§ 3. ОПТИЧЕСКАЯ НАКАЧКА ЛАЗЕРА НА КРАСИТЕЛЕ

Поскольку время жизни возбужденного синглетного состояния составляет около , импульсы накачки должны иметь очень крутой передний фронт. Для получения генерации необходимо создать в системе инверсию, превышающую пороговую. Например, в резонаторе длиной 10 см с зеркалами, имеющими коэффициент отражения 0,95, типичное пороговое значение инверсии составляет . Поддержание такой инверсии требует мощности

Рис. 15.5. Лазер на красителе с оптической накачкой второй гармоникой неодимового лазера или рубиновым лазером.

Вторая гармоника генерируется в кристалле KDP с Показаны две схемы накачки: продольная и поперечная. Для сужения линии генерации лазера внутри его резонатора обычно помещают интерферометр Фабри — Перо (ФП), а в некоторых случаях одно из зеркал заменяют отражающей дифракционной решеткой.

накачки порядка Вначале для возбуждения лазеров на красителях применяли лишь импульсные лазеры в режиме генерации гигантских импульсов. Использовалось излучение рубинового и неодимового лазеров, а также гармоники этого излучения; для генерации гармоник лазерный пучок направлялся сквозь нелинейный кристалл, например KDP (о генерации высших гармоник света см. гл. 17). На рис. 15.5 показаны две типичные схемы лазера на красителе: с поперечным и продольным возбуждением. При продольном возбуждении одно из диэлектрических зеркал лазера на красителе должно хорошо пропускать излучение накачки и отражать генерируемое излучение. Для сужения спектра лазера внутрь его оптического резонатора обычно помещают интерферометр Фабри — Перо, а одно из зеркал заменяют отражающей дифракционной решеткой. Для оптической накачки лазеров на красителях в настоящее

время применяют короткие линейные импульсные лампы. Через лампу разряжается конденсатор емкостью около и рабочим напряжением от 15 до Чтобы устранить паразитные индуктивности, конденсатор монтируется непосредственно на лазерной головке. Лампа заполняется воздухом, давление которого снижается до заданного значения с помощью ротационного насоса. Лампа изготовляется в комплекте с насосом. Продолжительность вспышки составляет около Лампу устанавливают в фокусе эллиптического светоотражателя. В другом фокусе находится кварцевая трубка, заполненная красителем. Головка лазера охлаждается водой. Чтобы обеспечить многократное использование лазера, краситель подают из больших резервуаров, обычно с помощью насосов из тефлона.

Непрерывную генерацию можно получить в очень тонком слое красителя (с прокачкой) при возбуждении пучком аргонового лазера. О запуске такой системы сообщили в 1970 г. Питерсон и др. [10]. Вообще говоря, непрерывную генерацию на красителе очень затрудняют неконтролируемые, весьма большие потери энергии, связанные с переходами в триплетное состояние. Поэтому излучение лазера на красителе обычно длилось от до . В некоторых растворах красителей удается успешно потушить триплетное состояние, что открывает возможность непрерывной генерации. Например, Снейвли и Шефер 111] обнаружили, что присутствие молекулярного кислорода в метаноловом растворе родамина ограничивает время жизни триплетного состояния до 10-7 с. Другим серьезным препятствием на пути к получению непрерывной генерации является увеличение оптической неоднородности красителя в процессе оптической накачки. Поэтому следует выбирать растворитель, у которого показатель преломления возможно меньше зависит от температуры, и кювету со стенками, обладающими высокой теплопроводностью. Хорошим растворителем родамина оказалась вода с добавлением веществ, препятствующих димеризации молекул. Подсчитано, что при продольной накачке лазера на красителе пороговая мощность составляет Чтобы получить такую плотность мощности, пучок аргонового лазера фокусировали с помощью микроскопической линзы мм) до диаметра 11 мкм. Потери лучистой энергии в резонаторе не должны превышать 2% (на один проход). Схема лазера Питерсона и др. показана на рис. 15.6. Пучок аргонового лазера (мода имел диаметр около 2 мм (измеренный между точками профиля интенсивности, в которых интенсивность уменьшалась в раз). Кювета с красителем была закреплена в стальной оправе. Одно из зеркал (сапфировое) было плоским, а второе (из тяжелого флинта) — вогнутым с радиусом кривизны 4,55 мм. Плоское зеркало пропускало 76% излучения накачки и полностью отражало пучок лазера на красителе. Второе зеркало пропускало около 0,3%

Рис. 15.6. Схема непрерывного лазера на красителе, созданного Питерсоном и др. [10]. Толстой линией показано положение диэлектрических отражающих слоев. Резонатор лазера, изображенный отдельно в нижней части рисунка, имеет полусферическую форму. 1 — излучение накачки от аргонового лазера с , 2 — сапфировое диэлектрическое зеркало, 3 — стальной держатель, 4 — раствор красителя, 5 — выход раствора красителя, 6 — стеклянное зеркало, 7 — пучок лазера на красителе.

генерируемой мощности. Центр линии генерации характеризовался длиной волны 5965 А при полуширине 30 А. При мощности накачки мощность лазера в непрерывном режиме достигала 30 мВт.

