6.4.2. Параметры лазеров на красителях

Из приведенного выше рассмотрения вполне разумно ожидать, что лазеры, в которых используются красители, могут генерировать на длинах волн в области спектра флуоресценции. Действительно, быстрая безызлучательная релаксация внутри возбужденного синглетного состояния приводит к очень эффективному заселению верхнего лазерного уровня, а быстрая релаксация внутри основного состояния — к эффективному обеднению нижнего лазерного уровня. Следует также заметить, что в области длин волн флуоресценции раствор красителя достаточно прозрачен (т. е. соответствующее сечение поглощения невелико; см., например, рис. 6.29). Фактически же первый лазер на красителях был запущен поздно (в 1966 г.) [24, 25] относительно времени, с которого началось общее развитие лазерных устройств. Рассмотрим некоторые причины этого. Во-первых, это очень короткое время жизни состояния поскольку мощность накачки обратно пропорциональна т. Хотя такой недостаток частично компенсируется большой величиной сечения перехода, произведение от [напомним, что пороговая мощность накачки пропорциональна см. (5.35)] все же остается примерно на три порядка величины меньше, чем для твердотельных лазеров, таких, как Nd:YAG. Вторая трудность обусловлена синглет-триплетной конверсией. Действительно, если то молекулы будут накапливаться в триплетном состоянии, что приведет к поглощению за счет перехода (который является оптически разрешенным). К сожалению, это поглощение происходит, как правило, на длине волны флуоресценции (см., например, опять-таки рис. 6.29), что приводит к серьезному препятствию для возникновения генерации. Можно показать, что именно поэтому непрерывную генерацию можно получить лишь в случае, когда меньше некоторого значения, определяемого свойствами активной среды из красителя. Чтобы получить этот результат, заметим прежде всего, что кривую пропускания флуоресценции красителя (рис. 6.29) можно описать с помощью сечения вынужденного излучения ое. Таким образом, если полная населенность состояния то соответствующее усиление (без насыщения) на определенной длине волны, при которой рассматривается равно где — длина активной среды. Предположим теперь, что населенность триплетного состояния Тогда генерация будет происходить при условии, что усиление за счет вынужденного излучения больше потерь, обусловленных триплет-триплетным поглощением, т. е.

В стационарных условиях скорость релаксации населенности с триплетного состояния должна быть равна скорости ее нарастания за счет синглет-триплетной конверсии т. е.

Объединяя (6.17) и (6.18), получаем условие

которое является необходимым для непрерывной генерации [т. е. мы получили условие, в некотором смысле эквивалентное соотношению (5.25)]. Если это условие не выполняется, то лазер может генерировать только в импульсном режиме, причем длительность импульса накачки должна быть достаточно короткой, чтобы обеспечить значительную населенность, прежде чем она накопится в триплетном состоянии. Наконец, третьим мешающим фактором являются тепловые неоднородности, возникающие в жидкости под действием накачки. Они приводят к градиентам показателя преломления, препятствующим возникновению генерации.

Лазеры на красителе работают либо в импульсном, либо, если выполняется условие (6.19), в непрерывном режиме. Лазерная генерация в импульсном режиме получена на большом числе различных красителей, причем для накачки применялись как импульсная лампа с коротким импульсом (при длительности переднего фронта так и лазер, генерирующий короткие световые импульсы. В обоих случаях короткие импульсы необходимы для того, чтобы обеспечить генерацию до того, как в триплетном состоянии накопится существенная населенность, и до появления градиентов показателя преломления в жидкости. При накачке импульсной лампой можно применять эллиптический осветитель или осветитель с плотной упаковкой (см. рис. 3.1, б и в). Чтобы обеспечить лучшую однородность накачки, а отсюда и более симметричные градиенты показателя преломления, применяют также и спиральные лампы в конфигурации, аналогичной рис. 3.1, а. Для лазерной накачки часто применяют азотный лазер, УФ-излучение которого подходит для накачки многих красителей, генерирующих в видимой области спектра. Для получения больших энергий и средних выходных мощностей для накачки УФ-излучением все чаще применяют более эффективные эксимерные лазеры (в частности, в то время как для красителей с длиной волны излучения более чем 550—600 нм предпочитают использовать вторую гармонику Nd : YAG-лазера в режиме модуляции добротности а также зеленое или желтое излучение лазера на парах меди,

В этих лазерах с накачкой в видимом диапазоне КПД преобразования энергии лазера накачки в выходную энергию лазера на красителе (30-40 %) намного превышает КПД преобразования, получаемые при лазерной УФ-накачке (~ 10%). Кроме того, под воздействием излучения накачки существенно уменьшается деградация красителя. Во всех рассмотренных выше случаях, когда применяют импульсную лазерную накачку, используют, как правило, схему с поперечной накачкой (т. е. направление распространения пучка накачки перпендикулярно оси резонатора); см. рис. 6.32.

