1.2. Накачка
Все лазеры на красителях накачиваются оптическим методом. При накачке важно, чтобы источник накачки излучал на частотах, близких к положению максимума полосы поглощения. По самой природе красителя лазерное излучение является более длинноволновым, чем возбуждающее излучение. Например, накачка родамина 6G, флуоресцирующего вблизи 590 нм (в оранжевой области спектра), осуществляется излучением в области длин волн 490—515 нм. Для накачки красителя, флуоресцирующего в синей области спектра, нужен источник ультрафиолетового излучения.
Тип источника накачки определяет не только спектральный диапазон генерации, но и применяемую геометрию накачки. Первым и самым простым методом накачки красителей является метод, аналогичный оптической накачке твердотельных лазеров. Прокачка красителя осуществляется по трубке, помещенной в эллиптический отражатель. Оптическая накачка проводится с помощью стержневых ламп. Эти лампы обеспечивают импульсные значения мощности накачки несколько киловатт и средние мощности излучения в видимом диапазоне порядка 50 мВт.
В качестве источника для накачки красителей можно также использовать лазер на азоте. Оптическая накачка производится в поперечном по отношению к оси генерации направлении. Веерообразный пучок излучения лазера, используемого для накачки, фокусируется в область, ось которой параллельна одной из стенок содержащей краситель кюветы. Выходные окна кюветы можно сделать плоскими и просверлить, нанеся соответствующее покрытие или повернув на угол Брюстера к оси. Зеркала располагают вне ячейки с красителем для того, чтобы при изменении диапазона перестраиваемых частот было достаточно сменить кювету с красителем и перестроить частотно-селективный элемент, расположенный в лазерном резонаторе. Так как излучение лазера на азоте является коротковолновым и его мощность в импульсе высока, генерацию лазера на красителях можно получить в широком спектральном диапазоне (350—680 нм). При таких коротких длинах волн источника накачки иногда используется процесс накачки, протекающий в две стадии: излучение N2-лазера (337 нм) сначала поглощается специально добавленным красителем, который эффективно поглощает на этой длине волны, а затем более длинноволновое флуоресцентное излучение, в свою очередь, поглощается красителем, который используется для генерации лазерного излучения. Энергия в импульсе излучения типичного лазера на азоте равна примерно 1 мДж (т. е. мощность равна 100 кВт при длительности импульса 10 нс). Энергия на выходе лазера на красителях при такой накачке составляет от 2 до 200 мкДж (типичное значение 50 мкДж).
Другим широко используемым источником накачки для лазера на красителях является мощное излучение линий (сине-зеленая и ультрафиолетовая области спектра) ионного аргонового лазера. Для многих красителей, у которых генерация происходит на длинах волн, превышающих 560 нм (от желтой до красной области спектра), полосы поглощения красителя совпадают с длинами волн излучения аргонового лазера в видимой области. Такие красители, как родамин 6G, могут поглощать почти полностью излучение накачки в видимой области и преобразовывать более 20% поглощенной энергии в когерентное излучение с длиной волны в районе максимума полосы флуоресценции. Накачку других красителей, таких, как кумарин 6, диапазон перестройки которого лежит от 520 до 560 нм, осуществляют одной из линий ионного аргонового лазера (l=488 нм). Красители, генерация излучения которыми осуществляется в синей области спектра, следует возбуждать с помощью аргонового лазера, у которого токовый режим работы и^ зеркала подобраны так, чтобы получить высокую мощность ультрафиолетового излучения. При использовании мощной накачки ультрафиолетовым излучением в настоящее время можно получать перестраиваемое по длинам волн излучение в синей области спектра на уровне мощности несколько сот милливатт, т. е. на таком уровне мощности, который до создания лазеров на красителях был доступен только на отдельных длинах волн.
Так как большинство лазеров на красителях обладают исключительно высоким коэффициентом усиления малого сигнала, требуется лишь небольшой объем активной среды. Однако поглощение интенсивного излучения и последующий нагрев малого объема красителя, а также быстрое заселение триплетного состояния приводят к необходимости непрерывной и быстрой замены вещества в рабочем объеме. Если этого не делать, происходит термическое разложение красителя, что увеличивает, в свою очередь, потери излучения в системе. Для предотвращения разложения красителя можно между двумя окнами, через которые осуществляется накачка и выходит когерентное излучение, помещать поток раствора красителя. Однако экспериментально было найдено, что молекулы красителя разлагаются и загрязняют окна («пригорают» к ним). Чтобы избежать этого, в лазерах на красителях используют струю раствора красителя, которая из специально сконструированного сопла выпускается в воздух, где образует ровный ламинарный слой, через который и проходит излучение лазера накачки.
На рис. 1.4 показаны сопло и коллектор, который собирает раствор для возвращения его в систему циркуляции. Чтобы возник ламинарный режим истечения из сопла, в качестве растворителя часто используют этиленгликоль, т.е. вещество с очень высокой вязкостью (этиленгликоль известен также как основной компонент большинства антифризов).
Рис. 1.4. Фотография сопла лазера с ламинарным потоком красителя и коллектора.
