Лабораторная работа № 5

Исследование генерации лазера на растворах органических красителей

1. Оборудование.

1.1. Лазер ЛТИ-404 на АИГ с неодимом.

1.2. Кювета с раствором красителя Родамин 6Ж.

1.3. Дифракционная решетка.

1.4. Фотоприемник ФД-24К.

1.5. Осциллограф С1-70.

1.6. Монохроматор МДР-23.

7. Интерферометр Фабри - Перо.

2. Цель работы.

2.1. Знакомство с принципом действия и устройством лазеров на растворах органических красителей и определение их основных характеристик.

2.2. Приобретение практических навыков юстировки лазеров и работы со спектральной и измерительной аппаратурой.

3. Основные понятия о предмете исследования.

В видимой области спектра различные типы лазеров на красителях, несомненно, являются наиболее широко используемым типом перестраиваемых лазеров. Активными средами этих лазеров являются жидкие растворы молекул органических красителей, которые имеют интенсивные и широкие полосы в спектрах флуоресценции при возбуждении их в полосах поглощения, лежащих в видимой или ультрафиолетовой областях спектра. С использованием различных красителей спектральный диапазон в котором осуществлена непрерывная или импульсная генерация, простирается от 300 нанометров до 1.2 микрона.

Физические основы. Если молекулы красителей в жидком растворителе облучать видимым или ультрафиолетовым светом (в зависимости от типа красителя и положения его основной полосы поглощения), то за счет оптической накачки с заселенных тепловым образом колебательно-вращательных уровней основного синглетного состояния S₀ будут заселяться высокие колебательные подуровни первого возбужденного синглетного состояния S₁. Из-за столкновений с молекулами растворителя возбужденные молекулы красителя очень быстро, с временами релаксации 10^-11 - 10^-12 секунд, безызлучательно переходят на нулевой колебательный подуровень v₀ состояния S₁. Этот уровень дезактивируется или за счет спонтанного излучения на различные колебательно-вращательные подуровни состояния S₀, или за счет безызлучательных переходов в более низкое триплетное состояние T₁ (этот процесс называется внутренней конверсией). Поскольку обычно в результате оптической накачки заселяются колебательные подуровни v_k, лежащие выше v₀ , и поскольку происходят интенсивные переходы на высоколежащие колебательно-вращательные подуровни состояния S₀, то спектр флуоресценции молекулы красителя сдвинут в красную (длинноволновую) сторону относительно ее спектра поглощения. Это демонстрирует рис. 1б для родамина 6Ж - наиболее широко распространенного лазерного красителя.

Из-за сильного взаимодействия молекул красителя с растворителем близко расположенные колебательно-вращательные подуровни уширяются до такой степени, что отдельные линии флуоресценции полностью перекрываются.

При достаточно большой интенсивности накачки можно достичь инверсной заселенности между уровнем v₀ в S₁ и высокими колебательно-вращательными уровнями v_k в S₀, населенность которых при комнатной температуре пренебрежимо мала из-за малости больцмановского фактора exp[-E(v_k)/kT]. Как только усиление на переходе v₀(S₁)  v_k(S₀) превысит полные потери, начнется лазерная генерация. Нижний лазерный уровень v_k(S₀), который начинает заселяться за счет вынужденного

Рис.1. а) диаграмма энергетических уровней и цикла накачки молекул красителя;

б) спектры поглощения и флуоресценции родамина 6G, растворенного в этаноле.

излучения, очень быстро опустошается из-за столкновений с молекулами растворителя. Поэтому полный цикл накачки и вынужденного испускания можно описать четырехуровневой схемой.

Спектральный профиль усиления определяется разностью населенностей N(v₀(S₁)) - N(v_k(S₀)), сечением поглощения _k() на частоте  = [E(v₀(S₁)) - E(v_k(S₀))] и длиной активной среды. Отрицательный коэффициент поглощения на частоте  равен

() = [N(v₀(S₁)) - N(v_k(S₀))] _0k(')d'

Спектральный профиль () определяется, по существу, факторами Франка-Кондона для различных переходов v_o(S₁) - v_k(S₀).

Полные потери определяются потерями резонатора (пропускание зеркал и поглощение в оптических элементах) и потерями из-за поглощения в активной среде красителя. Последние вызваны в основном двумя причинами.

1. Внутренняя конверсия S₁ - T₁ не только уменьшает населенность N(v₀(S₁)) и, следовательно, достигаемую инверсию, но и приводит также к увеличению населенности N(T₁) триплетного состояния. Спектр триплетного поглощения T₁  T_m частично перекрывается со спектром синглетной флуоресценции, что приводит к дополнительным потерям усиливаемого излучения. Низшее триплетное состояние имеет большое время жизни, так как оно релаксирует в основное состояние S₀ только за счет слабой фосфоресценции или дезактивации при столкновениях. Поэтому при работе лазера на красителе заселенность состояния T₁ могла бы стать слишком большой, и генерация прекратилась бы. Чтобы избежать этого, необходимо выводить молекулы красителя из активной зоны либо добавлять в раствор молекулы - тушители триплетных состояний, которые ускоряют внутреннюю конверсию T₁ – S₀ за счет столкновений с переворотом спина. Такими молекулами могут служить, например, молекулы кислорода или циклооктатетраэна. Другое решение проблемы - "механическое тушение", которое заключается в прокачке раствора красителя через кювету, в которой создается инверсия населенностей. В случае непрерывных лазеров на красителе в качестве активной среды используется свободная струя раствора красителя, возбуждаемая излучением накачки. Молекулы в такой струе проходят активную зону в фокусе лазера накачки за 10^-6 секунды.

