Жидкостные лазеры

Интерес к жидкостным лазерам объясняется: легкостью получения активной среды, воз­можностью прокачки жидкости и обусловленной легкостью создания системы охлаждения, возможностью плавной перестройки частоты и т.п. Разновидности и параметры жидкостных лазеров иллюстрирует рис. 5.6.

Широкое применение имеют лазеры на органических красителях (Dye — Lasers). Раз­личные красители допускают перестройку длины волны генерации в диапазоне нескольких десятков нанометров при высокой монохроматичности, достигающей 1 МГц. Энергия одно­го импульса может достигать сотен джоулей, а мощность непрерывной генерации — десят­ков ватт при КПД в несколько десятков процентов в случае лазерной накачки. В режиме син­хронизации мод могут быть получены лазерные импульсы длительностью в десятые доли пикосекунды. Устройство жидкостного лазера приведено на рис. 5.7.

Активным веществом лазеров на красителях служат растворы молекул органических красителей в органических растворителях или в воде. Красителями являются сложные орга­нические соединения с разветвленной системой сопряженных химических связей. Эти со­единения обладают выраженной окраской, что вызвано наличием сильных полос поглоще­ния в видимой области спектра. Структура молекулы красителя сложна. Она содержит бен­зольные (С₆Н₆), передоновые (С₆Н₅М), азотные (C₄H₄N₂) и другие кольца. В лазерной техни­ке широко применяются красители на основе родамина 6G.

Структурная формула органического красителя родамин 6G приведена на рис. 5.8.

Такая макромолекула обладает богатым набором разрешенных значений энергии элек­тронных, колебательных и вращательных состояний. Энергетические расстояния между этими состояниями имеют порядок (1...3); (0,1...0,01) и (10^-3 10^-4) эВ соответственно. Колебательные и вращательные состояния перекрываются друг с другом, образуя серии разрешенных энергетических полос, соответствующих определенным электронным состоя­ниям. Последние можно разбить на две группы: синглетные (S) и триплетные (Т) состояния (рис. 5.9). К первой группе относится состояние с антипараллельной ориентацией спинов (S =0), а ко второй — с параллельной (S = 1) ориентацией.

Каждое электронное состояние сопровождается серией колебательных уровней (выде­лены жирными линиями) и серией вращательных уровней. Согласно правилам отбора по спинам оптические переходы разрешены между состояниями с одинаковой мультиплетностью (∆S = 0) т.е. переходы S-S (синглет-синглетные) и Т-Т (триплет-триплетные). Они имеют наибольшую вероятность.

При нормальных условиях молекулы находятся в основном состоянии S₀. В результате поглощения оптического излучения молекула переходит из основного состояния S₀ на один из колебательно-вращательных уровней S₁. Спектр поглощения, определяемый такими пе­реходами, представляет собой широкую полосу. Спектральное положение максимума поло­сы поглощения определяет цвет красителя и для разных веществ изменяется примерно от 0,3 до 1 мкм. Ширина полосы поглощения также различна для разных красителей и пример­но равна 0,2 эВ.

Падая в результате оптического перехода S₀→ S₁ в одно из возбужденных состояний полосы S₁, молекула в результате релаксационных безызлучательных процессов по коле­бательно-вращательным подуровням внутри состояния S₁ переходит на нижние уровни группы S₁. Этот процесс термализации происходит очень быстро, за время порядка 1 пс. Термализованные носители из состояния S₁ излучательно или безызлучательно переходят в основное состояние S₀. У небольшого количества известных красителей излучательные процессы преобладают над безызлучательными. Излучательное время жизни для перехо­дов S₁ → S₀ мало и составляет примерно 1 нс.

Сингпетные

состояния

При интенсивной оптической накачке между нижними состояниями полосы S₁ и верхними S₀ мо­жет быть достигнута инверсия населенностей. Ге­нерация осуществляется по четырехуровневой схе­ме между энергетическими состояниями полос S₁ и S₀. Триплетные состояния Т₁ и Т₂ не участвуют в процессе лазерной генерации, а, напротив, препят­ствует ей.

Наибольший интерес лазер на органическом красителе представляет как генератор с перестраи­ваемой длиной волны. Для осуществления этой воз­можности применяют дисперсионный резонатор, собственную частоту которого можно перестраи­вать. Идеальный вариант — одномодовый одночас­тотный резонатор.

Вероятность оптических переходов S₀ → S₁ с красителем весьма высока, показатель поглоще­ния и показатель усиления для этих веществ могут быть очень велики. Они примерно на два порядка превышают показатель усиления малого сигнала для твердотельных лазеров на гранате и рубине.

По этой причине лазеры на красителях, обладая вы­соким коэффициентом усиления, требуют неболь­шого объема активной среды (1 мм³).

Поглощение интенсивного излучения накачки и последующий нагрев малого объема красителя при­водит к необходимости быстрой непрерывной заме­ны вещества в рабочем объеме. Если этого не де­лать, произойдет термическое разложение красите­ля, а также накопление молекул в триплетном со­стоянии Т₁ и срыв генерации.

Применяя набор различных красителей, жидко­стные лазеры перекрывают диапазон длин волн от 0,34 до 1,17 мкм. КПД современных лазеров на ор­ганических красителях достигает 30% при накачке лазерным излучением и 1% при накачке импульсными лампами.

В непрерывном режиме выходная мощность рассматриваемых лазеров достигает не­скольких ватт, в импульсных режимах мощность может достигать МВт при длительности импульса 20 нс и частоте повторения до 200 Гц, расходимость лазерного пучка составляет (2...2,5) мрад.

В режиме синхронизации мод возможна генерация очень коротких световых импульсов (3•10 ^-14 с).