4.2.2. Режим сверхизлучения

Лазеры на красителях, работающие в режиме сверхизлучения, то есть в режиме однопроходного усиления света, можно возбуждать либо обычными гигантскими импульсами лазера, либо ультракороткими импульсами. В первом случае импульс возбуждающего лазера проходит через кювету, оптическая длина которой невелика, так что время прохождения через кювету мало по сравнению с длительностью возбуждающего импульса.

В типичном случае раствор помещался в кювету длиной 5 см, представляющую собой кварцевую трубку, торцы которой срезаны под углом Брюстера. Показатель преломления растворителя (диметилсульфоксид) был равен показателю преломления кварца (n =l,48). Кюветная трубка помещалась в цилиндр, содержащий раствор подходящего красителя в растворителе с более высоким показателем преломления, так что флуоресценция, попадающая на стенки кюветы, поглощалась. Это препятствовало образованию нежелательной обратной связи. За время максимальной интенсивности возбуждающего лазерного импульса пространственное распределение света накачки в кювете остается стационарным. При этом предположении можно рассчитать усиление для квантов спонтанной флуоресценции, которые возникают вблизи окна кюветы и распространяются вдоль оптической оси по направлению к другому окну. Расчет показал, что интенсивность сверхизлучения лазера на красителе в прямом и обратном направлениях почти одинакова, а расходимость луча определяется длиной и шириной кюветы. График зависимости интенсивности сверхизлучения от интенсивности возбуждения в такой системе для раствора DTTC с концентрацией 3 приведен на рис. 83.

При возбуждении сверхизлучения лазерной бегущей волной раствор красителя помещался в клиновидную (10 ) кювету толщиной 2 см. Метанольный раствор DTTC или подобного красителя возбуждался импульсом руоинового лазера длительностью несколько пикосекунд и пиковой мощностью 5 ГВт. Это приводило к почти полной инверсии красителя в области возбуждения с соответственно высоким коэффициентом усиления.

Расчет показывает, что при длительности импульса 5 пс, соответствующей инвертированной области в 2 мм, максимальное усиление для квантов спонтанной флуоресценции, проходящих через эту область, в растворе DTTC с концентрацией должно составлять 50 дБ. При расчете предполагалось, что насыщения не происходит и что время релаксации с франккондоновского состояния на верхний лазерный уровень пренебрежимо мало по сравнению с длительностью возбуждающего импульса. Поскольку время колебательной релаксации красителя в растворе обычно порядка нескольких пикосекунд и поскольку насыщение, очевидно, должно происходить при распространении возбуждающего импульса вдоль кюветы, то истинное усиление меньше рассчитанного выше значения.

Сверхизлучение в лазере на красителе имеет характер бегущей волны. Это подтверждено измерением отношения интенсивностей излучения лазера в направлениях вперед и назад. Эксперимент показал, что оно равно 100:1; расходимость луча составляла 15 мрад.

Поляризация излучения лазера на красителе при продольной и поперечной накачке определяется поляризацией возбуждающего лазерного излучения, относительной ориентацией моментов переходов в молекуле красителя, связанных с накачкой и излучением. и временем релаксации, соответствующей поворотной диффузии. Последнее определяется вязкостью растворителя, температурой и размером молекулы. Направления моментов переходов, ответственных за флуоресценцию и длинноволновое поглощение, одинаковы, так как в обоих процессах участвует один и тот же электронный переход.

10⁵ 10⁶

pa, ВТ

Рис. 83. Зависимость мощности сверхизлучения Р от мощности лазерной накачки Р_А полученная для раствора 3,3'-диэталтиатрикарбоцианинбромида концентрацией 3 в кювете, торцы которой скошены под углом Брюстера.

Треугольники-излучение назад; крестики-излучение вперед. Пунктир-теоретическая кривая.