Лазер на красителе — это лазер , в котором в качестве среды генерации используется органический краситель , обычно в виде жидкого раствора . По сравнению с газами и большинством твердотельных лазерных сред, краситель обычно можно использовать в гораздо более широком диапазоне длин волн , часто охватывающем от 50 до 100 нанометров и более. Широкая полоса пропускания делает их особенно подходящими для перестраиваемых и импульсных лазеров. Например, краситель родамин 6G можно настроить от 635 нм (оранжево-красный) до 560 нм (зеленовато-желтый) и производить импульсы длительностью всего 16 фемтосекунд. [1] Более того, краситель можно заменить на другой тип, чтобы с помощью того же лазера генерировать еще более широкий диапазон длин волн, от ближнего инфракрасного до ближнего ультрафиолетового, хотя обычно это требует замены других оптических компонентов в лазере. а также, такие как диэлектрические зеркала или лазеры накачки.
Лазеры на красителях были независимо открыты П. П. Сорокиным и Ф. П. Шефером (и их коллегами) в 1966 году. [2] [3]
Помимо обычных лазеров на красителях в жидком состоянии, существуют также твердотельные лазеры на красителях (SSDL). В этих лазерах SSDL в качестве усиливающей среды используются органические матрицы, легированные красителями.
В лазере на красителе используется усиливающая среда , состоящая из органического красителя, который представляет собой растворимое пятно на основе углерода, которое часто является флуоресцентным, например, краситель в маркере . Краситель смешивается с совместимым растворителем , что позволяет молекулам равномерно диффундировать по жидкости . Раствор красителя можно циркулировать через камеру красителя или пропускать через открытый воздух с помощью струи красителя. Чтобы «накачать» жидкость за пределы порога генерации, необходим источник света высокой энергии . Для этой цели обычно используется лампа-вспышка с быстрым разрядом или внешний лазер. Зеркала также необходимы для генерации света, создаваемого флуоресценцией красителя, который усиливается при каждом проходе через жидкость. Выходное зеркало обычно имеет отражательную способность около 80%, в то время как все остальные зеркала обычно имеют отражательную способность более 99,9%. Раствор красителя обычно циркулирует на высоких скоростях, чтобы избежать тройного поглощения и уменьшить разложение красителя. На пути луча обычно устанавливается призма или дифракционная решетка , позволяющая настраивать луч.
Поскольку жидкая среда лазера на красителе может иметь любую форму, можно использовать множество различных конфигураций. Для лазеров с ламповой накачкой обычно используется лазерный резонатор Фабри-Перо , который состоит из двух зеркал, которые могут быть плоскими или изогнутыми, установленными параллельно друг другу с лазерной средой между ними. Ячейка с красителем часто представляет собой тонкую трубку, примерно такую же по длине, как и лампа-вспышка, с окнами и входным/выходным отверстием для жидкости на каждом конце. Ячейка с красителем обычно имеет боковую накачку, при этом одна или несколько ламп-вспышек проходят параллельно ячейке с красителем в полости отражателя. Полость отражателя часто охлаждается водой, чтобы предотвратить тепловой удар красителя, вызванный большим количеством ближнего инфракрасного излучения, которое производит лампа-вспышка. Лазеры с осевой накачкой имеют полую кольцеобразную лампу-вспышку, окружающую ячейку с красителем, которая имеет меньшую индуктивность для более короткой вспышки и улучшенную эффективность передачи. Лазеры с коаксиальной накачкой имеют кольцевую ячейку красителя, окружающую лампу-вспышку, для еще большей эффективности передачи, но имеют более низкий коэффициент усиления из-за дифракционных потерь. Лазеры с импульсной накачкой могут использоваться только для приложений с импульсным выходом. [4] [5] [6]
Для непрерывной работы часто выбирается конструкция кольцевого лазера, хотя иногда используется конструкция Фабри-Перо. В кольцевом лазере зеркала лазера расположены так, чтобы луч мог двигаться по круговой траектории. Ячейка с красителем, или кювета, обычно очень мала. Иногда струя красителя используется, чтобы избежать потерь на отражение. Краситель обычно накачивается внешним лазером, таким как азотный , эксимерный или Nd:YAG-лазер с удвоенной частотой . Жидкость циркулирует на очень высоких скоростях, чтобы триплетное поглощение не перерезало луч. [7] В отличие от резонаторов Фабри-Перо, кольцевой лазер не генерирует стоячие волны , которые вызывают выгорание пространственных дырок - явление, при котором энергия задерживается в неиспользуемых частях среды между гребнями волны. Это приводит к лучшему выигрышу от лазерной среды. [8] [9]
