Лазер на красителях – перестраиваемый жидкостной лазер, преобразующий энергию излучения лампы или лазера накачки в лазерное излучение с изменяемой длиной волны.

Эффект генерации раствора красителя впервые обнаружили в 1965 г. П. Сорокин с сотрудниками в лаборатории фирмы IBM в ходе исследования ряда красителей, используемых в пассивных затворах для рубиновых лазеров.

Активной средой служат органические красители на основе бензола и ряда других соединений. Эти материалы в определенной мере сочетают преимущества твердых сред (высокая плотность) и газов (большая однородность). При необходимости рабочие параметры среды поддерживают, прокачивая жидкость в процессе работы через холодильник и фильтр. Инверсная населенность создается облучением кюветы с жидкостью светом лазера или газоразрядной лампы. При накачке важно, чтобы источник накачки излучал на частотах, близких к положению максимума полосы поглощения красителя. Мощность излучения достигает десятков ватт, длина волны может меняться в пределах от 322 до 1260 нм простой заменой кюветы с раствором. Лазеры на красителях генерируют как непрерывное излучение, так и последовательности ультракоротких импульсов.

Когда краситель возбуждается внешним источником коротковолнового излучения, он излучает на более длинных волнах или флуоресцирует, поглощая фотон на длине волны возбуждения, а затем излучая фотон на длине волны флуоресценции. Разность энергии фотонов идет на безызлучательные переходы и в конечном счете переходит в тепло. Краситель флуоресцирует в исключительно широком диапазоне частот видимой области спектра в противоположность очень узкой полосе флуоресценции типичного твердотельного лазера.

 

Широкий спектр флуоресценции красителя можно объяснить с помощью приведенной на рисунке 1 схемы энергетических уровней типичной молекулы красителя. Молекула красителя имеет две группы состояний: синглетные (S₀, S₁ и S₂) и триплетные (T₁ и Т₂). (Синглетные состояния возникают, когда полный спин возбужденных электронов в молекуле равен нулю, а триплетные — когда спин равен единице.) Синглет-триплетные и триплет-синглетные переходы маловероятны по сравнению с синглет-синглетными и триплет-триплетными переходами. Накачка лазера на красителях происходит при поглощении фотонов, которые переводят молекулы из основного состояния S₀ в первое возбужденное состояние S₁. Затем происходит быстрый безызлучательный переход в наинизшие из уровней состояния S₀. Стимулированное излучение возникает при переходе между уровнем, расположенным вблизи дна состояния S₁, и некоторым промежуточным уровнем состояния. Так как состояния S₀ и S₁ содержат множество отдельных колебательно-вращательных подуровней, то возникающая линия излучения весьма широка. Триплетные состояния T₁ и T₂ не участвуют непосредственно в генерации излучения, тем не менее наличие их весьма существенно. Имеется некоторая малая вероятность того, что будет иметь место запрещенный переход S₁->T₁ (называемый интеркомбинационным переходом). Так как переход Т₁->S₀ (фосфоресценция) также является запрещенным, молекулы имеют тенденцию накапливаться в состоянии T₁. Но переход T₁->T₂ является разрешенным, и, к сожалению, диапазон частот для этого перехода почти в точности равен диапазону рабочих частот лазера. Как только в результате переходов значительное число молекул накапливается в состоянии T₁ поглощение на переходе T₁->T₂ быстро уменьшает коэффициент усиления и может сорвать генерацию. По этой причине некоторые лазеры на красителях работают в импульсном режиме при длительности импульса меньшей, чем та, которая требуется для достижения заметных значений населенности состояния T₁. Для некоторых красителей может также иметь место поглощение, связанное с переходами в более высокие синглетные состояния (S₁->S₂), поэтому следует выбирать такие красители, у которых частоты этих переходов не лежат в интересующей исследователя спектральной области.

 

 

Органические красители составляют большой класс многоатомных молекул с сопряженными двойными связями. Лазерные красители обычно принадлежат к одному из следующих классов:

1) полиметиновые красители, обеспечивающие генерацию в красной или ближней ИК-области (0.7—1.5 мкм); в качестве примера на рис.1а приведена химическая структура красителя З.3-диэтилтиатрикарбоцианиниодида, который генерирует в ИК-диапазоне (810 нм);

2) ксантеновые красители, генерирующие в видимой области (500—700 нм); в качестве примера на рис.1б показана химическая структура широко используемого красителя родамина 6G (590 нм);

3) кумариновые красители, генерирующие в сине-зеленой области (400—500 нм);на рис1в для примера приведена химическая структура кумарина 2, который генерирует в синей области (450 нм);

4) сцинтилляторные красители, генерирующие в УФ-диапазоне (<400 нм).

