Оглавление 1. Введение. 2. Теория лазерной генерации на красителе: Спектрально-люминесцентные свойства красителей. Схема уровней. Цикл оптической накачки. Перестройка частоты излучения. Паразитные процессы. Коэффициент усиления. Пороговая накачка. Ламповая и лазерная накачка, непрерывный режим. 3. Пример действующего лазера на красителе. 4. Применение. 5. Список литературы. Введение. Среди лазеров на конденсированных средах особое место занимают лазеры на красителях, точнее, на растворах молекул органических красителей в органических растворителях или в воде. Эти лазеры известны с 1966 г. лазеры на красителях замечательны прежде всего тем, что, работая в широком диапазоне длин волн от ближнего ИК до ближнего УФ излучений включительно, они допускают плавную перестройку длины волны генерации в диапазоне шириной в несколько десятков нанометров с монохроматичностью, достигающей 1-1,5 МГц. Лазеры на красителях работают в непрерывном, импульсном и импульсно-периодическом режимах. Энергия импульсов излучения достигает сотен джоулей, мощность непрерывной генерации — десятков ватт, частота повторения — сотен герц, к. п. д. — десятков процентов (при лазерной накачке). В импульсном режиме длительность генерации определяется длительностью импульсов накачки. В режиме синхронизации мод достигается пикосекундвый и субпикосекундный диапазоны длительностей. Приведенные данные относятся к различным лазерам, отличающимся друг от друга конструкцией резонатора, источником накачки, рабочим веществом и т. д. Но для всех характерна возможность плавной перестройки длины волны излучения, что в сочетании с любым другим набором лазерных параметров делает эти генераторы монохроматического излучения уникальными. Свойства лазеров на красителях определяются свойствами их рабочего вещества — органических красителей. Исторически красителями назывались органические соединения, обладающие интенсивной окраской, т. е. интенсивным и. широкополосным поглощением в видимой области спектра, которая может быть более или менее прочно сообщена другим материалам. В настоящее время красителями принято называть сложные органические соединения с разветвленной системой сопряженных химических связей, обладающие интенсивными полосами поглощения в видимой или ближней УФ областях спектра. Требование окрашенности или способности окрашивать в этом определении опущено, так что, в сущности, слово краситель обозначает органические соединения с определенным химическим строением и спектрально-люминесцентными свойствами. Спектрально-люминесцентные свойства красителей. Хотя длины волн, ширина, структура и интенсивность спектров различны для различных красителей или даже для одного и того же красителя в различных растворителях, можно указать ряд общих свойств, наличие которых делает лазерные красители в значительной мере подобными друг другу. Во-первых, ширина полос поглощения и излучения составляет около 1000 см−1 . В области спектра, более коротковолновой по отношению к основному поглощению, могут находиться одна или несколько дополнительных полос поглощения. Вовторых, максимум флуоресценции находится в более длинноволновой области спектра, чем главный максимум поглощения (стоксов сдвиг флуоресценции). Стоксов сдвиг и ширина спектров флуоресценции и поглощения могут быть таковы, что коротковолновый край спектра флуоресценции перекрывает длинноволновый край спектра поглощения. В-третьих, спектр флуоресценции обычно зеркален спектру поглощения, а время флуоресценции по порядку величины составляет обычно 1 нс. Далее, возможны и, как правило, наблюдаются наведенные спектры поглощения из возбужденных состояний (возбужденно-возбужденные переходы) и новые полосы поглощения фотохимического происхождения. Схема уровней переходов красителя. В отличие от газовых лазеров на атомах и (небольших) молекулах, а также от твердотельных лазеров на примесных ионах (в случае лазера на молекулах органических красителей) точную схему энергетических уровней изобразить невозможно. Рисунок 1. Схема энергетических уровней переходов красителей (а) и четырехуровневая система генерации лазерного излучения на красителе (б). На рис. 1а приведена построенная таким образом схема энергетических-уровней молекулы органического красителя. Электронные состояния в зависимости от спинов электронов