ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ

ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ

       

лазеры, использующие в качестве активной среды органич. соединения с развитой системой сопряжённых связей (красители в виде растворов или паров). Первые Л. н. к. появились в 1966—67. Наиболее распространены производные оксазола, оксадиазола, бензола, а также кумариновые, ксантеновые, оксазиновые и полиметиновые красители. Электронные уровни молекул красителей сильно уширены (непрерывная совокупность колебат. состояний, (см. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРЫ). Усиление и генерация возникают на переходах с нижних колебат. подуровней первого возбуждённого электронного состояния S1 на верхние, слабо заселённые подуровни осн. электронного состояния S0 (рис. 1, а).

Помимо излучат. переходов S1 ®S0 часть молекул после возбуждения претерпевает безызлучательный переход в метастабильное триплетное состояние Т1.

Рис. 1. a — Схема электронных уровней энергии красителя: слева — синглетные уровни (спины двух внеш. эл-нов молекулы антипараллельны), справа — триплетные уровни (спины параллельны); б — спектры поглощения и люминесценции красителя.

Накопление молекул в состоянии T1 приводит к поглощению генерируемого излучения и переходу T1®T2. Для устранения поглощения применяют кратковрем. импульсы накачки с длительностью tвремя заселения уровня Т1, tт=10-6—10-7 с) либо добавляют в р-р «тушители», дезактивирующие метастабильный уровень, или осуществляют протекание р-ра через область накачки и оптич. резонатор со скоростью, при к-рой молекула пересекает область накачки за время t<

Оптич. накачку осуществляют лазерами (эксимерный лазер, газовые лазеры на N2, на парах Cu, твердотельные лазеры) и газоразрядными импульсными лампами. В случае импульсной лазерной накачки Л. н. к. излучает одиночные или периодически повторяющиеся импульсы длительностью от 1—2 до десятков нс при кпд от единиц до неск. десятков % и мощности излучения, достигающей сотен МВт. Спектр излучения смещён в длинноволновую сторону относительно лазера накачки (рис. 1,б) и генерация при смене красителя может быть получена на любой длине волны l от 322 нм до 1260 нм. Наиболее широкую область перестройки спектра даёт накачка рубиновым лазером (осн. волна l=694 нм и вторая оптическая гармоника l=347 нм).

Непрерывный режим генерации Л. н. к. осуществляется при накачке красителей аргоновым или криптоновым лазером. Область перестройки от 400 до 960 нм, кпд от единиц до десятков %, выходная мощность =1—20 Вт. Особенно эффективны Л. н. к. с прокачкой через резонатор р-ра красителя, напр. в форме свободной струи. Фильтр с нелинейным поглощением, помещённый в резонатор, позволяет осуществить режим синхронизации мод, обеспечивающий непрерывную последовательность ультракоротких импульсов длительностью до 2•10-13 с.

Л. н. к. с нелазерной накачкой работают в импульсном режиме с длительностью излучения до 102 мкс. Для накачки используются коаксиальные или трубчатые импульсные лампы с крутым фронтом нарастания импульса. При накачке стандартными трубчатыми лампами (длительность фронта tф = 10 мкс) энергия излучения =10 Дж, а кпд =1%; в случае спец. ламп накачки получены импульсы с энергией в неск. сотен Дж. При частоте повторения 200— 300 Гц и ламповой накачке мощность излучения > 100 Вт (для родамина, l = 580 нм). При длительности разряда ламп накачки <1 мкс область перестройки спектра = 340—960 нм, В случае более длит. импульсов накачки (= 10 мкс) область перестройки сужается (400—700 нм).

В простом оптическом резонаторе красители генерируют излучение широкого спектр, состава (Dl = 10 нм). Однако линия генерации легко может быть сужена до 10-3—10-4 нм без значит. потерь энергии излучения при использовании дисперсионных элементов, напр. дифракц. решётки (рис. 2).

Рис. 2. Схема узкополосного лазера на красителе: ДР — дифракц. решётка; ИТ — интерферометр Фабри — Перо; КР — кювета с раствором красителя; 3 — полупрозрачное зеркало.

Наиболее узкие линии (=103 Гц) получают в непрерывных стабилизир. Л. н. к. Перестройка обычно осуществляется заменой красителя (грубая) и поворотом дисперс. элементов (плавная).

Благодаря возможности получения высокого усиления в малом объёме Л. н. к. перспективны для миниатюризации лазерных устройств. Особенно интересны Л. н. к. с распределённой обратной связью, где резонатор — периодич. структура (стационарная или динамическая), создаваемая в самой активной среде.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ

(ЛК) - лазеры, активными веществами к-рых служат сложные органич. соединения, обладающие системой сопряжённых связей и интенсивными полосами поглощения в ближней УФ-, видимой или ближней ИК-областях спектра. Большинство красителей, используемых в ЛК, флуоресцируют, спектры их флуоресценции образуют широкие (до 10³ см ^-1), как правило, бесструктурные полосы. Вынужденное излучение красителей возникает в результате переходов между разл. колебат. подуровнями (образующими широкие сплошные зоны энергий) первого возбуждённого и основного синглетных электронных состояний.

