Пред.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
Лекция двадцать вторая. ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХСпектрально-люминесцентные свойства красителей. Схема уровней. Цикл оптической накачки. Перестройка частоты излучения. Паразитные процессы. Коэффициент усиления. Непрерывный и импульсный режимы. Пороговая накачка. Ламповая и лазерная накачка, непрерывный режим. Среди лазеров на конденсированных средах особое место занимают лазеры на красителях, точнее, на растворах молекул органических красителей в органических растворителях или в воде. Эти лазеры известны с 1966 г. Лазеры на красителях замечательны прежде всего тем, что, работая в широком диапазоне длин волн от ближнего ИК до ближнего УФ излучений включительно, они допускают плавную перестройку длины волны генерации в диапазоне шириной в несколько десятков нанометров с монохроматичностью, достигающей 1-1,5 МГц. Лазеры на красителях работают в непрерывном, импульсном и импульсно-периодическом режимах. Энергия импульсов излучения достигает сотен дяо-улей, мощность непрерывной генерации — десятков ватт, частота повторения — сотен герц, к. п. д. — десятков процентов (при лазерной накачке). В импульсном режиме длительность генерации определяется длительностью импульсов накачки. В режиме синхронизации мод достигается пикосекундвый и субникосекундный диапазоны длительностей. Приведенные данные относятся к различным лазерам, отличающимся друг от друга конструкцией резонатора, источником накачки, рабочим веществом и т. д. Но для всех характерна возможность плавной перестройки длины волны излучения, что в сочетании с любым другим набором лазерных параметров делает эти генераторы монохроматического излучения уникальными. Свойства лазеров на красителях определяются свойствами их рабочего вещества — органических красителей. Исторически красителями назывались органические соединения, обладающиеинтенсивной окраской, т. е. интенсивным и. широкополосным поглощением в видимой области спектра, которая может быть более или менее прочно сообщена другим материалам. В настоящее время красителями принято называть сложные органические соединения с разветвленной системой сопряженных химических связей, обладающие интенсивными полосами поглощения в видимой или ближней УФ областях спектра. Требование окрашенности или способности окрашивать в этом определении опущено, так что, в сущности, слово краситель обозначает органические соединения с определенным химическим строением и спектрально-люминесцентными свойствами. Окрашенные органические соединения содержат насыщенные хромофорные группы тина Для нас существенно, что красители могут поглощать и испускать излучение в" ближних УФ и ИК, равно как и в видимой, областях спектра. Из известных сейчас многих тысяч красителей только относительно немногие флуоресцируют в растворе. Около двухсот-трехсот из них способны генерировать лазерное излучение. Их спектрально-люминесцентные свойства определяются структурой красителя и его взаимодействием с растворителем. Хотя длины волн, ширина, структура и интенсивность спектров различны для различных красителей или даже для одного и того же красителя в различных растворителях, можно указать ряд общих свойств, наличие которых делает лазерные красители в значительной мере подобными друг другу.
