Принцип действия лазеров на красителях
Лазеры на органических красителях представляют собой особый класс лазеров, в которых активной средой служат растворы органических молекул, способных к флуоресценции. Основной физический механизм генерации излучения — вынужденное излучение между возбуждёнными электронными состояниями молекул красителя. Эти молекулы обладают широким флуоресцентным спектром, что делает лазеры на красителях уникальными по своей способности к перестройке длины волны.
Поглощение энергии (обычно от внешнего источника накачки — другого лазера, например, аргонового или азотного) возбуждает молекулы из основного электронного состояния S₀ в возбуждённое состояние S₁. После внутренней конверсии и релаксации молекула оказывается на нижнем вибрационном уровне S₁, откуда может излучить фотон при переходе в основное состояние. Именно этот переход используется для генерации лазерного излучения.
Активные среды и растворители
Органические красители, используемые в лазерных системах, включают родамины (Rh6G, RhB), кумарины, флуоресцеин, пиромелитовый диангидрид и др. Выбор красителя зависит от требуемого диапазона перестройки, эффективности флуоресценции, устойчивости к фотодеградации.
Поскольку сами красители, как правило, используются в виде растворов, ключевую роль играет также выбор растворителя. Растворители должны обладать высокой прозрачностью в рабочем спектральном диапазоне и быть химически инертными по отношению к красителю. Часто применяются этанол, метанол, ацетон, диметилформамид и другие полярные органические соединения.
Оптическое возбуждение и накачка
Накачка лазеров на красителях осуществляется преимущественно с помощью импульсных или непрерывных лазеров. Для возбуждения Rh6G эффективна накачка с длиной волны 532 нм (вторая гармоника Nd:YAG-лазера). Азотный лазер (337 нм) также широко применяется как источник накачки для возбуждения кумаринов и других ультрафиолетовых красителей.
В импульсных режимах достигаются более высокие пиковые мощности, что важно для преодоления порога генерации, особенно с учётом сравнительно короткого времени жизни возбужденного состояния красителя (порядка 1–5 нс). При непрерывной накачке (CW) требуется стабильно высокоинтенсивный источник, например, аргоновый лазер.
Конструкция лазеров на красителях
Стандартная конфигурация лазера на красителе включает:
Для обеспечения перестройки длины волны в резонатор может вводиться дисперсионный элемент — призма или дифракционная решётка, а также элементы селекции (узкополосные фильтры, интерферометры, решётки Литтрова).
Перестройка длины волны
Одной из важнейших особенностей лазеров на красителях является возможность плавной перестройки длины волны в широком диапазоне — от ~330 до ~1200 нм, в зависимости от красителя и конструкции системы. Перестройка осуществляется за счёт:
Спектральные характеристики
Ширина спектральной линии излучения лазеров на красителях может составлять от десятков пиконометров (при использовании узкополосных селекторов) до нескольких нанометров (в широкополосных конфигурациях). Это делает такие лазеры пригодными для спектроскопии высокого разрешения, нелинейной оптики, голографии, биомедицинской диагностики.
Преимущества и особенности
Ограничения и проблемы
Несмотря на свои уникальные свойства, лазеры на красителях имеют ряд недостатков:
Применения
Лазеры на красителях нашли широкое применение в следующих областях:
Импульсные и непрерывные режимы
Импульсные лазеры на красителях (с накачкой от азотного или Nd:YAG-лазера) позволяют получать высокоинтенсивные всплески излучения с длительностью до единиц наносекунд. Такие лазеры применяются для возбуждения фотохимических процессов, зондирования атмосферных процессов, в системах LIDAR.
Непрерывные лазеры на красителях требуют более сложной организации накачки и охлаждения, но обеспечивают устойчивую генерацию и более узкий спектр излучения. В сочетании с селективными элементами такие системы используются в лазерной спектроскопии, прецизионных измерениях и исследованиях атомной и молекулярной структуры.
Современные тенденции
С развитием технологии фемтосекундных лазеров усиливается интерес к использованию красителей в качестве усилителей в системах параметрической генерации. Кроме того, разрабатываются твёрдофазные лазеры на красителях, в которых молекулы красителя диспергированы в твёрдой матрице (например, полимере). Такие системы обладают повышенной стабильностью и простотой эксплуатации, однако по-прежнему уступают жидкостным по спектральной ширине и эффективности.
Современные лазеры на красителях часто сочетаются с другими источниками — например, используются как генераторы перестраиваемого излучения в системах с усилением на оптических параметрических генераторах (ОПГ), что расширяет возможности их применения в научных и прикладных задачах.
Закономерности и математическое описание
Для описания характеристик лазера на красителе применяются уравнения баланса населённостей уровней и волнового усиления. В простейшей модели двухуровневой системы:
коэффициент усиления по интенсивности: g = σ * N, где σ — эффективное сечение вынужденного излучения, N — инверсия населённостей.
пороговое условие: g * L ≥ (1/R₁R₂)¹ᐟ², где L — длина активной среды, R₁ и R₂ — коэффициенты отражения зеркал резонатора.
Для точного расчёта учитываются спектральная зависимость сечения σ(λ), параметры растворителя (рефракция, вязкость, поглощение), а также внутренние нелинейные процессы, такие как интернал-конверсия и флуоресцентное тушение.
Заключительное замечание
Лазеры на красителях представляют собой один из самых гибких и мощных инструментов лазерной физики, объединяющий богатую спектроскопическую базу, широкие возможности настройки и потенциал в самых различных областях — от фундаментальных исследований до прикладной медицины и промышленной диагностики.