1 – лазерное излучение накачки; 2 – область потока красителя; 3 – патрубок для сбора раствора красителя; 4 – сопло; 5 – шланг для подачи раствора красителя.
Полная геометрия системы схематически показана на рис. 1.5. Пучок излучения лазера накачки фокусируется в объем струи красителя, где практически полностью поглощается. Свет накачки, прошедший сквозь струю, поглощается специальной ловушкой. Стимулированное излучение ограничено лишь малым объемом накачки; оптическая ось резонатора составляет небольшой угол с направлением накачки. Резонатор имеет два участка; первый из них состоит из «глухого» зеркала со 100%-ным отражением и дополнительного зеркала. Ось этого участка ориентирована под углом к накачивающему пучку. Второй участок, составленный дополнительным зеркалом и выходным зеркалом (с пропусканием 2—5%), имеет ось, параллельную направлению накачки. Помимо удобств в работе, которые предоставляет параллельность выходного излучения лазера направлению накачки, такой трехзеркальный резонатор имеет большую длину. Это приводит к уменьшению частотного интервала между продольными модами, увеличению числа мод в пределах ширины кривой усиления и повышению выходной мощности излучения по сравнению с более коротким двухзеркальным резонатором.
Рис. 1.5. Схематическое изображение лазера на красителях с ламинарным потоком.
Резонатор образован отражателем 3 (с радиусом кривизны r=5 см и коэффициентом отражения R=100%) и плоским выходным зеркалом 7 (R=95-98%). Вспомогательное зеркало 5 (r - 7,5 см, R=100%) служит для уменьшения габаритов резонатора и обеспечивает параллельность лазерного излучения 8 на выходе и излучения накачки 1, направляемого в объем поворотным зеркалом 2. Поток красителя 4 направлен перпендикулярно к плоскости рисунка и расположен под углом Брюстера к излучению накачки. Длины волн перестраиваются селектирующим элементом 6.
1.3. Непрерывная перестройка частоты излучения
Перестройка частоты лазерного излучения осуществляется с помощью частотно-селективных элементов типа призменного устройства. В некоторых случаях для увеличения дисперсии используют систему из нескольких призм, работающих вблизи угла Брюстера. Иногда коэффициент усиления красителя бывает настолько высок, что роль диспергирующего элемента (и одновременно «глухого» зеркала) может выполнять дифракционная решетка. Если нормаль к поверхности решетки составляет угол с оптической осью резонатора, то в обратном направлении распространяется излучение в узком спектральном диапазоне вблизи длины волны, удовлетворяющей условию
, (1.1)
где m — целое число (работа обычно ведется в первом порядке, т. е. т=1); d — период решетки. Излучение с другими длинами волн не возвращается в резонатор и испытывает большие потери. Рабочую длину волны можно изменить простым поворотом решетки.
Имеется ряд других частотно-селективных элементов, которые можно помещать в резонатор лазера на красителях. Одним из таких элементов является используемый в промышленных приборах так называемый клиновой фильтр. Этот фильтр состоит из слоя диэлектрического материала в форме клина, на который с двух сторон нанесены слои, образующие зеркала с высоким коэффициентом отражения. Таким образом, фильтр представляет собой эталон Фабри-Перо с переменным по высоте расстоянием между зеркалами. Передвижение клина в направлении, перпендикулярном к оптической оси резонатора, вызывает изменение длины волны, соответствующей максимуму пропускания фильтра. Уменьшенные потери на этой длине волны позволяют осуществить генерацию излучения. Однако ширина линии лазерного излучения при таком методе селекции может оказаться слишком большой для ряда приложений. Поэтому для дальнейшего сужения линий генерации в резонатор помещают один (или более) плоскопараллельный эталон Фабри-Перо, подобный применяемому для получения одномодового режима некоторых лазеров.
Другим устройством, которое можно использовать для плавной перестройки частоты лазеров на красителях, является двоякопреломляющий фильтр, состоящий из нескольких кристаллических кварцевых пластин различной толщины. Пластины эти помещают в лазерный резонатор под углом Брюстера к оси, так что вертикально-поляризованный свет не испытывает потерь на отражение на поверхностях пластин. Как отмечалось ранее, такие условия способствуют усилению в резонаторе света с высокой степенью поляризации. Чтобы понять принцип перестройки с помощью таких пластин, рассмотрим воздействие одной из них на свет в резонаторе. Главные направления кристалла ориентированы так, что пластина является пластинкой в целую волну для вертикально-поляризованного света, если его длина волны в вакууме l0 удовлетворяет условию и (n0 -- nе) = тl (где т — целое число, а d — расстояние, проходимое светом в пластине). Для других длин волн вертикально-поляризованный свет после прохождения через пластину станет эллиптически-поляризованным. После отражения от зеркала резонатора этот эллиптически-поляризованный свет испытывает потери при следующем прохождении поверхности кварцевой пластины. Эти потери предотвращают возникновение генерации на длинах волн, заметно отличающихся от тех, для которых кварцевый элемент есть пластинка в целую волну.