Обычно в ЛК используют растворы красителей (растворители - вода, спирты, производные бензола и т. п.), реже активированные красителями полимерные материалы - полиметилметакрилат, эпоксидные смолы, полиуретан и др. Особую разновидность представляют лазеры на парах сложных органич. соединений.

Гл. особенность ЛК - возможность перестройки длины волны генерируемого излучения в широком диапазоне длин волн: 330 нм - 1,8 мкм. Грубая перестройка производится заменой красителя. Чтобы перекрыть указанный диапазон, необходим набор примерно из 30 соединений (общее число красителей, на к-рых получен эффект генерации, приближается к 10³). В фиолетовой и УФ-областях спектра наиб. эффективно работают оксазолы и оксадиазолы, в сине-зелёной - кумарин ы, в жёлто-красной - родамины, в ближней ИК-области спектра - полиметиновые красители. Ширина спектра генерации может составлять песк. сотен см ^-1. Для сужения спектра генерации и плавной перестройки в пределах полосы усиления красителя в резонатор ЛК вводят спектрально-селективные элементы (отражат. дифракционные решётки, дисперсионные призмы, интерферометры Фабрп - Перо, интерференционно-поляризационные фильтры).

Накачка ЛК осуществляется излучением импульсных ламп и лазеров др. типов. ЛК с ламповой накачкой работают в импульсном режиме, генерируя чаще всего импульсы длительности мкс. Их кпд 1%, выходная энергия от долей до неск. сотен Дж. Спектральный диапазон обычно ограничен видимой областью. ЛК с ламповой накачкой могут работать частотой повторения импульсов 50-100 имп./с при ср. мощности выходного излучения в сотни Вт.

ЛК с лазерной накачкой по устройству и параметрам варьируются в зависимости от типа лазера накачки. Существуют ЛК непрерывного и импульсного режимов.

Для получения непрерывного режима в качестве источников накачки используются ионные газовые лазеры на Аr или Кr с мощностью излучения от единиц до десятков Вт. Кпд непрерывных ЛК составляет неск. десятков %, может при смене красителей перестраиваться по всему диапазону от 360 нм до 1 мкм.

Для накачки красителей в импульсном режиме применяют лазеры на N₂, иттрий-алюминиевом гранате с примесью Nd, парах Си, на рубине, эксимерные лазеры. При накачке азотными лазерами генерируются импульсы длительностью 1-10 нc, с пиковой мощностью порядка единиц или десятков кВт, при частоте повторения 100 имп./с. Перестройка спектра при смене красителей может осуществляться по всему видимому диапазону. При использовании лазера на иттрий-алюминиевом гранате (2-я и 3-я гармоники) выходная мощность может достигать сотен кВт при длительности импульса 30 нc и частоте повторения неск. десятков имп./с. Более высокую частоту повторения импульсов (неск. десятков кГц) обеспечивает лазер на парах Си. В этом случае ср. мощность излучения 1 Вт, длительность импульса 5-10 нc, диапазон перестройки ограничен жёлто-красной областью спектра. Рубиновый лазер позволяет при использовании основной частоты и второй гармоники получить перестройку спектра в максимально широком диапазоне - от 360 до 1000 нм. Эксимерные лазеры обеспечивают высокие мощности излучения в синей и УФ-областях спектра (1-2 МВт).

Особый класс составляет ЛК с распределённой обратной связью (РОС). В РОС-лазерах роль резонатора играет структура с периодич. изменением показателя преломления и (или) усиления. Обычно она создаётся в активной среде под действием двух интерферирующих пучков накачки. РОС-лазер характеризуется узкой линией генерации (10^-2 см ^-1), к-рая может легко перестраиваться в пределах полосы усиления путём изменения угла между пучками накачки. ЛК наиболее эффективны для генерации ультракоротких импульсов излучения. Самые короткие импульсы (10^-14 с) достигнуты в непрерывных ЛК с пассивной синхронизацией мод.

ЛК применяют для спектроскопич. исследований, что позволяет повысить чувствительность, спектральное и временное разрешение на много порядков по сравнению с традиционными методами спектроскопии (см. Лазерная спектроскопия).

Лит.: Рубинов А. Н., Томин В. И., Оптические квантовые генераторы на красителях и их применение, в кн.: Итоги науки и техники. Радиотехника, т. 9, М., 1976; Лазеры на красителях, пер. с англ., М., 1976. А. Н. Рубинов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.