необратимых разрушение. В качестве активных частиц в жидкостных матрицах используются те же редкоземельные ноны, что и в стеклах.
Лазеры на основе органических красителей. Это лазеры, использующие в качестве активной среды органические соединения (красители в виде растворов). Органические красители составляют большой класс многоатомных молекул с сопряженными двойными связями. Лазерные красители обычно принадлежат к одному из следующих классов: 1) полиметиновые красители, обеспечивающие генерацию в красной или ближней ИК-области ( = 0,7—1,5 мкм); 2) ксантеновые красители, генерирующие в видимой области ( = 500—700 нм); 3) кумариновые красители, генерирующие в сине-зеленой области ( = 400—500 нм); 4) сцинтилляторные красители, ( < 400 нм).
В качестве растворителей используют воду, этанол, метанол, циклогексан, толуол, глицерин, бензол, ацетон и другие жидкости, а также полимерные материалы: полистирол, полиметакрилат. Молекулы красителей имеют сложную структуру и характеризуются большим числом энергетических состояний, представляющих собой сложные комбинации электронных колебательных и вращательных состояний. При рассмотрении механизма создания инверсии населенностей пользуются упрощенной пятиуровневой схемой. Генерация в красителях возникает на переходах с нижних колебательных подуровней первого возбуждённого электронного состояния на верхние, слабо заселённые подуровни основного электронного состояния.
Оптическую накачку осуществляют различными лазерами (эксимерными, газовыми, гармониками твердотельных лазеров) или газоразрядными импульсными лампами. В случае импульсной лазерной накачки лазеры на красителях излучают одиночные или периодически повторяющиеся импульсы длительностью единицы – десятки нс при КПД единицы – десятки процентов и мощности излучения – до сотен МВт. Спектр излучения смещён в длинноволновую сторону относительно излучения лазера накачки (рис. 1.30) и генерация при смене красителей может быть получена в широком спектральном диапазоне (322 нм – 1500 нм).
Рис. 1.30. Спектры поглощения (1) и люминесценции (2) красителя.
Непрерывный режим генерации осуществляется при накачке непрерывным излучением, как правило, ионных аргонового или криптонового лазеров. При этом перестройка возможна в диапазоне от 400 нм до 960 нм, при КПД – до десятка % и выходной мощности – до 20 Вт. Оптическая схема узкополосного лазера на красителе изображена на рисунке 1.31. В простом оптическом резонаторе красители генерируют излучение широкого спектрального состава (~ 10 нм). Однако линия генерации легко может быть сужена до 10-3 нм при использовании дисперсионных элементов, например дифракционной решётки. Перестройка обычно осуществляется заменой красителя (грубая) и поворотом дисперсионного элемента (плавная).
Преимущества лазеров на красителях: плавная перестройка частоты излучения в значительном спектральном диапазоне, высокий коэффициент усиления сигнала (требуется лишь небольшой объем активной среды), недорогая и мало подверженная изменениям активная среда, менее громоздки, проще в эксплуатации (по сравнению с газовыми системами).
Рис. 1.31. Оптическая схема лазера на красителе. 1 – излучение накачки, 2 – поворотное зеркало, 3 – глухое зеркало резонатора, 4 – кювета (или поток) с раствором красителя, 5 – поворотное зеркало резонатора, 6 – частотный селектор, 7 – выходное зеркало резонатора.
Благодаря возможности перестройки длины волны, широкому спектральному диапазону работы и возможности генерации очень коротких импульсов лазеры на органических играют важную роль в различных областях. В частности, эти лазеры широко используются в научных приложениях либо как непрерывные узкополосные (вплоть до одномодовых) перестраиваемые источники излучения для спектроскопии с высоким разрешением по частоте, либо в качестве лазеров с короткими (вплоть до ~ 30 фс) выходными импульсами для спектроскопии с высоким разрешением во времени. Среди других приложений — биология и медицина (например, лечение сетчатки или фотодинамическая терапия), а также лазерная фотохимия (например, лазерное разделение изотопов 235U).