4.3. Системы накачки

В настоящее время наиболее распространенными способами накачки являются поперечная и продольная.

4.3.1. Поперечный способ накачки

Поперечный способ накачки - является радикальным методом повышения усиления активной области. Он универсален, так как позволяет достичь предельно-высокого усиления не только на красителях с малым наведенным поглощением накачки, таких как родамин 6G, но и на красителях с сечением наведенного поглощения накачки, сравнимым с сечением усиления. Последняя ситуация достаточна типична для красителей, генерирующих в сине-зеленой области спектра. Поэтому практически во всех ЛК, генерирующих в диапазоне 340 540 нм, при накачке излучением азотного ( = 337 нм) или эксимерных (308 или 248нм.) лазеров используется поперечный способ накачки.

К недостаткам поперечного способа относится необходимость использовать цилиндрическую оптику для формирования нужной формы поперечного сечения накачки, а также плохая структура выходного излучения ЛК, обусловленная тем, что роль внутрирезонаторной диафрагмы в ЛК играет поперечный профиль накаченной области красителя. Так как при поперечном способе накачки интенсивность возбуждающего излучения затухает в направлении, перпендикулярном генерации, это искажает форму внутрирезонаторной диафрагмы.

В ранних исследованиях использовалась простая конструкция лазера на растворе красителя. Простейший лазер состоит из квадратной кюветы спектрофотометра, наполненной раствором красителя (рис. 84. а). Краситель возбуждается излучением лазера. Как показано на рисунке, резонатор образуется двумя поверхностями раздела, стекло -воздух на полированных стенках кюветы, а направления излучения возбуждающего лазера и лазера на красителе взаимно перпендикулярны. Отражающие покрытия на окнах кюветы, представляющие собой металлические или многослойные диэлектрические пленки, повышают добротность Q- резонатора. Можно также использовать просветляющие покрытия или кюветы с окнами под углом Брюстера в сочетании с выносными зеркалами резонатора. При поперечной системе накачки инверсия населенности в растворе красителя

неоднородна вдоль возбуждающего лазерного луча, так как возбуждающий луч ослабляется в растворе. Поэтому при больших концентрациях можно достичь порога только в тонком слое непосредственно за входным (для возбуждающего луча) окном. Это приводит к большим дифракционным потерям и большой расходимости пучка.

Если концентрация не слишком высока, скажем, меньше , можно использовать такую схему для измерения пороговой мощности накачки и провести сопоставление со значениями, рассчитанными из условий генерации в разделе 4.2.

Например, по известным спектральным данным и измеренному времени затухания спонтанной флуоресценции = 2 нс, по формулам (4.8) и (4.11) было рассчитано пороговое

значение потока мощности накачки Р =1,2 Вт см . Расчет проводился для раствора 3,3'-диэтилтиатрикарбоцианинбромида в метиловом спирте с концентрацией в квадратной кювете со стороной 1 см, возбуждаемого гигантским импульсом рубинового лазера. Экспериментальное значение Р составило Р = 3 Вт см .Для другой концентрации этого же красителя, равной , рассчитанное и экспериментальное значения пороговой плотности мощности накачки были соответственно равны 1,2 Вт см и 1,2 Вт см . Более высокое (по сравнению с теоретическим) значение наблюдаемого в эксперименте порога для раствора с концентрацией объясняется влиянием триплетных потерь. Время нарастания возбуждающего импульса составляло в этих экспериментах 8 нс, в то время как длительность флуоресценции красителя равна 2 нс, Оценка квантового выхода флуоресценции дает = 0,4. Следовательно, существенная часть молекул переводилась в триплетное состояние уже вблизи порога. Большие расхождения между рассчитанными и наблюдаемыми значениями Р для растворов с концентрацией могут быть следствием высоких дифракционных потерь. В этом эксперименте луч возбуждающего лазера ослаблялся в 2,7 раза на глубине всего 85 мкм.

Другая система, разработанная для поперечной накачки лазеров на красителях, представлена на рис. 845,б. Кювета длиной 10 мм изготовлена из пирексовой трубки диаметром 12 мм. Кварцевые окна с просветляющими покрытиями впаяны на концах кюветы под углом 10 , чтобы избежать внутренних резонаторных эффектов. Циркуляция раствора красителя в кювете в поперечном направлении осуществляется при помощи небольшого центробежного насоса. Скорость потока в активной области составляет . Излучение азотного лазера фокусируется сферической линзой с фокусным расстоянием 135 мм в линию шириной 0,15 мм около внутренней стенки кюветы. Для того чтобы активная область в поперечном сечении представляла собой круг, концентрация красителя подбирается такой, чтобы свет накачки проникал на глубину порядка 0,15 мм. У одного конца оптического резонатора на расстоянии 50 мм помещается плоское внешнее зеркало.

Отношение этого расстояния к диаметру активной области велико, поэтому эта область действует как узкая диафрагма. Расходимость выходящего луча определяется дифракцией и составляет 2,4 мрад (при длине волны излучения 600 нм). На другом конце резонатора помещается телескоп, состоящий из двух объективов L и L с-фокусными расстояниями f =8,5мм и f =185 мм); расстояние между кюветой и объективом L составляет 75 мм. Для того чтобы избежать обратного (и многократного) отражения, объективы несколько смещены относительно оптической оси. В такой системе узкий световой пучок размером 0,08 мм расширялся до 4 мм, а расходимость пучка уменьшалась до 0,05 мрад. Это особенно важно, когда вместо второго зеркала используется дифракционная решетка в схеме Литтрова. Если бы пучок не был расширен, он расширен, он мог бы повредить решетку, а спектральное разрешение было бы очень низким.