Лазер на красителе — это лазер , который использует органический краситель в качестве лазерной среды , обычно в виде жидкого раствора . По сравнению с газами и большинством твердотельных лазерных сред, краситель обычно может использоваться для гораздо более широкого диапазона длин волн , часто охватывающего от 50 до 100 нанометров или более. Широкая полоса пропускания делает их особенно подходящими для перестраиваемых лазеров и импульсных лазеров. Например, краситель родамин 6G может быть настроен от 635 нм (оранжево-красный) до 560 нм (зеленовато-желтый) и производить импульсы длительностью до 16 фемтосекунд. [1] Более того, краситель можно заменить другим типом, чтобы генерировать еще более широкий диапазон длин волн с тем же лазером, от ближнего инфракрасного до ближнего ультрафиолетового, хотя это обычно требует замены и других оптических компонентов в лазере, таких как диэлектрические зеркала или лазеры накачки.
Лазеры на красителях были независимо открыты П.П. Сорокиным и Ф.П. Шефером (и коллегами) в 1966 году. [2] [3]
В дополнение к обычному жидкому состоянию, лазеры на красителях также доступны как твердотельные лазеры на красителях (SSDL). Эти лазеры SSDL используют органические матрицы, легированные красителем, в качестве среды усиления.
Лазер на красителе использует среду усиления, состоящую из органического красителя, который представляет собой растворимый краситель на основе углерода, который часто флуоресцентен, например, краситель в маркере . Краситель смешивается с совместимым растворителем , что позволяет молекулам равномерно диффундировать по всей жидкости. Раствор красителя может циркулировать через ячейку красителя или течь через открытый воздух с помощью струи красителя. Для «прокачки» жидкости за пределы ее порога генерации необходим источник света с высокой энергией . Для этой цели обычно используется импульсная лампа с быстрым разрядом или внешний лазер. Зеркала также необходимы для генерации света, создаваемого флуоресценцией красителя, которая усиливается с каждым проходом через жидкость. Выходное зеркало обычно отражает около 80%, в то время как все остальные зеркала обычно отражают более 99,9%. Раствор красителя обычно циркулирует с высокой скоростью, чтобы избежать поглощения триплета и уменьшить деградацию красителя. На пути луча обычно устанавливается призма или дифракционная решетка , что позволяет настраивать луч.
Поскольку жидкая среда лазера на красителе может соответствовать любой форме, существует множество различных конфигураций, которые можно использовать. Лазерный резонатор Фабри-Перо обычно используется для лазеров с накачкой импульсной трубкой, который состоит из двух зеркал, которые могут быть плоскими или изогнутыми, установленных параллельно друг другу с лазерной средой между ними. Ячейка с красителем часто представляет собой тонкую трубку, приблизительно равную по длине импульсной трубке, с обоими окнами и входом/выходом для жидкости на каждом конце. Ячейка с красителем обычно имеет боковую накачку, с одной или несколькими импульсными трубками, проходящими параллельно ячейке с красителем в резонаторе. Резонатор отражателя часто охлаждается водой, чтобы предотвратить тепловой удар в красителе, вызванный большим количеством ближнего инфракрасного излучения, которое производит импульсная трубка. Лазеры с аксиальной накачкой имеют полую, кольцевую импульсную трубку, которая окружает ячейку с красителем, которая имеет более низкую индуктивность для более короткой вспышки и улучшенную эффективность передачи. Лазеры с коаксиальной накачкой имеют кольцевую ячейку красителя, которая окружает импульсную трубку, для еще лучшей эффективности передачи, но имеют более низкий коэффициент усиления из-за дифракционных потерь. Лазеры с импульсной накачкой могут использоваться только для импульсных выходных приложений. [4] [5] [6]
Кольцевой лазер часто выбирают для непрерывной работы, хотя иногда используется конструкция Фабри-Перо. В кольцевом лазере зеркала лазера расположены так, чтобы луч мог проходить по круговой траектории. Ячейка красителя, или кювета, обычно очень мала. Иногда используется струя красителя, чтобы избежать потерь на отражение. Краситель обычно накачивается внешним лазером, таким как азотный , эксимерный или лазер Nd:YAG с удвоенной частотой . Жидкость циркулирует с очень высокой скоростью, чтобы предотвратить триплетное поглощение от обрезания луча. [7] В отличие от резонаторов Фабри-Перо, кольцевой лазер не генерирует стоячие волны , которые вызывают пространственное выжигание дыр — явление, при котором энергия оказывается захваченной в неиспользуемых частях среды между гребнями волны. Это приводит к лучшему усилению лазерной среды. [8] [9]