Из приведенного выше рассмотрения вполне разумно ожи¬дать, что лазеры, в которых используются красители, могут ге¬нерировать на длинах волн в области спектра флуоресценции. Действительно, быстрая безызлучательная релаксация внутри возбужденного синглетного состояния S\ приводит к очень эф¬фективному заселению верхнего лазерного уровня, а быстрая релаксация внутри основного состояния — к эффективному обед¬нению нижнего лазерного уровня. Следует также заметить, что в области длин волн флуоресценции раствор красителя доста¬точно прозрачен (т. е. соответствующее сечение поглощения оа невелико; см., например, рис. 6.29). Фактически же первый лазер на красителях был запущен поздно (в 1966 г.) относительно времени, с которого началось общее развитие лазерных устройств. Рассмотрим некоторые причины этого. Во-первых, это очень короткое время жизни τ состояния S₁ поскольку мощность накачки обратно пропорциональна τ. Хотя такой недостаток частично компенсируется большой величиной сечения перехода s, произведение sτ все же остается примерно на три порядка величины меньше, чем для твердотельных лазеров, таких, как Nd:YAG. Вторая трудность обусловлена синглет-триплетной конверсией. Действительно, если τ_T>>k^-1_ST то молекулы будут накапливаться в триплетном состоянии, что приведет к поглощению за счет перехода Т₁ → Т₂ (который является оптически разрешенным). К сожалению, это поглощение происходит, как правило, на длине волны флуоресценции, что приводит к серьезному препятствию для возникновения генерации. Можно показать, что именно поэтому непрерывную генерацию можно получить лишь в случае, когда τ_T меньше некоторого значения, определяемого свойствами активной среды из красителя. Наконец, третьим мешающим фактором являются тепловые неоднородности, возникающие в жидкости под действием накачки. Они приводят к градиентам показателя преломления, препятствующим возникновению генерации.

Лазеры на красителе работают либо в импульсном, либо, в непрерывном режиме. Лазерная генерация в импульсном режиме получена на большом числе различных красителей, причем для накачки применялись как импульсная лампа с коротким импульсом, так и лазер, генерирующий короткие световые импульсы. В обоих случаях короткие импульсы необходимы для того, чтобы обеспечить генерацию до того, как в триплетном состоянии накопится существенная населенность, и до появления градиентов показателя преломления в жидкости. При накачке импульсной лампой можно применять эллиптический осветитель или осветитель с плотной упаковкой. Чтобы обеспечить лучшую однородность накачки, а отсюда и более симметричные градиенты показателя преломления, применяют также и спиральные лампы. Для лазерной накачки часто применяют азотный лазер, УФ-излучение которого подходит для накачки многих красителей, генерирующих в видимой области спектра. Для получения больших энергий и средних выходных мощностей для накачки УФ-излучением все чаще применяют более эффективные эксимерные лазеры (в частности, KrF и XeF), в то время как для красителей с длиной волны излучения более чем 550—600 нм предпочитают использовать вторую гармонику Nd:YAG-лазера в режиме модуляции добротности (532нм), а также зеленое или желтое излучение лазера на парах меди. В этих лазерах с накачкой в видимом диапазоне КПД преобразования энергии лазера накачки в выходную энергию лазера на красителе (30—40 %) намного превышает КПД преобразования, получаемые при лазерной УФ-накачке (~ 10%). Кроме того, под воздействием излучения накачки существенно уменьшается деградация красителя.
 

Во большинстве случаев, когда применяют импульсную лазерную накачку, используют, как правило, схему с поперечной накачкой (т. е. направление распространения пучка накачки перпендикулярно оси резонатора); см. рис.1.

В этом случае пучок лазера накачки фокусируется линзой L, представляющей собой обычно комбинацию сферической и цилиндрической линз, в тонкую линию вдоль оси резонатора лазера. Длина линии равна длине ячейки с красителем (несколько миллиметров), в то время как поперечный размер, как правило, меньше 1 мм. Для перестройки длины волны выходного излучения в пределах широкой полосы излучения красителя (~30—50 нм) обычно применяется дифракционная решетка, помещаемая в резонатор под углом скользящего падения. Лазер перестраивается поворотом зеркала М2. Скользящее падение используется для увеличения разрешающей силы решетки и, следовательно, для существенного уменьшения ширины линии излучения (~ 0,01 —0,02 нм). Еще более узкие полосы генерации, вплоть до одномодовой, можно получить при установке одного или более эталонов Фабри — Перо.

Для непрерывной лазерной накачки часто применяются Аr⁺-лазеры (иногда также и Кr⁺-лазеры). Чтобы обеспечить существенно более низкий порог генерации, что необходимо при непрерывной накачке, используется продольная схема накачки, приведенная на рис.1. Жидкая активная среда с красителем имеет вид свободно текущей тонкой струи (диаметром около 200 мкм) в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка и наклоненной под углом Брюстера к оси пучка лазера на красителе. Соответственно и лазерный пучок является линейно поляризованным, причем вектор его электрического поля располагается в плоскости рисунка. Оба пучка — накачки и лазерный — фокусируются в очень маленькое пятно (диаметром примерно 10 мкм) внутри струи. Для перестройки лазера в резонатор можно внести призму или двулучепреломляющий фильтр. Чтобы генерация происходила в одной продольной моде, в резонатор помещают также эталоны Фабри — Перо и часто используют однонаправленную кольцеобразную конфигурацию.

Особый интерес представляет схема с так называемым резонатором с синхронизацией мод на сталкивающихся импульсах, изображенная на рис.1, в которой лазер на красителе (обычно используется родамин 6G) работает в режиме пассивной синхронизации мод под действием медленно насыщающегося поглотителя (DODCI). Кольцеобразная конфигурация резонатора приводит к генерации распространяющихся навстречу друг другу ультракоротких лазерных импульсов, которые каждый раз встречаются (т. е. сталкиваются) в точке, в которой находится струя красителя насыщающегося поглотителя. Встречи двух импульсов происходят через промежутки времени, равные 2L/c, где 2L — длина периметра кольца. Струя красителя родамина 6G располагается на расстоянии L/2 от насыщающегося поглотителя. Как нетрудно показать, такое расположение гарантирует то, что одиночные импульсы, проходящие через родамин 6G, разделены равными промежутками времени, а это создает наилучшие условия для синхронизации мод. Устройство, показанное на рис.1, позволило получить ультракороткие лазерные импульсы длительностью вплоть до 25 фс.