Основы квантовой электроники (стр. 24 )

При распространении в кристалле двух волн с частотами и и волновыми векторами и , кроме гармоник каждой из волн, в кристалле генерируется волна с суммарной частотой: , и волна с разностной частотой. Условие волнового синхронизма при этом имеет вид: .

Описанные явления в определённом смысле можно рассматривать как генерацию гармоник при когерентной оптической накачке нелинейного кристалла.

5.3.4. Перестраиваемые лазеры на красителях. Лазеры на растворах сложных органических соединений (в т. ч. красителей: родаминов, кумаринов, оксазолов и др.) в спиртах, ацетоне и других растворителях, относятся к группе жидкостных лазеров. Такие растворы обладают интенсивными полосами поглощения при ОН и излучения в ближней УФ-, видимой или ближней ИК-областях спектра. Основное их достоинство – широкая линия люминесценции (до 50…100нм), что даёт возможность плавно перестраивать рабочую частоту лазера в пределах этой линии.

Электронные состояния большинства красителей, используемых в таких лазерах, представляют собой широкие, до 0,1эВ, сплошные зоны энергии, получающиеся как результат сложения сотен “перекрывающихся” колебательных и вращательных подуровней, что приводит и к широким, как правило, бесструктурным полосам поглощения и люминесценции, как результат сложения «перекрывающихся» переходов между такими подуровнями (рис. 5.8,а). Между подуровнями “внутри” этих зон имеют место быстрые безызлучательные переходы с вероятностями w~1010…1012 c–1, а вероятности релаксационных переходов между электронными состояниями – на два-четыре порядка меньше (~108 c–1).

Генерация происходит по “четырёхуровневой” схеме на переходах молекулы красителя с нижних колебательных подуровней первого возбуждённого синглетного электронного состояния S1 (рис. 5.8,а), аналогах уровня «2» на диаграмме рис. 5.4 – на верхние подуровни основного электронного состояния S0, аналогах уровня «1». Аналогом уровня «0» являются нижние подуровни основного электронного терма, а аналогом вспомогательного уровня «3» – верхние колебательные подуровни возбужденного электронного терма S1.

Поскольку внутри электронных термов имеют место быстрые переходы, то распределение населённости состояний отвечает закону Больцмана: верхние под-уровни «3» и «1» являются слабо заселёнными, а нижние «0» и «2» – сильно заселёнными. Такое соотношение для уровней «0» и «3» определяет для них высокую эффективность ОН по каналу «0»→«3», а соотношение для уровней «2» и «1» –инверсию населённостей, усиление и генерацию на этом переходе.

Для получения узкой линии генерации, а также для возможности перестройки её по частоте в пределах широкой полосы люминесценции молекул красителя используют дисперсионный резонатор со спектрально-селектирующими элементами (призмами, дифракционными решётками, интерферометрами и др. (рис. 5.8,б).

Рис. 5.8. Лазер на красителе с оптической накачкой: (а) – обобщённая схема энергетических уровней, S0, S1 и S2– синглетные уровни, Т1 и Т2– триплетные уровни, r–обобщённое расстояние между атомами в молекуле красителя; показаны паразитные переходы, снижающие эффективность лазера («2»→Т1, Т1→«1», Т1→Т2); (б) – оптическая схема струйного лазера на красителе с лазерной (когерентной) накачкой: З1–З4 – зеркала резонатора, П–диспергирующий элемент (призма), показаны лазерный луч накачки и сопло, формирующее струю раствора красителя; (в)–область перестройки лазера с дисперсионным резонатором: 1–линия люминесценции, 2–лазерная линия (показаны схематично).

Возможность перестройки по длине волны в пределах линии люминесценции (рис. 5.8,в) без потери мощности определяется быстрыми безызлучательными переходами внутри электронных термов «2» и «1», вероятность которых превышает вероятность индуцированных переходов. Так, при настройке резонатора на какую-либо длину волны в пределах линии люминесценции перехода «2»→«1» возникает лазерное излучение на переходе между соответствующими подуровнями «2ʹ» и «1ʹ», в результате подуровень «2ʹ» индуцированными переходами “очищается”, а «1ʹ» – дополнительно заселяется. Однако за счёт ОН и быстрых переходов с соседних подуровней внутри терма населённость “генерирующего” подуровня «2ʹ» непрерывно восстанавливается. Одновременно подуровень «1ʹ» быстрыми переходами непрерывно очищается, релаксируя в конечном итоге в состояние «0». Таким образом, вся накачка верхнего электронного терма «2» становится накачкой перехода «2ʹ»→«1ʹ» и превращается в узкополосное монохроматическое лазерное излучение на частоте настройки дисперсионного резонатора, и эту частоту можно варьировать.

Помимо излучательных переходов S1→S0 («2»→«1») существует и ряд переходов, снижающих эффективность генерации. Это переходы: S1→Т1, снижающие населённость уровней «2ʹ», переходы Т1→«1», увеличивающие населённость уровней «1ʹ», и переходы Т1→Т2, поглощающие лазерное излучение.