Красители , используемые в этих лазерах, содержат довольно большие органические молекулы, которые флуоресцируют. Большинство красителей имеют очень короткое время между поглощением и испусканием 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.) В стандартных условиях лазерной накачки молекулы излучают свою энергию до того, как инверсия населенности сможет должным образом сформироваться, поэтому красители требуют довольно специализированных средств накачки. Жидкие красители имеют чрезвычайно высокий порог лазерной генерации . Кроме того, большие молекулы подвержены сложным переходам возбужденного состояния, во время которых спин может быть «перевернут», быстро переходя из полезного, быстро излучающего «синглетного» состояния в более медленное «триплетное» состояние. [10]
Входящий свет возбуждает молекулы красителя в состояние готовности испускать стимулированное излучение ; синглетное состояние . В этом состоянии молекулы испускают свет посредством флуоресценции , а краситель прозрачен для длины волны лазерной генерации. В течение микросекунды или меньше молекулы перейдут в свое триплетное состояние . В триплетном состоянии свет испускается посредством фосфоресценции , а молекулы поглощают длину волны лазерной генерации, делая краситель частично непрозрачным. Лазерам с накачкой лампой требуется вспышка с чрезвычайно короткой продолжительностью, чтобы доставить большое количество энергии, необходимое для того, чтобы краситель прошел порог, прежде чем триплетное поглощение превзойдет синглетное излучение. Лазеры на красителях с внешним лазером накачки могут направлять достаточно энергии надлежащей длины волны в краситель с относительно небольшим количеством входной энергии, но краситель должен циркулировать с высокой скоростью, чтобы удерживать триплетные молекулы вне пути луча. Из-за их высокого поглощения энергия накачки часто может быть сконцентрирована в довольно небольшом объеме жидкости. [11]
Поскольку органические красители имеют тенденцию разлагаться под воздействием света, раствор красителя обычно циркулирует из большого резервуара. [12] Раствор красителя может течь через кювету , т. е. стеклянный контейнер, или быть в виде струи красителя , т. е. в виде струи в виде листа на открытом воздухе из сопла специальной формы . С помощью струи красителя можно избежать потерь на отражение от стеклянных поверхностей и загрязнения стенок кюветы. Эти преимущества достигаются ценой более сложного выравнивания.
Жидкие красители имеют очень высокий коэффициент усиления в качестве лазерной среды. Лучу нужно сделать всего несколько проходов через жидкость, чтобы достичь полной проектной мощности, и, следовательно, высокой пропускаемости выходного соединителя . Высокий коэффициент усиления также приводит к высоким потерям, поскольку отражения от стенок ячейки красителя или отражателя лампы-вспышки вызывают паразитные колебания , резко уменьшая количество энергии, доступной лучу. Резонаторы накачки часто покрываются , анодируются или иным образом изготавливаются из материала, который не будет отражать на длине волны лазерной генерации, отражая на длине волны накачки. [11]
Преимуществом органических красителей является их высокая эффективность флуоресценции. Наибольшие потери во многих лазерах и других флуоресцентных устройствах происходят не из-за эффективности передачи (поглощенная по сравнению с отраженной/пропущенной энергией) или квантового выхода (количество излученных фотонов на поглощенное число), а из-за потерь, когда высокоэнергетические фотоны поглощаются и переизлучаются как фотоны с большей длиной волны. Поскольку энергия фотона определяется его длиной волны, излученные фотоны будут иметь более низкую энергию; явление, называемое сдвигом Стокса . Центры поглощения многих красителей находятся очень близко к центрам излучения. Иногда они находятся достаточно близко, чтобы профиль поглощения слегка перекрывал профиль излучения. В результате большинство красителей демонстрируют очень малые сдвиги Стокса и, следовательно, допускают меньшие потери энергии, чем многие другие типы лазеров из-за этого явления. Широкие профили поглощения делают их особенно подходящими для широкополосной накачки, например, от импульсной лампы. Это также позволяет использовать широкий спектр лазеров накачки для любого определенного красителя и, наоборот, много различных красителей можно использовать с одним лазером накачки. [10]
Лазеры на красителях непрерывного действия [13] часто используют струю красителя. Лазеры на красителях непрерывного действия могут иметь линейный или кольцевой резонатор и послужили основой для разработки фемтосекундных лазеров.