подразделяются на синглетные (S) и триплетные (Т) состояния. Из-за спин-орбитальной связи в действительности имеет место перемешивание чистых синглетных и триплетных состояний. При комнатной температуре и в равновесных условиях населены нижние колебательно-вращательные уровни основного состояния S0. При оптическом возбуждении монохроматическим излучением на переходе S0-S1 заселяется в соответствии с принципом Франка — Кондона какое-то определенное колебательно-вращательное состояние термы S1. Внутри него происходит быстрая термализация избыточной энергии. Безызлучательная релаксация в пределах состояний термы S1 происходит быстрее, чем излучательная релаксация на переходе S1-S0. Цикл оптической накачки. С нижних уровней состояния S1 молекула может возвратиться в состояние S0, испустив фотон. Эта излучательная релаксация называется флуоресценцией. Избыточная энергия в процессе безызлучательной колебательной релаксации нагревает молекулы красителя и растворитель. Вопрос о механизме колебательной релаксации в пределах терма S1 для нас сейчас не важен. Важен лишь вывод о том, что стартовыми уровнями для флуоресценции на переходе S1-S0 являются нижние колебательные уровни состояния. Не меньшее значение имеет вопрос о том, где заканчиваются излучательные переходы S1-S0. Если равновесные конфигурации электронных термов различаются, то нижними уровнями переходов в соответствии с принципом Франка — Кондона являются высокорасположенные уровни основного состояния S0. Эти уровни не заселены термически. Следовательно, цикл оптической накачки, включающий в себя наряду с S0-S1-поглощением и S1-S0-флуоресценцией безызлучательные релаксационные переходы в S1- и S0-состояниях, происходит по четырехуровневой схеме, представленной на рис. 1б. Это существенно облегчает условия достижения инверсии. Перестройка частоты излучения. При настройке резонатора на одну определенную частоту в пределах линии флуоресценции в силу эффекта положительной обратной связи именно на этой частоте происходит излучательное опустошение соответствующего уровня терма S1. Опустошаемый излучательно нижний уровень заселяется в процессе внутритермовой термализации с верхних уровней. В силу высокой скорости этого процесса практически всегда в формировании одночастотного излучения участвует вся энергия, накопленная термом S1, и индуцированное излучение в резонаторе и колебательная релаксация возбуждения в терме S1 образуют излучательнорелаксационный канал преобразования энергии накачки терма S1 в лазерное излучение на переходе S1-S0. Очевидно, что при перестройке резонатора в пределах спектральной ширины линии флуоресценции красителя перестраивается частота излучения. Паразитные процессы. Возможны радиационные переходы между S1 и другими возбужденными синглетными состояниями. Эти синглет-синглетные переходы могут приводить к поглощению на частоте флуоресценции и вызывать в лазере на красителе наведенные накачкой и зависящие от интенсивности накачки потери. Очевидным является требование несовпадения спектров флуоресценции и S1-S2-поглощения, что, как правило, хорошо выполняется для нашедших широкое применение красителей. Синглет-триплетная конверсия уменьшает число молекул в состоянии S1, способных совершить излучательный переход S1-S0. Кроме того, заселяя метастабильное состояние T1 синглет-триплетная конверсия делает возможным Т1Т2-поглощение, которое увеличивается с ростом возбуждения красителя и может препятствовать генерации. Излучательные переходы в состояние S0 хотя и возможны, но относительно маловероятны. Излучение на переходах T1-S0 называется фосфоресценцией. Отметим также безызлучательный переход S1-S0, который уменьшает квантовые выходы лазерного излучения и флуоресценции. Коэффициент усиления. В двухуровневом приближении коэффициент усиления 𝛼(𝜈) можно представить: 𝛼 (𝜈 ) = (𝑁1 − 𝑁0 ⅇ −ℎ 𝑣0 −𝜈 𝑘𝑇 ) 𝛿𝐸 𝜎 (𝑣) 𝑘𝑇 𝑠𝑠 (1) где 𝑁1 и 𝑁0 - населенности на нижнем уровне S1 и верхнем уровне S0, 𝜎𝑠𝑠 (𝑣) – сечение излучательного перехода S1-S0, 𝑣0 – частота чисто электронного перехода, 𝛿𝐸 – интервал энергии однородного уширения, 𝑘 – постоянная Больцмана, 𝑇 – температура красителя. Уравнение 1 удобно для анализа спектральной зависимости 𝛼(𝜈). Для заданных 𝑁1 и 𝑁0 с уменьшением частоты 𝜈 этот коэффициент возрастает. Следовательно, максимум полосы