в. Пассивная модуляция Q с помощью красителей

Весьма распространен и очень прост пассивный способ модуляции резонатора, основанный на изменении пропускания некоторых красителей под действием мощного светового излучения. Принцип его показан на рис. 12.6. Внутрь лазерного резонатора помещен раствор красителя, поглощение которого заметно уменьшается при увеличении интенсивности излучения. Этот эффект часто называют просветлением (bleaching effect). На рис. 12.7 приведена фотография лазера для получения так называемых гигантских импульсов света. Первоначальная добротность резонатора невелика, поскольку кювета заполнена раствором красителя, максимум поглощения которого приходится на рабочую частоту лазера. Когда активное вещество лазера (например, рубин) достигнет высокого уровня возбуждения, лазерная генерация начинается даже в условиях сниженной

Рис. 12.6. Схема пассивного способа модуляции добротности с помощью красителя, просветляющегося под действием интенсивного светового потока.

Рис. 12.7. Рубиновый лазер, генерирующий мощные световые импульсы нано-секундной длительности.

Слева направо: неподвижная призма, служащая в качестве зеркала с полным отражением, ячейка с раствором криптоцианина (установленная под углом Брюстера к оптической оси системы), головка, в которой помещаются рубиновый стержень и импульсная лампа (с водным охлаждением), держатель выходного зеркала.

добротности резонатора. Интенсивное лазерное излучение просветляет краситель, что приводит к резкому повышению добротности резонатора. Если, например, вначале коэффициент пропускания кюветы составляет 0,25, а после просветления красителя возрастает до 1, то эффективный коэффициент отражения от зеркала с нулевым пропусканием (см. рис. 12.6) возрастает от 0,14 до 1 (в предположении, что коэффициент отражения зеркала равен единице). После просветления красителя лазер излучает одиночный импульс длительностью 30-45 нс и мощностью порядка Вт.

В качестве красителя Для рубинового лазера широко применяют криптоцианин (карбоцианиниодид) или фталоцианин ванадия,

Рис. 12.8. Структура энергетических состояний раствора фталоцианина [3].

Рис. 12.9. Зависимость пропускания растворов некоторых красителей от плотности мощности лазерного излучения [4]. 1 — раствор фталоцианина ванадия в диметилформальдегиде, 2 — криптоцианин в метаноле, 3 — фталоцианин ванадия в нитробензоле, 4 — фталоцианин циркония в альфабромнафталине.

растворенные в таких веществах, как метиловый спирт (метанол), нитробензол, формальдегид или а-бромнафталин. Для стеклянного или кристаллического неодимового лазера пригодны полиметиновые красители, которые были впервые применены Соффером и Хоскинсом [2]. Структура электронных энергетических уровней, существенных для действия красителя, показана на рис. 12.8. Возбуждение до первого синглетного состояния S характеризуется очень высокой вероятностью благодаря большому эффективному поперечному сечению поглощения лазерного излучения. Время жизни молекулы в состоянии S очень мало и в зависимости от типа красителя составляет от до с. Переход из состояния S на расположенный ниже триплетный уровень запрещен. Просветление красителя происходит, когда состояния S и S населены одинаково. При этом раствор красителя практически прозрачен.

На рис. 12.9 приведены данные из книги Степанова [4] о коэффициентах пропускания растворов некоторых красителей в зависимости от плотности мощности в пучке рубинового лазера. Как видно из графиков, легче всего происходит насыщение раствора фталоцианина ванадия в формальдегиде. Красители для пассивной модуляции добротности резонаторов неодимовых лазеров мкм) в целом менее стабильны, чем крипто- или фталоцианин. Наиболее известны две марки полиметиновых красителей фирмы «Кодак»: и Значения некоторых параметров этих красителей приведены в табл. 12.1. В табл. 12.2 указаны рассчитанные по номограмме фирмы «Кодак» значения концентраций в зависимости от толщины кюветы для двух заданных оптических плотностей.

(кликните для просмотра скана)

Рис. 12.10. Зависимость коэффициента пропускания красителей фирмы «Кодак»: а — от длины волны, б — от плотности мощности в лазерном пучке (для мкм) [5].

Напомним, что оптической плотностью D однородной среды называется величина

где — коэффициент пропускания или просто пропускание, а — коэффициент поглощения, — длина кюветы. Согласно определению (12.3),

На рис. 12.10 показаны зависимости пропускания красителей фирмы «Кодак» от длины волны (а) и плотности мощности в пучке неодимового лазера (б). Эти красители достаточно стабильны, их можно использовать несколько сотен раз (т. е. для нескольких сотен вспышек) при плотности мощности порядка Более интенсивное, а также голубое и ультрафиолетовое излучения вызывают разложение красителя. Поэтому кювету обычно располагают вдалеке от импульсной лампы накачки, а в промежутках между измерениями экранируют от света.

Детальный анализ поведения красителей в резонаторе лазера выполнили Херчер и др. 16]. Рассмотрим вкратце некоторые соотношения из работы [61. На рис. 12.11 показана трехуровневая упрощенная энергетическая структура молекулы красителя. Обозначим вероятность излучательного или безызлучательного перехода типа через Будем считать энергетические уровни невырожденными. Пусть интенсивность излучения с частотой перехода коэффициент поглощения. Тогда

Рис. 12.11. Схема трехуровневой структуры электронных энергетических уровней молекулы красителя.

Нормированные уравнения для такой системы имеют вид

где населенность уровня. Положим

Населенность в стационарном состоянии обозначим через

Но Введем некоторое эффективное время жизни с помощью выражения

Выражение (12.8) упрощается и приобретает вид

Положим

тогда

Здесь означает интенсивность насыщения красителя, т. е. такую интенсивность лазерного излучения, при которой коэффициент поглощения уменьшается в два раза по сравнению с первоначальным коэффициентом поглощения Далее имеем

Херчер подробно рассмотрел два случая:

1) Когда трехуровневая система переходит в двухуровневую

при .

2) когда (так называемая быстрая трехуровневая система). Интенсивность насыщения равна

Немаловажное значение для действия раствора красителя имеет характер его линии поглощения. В случае однородно уширенной линии все поглощающие центры участвуют в поглощении фотонов с частотами, лежащими в пределах линии. Если линия неоднородно уширена, возможно локальное насыщение определенной группы поглощающих центров (hole burning effect). Читателям, желающим подробнее познакомиться с подобными эффектами, рекомендуем работу Херчера [6] и монографию Смита и Сорокина [3].