Лазеры на органических красителях: принцип работы и характеристики

Введение

Оборудование, использующее органический краситель для излучения когерентного света.

Лазер красителя – это лазер, использующий органический краситель в качестве активной среды, обычно в виде жидкого раствора. По сравнению с газами и большинством твердотельных лазерных сред, красители обычно могут использоваться для гораздо более широкого диапазона длин волн, часто охватывающего 50–100 нанометров и более. Большая ширина полосы пропускания делает их особенно подходящими для перестраиваемых лазеров и импульсных лазеров. Например, краситель родамин 6G можно перестраивать от 635 нм (оранжево-красный) до 560 нм (зеленовато-желтый) и генерировать импульсы длительностью до 16 фемтосекунд. Более того, краситель можно заменить другим типом, чтобы с помощью одного и того же лазера генерировать еще более широкий диапазон длин волн – от ближнего инфракрасного до ближнего ультрафиолетового, хотя для этого обычно требуется замена других оптических компонентов лазера, таких как диэлектрические зеркала или лазеры накачки. Лазеры красителей были независимо открыты П. П. Сорокиным и Ф. П. Шефером (и их коллегами) в 1966 году. Помимо обычной жидкой формы, лазеры красителей также доступны в виде твердотельных лазеров красителей (SSDL). Эти лазеры SSDL используют органические матрицы, легированные красителем, в качестве среды усиления.

Строительство

Лазер красителя использует среду усиления, состоящую из органического красителя – растворимого в основе углерода вещества, часто флуоресцирующего, например, красителя в текстовыделителе. Краситель смешивается с совместимым растворителем, позволяя молекулам равномерно диффундировать по всей жидкости. Раствор красителя может циркулировать через красительную ячейку или подаваться в виде струи красителя в открытый воздух. Для «накачки» жидкости выше лазерного порога требуется мощный источник света. Обычно для этого используется быстродействующая импульсная лампа или внешний лазер. Зеркала также необходимы для генерации колебаний света, производимого флуоресценцией красителя, который усиливается при каждом прохождении через жидкость. Выходное зеркало обычно имеет отражающую способность около 80%, а все остальные зеркала – более 99,9%. Раствор красителя обычно циркулирует с высокой скоростью, чтобы избежать триплетного поглощения и уменьшить деградацию красителя. Призма или дифракционная решетка обычно устанавливается на пути луча для настройки длины волны. Поскольку жидкая среда лазера красителя может принимать любую форму, существует множество различных конфигураций. Для лазеров с импульсной накачкой обычно используется резонатор Фабри-Перо, состоящий из двух зеркал (плоских или сферических), установленных параллельно друг другу с лазерной средой между ними. Красительная ячейка часто представляет собой тонкую трубку, примерно равную по длине импульсной лампе, с окнами и входом/выходом для жидкости на каждом конце. Красительная ячейка обычно накачивается сбоку, одной или несколькими импульсными лампами, расположенными параллельно ячейке в отражательном резонаторе. Отражательный резонатор часто охлаждается водой для предотвращения теплового удара красителя, вызванного большим количеством инфракрасного излучения, производимого импульсной лампой. Лазеры с осевой накачкой имеют полую кольцевую импульсную лампу, окружающую красительную ячейку, что обеспечивает меньшую индуктивность для более короткого импульса и улучшенную эффективность передачи энергии. Лазеры с коаксиальной накачкой имеют кольцевую красительную ячейку, окружающую импульсную лампу, что обеспечивает еще более высокую эффективность передачи энергии, но меньший коэффициент усиления из-за дифракционных потерь. Лазеры с импульсной накачкой могут использоваться только для генерации импульсного излучения. Для непрерывной работы часто выбирается кольцевой резонатор, хотя иногда используется резонатор Фабри-Перо. В кольцевом резонаторе зеркала лазера расположены таким образом, чтобы луч распространялся по круговой траектории. Красительная ячейка, или кювета, обычно очень мала. Иногда используется струя красителя для уменьшения потерь на отражение. Краситель обычно накачивается внешним лазером, таким как азотный, эксимерный или Nd:YAG лазер с удвоенной частотой. Жидкость циркулирует с очень высокой скоростью, чтобы предотвратить триплетное поглощение, которое может обрезать луч. В отличие от резонаторов Фабри-Перо, кольцевой резонатор не генерирует стоячие волны, вызывающие пространственное прогорание, явление, при котором энергия задерживается в неиспользуемых участках среды между гребнями волны. Это приводит к более высокому коэффициенту усиления от лазерной среды.