усиления сдвинут в длинноволновую область по отношению к максимуму линии флуоресценции. С ростом 𝑁1 роль 𝑁0 слагаемого в скобках падает, полоса усиления смещается в сторону коротких волн по мере приближения к полной инверсии 𝑁1 > 𝑁0, приближаясь по положению и форме к спектру флуоресценции. Пороговая накачка. В непрерывном режиме пороговая интенсивность накачки должна превышать интенсивность насыщения синглет-синглетного перехода, сильно ослабленную больцмановским фактором, обусловленным четырехуровневым характером инверсии в лазерах на красителях. Следует учитывать паразитные потери энергии в резонаторе лазера и потери энергии на полезное излучение из резонатора лазера. Ламповая и лазерная накачка, непрерывный режим. Не останавливаясь на технических деталях, отметим, что накачка красителей излучением импульсных ламп потребовала разработки специальных ламп высокой интенсивности с короткими фронтами включения. Наилучшие результаты дает лазерная накачка. В импульсном режиме используются вторая гармоника рубинового лазера (0,347 мкм), вторая (0,53 мкм), третья (0,353 мкм) и четвертая (0,265 мкм) гармоники неодимового лазера, а также излучения медного, азотного и эксимерных лазеров. Последние позволяют получать высокую частоту следования импульсов. Интересной является возможность накачки красителей излучением лазеров с синхронизацией мод. Если оптические длины резонаторов лазеров накачки и на красителе равны или кратны друг другу, в лазере на красителе осуществляется режим генерации ультракоротких импульсов (пикосекундный диапазон). Столь короткие импульсы света с плавно перестраиваемой длиной волны представляют собой уникальное средство исследования в спектроскопии быстропротекающих процессов, в фотохимии и в фотобиологии. Рис. 2. Схема струйного лазера на красителе (а) и условное изображение струи (б): 1 — излучение накачки, 2 — плоскость струи, 3 — излучение генерации. В непрерывном режиме источником накачки служит аргоновый лазер, фокусировка излучения которого в малую область диаметром 10—100 мкм позволяет создать требуемую высокую интенсивность накачки. Для устранения термооптических искажений в активной среде лазера и последствий возможного фотолиза красителя необходима прокачка активной жидкости с такой скоростью, чтобы за несколько микросекунд произвести ее полную смену в активной области. Наилучшее из известных конструктивных решений изображено на рис. 2. Тонкая плоскопараллельная струя раствора ориентирована под углом Брюстера к оптической оси резонатора. Именно такие лазеры позволяют достигать предельно высокой монохроматичности и хорошей стабильности. Заметим в заключение, что лазеры на красителе при непрерывной накачке могут успешно работать в режиме активной и пассивной синхронизации мод. Пример действующего лазера на красителе. Рис. 3. Синий лазер на красителе. Транс-стильбеновый твердый краситель, накачиваемый ультрафиолетовым аргоновым лазером, генерирует свет с длиной волны 462 нм. Применение Лазеры на красителях используются во многих областях, включая: астрономия лазерное разделение изотопов с помощью атомного пара производство медицина спектроскопии В медицине эти лазеры применяются в нескольких областях. Широкий диапазон возможных длин волн позволяет очень близко соответствовать линиям поглощения определенных тканей, таких как меланин или гемоглобин, в то время как достижимая узкая полоса пропускания помогает уменьшить вероятность повреждения окружающей ткани. Они используются для лечения заболеваний кровеносных сосудов, рубцов и почечных камней. Их можно сочетать с различными чернилами для удаления татуировок, а также с рядом других применений. В спектроскопии лазеры на красителях можно использовать для изучения спектров поглощения и излучения различных материалов. Разнообразие ширины импульсов: от ультракоротких фемтосекундных импульсов до непрерывных волн – делает их пригодными для широкого спектра применений: от изучения времени жизни флуоресценции и свойств полупроводника до экспериментов по лунному лазерному ранжированию. Перестраиваемые лазеры используются в метрологии для измерения расстояний с очень высокой точностью. Список литературы. 1. Карлов, Н. В. (1983). Лекции По Квантовой Электронике. Главная редакция физико-математической литературы издательства “Наука.”
