Лазер на красителе - Dye laser

Крупный план настольного лазера на красителях непрерывного действия на основе родамина 6Ж , излучающего на длине волны 580 нм (желтый). Излучаемый лазерный луч виден в виде слабых желтых линий между желтым окном (в центре) и желтой оптикой (вверху справа), где он отражается вниз по изображению в невидимое зеркало и обратно в струю красителя из нижнего левого угла. . Оранжевый раствор красителя входит в лазер слева и выходит вправо, все еще светясь от триплетной фосфоресценции, и накачивается 514 нм (сине-зеленым) лучом аргонового лазера. Под желтым окном видно, как лазер накачки входит в струю красителя.

Лазер на красителе является лазером , который использует органический краситель в качестве активной среды , как правило , в качестве жидкого раствора . По сравнению с газами и большинством твердотельных лазерных сред краситель обычно может использоваться для гораздо более широкого диапазона длин волн , часто от 50 до 100 нанометров или более. Широкая полоса пропускания делает их особенно подходящими для перестраиваемых лазеров и импульсных лазеров. Краситель родамин 6G, например, может быть настроен от 635 нм (оранжево-красный) до 560 нм (зеленовато-желтый) и производить импульсы длительностью до 16 фемтосекунд. Кроме того, краситель может быть заменен другим типом, чтобы генерировать еще более широкий диапазон длин волн с помощью того же лазера, от ближнего инфракрасного до ближнего ультрафиолетового, хотя обычно для этого требуется также замена других оптических компонентов в лазере. такие как диэлектрические зеркала или лазеры накачки.

Лазеры на красителях были независимо открыты П.П. Сорокиным и Ф.П. Шефером (и его коллегами) в 1966 году.

Помимо обычного жидкого состояния, лазеры на красителях также доступны в виде твердотельных лазеров на красителях (SSDL). В SSDL используются органические матрицы, легированные красителями, в качестве усиливающей среды.

Строительство

Внутренняя полость линейного лазера на красителе, показывающий путь луча. Лазер накачки (зеленый) входит в ячейку с красителем слева. Излучаемый луч выходит вправо (нижний желтый луч) через демпфер полости (не показан). В качестве высокоотражателя используется дифракционная решетка (верхний желтый луч, левая сторона). Двухметровый луч несколько раз перенаправляется с помощью зеркал и призм, которые уменьшают общую длину, расширяют или фокусируют луч на различные части полости и устраняют одну из двух встречных волн, создаваемых ячейкой красителя. Лазер способен работать в непрерывном режиме или использовать ультракороткие пикосекундные импульсы (триллионная секунды, что соответствует длине луча менее 1/3 миллиметра в длину).
Кольцевой лазер на красителе. Лазерный луч P-накачки; Струя красителя G-gain; A-насыщающаяся струя красителя-поглотителя; M0, M1, M2 - плоские зеркала; ОС – выходной ответвитель; Изогнутые зеркала от CM1 до CM4.

В лазере на красителях используется усиливающая среда, состоящая из органического красителя, который представляет собой растворимое пятно на углеродной основе, часто флуоресцентное, например, краситель в маркере- маркере. Краситель смешивают с совместимым растворителем , позволяя молекулы , чтобы диффундировать равномерно по всей жидкости. Раствор красителя может циркулировать через ячейку для красителя или протекать через открытый воздух с использованием струи красителя. Источник света с высокой энергией необходим, чтобы «перекачивать» жидкость за пределы порога генерации . Для этой цели обычно используют лампу-вспышку с быстрым разрядом или внешний лазер. Зеркала также необходимы для генерации света, создаваемого флуоресценцией красителя, которая усиливается при каждом прохождении через жидкость. Выходное зеркало обычно имеет коэффициент отражения около 80%, в то время как все остальные зеркала обычно имеют коэффициент отражения более 99,9%. Раствор красителя обычно циркулирует с высокой скоростью, чтобы избежать поглощения триплетов и уменьшить разложение красителя. На пути луча обычно устанавливают призму или дифракционную решетку для настройки луча.

Поскольку жидкая среда лазера на красителях может принимать любую форму, существует множество различных конфигураций, которые можно использовать. Фабрите-Перо резонатор лазера обычно используется для накачки ксеноновой лампы-вспышки, которая состоит из двух зеркал, которые могут быть плоскими или изогнутыми, установлено параллельно друг друг с лазерной средой между ними. Ячейка для красителя часто представляет собой тонкую трубку, приблизительно равную длине лампы-вспышки, с обоими окнами и впускным / выпускным отверстием для жидкости на каждом конце. Ячейка с красителем обычно имеет боковую накачку, при этом одна или несколько импульсных трубок 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 импульсная лампа. Лазеры с осевой накачкой имеют полую кольцевую лампу- вспышку, которая окружает ячейку с красителем, которая имеет более низкую индуктивность для более короткой вспышки и улучшенную эффективность переноса. Лазеры с коаксиальной накачкой имеют кольцевую ячейку с красителем, которая окружает лампу-вспышку, для еще большей эффективности передачи, но имеют меньшее усиление из-за дифракционных потерь. Лазеры с импульсной накачкой могут использоваться только для приложений с импульсным выходом.

