Жидкостные лазеры

Жидкостной лазер — лазер с жидким активным веществом. Преимуще­ство этого лазера перед твердотельными ла­зерами — однородность и возмож­ность циркуляции в нём жидкости с целью её охлаждения. Это позволяет получить большие энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном режимах. В первых жидкостных лазерах (1964—65) использовались растворы редкоземельных (РЗ) хелатов — комплексных соеди­нений, в которых активными являются ноны РЗ элементов. Свет накачки поглоща­ется окружающими РЗ атомами, об­ладающими широкими полосами воз­буждения. Энергия, поглощённая эти­ми атомами, быстро передаётся цент­ральному РЗ иону (Nd, Eu), т. к. электронные облака РЗ иона и окру­жающих его атомов перекрываются. Большие времена жизни метастабильных уровней Еu и Nd позволяют дос­тичь порога генерации. Однако хела-ты не нашли применения в жидкостных лазерах вследствие малой излучаемой ими энергии и их недостаточной химической стой­кости. На смену им пришли лазеры на красителях и на неорганических жидкос­тях (смесь Нd с оксихлоридом фосфора и тетрахлоридом олова и др., рис. 10), их кпд ~2—5%. Жидкостные лазеры, работающие на неорганических актив­ных жидкостях, излучают большуюэнергию при значительной средней мощности. При этом они генерируют излучение с узким спектром частот.

Рис. 11

Одним из видов жидкостных лазеров являются лазеры на красителях,использующие в качестве актив­ной среды органические соединения с раз­витой системой сопряжённых связей (красители в виде растворов или па­ров). Первые такие лазеры появились в 1966—67. Наиболее распространеныпроизводные оксазола, оксадиазола, бензола, а также кумариновые, ксантеновые, оксазиновые и полиметиновые красители. Электронные уровни молекул красителей сильно уширены (непрерывная совокупность колебательных состояний). Усиление и генерация возникают на переходах с нижних колебательных подуров­ней первого возбуждённого электрон­ного состояния S₁ на верхние, слабо заселённые подуровни основного электрон­ного состояния S₀ (рис. 12,а).

Рис. 12

Помимо излучательных переходов S₁→ S₀ часть молекул после возбужде­ния претерпевает безызлучательный переход в метастабильное триплетное состояниеТ₁. Накопление молекул в состоянииТ₁ приводит к поглощению генерируемого излучения и переходуТ₁→Т₂. Для устранения поглощения применяют кратковременные импульсы накачки с длительностью τ < τ_т(τ_т— время заселения уровняТ₁, τ_т~10^–6—10^–7с) либо добавляют в раствор «тушители», дезактивирующие метастабильный уровень, или осуще­ствляют протекание раствора через область накачки и оптический резонатор со ско­ростью, при которой молекула пересе­кает область накачки за времяt <τ_т(непрерывный режим генерации).

Оптическую накачку осуществляют ла­зерами (эксимерный лазер, газовые лазеры наN₂, на парах Сu, твердо­тельные лазеры) и газоразрядными им­пульсными лампами. В случае им­пульсной лазерной накачки лазер на красителях излучает одиночные или периодически повторяющиеся импульсы длитель­ностью от 1—2 до десятков нс при кпд от единиц до нескольких десятков % и мощности излучения, достигающей сотен МВт. Спектр излучения смещён в длинноволновую сторону относи­тельно лазера накачки (рис. 12,б) и генерация при смене красителя мо­жет быть получена на любой длине волны λ от 322 нм до 1260 нм. Наи­более широкую область перестройки спектра даёт накачка рубиновым лазером (основная волна λ=94 нм и вторая оптическая гармоника λ=347 нм).

Непрерывный режим генерации осуществляется при накачке красителей аргоновым или криптоновым лазерами. Область перестройке от 400 до 960 нм, кпд от единиц до десятков %, выходная мощность ~1–20 Вт. Особенно эффективны лазеры на красителях с прокачкой через резонатор раствора красителя, например в форме сво­бодной струи. Фильтр с нелинейным поглощением, помещённый в резона­тор, позволяет осуществить режим синхронизации мод, обеспечивающий непрерывную последовательность уль­тракоротких импульсов длительностью до 2∙10^–13с.

Лазеры на красителях с нелазерной накачкой ра­ботают в импульсном режиме с дли­тельностью излучения до 10²мкс. Для накачки используются коакси­альные или трубчатые импульсные лампы с крутым фронтом нараста­ния импульса. При накачке стан­дартными трубчатыми лампами (дли­тельность фронта τ_ф~ 10 мкс) энергия излучения ~ ~10 Дж, а кпд ~1%; в случае специальных ламп накачки получе­ны импульсы с энергией в несколько сотен Дж. При частоте повторения 200-300 Гц ламповой накачке мощность излучения >100 Вт (для родамина, λ ~ 580 нм). При длительности раз­ряда ламп накачки<1мкс область перестройки спектра ~ 340—960 нм. В случае более длительных импульсов на­качки (~ 10 мкс) область перестройки сужается (400—700 нм).

В простом оптическом резонатор красители генерируют излучение ши­рокого спектрального состава (∆λ ~ 10 нм). Однако линия генерации легко может быть сужена до 10^–3 — 10^–4нм без значительных потерь энергии излучения при использовании дисперсионных элементов, например дифракционной решётки (рис. 13). Наиболее узкие линии (~10³Гц) получают в непрерывных стабилизированных лазерах на красителях. Перестройка обычно осуществляется заменой кра­сителя (грубая) и поворотом дисперсионных элементов (плавная).

Рис. 13

Благодаря возможности получения высокого усиления в малом объёме лазеры на красителях перспективны для миниатю­ризации лазерных устройств. Особен­но интересны лазеры с распределён­ной обратной связью, где резонатор — периодическая структура (стационарная или динамическая), создаваемая в самой активной среде.