Лазеры на красителях

активной среды в них выступают растворы многоатомных
органических молекул –

Лазерная генерация получена более чем на трехстах красителей

Количество атомов в различных красителях колеблется от десятков до
нескольких сотен

В красителях содержатся группы –NO2, –N=N–, =CO, –NH2, –OH, которые
ответственны за их окраску

Первые лазеры на красителях появились в середине 60-х годов 20-века

Красители имеют широкие полосы поглощения и люминесценции в
видимой области спектра, а также в ближнем УФ и ИК диапазонах

Теоретическое построение потенциальных поверхностей молекул
красителей невозможно – большое количество степеней свободы

вращательные
Расстояния между электронными
состояниями составляют
порядка 104 см-1
Состояния

Упрощенные модели позволяют довольно точно описать возможные
состояния многоатомных молекул красителя и переходы между этими
состояниями

отдельными колебательно-вращательными состояниями мало – имеется
практически непрерывная полоса поглощения

Правилами отбора разрешены излучательные переходы без изменения
полного спина - разрешены синглет-синглетные и триплет-триплетные
переходы

Излучение накачки возбуждает переходы из S0-состояния в S1-состояние

Далее сначала происходит установление термодинамического равновесия
внутри S1-состояния

Затем электроны с испусканием фотона переходят в S0-состояние в
соответствии с принципом Франка-Кондона - максимальная вероятность
достигается для переходов, попадающих в верхнюю часть S1-состояния

В S0-состоянии электроны быстро релаксируют вниз в соответствии с
больцмановским распределением

в верхнюю часть S1-состояния
Спектр флуоресценции красителей смещен в область

аналогом
классической четырехуровневой системы


Нижние уровни S0-состояния
Верхние уровни S1-состояния
Нижние уровни

Верхние уровни S0-состояния

Накачка

Генерация

Схема накачки и генерации лазера на красителе

фотоном могут оказаться резонансными частотам
переходов в S2-состояние
2. Часть

Разрешенные триплет-триплетные переходы Т1-Т2 совпадают по частотам
со спектром люминесценции красителя, что сильно препятствует генерации

Опустошение Т1-состояния - добавление в краситель компонентов, при
столкновении с которыми скорость безызлучательной релаксации из
Т1-состояния в S0-состояние увеличивается (тушение триплетного состояния)

Ширина спектра генерации лазеров на красителях определяется шириной
спектров их люминесценции с плавной перестройкой по частоте

усиления малого сигнала → требуется лишь небольшой
объем активной среды

Струя раствора красителя из специально сконструированного сопла
выпускается в воздух, где образует ровный ламинарный слой, через
который проходит излучение лазера накачки

Для возникновения ламинарного режима истечения из сопла в качестве
растворителя используют вещества с очень высокой вязкостью

Накачка аргоновым лазером

Луч аргонового лазера фокусируется в пятно размером порядка 10 мкм в
области пересечения со струей красителя примерно такого же диаметра

Для того, чтобы излучение лазера на красителе было линейно
поляризованным, плоскость, в которой течет струя красителя, находится
под углом Брюстера по отношению к оси резонатора

Накачка лазеров на красителях

коллектора. 1 – лазерное излучение накачки; 2 – область потока красителя;

лампы, либо лазерные источники – рубиновый лазер на
второй гармонике,

Для непрерывного режима генерации одни из наилучших результатов
получаются при использовании аргонового лазера

Схема накачки

Зеркало

Зеркало

Зеркало

Зеркало

Излучение лазера накачки

Выходное излучение

Пересечение струи красилеля
и излучения лазера накачки

устранение продуктов фотолиза красителя
Типы
красителей
ксантеновые красители – видимая область

кумариновые красители - от 400 нм до 500 нм

сцинтилляторные красители – УФ диапазон (< 400 нм)

полиметиновые красители - от 700 нм до 1.5 мкм

нагрев красителя излучением накачки → возникновение температурных
градиентов → неоднородности показателя преломления

Широкие полосы люминесценции красителей позволяют осуществлять
генерацию в лазерах на красителях в режиме синхронизации мод