Рис. 6.32. Устройство лазера на красителе с попсречпоп накачкой. В качестве накачки может служить пучок азотного лазера, экснмерного лазера или лазера на парах меди, а также пучок второй гармоники Nd : YAG-лазера с модулированной добротностью.

В этом случае пучок лазера накачки фокусируется линзой представляющей собой обычно комбинацию сферической и цилиндрической линз, в тонкую линию вдоль оси резонатора лазера. Длина линии равна длине ячейки с красителем (несколько миллиметров), в то время как поперечный размер, как правило, меньше 1 мм. Для перестройки длины волны выходного излучения в пределах широкой полосы излучения красителя обычно применяется дифракционная решетка, помещаемая в резонатор под углом скользящего падения. Лазер перестраивается поворотом зеркала Скользящее падение используется для увеличения разрешающей силы решетки и, следовательно, для существенного уменьшения ширины линии излучения . Еще более узкие полосы генерации, вплоть до одномодовой, можно получить при установке одного или более эталонов Фабри — Перо, как уже обсуждалось в разд. 5.3.5.2. Для непрерывной лазерной накачки часто применяются -лазеры (иногда также и -лазеры). Чтобы обеспечить существенно более низкий порог генерации,

что необходимо при непрерывной накачке, теперь используется продольная схема накачки, приведенная на рис. 6.33. Жидкая активная среда с красителем имеет вид свободно текущей тонкой струи (диаметром около 200 мкм) в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка и наклоненной под углом Брюстера к оси пучка лазера на красителе. Соответственно и лазерный пучок является линейно поляризованным, причем вектор его электрического поля располагается в плоскости рисунка. Оба пучка — накачки и лазерный — фокусируются в очень маленькое пятно (диаметром примерно 10 мкм) внутри струи.

Рис. 6.33. Устройство непрерывного лазера на красителе с накачкой аргоновым лазером.

Для перестройки лазера в резонатор можно внести призму или двулуче-преломляющий фильтр. Чтобы генерация происходила в одной продольной моде, в резонатор помещают также эталоны Фабри — Перо и часто используют однонаправленную кольцеобразную конфигурацию (см. рис. 5.11). Особый интерес представляет схема с так называемым резонатором с синхронизацией мод на сталкивающихся импульсах, изображенная на рис. 6.34, в которой лазер на красителе (обычно используется родамин работает в режиме пассивной синхронизации мод под действием медленно насыщающегося поглотителя Кольцеобразная конфигурация резонатора приводит к генерации распространяющихся навстречу друг другу ультракоротких лазерных импульсов, которые каждый раз встречаются (т. е. сталкиваются) в точке, в которой находится струя красителя насыщающегося поглотителя. Встречи двух импульсов происходят через промежутки времени, равные где — длина периметра кольца. Струя красителя родамина располагается на расстоянии от насыщающегося поглотителя. Как нетрудно показать, такое расположение гарантирует то, что одиночные

импульсы, проходящие через родамин разделены равными промежутками времени, а это создает наилучшие условия для синхронизации мод. Устройство, показанное на рис. 6.34, позволило получить ультракороткие лазерные импульсы длительностью вплоть до 25 фс (самые короткие импульсы, полученные до сих пор из лазерного резонатора).

Благодаря возможности перестройки длины волны, широкому спектральному диапазону работы и возможности генерации очень коротких импульсов лазеры на органических красителях играют важную роль в различных областях.

Рис. 6.34. Устройство кольцевого лазера на красителе со сталкивающимися импульсами и синхронизацией мод. Призменный компрессор состоит из четырех призм, вносящих регулируемую дисперсию в кольцевой резонатор так, чтобы получить как можно более короткие импульсы.

В частности, эти лазеры широко используются в научных приложениях либо как непрерывные узкополосные (вплоть до одномодовых) перестраиваемые источники излучения для спектроскопии с высоким разрешением по частоте, либо в качестве лазеров с короткими (вплоть до выходными импульсами для спектроскопии с высоким разрешением во времени. Среди других приложений — биология и медицина (например, лечение сетчатки или фотодинамическая терапия), а также лазерная фотохимия (например, лазерное разделение изотопов ).