Кіріспе

Органикалық бояуды когерентті жарық шығаруға пайдаланатын жабдық. Түсті лазер – лазерлік орта ретінде органикалық бояуды, әдетте сұйық ерітінді түрінде пайдаланатын лазер. Газдар мен көптеген қатты күйдегі лазерлік орталармен салыстырғанда, бояу көбінесе 50-100 нанометр немесе одан да көп толқын ұзындығы диапазонында қолданылуы мүмкін. Кең жолақтығы оларды реттелетін және импульстік лазерлер үшін ерекше қолайлы етеді. Мысалы, родамин 6G бояуы 635 нм (қызыл-сарғыш) түстің 560 нм (жасыл-сарғыш) түсіне дейін реттелуі мүмкін және 16 фемтосекундтан да қысқа импульстарды тудырады. Сонымен қатар, бояуды басқа түрмен алмастыру арқылы бір лазерде инфрақызыл сәуледен ультракөк сәулеге дейінгі толқын ұзындығының тікелей ауқымын жасауға болады, бірақ мұндай жағдайда лазердегі басқа оптикалық компоненттерді де, мысалы, диэлектрлік айналарды немесе сорғы лазерлерін де алмастыру қажет болуы мүмкін. Түсті лазерлерді П. П. Сорокин және Ф. П. Шефер (және олардың әріптестері) 1966 жылы тәуелсіз түрде ашқан. Құрамында сұйық күйден басқа, түсті лазерлер қатты күйдегі түсті лазерлер (SSDL) түрінде де қолжетімді. Бұл SSDL лазерлері күшейту ортасы ретінде бояу қосылған органикалық матрицаларды пайдаланады.

Құрылыс

Түсті лазерде көміртек негізіндегі, ерігіш, көбінесе флуоресцентті органикалық бояғыш пайда ортасы қолданылады, мысалы, маркердегі бояғыш сияқты. Бояу үйлесімді еріткішпен араластырылады, бұл молекулалардың сұйықтықта біркелкі таралуын қамтамасыз етеді. Бояу ерітіндісі бояу ұяшығы арқылы айналымға түсірілуі немесе ашық ауада бояу реакторы арқылы ағызылуы мүмкін. Сұйықтықты лазерлік шегінен асырып "сору" үшін жоғары энергиялы жарық көзі қажет. Бұл мақсатта әдетте жылдам разрядты флэш-түтік немесе сыртқы лазер қолданылады. Бояудың флуоресценциясымен туындаған жарықты тербелту үшін айналар да қажет. Шығару айнасы әдетте 80% шамасында жарық шағылыстырады, ал қалған айналардың барлығы 99,9% -дан астам жарық шағылыстырады. Бояу ерітіндісі әдетте жоғары жылдамдықпен айналымға түсіріледі, бұл үштік сіңуді болдырмауға және бояудың деградациясын азайтуға көмектеседі. Сәулені реттеу үшін жарық жолына призма немесе дифракциялық тор орнатылады. Түсті лазердің сұйық ортасы кез келген пішінге бейімделгендіктен, оны қолдануға болатын көптеген конфигурациялар бар. Флэш-түтікпен сорылатын лазерлер үшін әдетте Фабри-Перо лазерлік қуысы қолданылады, ол арасында лазерлік ортасы бар екі айнадан тұрады, олар жазық немесе қисайған болуы мүмкін. Бояу ұяшығы көбінесе флэш-түтіктің ұзындығына шамалас жұқа түтік түрінде болады, екі басында терезелер мен сұйықтық кіретін/шығатын жерлері бар. Бояу ұяшығы көбінесе бүйірден сорылады, бір немесе бірнеше флэш-түтіктер рефлекторлық қуыста бояу ұяшығына параллель орналасады. Рефлекторлық қуыс көбінесе сумен салқындатылады, бұл флэш-түтік шығаратын үлкен мөлшердегі жақын инфроқызыл сәулеленуден туындаған бояудың жылулық соққысын болдырмау үшін жасалады. Аксиалды сорылатын лазерлерде бояу ұяшығын қоршап тұратын қуыс, сақина тәрізді флэш-түтік болады, бұл жарық импульсының ұзақтығын қысқартып, индуктивтілікті төмендетіп, энергия беру тиімділігін арттырады. Коаксиалды сорылатын лазерлерде флэш-түтікті қоршап тұратын сақина тәрізді бояу ұяшығы болады, бұл энергия беру тиімділігін одан да жақсартады, бірақ дифракциялық жоғалтуларға байланысты пайда төмендейді. Флэш-түтікпен сорылатын лазерлерді тек импульстік шығысқа қолдануға болады. Ұзаққа созылған жұмыс үшін көбінесе сақиналы лазерлік конструкция таңдалады, бірақ кейде Фабри-Перо конструкциясы да қолданылады. Сақиналы лазерде лазердің айналары сәуленің шеңберлік жолмен жүруіне мүмкіндік беретіндей етіп орналастырылады. Бояу ұяшығы немесе кювета әдетте өте кішкентай болады. Жарықтан туындаған жоғалтуларды болдырмау үшін кейде бояу реакторы қолданылады. Бояу әдетте азот, эксимер немесе жиілігі екі еселенген Nd:YAG лазері сияқты сыртқы лазермен сорылады. Сұйықтық өте жоғары жылдамдықпен айналымға түсіріледі, бұл үштік сіңудің сәуленің кесілуін болдырмау үшін жасалады. Фабри-Перо қуыстарынан айырмашылығы, сақиналы лазер кеңістіктік тесіктерді тудыратын тұрақты толқындарды жаратпайды, бұл энергия толқынның жоталары арасындағы ортаның пайдаланылмаған бөліктерінде қалып қоятын құбылыс. Бұл лазерлік ортадан жақсы пайда алуға мүмкіндік береді.