Приведем здесь также основные параметры непрерывного лазера, созданного в в Институте спектроскопии АН СССР Антоновым и др. 112]. Оптический резонатор, примененный в лазере, имел форму, близкую к концентрической; радиус кривизны зеркал составлял 6 см. Возбуждающее излучение аргонового лазера фокусировалось в этом резонаторе с помощью плоско-выпуклой линзы с фокусным расстоянием 5,8 см. Кювета для красителя была изготовлена из кристаллического кварца, вырезанного перпендикулярно оптической оси. Толщины стенок кюветы и зазора, заполненного родамином составляли по 1 мм. Скорость прокачки красителя — Потери на дифракцию Френеля в кювете благодаря тщательной юстировке каустик резонаторов аргонового лазера и лазера на красителе не превышали 1,7% на длине волны 6000 А. Родамин был растворен в этаноле. Для уменьшения эффекта тушения флюоресценции (т. е. роли триплетного состояния) в раствор добавляли небольшое количество циклооктатетрацена Мощность лазера Достигала максимума, когда количество составляло 0,05%. Концентрация красителя менялась в пределах от до . Пороговая мощность аргонового лазера, необходимая для возбуждения лазера на красителе, составляла 360 мВт. При увеличении

Рис. 15.7. Схема перестраиваемого непрерывного лазера на красителе [13]. 1 — излучение накачки от аргонового лазера, 2 — широкополосное зеркало, 3 — сформированная струя красителя, 4 — перестройка лазера, 5 — выходное зеркало, 6 — поглотитель.

мощности накачки до 1,8 Вт выходная мощность лазера на красителе достигала 2 мВт. Поскольку аргоновый лазер генерирует несколько линий в видимой области спектра, авторы отмечают, что 70% мощности накачки соответствует основной линии с длиной волны 4880 А. Центральная длина волны лазера на красителе была равна 6017 А, а ширина полосы менялась от 39 до 56 А в зависимости от мощности накачки. Когда кювету слегка наклонили по отношению к оптической оси резонатора, центральная ллина волны сместилась в коротковолновую область до Поскольку кювета была покрыта противоотражательными слоями на длину волны 6000 А, она работала аналогично интерференционному фильтру.

Совершенно новое техническое решение перестраиваемого непрерывного лазера на красителе опубликовала недавно фирма «Когерент Рэдиэйшн», Пало Альто, США [13, 14]. Принципиальная схема лазера изображена на рис. 15.7. В рассмотренных выше непрерывных лазерах краситель прокачивался через узкую кварцевую кювету. В лазере фирмы «Когерент Рэдиэйшн» раствор красителя образует струю, текущую с большой скоростью просто в воздухе! Струя течет в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка (т. е. горизонтально). Она сформирована таким образом, что ее сечение представляет собой прямоугольник с размерами мм, наклоненный под углом Брюстера к оптической оси системы.

В непрерывных лазерах на красителях старшего поколения (ело-во «старший» здесь применено условно, поскольку история этих лазеров насчитывает всего лишь несколько лет) очень серьезной проблемой, от решения которой зависел срок службы лазера, было прецизионное изготовление кюветы, а затем защита ее от повреждения в результате обгорания загрязнений на ее стенках. В новом лазере струя красителя формируется с помощью сопла, из которого

Рис. 15.8. Схема двулучепреломляющего фильтра [16]. 1 — плоскость, содержащая оптическую ось пластинок, ось вращения при перестройке, 3 — оптическая ось, 4 — падающий луч, 5 — выходящий луч, 6 — плоскость падения.

она вытекает со скоростью 17 м/с.

Пучок излучения накачки от аргонового лазера сфокусирован в центр струи. Резонатор лазера состоит из трех зеркал, что облегчает ввод в систему излучения накачки.

Совершенно по-новому решена и перестройка частоты лазера. Для этой цели служит набор трех, пластинок из кристаллического кварца, наклоненных под углом Брюстера к оси системы (рис. 15.8). Оптическая ось кварца располагается в плоскости пластинок. Поворот пластинок вокруг оси, перпендикулярной к их плоскости, изменяет показатель преломления для необыкновенной составляющей линейно-поляризованного лазерного излучения. Длину волны лазера можно непрерывно перестраивать в пределах 1000 А. Спектральная ширина линии (при составляет около 0,25 А.

Действие фильтра, показанного на рис. 15.8, проанализировано в работах [15, 16]. Линейно-поляризованный световой пучок после прохождения через набор кристаллических пластинок приобретает в общем случае эллиптическую поляризацию, что в свою очередь приводит к увеличению коэффициента отражения и уменьшению коэффициента пропускания. Однако существует некоторая длина волны Хлаз, для которой состояние поляризации света не меняется [17]:

где постоянная, зависящая от толщины пластинок и их двулучепреломления, угол падения (обычно выбирают равным углу Брюстера), — угол между плоскостью падения и плоскостью, содержащей оптическую ось пластинок. Для сапфира Набор из трех сапфировых пластинок с одинаковой ориентацией и толщиной, меняющейся в отношении от пластинки к пластинке, образует очень эффективный частотный фильтр, пропускание которого можно менять от 20 до 100% путем вращения пластинок.

Если использовать поочередно различные красители, область

Рис. 15.9. Кривые перестройки лазера на красителе типа 490 [14].

Используя поочередно 14 различных растворов красителей, можно получить генерацию в диапазоне от 4150 до 7820 А. На рисунке показаны только три области перестройки для двух значений мощности накачки.

перестройки лазера перекроет весь диапазон видимого излучения. Смена красителя осуществляется быстро и просто с помощью соответствующего переключателя (поворотное револьверное устройство). На рис. 15.9 в качестве примера приведены области генерации для флюэресцеина, родамина В и родамина . В зависимости от мощности накачки рассматриваемый лазер излучает мощность порядка сотен милливатт. КПД лазера удивительно высок, особенно если принять во внимание толщину активной среды, составляющую всего лишь 0,25 мм!

Разработка перестраиваемого непрерывного лазера на красителях, несомненно, явилась одним из важнейших достижений квантовой электроники в последнее время.