15. Лазеры на красителях

Число лазерных материалов расширилось и стало практически неограниченным после запуска в 1966 г. Сорокиным и Ланкардом в США [1], Шефером, Шмидтом и Вольсом в ФРГ [2] и Степановым, Рубиновым и Мостовниковым в СССР [3] первых лазеров на красителях. Подробные описания действия лазеров на красителях даны в работах Степанова и Рубинова [4] и Басса, Дойча и Вебера [5].

Красители — это сложные органические соединения, сильно поглощающие видимый свет [6]. Они обычно состоят из бензольных пиридиновых азотных и других колец. Для иллюстрации на рис. 15.1 показаны структуры трех известных красителей, достаточно широко применяемых в лазерах.

Рис. 15.1. Структура трех красителей, находящих широкое применение в лазерах.

Большинство красителей в растворах имеет ионный характер. Знак заряда иона зависит от того, является ли раствор кислотным или основным. Например, флюоресцеин в кислотной среде представляет собой положительный ион, а в основной среде — двухвалентный анион. Существенное влияние на свойства красителя оказывают радикалы или которые в основном определяют поглощение вещества.

Оптические свойства красителя полностью проявляются лишь в жидких и твердых растворах. Если краситель имеет кристаллическую форму, характерное для него поглощение ослабевает или вообще исчезает. В жидких растворах чаще всего наблюдается кратковременная люминесценция. Время жизни молекулы в возбужденном состоянии составляет около 10-9 с. В твердотельных растворах дополнительно появляется долговременное свечение. В дальнейшем нас будет интересовать лишь кратковременная люминесценция. Спектр поглощения или испускания красителей состоит из основной полосы шириной 150 МГц в видимом диапазоне и дополнительной полосы в ультрафиолетовом диапазоне. Люминесценция большинства красителей не зависит от длины волны возбуждающего излучения. Если, например, возбуждать родамин В излучением желтой линии натрия , происходит испускание во всем спектре люминесценции, причем около 40% излучения носит антистоксов характер (о стоксовом и антистоксовом излучении см. в гл. 19, о комбинационном рассеянии и рассеянии Мандельштама — Бриллюэна — в гл. 20). Если возбуждать тот же родамин ультрафиолетовым излучением , спектр люминесценции не изменяется, хотя в этом случае поглощение обусловлено возбуждением молекул в более высокие синглетные состояния. Отсюда следует вывод, что молекула очень быстро возвращается в низшее возбужденное синглетное состояние, с которого и начинается неизменный процесс люминесценции. Максимум свечения красителей смещен примерно на в длинноволновую область относительно максимума полосы поглощения (правило Стокса — Ломмеля).

Рис. 15.2. Упрощенная и детальная структуры энергетических уровней красителя, поясняющие кратко- и долговременную люминесценцию. Из работы Яблоньского 1935 г. [7].

Рис. 15.3. Основная структура энергетических уровней молекулы красителя, существенная с точки зрения его использования в лазере. На рисунке не показаны триплетные и высшие возбужденные состояния.

На рис. 15.2 приведены упрощенная и детальная структуры энергетических уровней типичной молекулы красителя, поясняющие процессы кратко- и долговременной люминесценции. Это объяснение предложено в 1935 г. Яблоньским [7]. На рис. 15.2, а кратковременная флюоресценция объясняется прямым переходом из возбужденного синглетного состояния В в основное состояние А.

На рис. 15.2, б показана роль ловушки, которую играет метастабильное состояние М (триплетное). Переход типа относится к интеркомбинационным переходам. Время жизни молекулы в метастабильном состоянии относительно велико, поскольку прямой переход в основное состояние запрещен. Благодаря тепловой энергии возможен обратный переход молекулы из состояния М в состояние последующий переход в состояние А является причиной

Таблица 15.1 (см. скан) Некоторые лазеры на красителях [4,5]

Таблица 15.2 (см. скан) Параметры лазеров на красителях

долговременной люминесценции. Наконец, рис. 15.2, в поясняет процесс долговременной люминесценции переходами между уровнями М и А, которые происходят при низких температурах, когда повторное возбуждение молекулы в синглетное состояние маловероятно.

На рис. приведена детальная структура энергетических уровней молекулы красителя, на которой показаны высшие состояния: синглетное и триплетное Если ограничиться низшими уровнями и процессом кратковременной флюоресценции, принципиальная структура энергетических уровней, существенных для понимания работы лазера на красителе, приобретает вид, показанный на рис. 15.3. Каждый электронный уровень состоит из ряда колебательно-вращательных подуровней. В табл. 15.1 перечислены некоторые широко известные лазеры на красителях, а в табл. 15.2 приведены их основные параметры.