О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка - страница 26

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 

На рис. 7.10 зображена спрощена схема мікролазера з по­здовжнім накачуванням [75]. Він складається з тонкої пласти­ни активного середовища, на полірованих поверхнях якого на­несені дзеркала резонатора у вигляді тонких діелектричних ша­рів з дихроїчними характеристиками (із залежністю поглинання або поширення хвилі від напрямку поляризації та частоти).

Вхідне дзеркало є прозорим для випромінювання накачува­ння та повністю відбиває випромінювання генерації. Інше, вихі­дне, навпаки, відбиває випромінювання накачування та частко­во відбиває випромінювання генерації активного середовища. Довжина резонатора підбирається із розрахунку одномодово-сті вихідного випромінювання. Малі розміри також полегшують реалізацію одночастотного режиму та більш високу, порівняно з іншими типами твердотільних лазерів, температурну та часову стабільність.

У разі використання мікролазера в імпульсному режимі між вихідним дзеркалом та активним кристалом розміщують пасив­ний модулятор добротності. Як модулятор часто використову-
Рисунок 7.10 Спрощена схема мікролазера з поздовжнім накачуванням: 1 випромінювання та діоди накачування; 2 вихідний лазерний промінь; 3 дзеркала резонатора; 4 активне середовище; 5 пасивний модулятор

 

 

ють шар кристалічного алюмоітрієвого гранату з чотиривален­тним хромом.

До мікролазерів також належать і лазери з плоскими дзер­калами та хвилевідним поширенням світла в активному середо­вищі, яке виконане на основі епітаксійної двошарової структу-ри[75], [76].

 

 

7.4.   Рідинні оптичні квантові генератори

 

Рідинні оптичні квантові генератори лазери, активна ре­човина яких є рідиною з додаванням активних центрів або барв­ників. Практичне застосування знайшли 2 типи лазерів: лазери на неорганічних барвниках та лазери на органічних барвниках. Вони істотно різняться за своїми властивостями та створенням інверсійної заселеності. Детальний огляд цих лазерів наведено в [13], [17]— [19], [22], [32], [77]— [79] та ін.

Принципово, конструкцією лазери на барвниках істотно не відрізняються від твердотільних лазерів. Відмінність лише в активному елементі. Він складається із кювети із рідиною, в якій може реалізуватися циркуляція активної рідини. В цьо­му разі рідина проходить через теплообмінник для охолоджен­ня. Широкий діапазон перебудови частоти вимагає використа­ння дисперсійних елементів, таких як дифракційних решіток та зв'язаних резонаторів.

Для збудження активної рідини використовують оптичне накачування, яке, у свою чергу, поділяється на поздовжнє та поперечне. Як джерело накачування використовують імпульсні газорозрядні лампи та лазери: аргоновий, азотний, ексимерні (KrF та XeF), лазер на парах міді та золота. У видимому ді­апазоні перетворення оптичної енергії досягає 30 — 40%, а в ультрафіолетовому — 10%.

Серед загальних рис рідинних лазерів можна виділити від­сутність обмеження за формою та об'ємом активного елемен­та, достатньо високу однорідність активної речовини порівня­но із кристалами. Також у рідинних середовищах майже від­сутні втрати лазерного випромінювання на неоднорідностях та дефектах, що покращує стабільність оптичних характеристик. Останнє визначає поліпшені порівняно із твердотільними лазе­рами, просторову когерентність та спрямованість випроміню­вання. Все це робить їх подібними до газових лазерів.

Можливість введення великих концентрацій активних цен­трів у рідини для отримання великих потужностей генерації на­ближають властивості рідинних лазерів до твердотільних.

Рідинні лазери відрізняються легкістю вирішення пробле­ми охолодження активного середовища реалізацією циркуляції рідини по кюветі та через телообмінник. Ще однією рисою цьо­го типу лазерів є легкість заміни активної рідини без істотного юстування елементів приладів.

Велика кількість активних рідин дозволяє розширити спе­ктральний робочий діапазон генерації одного приладу від ІЧ до УФ з майже плавною перебудовою частоти [77]. Активні ріди­ни не відрізняються дороговизною, а деякі з них можуть бути виготовлені в лабораторіях менше ніж за годину.Високі коефіцієнти перетворення оптичної енергії накачува­ння в енергію випромінювання дозволяють отримувати прийня­тні ККД та створювати компактні системи. Нелінійні властиво­сті молекул барвників дозволяють створювати оптичні лазерні підсилювачі та автогенератори імпульсів світла пікасекундної та фемтносекундної тривалості.

Таким чином, рідинні лазери поєднують у собі багато пере­ваг твердотільних та газових лазерів.