A dye laser uses a gain medium consisting of an organic dye, which is a carbon based, soluble stain that is often fluorescent, such as the dye in a highlighter pen. The dye is mixed with a compatible solvent, allowing the molecules to diffuse evenly throughout the liquid. The dye solution may be circulated through a dye cell, or streamed through open air using a dye jet. A high energy source of light is needed to 'pump' the liquid beyond its lasing threshold. A fast discharge flashtube or an external laser is usually used for this purpose. Mirrors are also needed to oscillate the light produced by the dye's fluorescence, which is amplified with each pass through the liquid. The output mirror is normally around 80% reflective, while all other mirrors are usually more than 99.9% reflective. The dye solution is usually circulated at high speeds, to help avoid triplet absorption and to decrease degradation of the dye. A prism or diffraction grating is usually mounted in the beam path, to allow tuning of the beam. Because the liquid medium of a dye laser can fit any shape, there are a multitude of different configurations that can be used. A Fabry–Pérot laser cavity is usually used for flashtube pumped lasers, which consists of two mirrors, which may be flat or curved, mounted parallel to each other with the laser medium in between. The dye cell is often a thin tube approximately equal in length to the flashtube, with both windows and an inlet/outlet for the liquid on each end. The dye cell is usually side pumped, with one or more flashtubes running parallel to the dye cell in a reflector cavity. The reflector cavity is often water cooled, to prevent thermal shock in the dye caused by the large amounts of near infrared radiation which the flashtube produces. Axial pumped lasers have a hollow, annular shaped flashtube that surrounds the dye cell, which has lower inductance for a shorter flash, and improved transfer efficiency. Coaxial pumped lasers have an annular dye cell that surrounds the flashtube, for even better transfer efficiency, but have a lower gain due to diffraction losses. Flash pumped lasers can be used only for pulsed output applications. A ring laser design is often chosen for continuous operation, although a Fabry–Pérot design is sometimes used. In a ring laser, the mirrors of the laser are positioned to allow the beam to travel in a circular path. The dye cell, or cuvette, is usually very small. Sometimes a dye jet is used to help avoid reflection losses. The dye is usually pumped with an external laser, such as a nitrogen, excimer, or frequency doubled Nd:YAG laser. The liquid is circulated at very high speeds, to prevent triplet absorption from cutting off the beam. Unlike Fabry–Pérot cavities, a ring laser does not generate standing waves which cause spatial hole burning, a phenomenon where energy becomes trapped in unused portions of the medium between the crests of the wave. This leads to a better gain from the lasing medium.

Операция

Красители, используемые в этих лазерах, содержат довольно крупные органические молекулы, которые флуоресцируют. Большинство красителей имеют очень короткое время между поглощением и излучением света, называемое временем жизни флуоресценции, которое часто составляет порядка нескольких наносекунд. (Для сравнения, большинство твердотельных лазеров имеют время жизни флуоресценции от сотен микросекунд до нескольких миллисекунд.) При стандартных условиях накачки молекулы излучают энергию до того, как инверсия населенностей успевает сформироваться, поэтому красители требуют специализированных методов накачки. Жидкие красители имеют чрезвычайно высокий порог генерации. Кроме того, крупные молекулы подвергаются сложным переходам в возбужденном состоянии, во время которых спин может "переворачиваться", быстро изменяясь из полезного, быстро излучающего "синглетного" состояния в более медленное "триплетное" состояние. Входящий свет возбуждает молекулы красителя в состояние, готовое к излучению стимулированного излучения – синглетное состояние. В этом состоянии молекулы излучают свет посредством флуоресценции, а краситель прозрачен для длины волны лазера. В течение микросекунды или менее молекулы переходят в триплетное состояние. В триплетном состоянии свет излучается посредством фосфоресценции, и молекулы поглощают лазерную длину волны, делая краситель частично непрозрачным. Лазеры с импульсной лампой накачки требуют вспышки чрезвычайно короткой длительности, чтобы обеспечить поступление большого количества энергии, необходимого для преодоления порога генерации до того, как поглощение в триплетном состоянии затмит излучение из синглетного состояния. Лазеры на красителях с внешним лазером накачки могут направлять достаточно энергии нужной длины волны в краситель, используя относительно небольшую входную мощность, но краситель должен циркулировать с высокой скоростью, чтобы удерживать триплетные молекулы вне пути луча. Из-за высокой абсорбции энергия накачки часто концентрируется в небольшом объеме жидкости. Поскольку органические красители склонны к разложению под воздействием света, раствор красителя обычно циркулирует из большого резервуара. Раствор красителя может протекать через кювету, то есть стеклянный сосуд, или формироваться в виде струи красителя, то есть в виде тонкой плоскостной струи в открытом воздухе из специально спрофилированного сопла. Использование струи красителя позволяет избежать потерь на отражение от стеклянных поверхностей и загрязнения стенок кюветы. Эти преимущества достигаются ценой более сложной настройки. Жидкие красители обладают очень высоким коэффициентом усиления в качестве активной среды. Лучу требуется всего несколько проходов через жидкость, чтобы достичь проектной мощности, а следовательно, высокой пропускающей способности выходного зеркала. Высокий коэффициент усиления также приводит к высоким потерям, поскольку отражения от стенок ячейки красителя или отражателя лампы накачки вызывают паразитные колебания, значительно уменьшая количество энергии, доступной для луча. Резонаторы накачки часто покрываются, анодируются или изготавливаются из материала, который не отражает излучение на длине волны лазера, но отражает излучение на длине волны накачки. Часто используется струя красителя. Лазеры непрерывного режима (CW) на красителях могут иметь линейный или кольцевой резонатор и послужили основой для разработки фемтосекундных лазеров.