Операция

Бұл лазерлерде қолданылатын бояулар флуоресцентті, өте ірі органикалық молекулаларды қамтиды. Көптеген бояулардың сәуле сіңіру мен шығару арасындағы уақыты өте қысқа болады, бұл флуоресценцияның өмір сүру мерзімі деп аталады, және көбінесе бірнеше наносекундқа тең келеді. (Қарама-қарсылығы, көптеген қатты дене лазерлерінің флуоресценция өмір сүру ұзақтығы жүздеген микросекундтан бірнеше миллисекундқа дейін ауыспалы болады.) Стандартты лазерлік сорғылау шартында молекулалар, популяция инверсиясы тиісті деңгейге жетпей тұрып, энергиясын шығарып алады, сондықтан бояуларға сорғылаудың ерекше тәсілдері қажет. Сұйық бояулардың лазерлік шегі өте жоғары. Сонымен қатар, ірі молекулалар күрделі қоздырылған күйдегі ауысуларға ұшырайды, оның барысында спин "қайта бұрылуы" мүмкін, пайдалы, жылдам сәуле шығаратын "синглет" күйінен баяу "триплет" күйіне жылдам өтеді. Түсетін жарық бояу молекулаларын стимулданған сәуле шығаруға дайын күйге, яғни синглет күйіне жеткізеді. Осы күйде молекулалар флуоресценция арқылы жарық шығарады, ал бояу лазерлік толқын ұзындығына мөлдір болады. Микросекундтан кем уақыт ішінде молекулалар триплет күйіне ауысады. Триплет күйінде жарық фосфоресценция арқылы шығарылады, ал молекулалар лазерлік толқын ұзындығын сіңіреді, нәтижесінде бояу ішінара мөлдірсіз болады. Жарық шамдарымен сорғыланатын лазерлерге бояудың триплеттік сіңіруі бірлік сәуле шығаруды басып озуына дейін, бояуды шекті деңгейден өткізу үшін қажетті үлкен энергияны жеткізу үшін өте қысқа импульс қажет. Сыртқы лазерлік сорғысы бар бояу лазерлері бояуға тиісті толқын ұзындығының жеткілікті энергиясын салыстырмалы түрде аз кіріс энергиясымен бағыттауға болады, бірақ бояудың триплеттік молекулаларын сәуле жолынан шығарып тастау үшін жоғары жылдамдықпен айналдырылуы керек. Олардың жоғары сіңіру қабілетіне байланысты, сорғылау энергиясы көбінесе сұйықтықтың өте кішкентай көлеміне шоғырланған. Органикалық бояулар жарық әсерінен ыдырайтындықтан, бояу ерітіндісі әдетте үлкен резервуардан айналымға жіберіледі. Бояу ерітіндісі шыны кувет арқылы ағып өтуі мүмкін, яғни шыны ыдыс, немесе бояу реакторы ретінде, арнайы пішінделген соплодан ашық ауада табақ сияқты ағып кетуі мүмкін. Бояуды ағызу арқылы шыны беттерінен шағылысудан туындаған жоғалтулар мен кувет