14. Жидкостные лазеры

В течение ряда лет объектом многочисленных исследований были фосфоресценция и флюоресценция ароматических и металлорганических соединений. Заслуживают упоминания пионерские работы Шевченко, Морачевского и Трофимова [1, 2], Гросби, Вэна и Алера [3, 4] и Вейсмана [5]. Эти работы завершились открытием Моранцем, Уайтом и Райтом [61 вынужденного испускания в растворе нафталина в бензофеноне (1962 г.) и Лемпицким и Сэмелсоном [7] — в металлорганических комплексах. Моранц с сотрудниками показали, что передача энергии от триплетного состояния бензофенона к триплетному состоянию нафталина (рис. 14.2) настолько эффективна, что можно относительно легко получить вынужденное испускание при облучении раствора ртутной лампой . Активное вещество, т. е. 0,02% раствор нафталина в бензофеноне, находилось в кварцевой кювете, установленной внутри конфокального оптического резонатора. Кювета охлаждалась до температуры 77 К. Вынужденное испускание наблюдалось на длине волны Однако подлинное развитие жидкостных лазеров началось с обнаружения Лемпицким и Сэмелсоном явления вынужденного испускания в хелатах редкоземельных элементов (европий, самарий), а несколько позднее — в системах свободных ионов (трехокись неодима, растворенная в соответствующей кислоте). Ниже рассмотрены важнейшие физические представления, лежащие в основе действия жидкостных лазеров; при этом использованы главным образом печатные труды и частные сообщения Лемпицкого.

Рис. 14.1. Д-р Лемпицкий из «Дженерал телефон энд электронике лэбораториз», США, один из создателей лазера на хелате европия, а также жидкостных лазеров с высоким КПД.

Рис. 14.2. Структура энергетических уровней нафталина и бензофенона Сплошными линиями обозначены излучательные переходы, пунктиром — процесс передачи энергии.

§ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ ЖИДКОСТНОГО ЛАЗЕРА

После создания твердотельных (на Крисуэллах и стеклах) и газовых лазеров разных типов появилась идея создания жидкостного лазера. В принципе не существует никаких серьезных физических ограничений на пути к успешному использованию жидкости в качестве активного вещества лазера. Согласно общему выражению Шавлова и Таунса, минимальная инверсия населенностей в квантовой системе, необходимая для работы лазера, равна

где К — постоянная, — ширина линии спонтанного испускания, — время жизни рассматриваемого перехода, — характерное время затухания энергии в оптическом резонаторе. Подобрав подходящий оптический резонатор с возможно меньшими потерями, можно сделать значение достаточно большим. Остальные величины, входящие в соотношение (14.1), зависят от свойств рассматриваемой квантовой системы. Число люминесцирующих веществ чрезвычайно велико. Для создания лазеров выбирают такие, которые обладают высоким квантовым выходом люминесценции, небольшой шириной линии излучения и хорошей оптической однородностью. Кроме того, вещество должно обладать широкой полосой поглощения, позволяющей осуществлять эффективную оптическую накачку для получения инверсной населенности соответствующих энергетических уровней. Известно, что металлорганические комплексы являются прекрасными люминофорами.

Рассмотрим сначала вкратце явление фосфоресценции. Фосфоресценция появляется в результате запрещенных оптических переходов из метастабильного трип летного состояния в основное синг летное состояние. Спектр ее состоит из ряда полос, обусловленных колебательной структурой основного состояния. Характерные времена затухания фосфоресценции для многих веществ имеют порядок миллисекунды; иногда эти времена возрастают до часов и суток (для твердых тел). Типичная ширина линии излучения составляет от 100 до 200 А, что довольно существенно затрудняет получение инверсии населенностей в системе [см. выражение (14.1)]. Для накачки таких систем пришлось бы использовать примерно в десять раз более мощные источники, чем в рубиновом лазере. Дополнительные трудности возникают при поглощении излучения в результате переходов из нижнего триплетиого состояния в высшие триплетные состояния, что увеличивает общие потери в системе.

Иначе обстоит дело с флюоресценцией. Она является результатом разрешенных переходов между возбужденным синглетным и основным состояниями. Хотя в этом случае ширина линии иногда бывает такой же, как при фосфоресценции, время жизни флюоресценции значительно меньше, порядка с. Некоторой помехой могут быть переходы с возбужденного синглетного на расположенный ниже триплетный уровень (это явление подробнее пояснено на рис. 15.2), что снижает максимальную инверсию населенностей до значения

где — концентрация активных молекул в системе, а

Под интеркомбинационными переходами здесь понимаются переходы типа синглет — триплет. Постоянная иногда достигает 105, что можег полностью исключить получение инверсии. В этом случае триплетное состояние играет роль ловушки, захватывающей возбужденные электроны с синглетного уровня. Поэтому необходимо выбирать такие активные вещества, у которых невелико, или осуществлять столь кратковременную накачку системы, чтобы вероятность синглет-триплетных переходов была пренебрежимо мала. Впервые такой способ использовали Сорокин и Ланкард [8] для органического красителя (алюминий фталоцианинхлорид).