The dyes used in these lasers contain rather large organic molecules which fluoresce. Most dyes have a very short time between the absorption and emission of light, referred to as the fluorescence lifetime, which is often on the order of a few nanoseconds. (In comparison, most solid state lasers have a fluorescence lifetime ranging from hundreds of microseconds to a few milliseconds.) Under standard laser pumping conditions, the molecules emit their energy before a population inversion can properly build up, so dyes require rather specialized means of pumping. Liquid dyes have an extremely high lasing threshold. In addition, the large molecules are subject to complex excited state transitions during which the spin can be "flipped", quickly changing from the useful, fast emitting "singlet" state to the slower "triplet" state. The incoming light excites the dye molecules into the state of being ready to emit stimulated radiation; the singlet state. In this state, the molecules emit light via fluorescence, and the dye is transparent to the lasing wavelength. Within a microsecond or less, the molecules will change to their triplet state. In the triplet state, light is emitted via phosphorescence, and the molecules absorb the lasing wavelength, making the dye partially opaque. Flashlamp pumped lasers need a flash with an extremely short duration, to deliver the large amounts of energy necessary to bring the dye past threshold before triplet absorption overcomes singlet emission. Dye lasers with an external pump laser can direct enough energy of the proper wavelength into the dye with a relatively small amount of input energy, but the dye must be circulated at high speeds to keep the triplet molecules out of the beam path. Due to their high absorption, the pumping energy may often be concentrated into a rather small volume of liquid. Since organic dyes tend to decompose under the influence of light, the dye solution is normally circulated from a large reservoir. The dye solution can be flowing through a cuvette, i. e., a glass container, or be as a dye jet, i. e., as a sheet like stream in open air from a specially shaped nozzle. With a dye jet, one avoids reflection losses from the glass surfaces and contamination of the walls of the cuvette. These advantages come at the cost of a more complicated alignment. Liquid dyes have very high gain as laser media. The beam needs to make only a few passes through the liquid to reach full design power, and hence, the high transmittance of the output coupler. The high gain also leads to high losses, because reflections from the dye cell walls or flashlamp reflector cause parasitic oscillations, dramatically reducing the amount of energy available to the beam. Pump cavities are often coated, anodized, or otherwise made of a material that will not reflect at the lasing wavelength while reflecting at the pump wavelength. often use a dye jet. CW dye lasers can have a linear or a ring cavity, and provided the foundation for the development of femtosecond lasers.

Лазеры с узкой шириной линии

Излучение красительных лазеров по своей природе обладает большой шириной спектра. Однако, возможность настройки на узкую ширину линии излучения стала ключевым фактором успеха красительных лазеров. Для получения излучения с малой полосой пропускания в этих лазерах используются различные типы резонаторов и полостей, включающие дифракционные решетки, призмы, многопризменные решетки и эталоны. Первый красительный лазер с узкой шириной линии, разработанный Ханшем, использовал галилеевский телескоп в качестве расширителя пучка для освещения дифракционной решетки. Затем появились конструкции решеток с отражением на скользящем угле и многопризменные решетчатые конфигурации. Различные резонаторы и схемы генерации, разработанные для красительных лазеров, успешно адаптированы к другим типам лазеров, таким как диодные лазеры. Физические принципы работы узколинейных многопризменных решетчатых лазеров были объяснены Дуарте и Пайпером.

Ультракороткие оптические импульсы

Р. Л. Форк, Б. И. Грин и К. В. Шенк продемонстрировали в 1981 году генерацию ультракоротких лазерных импульсов с помощью кольцевого лазера красителя (или лазера красителя, использующего модную блокировку столкновением импульсов). Этот тип лазера способен генерировать лазерные импульсы длительностью около 0,1 пс. Внедрение решетчатых технологий и внутрирезонаторных призматических импульсных компрессоров в конечном итоге позволило получать фемтосекундные лазерные импульсы красителя в обычном режиме.