Рис. 22.1. Спектр поглощения и флуоресценции красителя родамин Во-первых, ширина полос поглощения и излучения составляет около В отличие от газовых лазеров на атомах и (небольших) молекулах, а также от твердотельных лазеров на примесных ионах, в случае лазера на молекулах органических красителей (молекулярная масса 200-600, 20-60 атомов в молекуле) точную схему энергетических уровней изобразить невозможно. Волновые функции различных конфигураций столь многоатомных молекул, обладающих богатейшей комбинацией разрешенных электронных, колебательных и вращательных состояний, неизвестны. Типичное число колебательных степеней свободы этих молекул (см. лекцию пятнадцатую) составляет величину, превышающую 102. Поэтому потенциальные ямы электронных термов, колебательные и вращательные уровни энергии в них должны строиться в весьма многомерном пространстве, что если и возможно, то заведомо ненаглядно. Конфигурация, а следовательно, и потенциальная энергия определенного электронно-колебательно-вращательного состояния молекулы красителя есть функция многих координат. Для целей схематического описания оказалось, однако, удобным упрощенное представление в условном конфигурационном пространстве, при котором вся совокупность конфигурационных координат заменяется одной условной координатой. На рис. 22.2 приведена построенная таким образом схема энергетических-уровней молекулы органического красителя. Колебательно-вращательные состояния, показанные на этой схеме, сгруппированы около электронных состояний, типичное расстояние между которыми составляет
Рис. 22.2. Схема уровней красителя: волнистые стрелки При комнатной температуре и в равновесных условиях населены нижние При сдвинутых равновесных конфигурациях (см. лекцию восемнадцатую) в соответствии с принципом Франка — Кондона возбуждаются высшие колебательные уровни состояния С нижних уровней состояния Время релаксации Вопрос о механизме колебательной релаксации в пределах терма Проведенное выше рассуждение выполнено применительно к накачке перехода При флуоресценции возбужденного красителя, не помещенного в резонатор, т. е. при спонтанном излучении в свободном пространстве, спектральные свойства испускаемого излучения определяются только взаимным расположением термов селективный (или, как чаще говорят, дисперсионный резонатор. Пусть для простоты рассуждений резонатор является одномодовым и одночастотным. При настройке такого резонатора на одну определенную частоту в пределах линии флуоресценции в силу хорошо известного нам эффекта положительной обратной связи именно на этой частоте происходит излучательное опустошение соответствующего верхнего уровня терма Очевидно, что при перестройке резонатора в пределах спектральной ширины линии флуоресценции красителя перестраивается частота излучения. При этом вплоть до импульсного режима с длительностью, меньшей времени колебательной релаксации в терме Радиационные переходы Более опасно триплет-триплетное и триплетных состояний красителя и перекрытие их волновых функций. Синглет-тринлетная конверсия уменьшает число молекул в состоянии Триплетное состояние В заключение обсуждения паразитных процессов опустошения состояния Квантовый выход флуоресценции красителей, используемых в лазерах, заключен в пределах Базируясь на проведенном выше анализе, дальнейшее рассмотрение удобно проводить, приняв вначале простую двухуровневую модель, содержащую основное и первое возбужденное сипглетные состояния
где каждая. Излучательный переход на частоте v происходит между термами
Рис. 22.3. К определению условия положительного усиления. Действительно, непрерывный спектр электронного терма, являясь наложением многих близких колебательных состояний, соответствует случаю неоднородного уширения спектральных линий. В индуцированном переходе на частоте v участвует та часть общего числа молекул, возбужденных в рассматриваемый терм, энергия которых попадает в интервал, соответствующий однородному уширению. Число молекул в некотором интервале Из (22.1) легко видеть, что усиление положительно при
При этом, как видно из рис. 22.3, частота излучения, на которой наблюдается усиление, составляет
где
Получение усиления на частотах При
удобном для анализа спектральной зависимости Двухуровневое приближение (22.1) не учитывает синглет-синглетных и триплет-триплетных переходов, приводящих к перепоглощению излучаемого света в системе возбужденных уровней красителя и уменьшению тем самым коэффициента усиления. Наиболее опасно, как уже отмечалось, триплет-триплетное поглощение. Обозначив сечение
Заселение триплетного терма происходит в процессе интеркомбинационной
