Лазеры на растворах представляют собой особый класс лазеров, в которых активной средой служит жидкость — чаще всего раствор органических красителей в подходящих растворителях. Эти лазеры сочетают в себе уникальные характеристики: широкий диапазон перестройки длины волны, высокая яркость, короткая длительность импульсов и простота реализации. Основное применение таких лазеров связано с научными исследованиями, спектроскопией, биомедицинской диагностикой, нелинейной оптикой и фемтосекундной фотоникой.
Активная среда лазера на растворах состоит из флуоресцентного красителя, растворённого в прозрачном жидком носителе. Раствор служит не только как оптический усилитель, но и как теплоотводящая среда. Обычно концентрация красителя составляет порядка 10⁻⁵ – 10⁻³ моль/л. Выбор растворителя оказывает заметное влияние на эффективность лазерного излучения, спектральные характеристики и стабильность работы.
Наиболее распространёнными лазерными красителями являются:
Один и тот же краситель может обеспечивать перестройку длины волны в диапазоне до 100 нм при изменении условий возбуждения и геометрии резонатора. Это делает лазеры на растворах уникальными по сравнению с твердо- и газо-лазерами, у которых длина волны фиксирована.
Для накачки лазеров на растворах применяются:
Наиболее эффективным является использование фотовозбуждения вблизи полосы максимального поглощения красителя. Поглощённая энергия переходит в возбуждённое электронное состояние S₁, откуда происходит флуоресценция и, при положительной обратной связи, стимулированное излучение.
Оптический резонатор лазера на растворе может быть:
Основные требования к резонатору — высокая отражательная способность выходного зеркала, хорошая согласованность с направлением возбуждения и минимальные потери. Часто используется кювета с кварцевыми стенками, наполненная раствором красителя, размещённая между зеркалами.
Также популярны струйные лазеры, в которых раствор под давлением формирует тонкую струю — это исключает абсорбцию стенками сосуда и снижает тепловую нагрузку. Такие конструкции особенно хорошо подходят для работы с высокочастотной накачкой и в фемтосекундных режимах.
Спектральная ширина генерации лазеров на растворах зависит от ширины флуоресцентного спектра активного красителя и добротности резонатора. Обычно наблюдаются полосы шириной от 1 до 5 нм. С использованием внешних диспергирующих элементов (решеток, призматических фильтров, эталонов) удаётся сужать полосу генерации до десятых и сотых долей нанометра.
Импульсная длительность может изменяться в широком диапазоне — от наносекунд (при импульсной накачке) до фемтосекунд (в комбинации с синхронизацией режимов или суперлюминесценцией). Для генерации ультракоротких импульсов лазеры на красителях до сих пор остаются незаменимыми.
Выходная мощность при импульсной работе может достигать нескольких сотен милливатт при длительности импульса 10–20 нс. КПД преобразования энергии накачки в свет лазера может доходить до 30–40% в оптимальных условиях.
Преимущества:
Недостатки:
Для борьбы с фотодеструкцией используют вращающиеся кюветы, струйные системы, а также кислородные поглотители (например, хинолины), снижающие разрушительное действие синглетного кислорода.
Несмотря на появление новых источников света — титан-сапфировых, оптоволоконных и полупроводниковых лазеров — лазеры на растворах сохраняют актуальность благодаря своей гибкости, спектральной широте и способности к генерации ультракоротких импульсов. Современные исследования направлены на повышение стабильности красителей, разработку неорганических нанокомпозитных растворов, гибридных схем с оптическим усилением и интеграцию с микрофлюидными системами.