2.4.3. Лазеры на красителях

Органические красители в растворе отличаются высокими значениями поперечных сечений поглощения и испускания, а также широкими полосами. Они пригодны как активные вещества для лазеров с перестраиваемой длиной волны (табл. 2.2). Схема уровней энергии уже обсуждалась в гл. 1 и показана на рис. 2.17 вместе с переходами накачки, лазерными и релаксационными переходами. На системы синглетных и триплетных электронных уровней накладываются колебательные уровни. Вследствие большого числа колебательных степеней свободы

и сильного уширения линий в жидкостях отдельные колебательные переходы по большей части остаются совсем неразрешенными, так что возникает однородная спектральная полоса. Лазер на красителе наиболее часто описывается как четырехуровневый лазер. Под действием света накачки происходят переходы на возбужденные колебательные уровни состояния в соответствии с принципом Франка—Кондона. Колебательная дезактивация состояния происходит чрезвычайно быстро , благодаря чему молекулы собираются на нижнем крае системы уровней Отсюда они могут переходить на различные колебательные уровни состояния что будет сопровождаться люминесценцией. Если конечный уровень превышает основной уровень больше чем на то при термодинамическом равновесии его населенностью можно пренебречь. Поскольку, кроме того, опустошение этого уровня посредством колебательной релаксации происходит очень быстро, то выполняются все требования, характерные для схемы четырехуровневого лазера. Именно тогда, когда молекулы находятся в бесколебательном состоянии уровня выполняется условие инверсии, и может быть усилено излучение в области люминесцентных переходов. Времена жизни люминесценции подходящих красителей составляют а выход люминесценции близок к единице. Однако очень вредными для эффективного лазерного режима, особенно при непрерывном возбуждении, оказываются переходы в триплетную систему. В самом деле, уровень имеет большое время жизни, вследствие чего молекулы могут на нем задерживаться и тем самым выпадать из лазерного процесса. Кроме того, люминесцентное излучение может поглощаться на -переходах. Поэтому стремятся пользоваться такими красителями, у которых очень мал квантовый выход для синглет-триплетных переходов. Вместе с тем стремятся снизить время жизни уровня что достигается путем добавления триплетных гасителей. Ими служат молекулы, способные воспринимать энергию возбуждения и быстро передавать ее раствору в виде тепла. Поскольку, однако, при непрерывном режиме работы лазера все эти меры, вообще говоря, оказываются недостаточными, то приходится очень быстро заменять краситель в объеме возбуждения. Это осуществляется посредством быстрой прокачки красителя через кювету или при

Рис. 2.17. Излучательные переходы и релаксация в молекулах красителя.

свободно текущей жидкости, в так называемой струе красителя. Придавая выходным соплам надлежащую форму, создавая достаточно высокое давление и пользуясь достаточно вязким растворителем (преимущественно этиленгликоль), можно создать ламинарный поток высокой оптической однородности и с достаточной скоростью течения Толщину струйного потока можно по мере надобности выбирать в пределах от 10 мкм до 0,2 мм. Такие системы лазеров на красителях с непрерывной накачкой поставляются американскими фирмами Spectra Physics и а также Центром научного приборостроения АН ГДР [2.7, 2.8]. На рис. 2.18 показана типичная форма сопла вместе с выходящей струей.

Рис. 2.18. Сопло для получения потока жидкости.

Для импульсной накачки лазера на красителе пригодны импульсные лампы, а также излучения азотных, эксимерных и твердотельных лазеров-и гармоники излучения твердотельных лазеров, особенно вторая, третья и четвертая гармоники АИГ: Nd-лазера. Для непрерывной накачки используются главным образом лазеры высокой мощности на ионах благородных газов. Особые преимущества лазеров на ионах аргона и криптона станут ясными, если сравнить табл. 2.1 и 2.2.

Генерация ультракоротких световых импульсов достигается посредством синхронной накачки лазера на красителе (см. гл. 5), а также путем пассивной синхронизации мод (см. гл. 6). С пассивной синхронизацией непосредственно от лазера были получены самые короткие импульеы

В ближней инфракрасной области мкм) можно использовать вместо лазера на красителе так называемый лазер на центрах окраски. Широкие полосы люминесценции определенных центров окраски (например, -центры) в щелочногалоидных кристаллах также позволяют осуществить спектральную перестройку и генерацию очень коротких импульсов. Механизмы накачки и конструкция этих лазеров такие же, как у лазеров на красителях. В качестве источников света для накачки особенно подходящими являются лазеры с ионами криптона и АИГ: Nd-лазеры (см., например, [2.14] и цитированную там литературу).

Таблица 2.2. (см. скан) Параметры некоторых лазеров на красителях