Красители , используемые в этих лазерах, содержат довольно крупные органические молекулы, которые флуоресцируют. У большинства красителей между поглощением и испусканием света очень короткий промежуток времени, называемый временем жизни флуоресценции, которое часто составляет порядка нескольких наносекунд. (Для сравнения, время жизни флуоресценции большинства твердотельных лазеров варьируется от сотен микросекунд до нескольких миллисекунд.) В стандартных условиях лазерной накачки молекулы излучают свою энергию до того, как инверсная населенность сможет должным образом образоваться, поэтому красители требуют довольно специализированного оборудования. средства откачки. Жидкие красители имеют чрезвычайно высокий порог генерации . Кроме того, большие молекулы подвержены сложным переходам в возбужденном состоянии , во время которых спин может «переворачиваться», быстро переходя от полезного, быстро излучающего «синглетного» состояния к более медленному «тройному» состоянию. [10]
Входящий свет возбуждает молекулы красителя в состояние готовности испускать стимулированное излучение ; синглетное состояние . В этом состоянии молекулы излучают свет посредством флуоресценции , а краситель прозрачен для длины волны лазерной генерации. В течение микросекунды или меньше молекулы перейдут в триплетное состояние . В триплетном состоянии свет излучается посредством фосфоресценции , а молекулы поглощают длину волны генерации, делая краситель частично непрозрачным. Лазерам с импульсной ламповой накачкой требуется вспышка чрезвычайно короткой продолжительности, чтобы передать большое количество энергии, необходимое для того, чтобы краситель преодолел пороговый уровень до того, как триплетное поглощение преодолеет синглетное излучение. Лазеры на красителях с внешним лазером накачки могут направлять достаточное количество энергии нужной длины волны в краситель с относительно небольшим количеством входной энергии, но краситель должен циркулировать на высоких скоростях, чтобы не допускать триплетных молекул на путь луча. Из-за их высокого поглощения энергия накачки часто может быть сосредоточена 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 протекать через кювету , т. е. стеклянный контейнер, или представлять собой струю красителя , т. е. листовидный поток 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 за счет более сложного выравнивания.
Жидкие красители имеют очень высокий коэффициент усиления в качестве лазерных сред. Лучу необходимо совершить всего несколько проходов через жидкость, чтобы достичь полной расчетной мощности и, следовательно, высокого коэффициента пропускания выходного ответвителя . Высокий коэффициент усиления также приводит к высоким потерям, поскольку отражения от стенок ячейки красителя или отражателя лампы-вспышки вызывают паразитные колебания , резко уменьшающие количество энергии, доступной лучу. Полости накачки часто покрываются , анодируются или изготавливаются иным образом из материала, который не отражает длину волны генерации, но отражается на длине волны накачки. [11]
Преимуществом органических красителей является их высокая эффективность флуоресценции. Наибольшие потери во многих лазерах и других флуоресцентных устройствах связаны не с эффективностью передачи (поглощенная энергия по сравнению с отраженной/пропущенной энергией) или квантовым выходом (испущенное количество фотонов на поглощенное число), а с потерями при поглощении и переизлучении фотонов высокой энергии. как фотоны с более длинными волнами. Поскольку энергия фотона определяется его длиной волны, излучаемые фотоны будут иметь меньшую энергию; явление, называемое сдвигом Стокса . Центры поглощения многих красителей расположены очень близко к центрам эмиссии. Иногда они настолько близки, что профиль поглощения слегка перекрывает профиль излучения. В результате большинство красителей демонстрируют очень малые стоксовы сдвиги и, следовательно, допускают меньшие потери энергии, чем многие другие типы лазеров, из-за этого явления. Широкий профиль поглощения делает их особенно подходящими для широкополосной накачки, например, из лампы-вспышки. Это также позволяет использовать широкий спектр лазеров накачки для любого определенного красителя и, наоборот, с одним лазером накачки можно использовать множество различных красителей. [10]
Лазеры на красителях непрерывного действия (CW) [13] часто используют струю красителя. Непрерывные лазеры на красителях могут иметь линейный или кольцевой резонатор и послужили основой для разработки фемтосекундных лазеров.