Видна желательность тушения триплетного состояния, уменьшающего время Если условие (22.6) не выполнено, генерация в непрерывно режиме не достигается. Но в импульсном режиме при интенсивной накачке с крутым фронтом в силу различия в скоростях изменения населенностей
где Точное решение этих уравнений может быть получено на ЭВМ для произвольно заданного импульса накачки. Если считать, что
Интегрирующий характер процесса заселения триплетного уровня при большой длительности времени жизни триплетного состояния
ограничивающее сверху время существования усиления при наличии заметного Обратимся теперь к вопросу оценки интенсивности накачки, необходимой для достижения положительного усиления в рассмотренных выше случаях. Начнем с непрерывного режима. С учетом
где считается, что спектральный интервал однородного уширения
В стационарных условиях
где
Физический смысл этого выражепия прозрачен в полностью соответствует приведенному выше обсуждению. Обычно
становясь еще более прозрачным: пороговая интенсивность накачки должна превышать интенсивность насыщения синглет-синглетного перехода В импульсном режиме При длительностях, больших времени внутритермовой термализации, но меньших в соответствии с (22.8) времени интеркомбинационной конверсии (22.10) вид
Определение пороговой энергии накачки требует решения уравнений (22.7) и последующего интегрирования скорости накачки по времени до тех пор, пока условие (22.14) не начнет выполняться за счет энергии, затрачиваемой на перекачку молекул при переходе На интервалах времени, меньших времени ншзпи синглетного состояния S его заселение происходит существенно импульсным образом в эффективной двухуровневой системе
Если же нас интересуют отрезки времени, большие Подчеркнем, что все проведенное выше рассмотрение пороговых значений интенсивности (энергии) накачки выполнепо без учета паразитных потерь энергии в резонаторе лазера и потерь энергии на полезное излучение из резонатора лазера и имело в виду так называемое «электронное» усиление, характерное, в принципе, для рассматриваемого активного вещества и способа накачки. Не останавливаясь на технических деталях, отметим, что накачка красителей излучением импульсных ламп потребовала разработки специальных ламп высокой интенсивности с короткими фронтами включения, не превышающими 0,1-1 мкс. Наилучшие результаты дает, однако, лазерная накачка. В импульсном режиме используются вторая гармоника рубинового лазера (0,347 мкм), вторая (0,53 мкм), третья (0,353 мкм) и четвертая (0,265 мкм) гармоники неодимового лазера, а также излучения медного, азотного и эксимерных лазеров. Последние позволяют получать высокую частоту следования импульсов. Интересной является возможность накачки красителей излучением лазеров с синхронизацией мод. Если оптические длины резонаторов лазеров накачки и на красителе равны или кратны друг другу, в лазере на красителе осуществляется режим генерации ультракоротких импульсов (пикосекундный диапазон). Столь короткие импульсы света с плавно перестраиваемой длиной волны представляют собой уникальное средство исследования в спектроскопии быстропротекающих процессов, в фотохимии и в фотобиологии.
Рис. 22.4. Схема струйного лазера на красителе (а) и условное изображение струи (б): 1 — излучение накачки, 2 — плоскость струи, 3 — излучение генерации. В непрерывном режиме источником накачки служит аргоновый лазер, фокусировка излучения которого в малую область диаметром 10—100 мкм позволяет создать требуемую высокую интенсивность накачки. Для устранения термооптических искажений в активной среде лазера и последствий возможного фотолиза красителя необходима прокачка активной жидкости с такой скоростью, чтобы за несколько микросекунд произвести ее полную смену в активной области. Наилучшее из известных конструктивных решений изображено на рис. 22.4. Тонкая плоскопараллельная струя раствора ориентирована под углом Брюстера к оптической оси резонатора. Именно такие лазеры позволяют достигать предельно высокой монохроматичности и хорошей стабильности. Заметим в заключение, что лазеры на красителе при непрерывной накачке могут успешно работать в режиме активной и пассивной синхронизации мод (длительность пичков 1—2 не). Наконец, упомянем наиболее популярные красители. Это — нильский голубой, крезил-виолет, родамин, кумарин. Наилучшим из них является родамин Возможны твердые растворы красителей в полимерах типа полистирола или полиметилметакрилата. Для некоторых применений удобным приемом является пропитывание раствором красителя мелкопористой монодйсперсной губчатой стеклянной матрицы, прозрачной для лазерного излучения и накачки.
|
1 |
Оглавление
|