Конструкция кольцевого лазера часто выбирается для непрерывной работы, хотя иногда используется конструкция Фабри – Перо. В кольцевом лазере зеркала лазера расположены так, чтобы луч мог двигаться по круговой траектории. Ячейка для красителя или кювета обычно очень мала. Иногда для предотвращения потерь на отражение используется струя красителя. Накачка красителя обычно осуществляется с помощью внешнего лазера, такого как азотный , эксимерный или Nd: YAG-лазер с удвоенной частотой . Жидкость циркулирует с очень высокой скоростью, чтобы триплетное поглощение не срезало луч. В отличие от резонаторов Фабри – Перо, кольцевой лазер не генерирует стоячие волны, которые вызывают пространственное горение дыр , явление, при котором энергия захватывается в неиспользуемых частях среды между гребнями волны. Это приводит к лучшему усилению лазерной среды.

Операция

Эти красители , используемые в этих лазерах содержат довольно большие, органические молекулы , которые флуоресцируют. У большинства красителей очень короткое время между поглощением и испусканием света, называемое временем жизни флуоресценции, которое часто составляет порядка нескольких наносекунд. (Для сравнения, время жизни флуоресценции большинства твердотельных лазеров колеблется от сотен микросекунд до нескольких миллисекунд.) В стандартных условиях лазерной накачки молекулы излучают свою энергию до того, как инверсия населенностей сможет должным образом сформироваться, поэтому красители требуют довольно специализированных средства откачки. Жидкие красители имеют чрезвычайно высокий порог генерации . Кроме того, большие молекулы подвергаются сложным переходам в возбужденное состояние, во время которых спин может «перевернуться», быстро переходя из полезного, быстро излучающего «синглетного» состояния в более медленное «триплетное» состояние.

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 генерации. В течение микросекунды или меньше молекулы перейдут в свое триплетное состояние . В триплетном состоянии свет излучается посредством фосфоресценции , и молекулы поглощают длину волны генерации, делая краситель частично непрозрачным. Лазерам с ламповой накачкой требуется вспышка с чрезвычайно короткой продолжительностью, чтобы доставить большое количество энергии, необходимой для того, чтобы краситель преодолел пороговое значение, прежде чем триплетное поглощение превысит синглетное излучение. Лазеры на красителях с внешним лазером накачки могут направлять в краситель достаточно энергии соответствующей длины волны с относительно небольшим количеством подводимой энергии, но краситель должен циркулировать с высокой скоростью, чтобы триплетные молекулы не попадали на путь луча. Из-за их высокого поглощения энергия накачки часто может быть сконцентрирована в довольно небольшом объеме жидкости.

Поскольку органические красители имеют тенденцию разлагаться под воздействием света, раствор красителя обычно циркулирует из большого резервуара. Раствор красителя может течь через кювету , то есть стеклянный контейнер, или быть в виде струи красителя , то есть в виде листовой струи на открытом воздухе из сопла особой 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 большое преимущество в качестве лазерных носителей. Лучу нужно сделать всего несколько проходов через жидкость, чтобы достичь полной расчетной мощности и, следовательно, высокого коэффициента пропускания выходного ответвителя . Высокое усиление также приводит к большим потерям, поскольку отражения от стенок ячеек с красителем или отражателя лампы-вспышки вызывают паразитные колебания , резко уменьшая количество энергии, доступной лучу. Полости накачки часто покрыты , анодированы или иным образом сделаны из материала, который не будет отражаться на длине волны генерации, а отражаться на длине волны накачки.

Преимуществом органических красителей является их высокая эффективность флуоресценции. Наибольшие потери во многих лазерах и других флуоресцентных устройствах связаны не с эффективностью передачи (поглощенная по сравнению с отраженной / переданной энергией) или квантовым выходом (количество испускаемых фотонов на поглощенное количество), а с потерями, когда фотоны высокой энергии поглощаются и повторно испускаются. как фотоны с большей длиной волны. Поскольку энергия фотона определяется его длиной волны, испускаемые фотоны будут иметь меньшую энергию; явление, называемое стоксовым сдвигом . Центры поглощения многих красителей находятся очень близко к центрам излучения. Иногда они достаточно близки, чтобы профиль поглощения немного перекрывал 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. 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, с одним лазером накачки можно использовать множество различных красителей.

  • Кювета, используемая в лазере на красителе. Тонкий слой жидкости пропускается между окнами с большой скоростью. Окна устанавливаются под углом Брюстера (поверхность раздела воздух-стекло) для лазера накачки и под углом Брюстера (поверхность раздела жидкость-стекло) для излучаемого луча.

  • Стоксов сдвиг в родамине 6Ж при широкополосном поглощении / излучении. При работе лазера стоксов сдвиг - это разница между длиной волны накачки и выходной мощностью.

Лазеры на красителях непрерывного действия

В лазерах на красителях непрерывного действия (CW) часто используется струя красителя. Непрерывные лазеры на красителях могут иметь линейный или кольцевой резонатор и послужили основой для разработки фемтосекундных лазеров.