Излучение лазеров на красителях по своей сути широко. Однако перестраиваемое излучение с узкой шириной линии сыграло центральную роль в успехе лазера на красителе. Для обеспечения узкополосной настройки в этих лазерах используются резонаторы и резонаторы многих типов, в том числе решетки, призмы, многопризменные дифракционные решетки и эталоны . [14]
Первый лазер на красителе с узкой шириной линии , представленный Хэншем , использовал телескоп Галилея в качестве расширителя луча для освещения дифракционной решетки. [15] Следующими были конструкции решеток со скользящим падением [16] [17] и конфигурации решеток с несколькими призмами . [18] [19] Различные конструкции резонаторов и генераторов, разработанные для лазеров на красителях, были успешно адаптированы для других типов лазеров, таких как диодный лазер . [20] Физику лазеров с решетками из нескольких призм и узкой шириной линии объяснили Дуарте и Пайпер. [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, 450–450 нм). 470 нм), тетрацен , малахитовый зеленый и другие. [22] [23] Хотя некоторые красители действительно используются в пищевых красителях, большинство красителей очень токсичны и часто канцерогенны. [24] Многие красители, такие как родамин 6G (в его хлоридной форме), могут вызывать сильную коррозию всех металлов, кроме нержавеющей стали. Хотя красители имеют очень широкий спектр флуоресценции, поглощение и излучение красителя будут иметь тенденцию концентрироваться на определенной длине волны и сужаться с каждой стороны, образуя кривую перестройки, при этом центр поглощения имеет более короткую длину волны, чем центр излучения. Родамин 6G, например, имеет максимальную мощность около 590 нм, а эффективность преобразования снижается, когда лазер настроен на любую сторону этой длины волны.
Можно использовать самые разные растворители, хотя большинство красителей растворяются в одних растворителях лучше, чем в других. Некоторые из используемых растворителей: вода , гликоль , этанол , метанол , гексан , циклогексан , циклодекстрин и многие другие. Растворители могут быть высокотоксичными и иногда могут впитываться непосредственно через кожу или через вдыхаемые пары. Многие растворители также чрезвычайно огнеопасны. Различные растворители также могут влиять на конкретный цвет раствора красителя, время жизни синглетного состояния, усиливая или гася триплетное состояние, и, таким образом, на ширину полосы генерации и мощность, получаемую с помощью конкретного источника лазерной накачки. . [10]
Адамантан добавляют в некоторые красители для продления их срока службы.
Циклогептатриен и циклооктатетраен (COT) могут быть добавлены в качестве триплетных тушителей родамина G, увеличивая выходную мощность лазера. Выходная мощность 1,4 кВт при длине волны 585 нм была достигнута с использованием родамина 6G с COT в метанол-водном растворе.
Лампы-вспышки и несколько типов лазеров можно использовать для оптической накачки лазеров на красителях. Неполный список лазеров возбуждения включает: [25]
Р. Л. Форк, Б. И. Грин и К. В. Шэнк продемонстрировали в 1981 году генерацию сверхкоротких лазерных импульсов с использованием кольцевого лазера на красителе (или лазера на красителе, использующего синхронизацию мод встречных 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 регулярному излучению фемтосекундных лазерных импульсов на красителях.
Лазеры на красителях очень универсальны. В дополнение к своей признанной гибкости длины волны эти лазеры могут обеспечивать очень большую импульсную энергию или очень высокую среднюю мощность. Было показано, что лазеры на красителях с импульсной ламповой накачкой дают сотни джоулей за импульс, а лазеры на красителях с медной накачкой, как известно, дают среднюю мощность в киловаттном режиме. [27]
Лазеры на красителях используются во многих приложениях, 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 соответствовать линиям поглощения определенных тканей, таких как меланин или гемоглобин , в то время как узкая полоса пропускания помогает снизить вероятность повреждения окружающих тканей. Их используют для лечения пятен портвейна и других заболеваний кровеносных сосудов, шрамов и камней в почках . Их можно использовать с различными чернилами для удаления татуировок , а также для ряда других целей. [33]
В спектроскопии лазеры на красителях можно использовать для изучения спектров поглощения и излучения различных материалов. Их возможность настройки (от ближнего инфракрасного диапазона до ближнего ультрафиолета), узкая полоса пропускания и высокая интенсивность обеспечивают гораздо большее разнообразие, чем у других источников света. Разнообразие ширины импульса, от ультракоротких фемтосекундных импульсов до непрерывного действия, делает их пригодными для широкого спектра применений: от исследования времени жизни флуоресценции и свойств полупроводников до экспериментов по дальнометрии лунного лазера . [34]
Перестраиваемые лазеры используются в метрологии с качающейся частотой, чтобы обеспечить измерение абсолютных расстояний с очень высокой точностью. Устанавливается двухосный интерферометр , и при изменении частоты частота света, возвращающегося из неподвижного рычага, немного отличается от частоты, возвращающегося из рычага для 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 в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
СМИ, связанные с лазерами на красителях, на Викискладе?