Интерес к жидкостным лазерам объясняется: легкостью получения активной среды, воз­можностью прокачки жидкости и обусловленной легкостью создания системы охлаждения, возможностью плавной перестройки частоты и т. п. Разновидности и параметры жидкостных лазеров иллюстрирует рис. 5.6.

Р

Fi 108--

POCl3:Nd

SeOCI3:Nd

О S

І 10®--

Родамин 6Ж

0

1

10 100 1000 X

Длина волны, мкм

Рис. 5.6. Разновидности и параметры жидкокристаллических лазеров

Широкое применение имеют лазеры на органических красителях (Dye — Lasers). Раз­личные красители допускают перестройку длины волны генерации в диапазоне нескольких десятков нанометров при высокой монохроматичности, достигающей 1 МГц. Энергия одно­го импульса может достигать сотен джоулей, а мощность непрерывной генерации — десят­ков ватт при кпд в несколько десятков процентов в случае лазерной накачки. В режиме син­хронизации мод могут быть получены лазерные импульсы длительностью в десятые доли пикосекунды. Устройство жидкостного лазера приведено на рис. 5.7.

V ' ' Расширитель Ячейка с Полупрозрачное луча красителем зеркало

Дифракционная Решетка

Рис. 5.7. Устройство жидкостного лазера

Активным веществом лазеров на красителях служат растворы молекул органических красителей в органических растворителях или в воде. Красителями являются сложные орга­нические соединения с разветвленной системой сопряженных химических связей. Эти со­единения обладают выраженной окраской, что вызвано наличием сильных полос поглоще­
ния в видимой области спектра. Структура молекулы красителя сложна. Она содержит бен­зольные (С6Н6), передоновые (CeHsN), азотные (C4H4N2) и другие кольца. В лазерной техни­ке широко применяются красители на основе родамина 6G.

Структурная формула органического красителя родамин 6G приведена на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Структурная формула органического красителя родамин 6G

Такая макромолекула обладает богатым набором разрешенных значений энергии элек­тронных, колебательных и вращательных состояний. Энергетические расстояния между этими состояниями имеют порядок (1...3); (0,1...0,01) и (10~3...10-4) эВ соответственно. Колебательные и вращательные состояния перекрываются друг с другом, образуя серии разрешенных энергетических полос, соответствующих определенным электронным состоя­ниям. Последние можно разбить на две группы: синглетные (S) и триплетные (7) состояния (рис. 5.9). К первой группе относится состояние с антипараллельной ориентацией спинов (5 = 0), а ко второй — с параллельной (5=1) ориентацией.

Каждое электронное состояние сопровождается серией колебательных уровней (выде­лены жирными линиями) и серией вращательных уровней. Согласно правилам отбора по спинам оптические переходы разрешены между состояниями с одинаковой мультиплетно - стью (AS = 0) т. е. переходы S-S (синглет-синглетные) и Т-Т (триплет-триплетные). Они имеют наибольшую вероятность.

При нормальных условиях молекулы находятся в основном состоянии S0. В результате поглощения оптического излучения молекула переходит из основного состояния So на один из колебательно-вращательных уровней S,. Спектр поглощения, определяемый такими пе­реходами, представляет собой широкую полосу. Спектральное положение максимума поло­сы поглощения определяет цвет красителя и для разных веществ изменяется примерно от 0,3 до 1 мкм. Ширина полосы поглощения также различна для разных красителей и пример­но равна 0,2 эВ.

Падая в результате оптического перехода S0 —> Sj в одно из возбужденных состояний полосы St, молекула в результате релаксационных безызлучательных процессов по коле­бательно-вращательным подуровням внутри состояния Si переходит на нижние уровни группы S|. Этот процесс термализации происходит очень быстро, за время порядка 1 пс. Термализованные носители из состояния S| излучательно или безызлучательно переходят в основное состояние S0. У небольшого количества известных красителей излучательные процессы преобладают над безызлучательными. Излучательное время жизни для перехо­дов S| —» S0 мало и составляет примерно 1 не.

При интенсивной оптической накачке между Синглетные

Состояния

Рис. 5.9. Электронные состояния жидкостного лазера: ter, ттс — постоянная синглет-триплетной конверсии (1СГ9 с) и триплет-синглетного перехода (10~6 с) соответственно

Т,

НИЖНИМИ СОСТОЯНИЯМИ ПОЛОСЫ Si и верхними S0 мо­жет быть достигнута инверсия населенностей. Ге­нерация осуществляется по четырехуровневой схе­ме между энергетическими СОСТОЯНИЯМИ ПОЛОС 51! и Sb. Триплетные состояния Т и Т2 не участвуют в процессе лазерной генерации, а, напротив, препят­ствует ей.

Наибольший интерес лазер на органическом красителе представляет как генератор с перестраи­ваемой длиной волны. Для осуществления этой воз­можности применяют дисперсионный резонатор, собственную частоту которого можно перестраи­вать. Идеальный вариант — одномодовый одночас­тотный резонатор.

Т,

Вероятность оптических переходов So —> Si с красителем весьма высока, показатель поглоще­ния и показатель усиления для этих веществ могут быть очень велики. Они примерно на два порядка превышают показатель усиления малого сигнала для твердотельных лазеров на гранате и рубине.

По этой причине лазеры на красителях, обладая вы­соким коэффициентом усиления, требуют неболь­шого объема активной среды (1 мм3).

Поглощение интенсивного излучения накачки и последующий нагрев малого объема красителя при­водит к необходимости быстрой непрерывной заме­ны вещества в рабочем объеме. Если этого не де­лать, произойдет термическое разложение красите­ля, а также накопление молекул в триплетном со­стоянии Т, и срыв генерации.

Применяя набор различных красителей, жидко­стные лазеры перекрывают диапазон длин волн от 0,34 до 1,17 мкм. КПД современных лазеров на ор­ганических красителях достигает 30% при накачке лазерным излучением и 1% при накачке импульсными лампами.

В непрерывном режиме выходная мощность рассматриваемых лазеров достигает не­скольких ватт, в импульсных режимах мощность может достигать МВт при длительности импульса 20 не и частоте повторения до 200 Гц, расходимость лазерного пучка составляет (2...2,5) мрад.

В режиме синхронизации мод возможна генерация очень коротких световых импульсов (31014с).