L_19_2
advertisement
Лазеры на красителях Активная среда находится в жидком состоянии В качестве активной среды в них выступают растворы многоатомных органических молекул – красителей Количество атомов в различных красителях колеблется от десятков до нескольких сотен В красителях содержатся группы –NO2, –N=N–, =CO, –NH2, –OH, которые ответственны за их окраску Красители имеют широкие полосы поглощения и люминесценции в видимой области спектра, а также в ближнем УФ и ИК диапазонах Первые лазеры на красителях появились в середине 60-х годов 20-века Лазерная генерация получена более чем на трехстах красителей Теоретическое построение потенциальных поверхностей молекул красителей невозможно – большое количество степеней свободы Лазеры на красителях Упрощенные модели позволяют довольно точно описать возможные состояния многоатомных молекул красителя и переходы между этими состояниями S2 T2 S1 T1 S0 Все состояния можно разделить на электронные, колебательные и вращательные Расстояния между электронными состояниями составляют порядка 104 см-1 Состояния делятся на синглетные S-состояния и триплетные Т-состояния Лазеры на красителях Вследствие очень большого количества степеней свободы расстояние между отдельными колебательно-вращательными состояниями мало – имеется практически непрерывная полоса поглощения в пределах одного электронного состояния Правилами отбора разрешены излучательные переходы без изменения полного спина - разрешены синглет-синглетные и триплет-триплетные переходы Излучение накачки возбуждает переходы из S0-состояния в S1-состояние Далее сначала происходит установление термодинамического равновесия внутри S1-состояния Затем электроны с испусканием фотона переходят в S0-состояние в соответствии с принципом Франка-Кондона - максимальная вероятность достигается для переходов, попадающих в верхнюю часть S1-состояния В S0-состоянии электроны быстро релаксируют вниз в соответствии с больцмановским распределением Лазеры на красителях Закон Стокса: максимальная вероятность достигается для переходов, попадающих в верхнюю часть S1-состояния Спектр флуоресценции красителей смещен в область меньших частот относительно спектра поглощения Лазеры на красителях Схема накачки в лазерах на красителях практически является аналогом классической четырехуровневой системы Схема накачки и генерации лазера на красителе Верхние уровни S1-состояния Нижние уровни S1-состояния Накачка Генерация Верхние уровни S0-состояния Нижние уровни S0-состояния Лазеры на красителях Механизмы ухода электронов из S1-состояния 1. Частоты испущенных фотоном могут оказаться резонансными частотам переходов в S2-состояние 2. Часть электронов может перейти из S1-состояния в триплетное Т1-состояние излучательно или безызлучательно (синглет-триплетная конверсия) Разрешенные триплет-триплетные переходы Т1-Т2 совпадают по частотам со спектром люминесценции красителя, что сильно препятствует генерации Опустошение Т1-состояния - добавление в краситель компонентов, при столкновении с которыми скорость безызлучательной релаксации из Т1-состояния в S0-состояние увеличивается (тушение триплетного состояния) Ширина спектра генерации лазеров на красителях определяется шириной спектров их люминесценции с плавной перестройкой по частоте Лазеры на красителях Большинство лазеров на красителях обладают исключительно высоким коэффициентом усиления малого сигнала → требуется лишь небольшой объем активной среды Накачка лазеров на красителях Струя раствора красителя из специально сконструированного сопла выпускается в воздух, где образует ровный ламинарный слой, через который проходит излучение лазера накачки Для возникновения ламинарного режима истечения из сопла в качестве растворителя используют вещества с очень высокой вязкостью Накачка аргоновым лазером Луч аргонового лазера фокусируется в пятно размером порядка 10 мкм в области пересечения со струей красителя примерно такого же диаметра Для того, чтобы излучение лазера на красителе было линейно поляризованным, плоскость, в которой течет струя красителя, находится под углом Брюстера по отношению к оси резонатора Лазеры на красителях Фотография сопла лазера с ламинарным потоком красителя и коллектора. 1 – лазерное излучение накачки; 2 – область потока красителя; 3 – патрубок для сбора раствора красителя; 4 – сопло; 5 – шланг для подачи красителя Лазеры на красителях Источники накачки для импульсного режима: либо немонохроматические импульсные лампы, либо лазерные источники – рубиновый лазер на второй гармонике, гармоники неодимового лазера, эксимерные лазеры, азотный лазер. Длительность импульса накачки не превышает нескольких микросекунд Для непрерывного режима генерации одни из наилучших результатов получаются при использовании аргонового лазера Схема накачки Зеркало Пересечение струи красилеля и излучения лазера накачки Излучение лазера накачки Зеркало Зеркало Зеркало Выходное излучение Лазеры на красителях Необходимость быстрой прокачки активной среды устранение температурных эффектов устранение продуктов фотолиза красителя нагрев красителя излучением накачки → возникновение температурных градиентов → неоднородности показателя преломления ксантеновые красители – видимая область спектра кумариновые красители - от 400 нм до 500 нм Типы красителей сцинтилляторные красители – УФ диапазон (< 400 нм) полиметиновые красители - от 700 нм до 1.5 мкм Широкие полосы люминесценции красителей позволяют осуществлять генерацию в лазерах на красителях в режиме синхронизации мод