қабырғаларының ластануын болдырмауға болады. Бұл артықшылықтар күрделірек дұрыстаудың құнымен байланысты. Сұйық бояулар лазерлік орта ретінде өте жоғары күшейтуге ие. Сәуле толық жобаланған қуатқа жету үшін сұйықтық арқылы бірнеше рет өтуі керек, сондықтан шығыс қосқыштың жоғары өткізгіштігі қажет. Жоғары күшейту сонымен қатар жоғары жоғалтуларға әкеледі, өйткені бояу жасушасының қабырғаларынан немесе флэш-лампаның рефлекторынан шағылысқан сәулелер паразиттік осцилляцияларды тудырады, бұл сәулеге қол жетімді энергия мөлшерін күрт азайтады. Сорғылау қуыстары көбінесе лазерлік толқын ұзындығында шағылыстырмайтын материалмен қапталған, анодталған немесе басқаша жасалған, ал сорғылау толқын ұзындығында шағылыстыратын материалмен жасалған. Бояуды жиі ағызу тәсілі қолданылады. Ұздістік толқынды (CW) бояу лазерлері сызықтық немесе сақиналы резонаторға ие болуы мүмкін және фемтосекундтық лазерлерді әзірлеуге негіз салды.

Тар сызықты бояу лазерлері

Түсті лазерлердің сәуле шығаруы бастапқыда кең ауқымды болады. Дегенмен, реттелетін тар желілік енімен сәуле шығару, түсті лазердің табысқа жетуіне орталық рөл атқарды. Тар жолақтықты қамтамасыз ету үшін бұл лазерлер түрлі қуыстар мен резонаторларды қолданады, оларға дифракциялық торлар, призмалар, көп призмалы торлар және эталондар кіреді. Ханш ұсынған алғашқы тар желілік ені бар түсті лазер, дифракциялық торды жарықтандыру үшін сәуле кеңейткіш ретінде Галилей телескобын пайдаланды. Содан кейін, беткейлік инциденциялық торлардың дизайны және көп призмалы торлардың конфигурациясы пайда болды. Түсті лазерлер үшін жасалған әр түрлі резонаторлар мен осцилляторлардың дизайны, диодты лазер сияқты басқа лазер түрлеріне де сәтті бейімделді. Тар желілік ені бар көп призмалы торлы лазерлердің физикасын Дуарте және Пайпер түсіндірді.

Өте қысқа оптикалық импульстер

Р. Л. Форк, Б. И. Грин және К. В. Шенк 1981 жылы сақиналық бояу лазерін (немесе соқтығысатын импульстік режимде құлыпталған бояу лазерін) пайдаланып, ультрақысқа лазерлік импульстерді жасауды көрсетті. Бұл лазер түрі шамамен 0,1 пс ұзақтықтағы лазерлік импульстерді тудыруға қабілетті. Жарықтарды пайдалану техникасы және қуыс ішіндегі призмалық импульстік компрессорлардың енгізілуі фемтосекундтық бояу лазерлік импульстердің үнемі шығарылуына әкелді.