Лазеры на красителях бывают двух типов: с некогерентной (ламповой) оптической накачкой излучением импульсных ламп и импульсным режимом работы; а также с когерентной накачкой излучением лазеров других типов (газовых или твёрдотельных) при непрерывном, квазинепрерывном или импульсном режиме работы. Если в лазере применить смену красителей, а их известно больше тысячи, то таким способом можно “перекрыть” излучением всю видимую и часть ИК области спектра (0,33…1,8мкм). В лазерах с когерентной накачкой для получения непрерывного режима в качестве источников накачки используются ионные Ar - или Kr-газовые лазеры (см., раздел 4.2.1). Для накачки красителей в импульсном режиме применяют газовые лазеры на N2 (см., раздел 4.2.3), парах меди, эксимерах (см., разделы 4.2.2 и 4.4), а также лазеры на рубине и неодиме с умножением частоты (см., разделы 5.2.2 и 5.3.2). Часто приходится использовать прокачку раствора красителя, благодаря чему из активной зоны выводятся молекулы, подвергшиеся диссоциации под действием излучения накачки, и вводятся свежие.

Лазеры на красителях, имея Δνнеодн~1013 Гц и М>104, позволяют в режиме пассивной синхронизации мод (см., раздел 3.3) осуществить генерацию ультракоротких импульсов излучения (τ~10‑14…10‑13 c).

Особую группу составляют лазеры на красителях с распределённой обратной связью (РОС). В РОС-лазерах роль резонатора играет структура с периодически изменяющимся показателем преломления и (или) усиления. Обычно она создается в активной среде под действием двух интерферирующих пучков накачки. РОС-лазер характеризуется узкой линией генерации (~10‑2см‑1), которая может перестраиваться в пределах полосы усиления путём изменения угла между пучками накачки.

Среди сфер применений лазеров на красителях: фотохимия, селективная накачка квантовых состояний в спектроскопии, при разделении изотопов и др.

5.3.5. Перестраиваемый лазер на сапфире, легированном титаном. Плавную перестройку длины волны генерации обеспечивает и твёрдотельный лазер на кристалле корунда, активированного титаном (Al2O3:Ti3+), называемом сапфиром.

Каждое электронное состояние Ti3+, состоит из большого числа «перекрывающихся» колебательных подуровней, что приводит к еще более широким, чем у красителя, бесструктурным полосам поглощения и люминесценции как результат сложения «перекрывающихся» переходов между такими подуровнями. Внутри этих состояний имеют место быстрые безызлучательные переходы с вероятностями w~109 c‑1, при том, что вероятности релаксации между электронными состояниями имеют порядок 105…106 c‑1.

Лазер на сапфире относится к группе т. наз. вибронных лазеров, отличающихся тем, что их основной электронный терм представляет собой полосу из колебательных подуровней (кристаллической решётки), благодаря чему лазер работает по четырёхуровневой схеме, и подобно лазеру на красителе создаёт возможность плавной перестройки генерации в диапазоне λ660…1180 нм. Полоса поглощения простирается от λ0,49мкм до λ0,54мкм. Малое время жизни возбужденного состояния «2» Ti3+ делает малоэффективной ламповую накачку этого лазера, которая, как правило, осуществляется непрерывным аргоновым лазером (λ488нм и λ514,5нм), второй гармоникой неодимового лазера (λ530нм) или импульсами излучения лазера на парах меди (λ510нм) (см., раздел 4).

Несомненными достоинствами сапфирового лазера с титаном являются гораздо более высокая допустимая мощность накачки без деградации рабочего вещества и более широкая неоднородно уширенная линия люминесценции. В результате в режиме синхронизации мод получена последовательность импульсов с длительностью порядка десятков фемтосекунд (1фс=10‑15 с), а с последующей компрессией (сжатием) импульсов в нелинейных волоконных световодах–до 0,6 фс.

5.3.6. Перестраиваемые лазеры на центрах окраски. Такие лазеры, как и рассмотренные выше твёрдотельные лазеры, в качестве активного вещества используют ионные кристаллы, но с центрами окраски, называемыми F-центрами, что позволяет осуществлять перестройку их излучения. Лазерные материалы для таких лазеров: кристаллы фторидов и хлоридов щелочных металлов (Li, Na, К, Rb), а также фторидов Ca и Sr. Воздействие на них ионизирующих излучений: гамма-квантов, электронов высоких энергий, рентгеновского и жесткого УФ излучений, а также прокаливание кристаллов в парах щелочных металлов приводит к возникновению точечных дефектов кристаллической решётки, локализующих на себе электроны или дырки. Вакансия, захватившая электрон, образует дефект, электронная структура которого подобна структуре атома водорода. Такой центр окраски имеет полосы поглощения в видимой и УФ областях спектра.