Эмиссия лазеров на красителях по своей сути широкая. Однако, настраиваемая узкая ширина линии излучения была центральной для успеха лазера на красителе. Для того, чтобы производить узкую настройку полосы пропускания, эти лазеры используют много типов полостей и резонаторов, которые включают решетки, призмы, многопризменные решетчатые устройства и эталоны . [14]
Первый лазер на красителе с узкой шириной линии , представленный Хэншем , использовал телескоп Галилея в качестве расширителя пучка для освещения дифракционной решетки. [15] Затем были конструкции решеток скользящего падения [16] [17] и конфигурации решеток с несколькими призмами . [18] [19] Различные конструкции резонаторов и осцилляторов, разработанные для лазеров на красителях, были успешно адаптированы к другим типам лазеров, таким как диодный лазер . [20] Физика лазеров с узкой шириной линии и несколькими призмами была объяснена Дуарте и Пайпером. [21]
Некоторые из лазерных красителей — родамин (оранжевый, 540–680 нм), флуоресцеин (зеленый, 530–560 нм), кумарин (синий 490–620 нм), стильбен (фиолетовый 410–480 нм), умбеллиферон (синий, 450–470 нм), тетрацен , малахитовый зеленый и другие. [22] [23] Хотя некоторые красители фактически используются в пищевых красителях, большинство красителей очень токсичны и часто канцерогенны. [24] Многие красители, такие как родамин 6G (в форме хлорида), могут быть очень едкими для всех металлов, кроме нержавеющей стали. Хотя красители имеют очень широкие спектры флуоресценции, поглощение и испускание красителя будут иметь тенденцию центрироваться на определенной длине волны и сужаться к каждой стороне, образуя кривую настраиваемости, при этом центр поглощения имеет более короткую длину волны, чем центр испускания. Например, у родамина 6G максимальная выходная мощность составляет около 590 нм, а эффективность преобразования снижается по мере настройки лазера на любую из сторон этой длины волны.
Можно использовать широкий спектр растворителей, хотя большинство красителей лучше растворяются в некоторых растворителях, чем в других. Некоторые из используемых растворителей: вода , гликоль , этанол , метанол , гексан , циклогексан , циклодекстрин и многие другие. Растворители могут быть очень токсичными и иногда могут впитываться непосредственно через кожу или через вдыхаемые пары. Многие растворители также чрезвычайно огнеопасны. Различные растворители также могут оказывать влияние на определенный цвет раствора красителя, время жизни синглетного состояния, либо усиливая, либо гася триплетное состояние, и, таким образом, на ширину полосы лазерной генерации и мощность, получаемую с определенным источником лазерной накачки. [10]
Адамантан добавляют в некоторые красители для продления их срока службы.
Циклогептатриен и циклооктатетраен (ЦОТ) могут быть добавлены в качестве триплетных гасителей для родамина G, увеличивая выходную мощность лазера. Выходная мощность 1,4 киловатта при 585 нм была достигнута с использованием родамина 6G с ЦОТ в растворе метанол-вода.
Для оптической накачки лазеров на красителях можно использовать импульсные лампы и несколько типов лазеров. Частичный список возбуждающих лазеров включает: [25]
RL Fork, BI Greene и CV Shank продемонстрировали в 1981 году генерацию ультракороткого лазерного импульса с использованием кольцевого лазера на красителе (или лазера на красителе, использующего синхронизацию мод сталкивающихся импульсов ). Этот тип лазера способен генерировать лазерные импульсы длительностью ~ 0,1 пс . [26]
Внедрение решеточных технологий и внутрирезонаторных призматических импульсных компрессоров в конечном итоге привело к рутинному излучению фемтосекундных импульсов лазера на красителе.
Лазеры на красителях очень универсальны. В дополнение к их признанной гибкости длины волны эти лазеры могут предложить очень большую импульсную энергию или очень высокую среднюю мощность. Было показано, что лазеры на красителях с накачкой лампой-вспышкой выдают сотни джоулей за импульс, а лазеры на красителях с накачкой медным лазером, как известно, выдают среднюю мощность в киловаттном режиме. [27]
Лазеры на красителях используются во многих областях, включая:
В лазерной медицине эти лазеры применяются в нескольких областях, [31] [32] включая дерматологию , где они используются для выравнивания тона кожи. Широкий диапазон возможных длин волн позволяет очень точно подобрать линии поглощения определенных тканей, таких как меланин или гемоглобин , в то время как узкая доступная полоса пропускания помогает снизить вероятность повреждения окружающих тканей. Они используются для лечения винных пятен и других заболеваний кровеносных сосудов, шрамов и камней в почках . Их можно сочетать с различными чернилами для удаления татуировок , а также для ряда других применений. [33]
В спектроскопии лазеры на красителях могут использоваться для изучения спектров поглощения и испускания различных материалов. Их настраиваемость (от ближнего инфракрасного до ближнего ультрафиолетового), узкая полоса пропускания и высокая интенсивность обеспечивают гораздо большее разнообразие, чем другие источники света. Разнообразие длительностей импульсов, от ультракоротких фемтосекундных импульсов до непрерывной работы, делает их пригодными для широкого спектра применений, от изучения флуоресцентного времени жизни и свойств полупроводников до экспериментов по лазерной локации Луны . [34]
Настраиваемые лазеры используются в метрологии с качающейся частотой для измерения абсолютных расстояний с очень высокой точностью. Устанавливается двухосный интерферометр , и при качании частоты частота света, возвращающегося из фиксированного плеча, немного отличается от частоты, возвращающейся из плеча измерения расстояния. Это создает частоту биений, которую можно обнаружить и использовать для определения абсолютной разницы между длинами двух плеч. [35]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
Медиа, связанные с Лазеры на красителях на Wikimedia Commons