Лазеры на красителях с узкой шириной линии

Несколько призм расширяют луч в одном направлении, обеспечивая лучшее освещение дифракционной решетки . В зависимости от угла рассеиваются нежелательные длины волн, поэтому они используются для настройки выходной мощности лазера на красителях, часто на ширину линии в доли ангстрема .

Излучение лазеров на красителях по своей природе широкое. Однако перестраиваемое излучение с узкой шириной линии стало ключевым фактором успеха лазера на красителях. Для настройки узкой полосы пропускания в этих лазерах используются много типов резонаторов и резонаторов, в том числе решетки, призмы, решетки с несколькими призмами и эталоны .

Первый лазер на красителях с узкой шириной линии , представленный Хеншем , использовал телескоп Галилея в качестве расширителя луча для освещения дифракционной решетки. Следующими были конструкции решеток скользящего падения и конфигурации решеток с несколькими призмами . Различные конструкции резонаторов и генераторов, разработанные для лазеров на красителях, были успешно адаптированы к другим типам лазеров, таким как диодный лазер . Физика лазеров с узкой шириной линии с несколькими призмами была объяснена Дуарте и Пайпер.

Используемые химикаты

Родамин 6G Хлоридный порошок; смешанный с метанолом; испускает желтый свет под воздействием зеленого лазера

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. Хотя некоторые красители фактически используются в пищевых красителях, большинство красителей очень токсичны и часто канцерогены. 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 испускание красителя будет иметь тенденцию сосредотачиваться на определенной длине волны и сужаться к каждой стороне, образуя кривую настраиваемости, причем центр поглощения имеет более короткую длину волны, чем центр излучения. Родамин 6G, например, имеет максимальную выходную мощность около 590 нм, и эффективность преобразования снижается, когда лазер настраивается на любую сторону от этой длины волны.

Можно использовать самые разные растворители, хотя большинство красителей растворяются в одних растворителях лучше, чем в других. Некоторые из используемых растворителей - это вода , гликоль , этанол , метанол , гексан , циклогексан , циклодекстрин и многие другие. Растворители могут быть очень токсичными и иногда могут абсорбироваться непосредственно через кожу или через вдыхаемые пары. Многие растворители также легко воспламеняются. 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, достигаемую с помощью конкретного источника лазерной накачки. .

Адамантан добавляют в некоторые красители, чтобы продлить им жизнь.

Циклогептатриен и циклооктатетраен (COT) могут быть добавлены в качестве триплетных тушителей родамина G, увеличивая выходную мощность лазера. Выходная мощность 1,4 кВт при 585 нм была достигнута с использованием родамина 6G с СОТ в растворе метанол-вода.

Лазеры возбуждения

Лампы-вспышки и несколько типов лазеров могут использоваться для оптической накачки лазеров на красителях. Неполный список лазеров возбуждения включает:

Ультракороткие оптические импульсы

RL Fork, BI Greene и CV Shank продемонстрировали в 1981 году генерацию ультракороткого лазерного импульса с помощью кольцевого лазера на красителе (или лазера на красителе, использующего синхронизацию мод встречных импульсов ). Такой лазер способен генерировать лазерные импульсы длительностью ~ 0,1 пс .

Внедрение решетчатых технологий и внутрирезонаторных компрессоров призматических импульсов в конечном итоге привело к обычному излучению фемтосекундных лазерных импульсов на красителях.

Приложения

Атомный пар лазерного разделения изотопов эксперимент в ЛЛНЛ. Зеленый свет исходит от лазера накачки на парах меди, используемого для накачки хорошо настроенного лазера на красителях, который излучает оранжевый свет.

Лазеры на красителях очень универсальны. В дополнение к признанной гибкости длины волны эти лазеры могут обеспечивать очень большую импульсную энергию или очень высокую среднюю мощность. Было показано, что лазеры на красителях с ламповой накачкой дают сотни Джоулей за импульс, а лазеры на красителях с медной накачкой, как известно, дают среднюю мощность в киловаттном режиме.

Лазеры на красителях используются во многих областях, включая:

В лазерной медицине эти лазеры применяются в нескольких областях, в том числе в дерматологии, 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 доступная узкая полоса пропускания помогает снизить вероятность повреждения окружающей ткани. 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 с рядом других применений.

В спектроскопии лазеры на красителях могут использоваться для исследования спектров поглощения и излучения различных материалов. Их настраиваемость (от ближнего инфракрасного к ближнему ультрафиолетовому), узкая полоса пропускания и высокая интенсивность обеспечивают гораздо большее разнообразие, чем другие источники света. Разнообразие длительностей импульсов, от ультракоротких фемтосекундных импульсов до работы в непрерывном режиме, делает их пригодными для широкого спектра применений, от исследования времени жизни флуоресцентных ламп и свойств полупроводников до экспериментов с лазерной локацией Луны .

Перестраиваемые лазеры используются в метрологии качающейся частоты 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 от плеча измерения расстояния. Это дает частоту биений, которую можно определить и использовать для определения абсолютной разницы между длинами двух плеч.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки