1.4.1 Лазери на органічних барвниках
Активна середу лазера на барвнику складається з розчину органічного барвника. Коли барвник збуджується зовнішнім джерелом короткохвильового випромінювання, він випромінює на більш довгих хвилях або флуоресціює, поглинаючи фотон на довжині хвилі збудження, а потім випромінюючи фотон на довжині хвилі флуоресценції. Різниця енергії фотонів йде на Безвипромінювальні переходи і в кінцевому рахунку перетворюється на тепло.
Малюнок. 1.10. Спектр поглинання (1) і флуоресценції (2) типового лазерного барвника
На мал. 1.10 приведені спектри поглинання і флуоресценції типового лазерного барвника. Крива флуоресценції, захоплююча жовту і більшу частину червоній області спектра, зрушена в більш довгохвильову область по відношенню до кривої поглинання, що займає блакитний і зелений ділянки спектру. Ця ситуація аналогічна розглянутій тут при описі лазера на рубіні: випромінювання лампи накачування лежить переважно в зеленій і блакитній областях спектра, а кристал рубіна флуоресціює в червоній області. Істотна відмінність полягає в тому, що барвник флуоресціює у винятково широкому діапазоні частот видимій області спектра на противагу дуже вузькій смузі флуоресценції типового твердотільного лазера. [9]
Малюнок. 1.11. Діаграма рівнів для лазера на барвниках.
Синглет-триплетні переходи S1ÞT1 (інтекомбінаціонние переході 2) призводять до сильного поглинання лазерного випромінювання і зриву генерації за рахунок переходу T1ÞT2, що обмежують вихідну потужність (переході 1).
Широкий спектр флуоресценції барвника можна пояснити за допомогою наведеної на рис. 1,2 схеми енергетичних рівнів типовою молекули барвника. Молекула барвника має дві групи станів: синглетні (S0, S1 та S2) і триплетні (Т1 і Т2). (Синглетні стани виникають, коли повний спін порушених електронів в молекулі дорівнює нулю, а триплетні -. Коли спин дорівнює одиниці) Як ми вже відзначали при розгляді правил відбору та радіаційних часів життя, синглет-триплетні і тріплетсінглетние переходи малоймовірні в порівнянні з синглет-синглетним і триплет-триплетними переходами. Накачування лазера на барвниках відбувається при поглинанні фотонів, які переводять молекули з основного стану S0 в перший збуджений стан S1. Потім відбувається швидкий безвипромінювальний перехід в найнижчими з рівнів стану S0. Стимульоване випромінювання виникає при переході між рівнем, розташованим поблизу дна стану S1, і деяким проміжним рівнем стану. Так як стану S0 і S1 містять безліч окремих коливально-обертальних підрівнів, показаних на малюнку окремими лініями, то виникає лінія випромінювання дуже широка. Триплетні стану T1 і T2 не беруть участь безпосередньо у генерації випромінювання, тим не менш наявність їх досить істотно. Є деяка мала ймовірність того, що буде мати місце заборонений перехід S1ÞT1 (званий інтеркомбінаціонним переходом). Так як перехід Т1ÞS0 (фосфоресценція) також є забороненим, молекули мають тенденцію накопичуватися в стані T1. Але перехід T1ÞT2 є дозволеним, і, на жаль, діапазон частот для цього переходу майже в точності дорівнює діапазону робочих частот лазера. Як тільки в результаті переходів значне число молекул накопичується в стані T1 поглинання на переході T1ÞT2 швидко зменшує коефіцієнт посилення і може зірвати генерацію. З цієї причини деякі лазери на барвниках працюють в імпульсному режимі при тривалості імпульсу меншою, ніж та, яка потрібна для досягнення помітних значень населеності стану T1. Для деяких барвників може також мати місце поглинання, пов'язане з переходами в більш високі синглетні стану (S1ÞS2), тому слід вибирати такі барвники, у яких частоти цих переходів не лежать в цікавить дослідника спектральної області. [10]
Малюнок. 1.12. Вихідна потужність деяких поширених лазерних барвників:
1-карбостіріл 165 (1,5 Вт, УФ), 2-кумарин 120 (1,5 Вт, УФ), 3 - кумарин 2 (1,8 Вт УФ.), 4 - 7-діетиламіно-4-метілкумарін (1 , 35 Вт, УФ), 5 - кумарин 102 (1,5 Вт, УФ), 6 - кумарин 7 (1,2 Вт, 4765), 7-кумарин 6 (2,3 Вт, 488O), 8 - Na-флуоресцеіі (4 Вт сумарного випромінювання); 9 - родамін 110 (4 Вт сумарного випромінювання); 10 - родамін 6G (4 Вт сумарного випромінювання); 11 - родамін 6G (2 Вт сумарного випромінювання); 12 - родамін В (4 Вт сумарного випромінювання) , 13-перхлорат Креза фіолетового (5 Вт сумарного випромінювання;. 14-перхлорат нільського блакитного (0,75 Вт, 6471) У дужках у найменування барвника вказані типова потужність накачування випромінюванням Аг +-лазера, необхідна для отримання наведених кривих перебудови і область спектра випромінювання.
Використання різних барвників в якості активних середовищ дозволило здійснювати плавну перебудову робочої частоти в широкому діапазоні, що охоплює майже всю видиму область спектру (рис. 3). З малюнка видно, що застосування родаміну 6G характерно для багатьох систем, це пов'язано з його високим ККД перетворення (»20%) і широким спектральним діапазоном перебудови. Максимальна вихідна потужність лазера на барвниках залежить від використовуваного розчинника та якості юстування оптичного резонатора. Деякі добавки, такі, як ціклооктатетрен, можуть злегка зрушувати смугу флуоресценції барвника і збільшувати потужність випромінювання. [4]