2. Для молекул многих красителей спектры поглощения S₁ -- S_m , соответствующие переходам из верхнего лазерного состояния S₁ в более высокие синглетные состояния S_m , частично перекрываются с контуром усиления лазерного перехода S₁ – S₀ . Эти неизбежные потери часто ограничивают спектральный диапазон, в котором можно получить генерацию.

В качестве источников накачки лазеров на красителях используются импульсные лампы либо импульсные или непрерывные лазеры других типов, в которых самих по себе нельзя получить перестройку частоты генерации.

Рассмотрим важнейшие типы лазеров на красителях, используемых в практике.

Импульсные лазеры на красителях с лазерной накачкой.

Выбор лазера для накачки лазера на красителе определяется положением полос поглощения лазерных красителей, которые лежат от зелено-голубой до ближней ультрафиолетовой области спектра. Для накачки этой группы красителей хорошо подходят азотный лазер с длиной волны излучения 337 нм, а также третья гармоника излучения неодимового лазера или вторая гармоника рубинового лазера. Для накачки красителей, излучающих в желто-оранжевой области спектра, хорошо подходит зеленое излучение второй гармоники неодимового лазера. Если используется импульсная накачка, то длительность импульса накачки должна быть короче, чем обратная скорость внутренней конверсии из синглетного в триплетное состояние. Это требование хорошо выполняется для импульсов азотного лазера (10^-9 10^-8 секунды) или для импульсов неодимового и рубинового лазеров с модуляцией добротности. Могут использоваться также ультракороткие импульсы излучения лазеров с синхронизацией мод. Высокая мощность накачки, достижимая с помощью этих лазерных источников, позволяет создавать достаточную инверсию даже в красителях с малой квантовой эффективностью.

Существуют различные геометрии накачки и конструкции резонаторов. При поперечной накачке (рис.2) пучок лазера фокусируется цилиндрической линзой в кювету с красителем.

Рис.2. Лазер на красителе с поперечной накачкой и расширением пучка с помощью телескопа. 1 - кювета с раствором красителя; 2 - цилиндрическая линза; 3 – лазер накачки.

Поскольку коэффициент поглощения красителем излучения накачки велик, пучок накачки сильно ослабляется, и инверсия достигается в тонком слое вблизи входного окна кюветы, вдоль вытянутого пятна излучения накачки. Такая геометрия накачки, создающая малую область усиления, приводит к большим дифракционным потерям и расходимости лазерного пучка.

В схемах продольной накачки (Рис.3) пучок накачки распространяется почти параллельно оси резонатора (т.е. излучению лазера на красителе). Этот вариант свободен от одного из недостатков поперечной схемы - неоднородности накачки, однако чаще применяется все же поперечная накачка из-за ее более удобной геометрии.

Для того чтобы уменьшить ширину спектра генерации, а также осуществлять перестройку длины волны излучения, в качестве одного из зеркал резонатора лазера на красителе может использоваться отражательная дифракционная решетка. В этом случае пучок излучения лазера на красителе, падающий на дифракционную решетку, желательно расширять по следующим причинам:

а) разрешающая способность решетки пропорциональна числу штрихов решетки, захваченному лазерным пучком. Чем больше диаметр пучка, тем уже линия генерации.

б) плотность мощности излучения на дифракционной решетке уменьшается, что снижает риск ее повреждения излучением и повышает ее срок службы.

Рис.3. Конфигурации лазеров на красителях с продольной накачкой. 1 - лазер накачки; 2 - кювета с красителем; 3 - селективное зеркало (R_нак)=0, R(_лк) = 100%); 3 - селективное выходное зеркало (R(_нак)=100%, R(_лк)<100%).

Расширить пучок можно, например, с помощью телескопа, или используя скользящее падение света на решетку (под углом к нормали к решетке, близким к 90^o) (Рис.4). Последняя конструкция позволяет реализовать резонатор очень малой длины, менее 10 см. Это обстоятельство существенно, так как даже при накачке короткими импульсами фотоны излучения лазера на красителе успеют совершить несколько проходов резонатора в течение импульса накачки. Еще одно важное преимущество короткого резонатора заключается в большом расстоянии между модами резонатора  = с/2L_рез, что позволяет достаточно просто осуществить режим генерации с одной продольной модой.

Малая длительность T импульса накачки и, следовательно, импульса лазера на красителе накладывает принципиальный нижний предел ширины спектра излучения. Даже для одномодовых лазеров она не может быть меньше _мин = (2T)^-1. При многомодовой генерации ширина спектра еще больше, однако, она может быть уменьшена с помощью дополнительного селективного элемента, например, интерферометра Фабри-Перо, который выделяет небольшую часть спектрального контура линии усиления.

Преимуществом длинного резонатора является отсутствие в спектре дискретной структуры аксиальных мод резонатора, так как время прохода резонатора фотоном больше, чем длительность импульса накачки. Это позволяет осуществлять плавную непрерывную перестройку длины волны генерации без подстройки длины резонатора.

Рис.4. Лазер на красителе с коротким резонатором и дифракционной решеткой скользящего падения. Перестройка длины волны осуществляется поворотом концевого зеркала. 1 - глухое зеркало лазера на красителе (R(_лк)=100%), 2 - пучок накачки; 3 - кювета с раствором красителя; 4 - дифракционная решетка; 5 - концевое зеркало.