Удосконалення рідинних лазерів реалізується шляхом вирі­шення таких проблем:

-   низька фотостійкість молекул барвників, що обмежує строк використання робочих середовищ;

-  теплові та конвекційні оптичні неоднорідності розчинів ор­ганічних барвників, що погіршує яскравість лазерного випромі­нювання через розсіювання;

-  оптичні пробої на поверхні активних елементів та в їх об'­ємі, що обмежує енергетичні характеристики лазерів;

-  втрати енергії випромінювання лазера за рахунок вини­кнення паразитної поперечної генерації в широкоапертурних активних елементах;

-  утворення вуглецевих частинок в органічних барвниках та розчинах;

-  порушення однорідності активного розчину при кавітації, що руйнує активне середовище лазера.

 

7.4.1.    Рідинні лазери на неорганічних барвниках

Рідинні лазери на неорганічних барвниках можуть працю­вати як у безперервному, так і в імпульсному режимі. їх вла­стивості дуже подібні до твердотільних лазерів. Вони здатні генерувати імпульсні потужності від кількох кіловатів до со­тень мегаватів при високих ККД і забезпечити більшу часто­ту повторення імпульсів при високій потужності випромінюва­ння [13], [17]— [19], [22], [32], [77]— [79]. Активними центра­ми неорганічних рідинних лазерів є іони рідкоземельних еле­ментів, які широко використовуються в твердотільних лазе­рах. У переважній більшості це іони неодиму Nd3+, який вхо­дить до складу двокомпонентних сумішей окислів хлориду се­лену (SeOCl2), фосфору (POCl3) та сірки (SOCl3) з домішками Л'юїса (SnCl4, ZrCl) і хлоридами Al, Ga. Наприклад, у рідин­ному люмінофорі POCls SnCl4 Nd, іон Nd3+ оточений 8-атомами кисню, який входить до складу POCl3.

Вимушене випромінювання отримане для концентрацій Nd3+ від 0,02N до 0, 75N. Більші концентрації обмежуються високою в'язкістю розчину при нормальних температурах. Як і твердотільні лазери, рідинні неорганічні працюють за чоти-рирівневою схемою, і реалізація інверсійної заселеності також збігається з твердотільними аналогами. В [79] вказується на збільшення енергії генерації на 20%—30% при опромінюван­ні активної рідини неодимового лазера нейтронами та гамма-квантами. Виявлена залежність зниження порога генерації від дози опромінювання лазерного середовища та переходу від ре­жиму вільної генерації до режиму генерації потужних імпульсів.

Під час роботи з оксидхлоридом селену потрібно врахову­вати його токсичність та корозійну активність. Токсичність рі­дин є загальним недоліком майже всіх розчинників неоргані­чних лазерів, який позначається на безпечності та екологічності їх використання.

 

 

7.4.2.   Рідинні лазери на органічних барвниках

До рідинних лазерів на органічних барвниках відносять ла­зери, активним розчином яких є органічні сполуки, що мають систему сполучених зв'язків. Органічні сполуки мають інтен­сивні смуги поглинання в близькій ІЧ- та УФ- областях спе­ктра. Більшість органічних барвників, що використовуються якактивні середовища, мають широкі безструктурні смуги флуо­ресценції [13], [17]— [19], [22], [32], [77]— [79].

Лазери на органічних барвниках були винайдені під час ви­вчення фототропних середовищ для пасивних закривів, що ви­користовуються для реалізації режимів генерації з модульова­ною добротністю.

Енергетичні рівні молекул органічних барвників складаю­ться із сукупності електронно-коливальних рівнів з великою кількістю розширенних обертальних рівнів [77], [78], [32]. Еле­ктронні стани, залежно від взаємної орієнтації спинів електро­нів, розділяються на синглетні S0,S1,... та триплетні T1,T2

(рис. 7.11).

Для синглетних станів повне спінове число S = 0. Це озна­чає що їх мультиплетність дорівнює 2S +1 = 1. Для триплетних станів S =1 і мультиплетність 2S +1 = 3. Основні стани мо­лекули S0 синглетні. Перший збуджений стан Si утворюється при переході одного із двох високо розташованих електронів на наступний енергетичний рівень без зміни орієнтації спіну. Якщо спін зміниться, то утвориться триплетний стан T1.

Кожен електронний стан складається із кількох коливаль­них (товсті лінії рис. 7.11) та обертальних (тонкі лінії рис. 7.11) рівнів. Енергетична відстань між коливальними рівнями реаль­них молекул приблизно в 100 разів більша за відстань між обертальними рівнями. Оскільки правила відбору вимагають, щоб при переході AS = 0, то синглет-синглетний перехід є до­зволеним, а синглет-триплетний забороненим. Під дією ви­промінювання накачування молекула може перейти з основно­го стану S0 на один із коливальних рівнів електронного збудже­ного стану S1. Між коливальними станами існує швидка без-випромінювальна релаксація (т ~ 10-13 c), що призводить до швидкого накопичення електронів на нижніх рівнях збуджено­го та основного станів. Перехід на один із вільних коливальних рівнів основного стану S0 зі збудженого S1 відбувається із ви­
промінюванням фотонів у достатньо широкій спектральній сму­зі з подальшою релаксацією на нижчі коливальні та обертальні рівні. Таким чином, ми маємо квазічотирирівневу схему, для якої також характерний низький поріг генерації.

I3 нижчих збуджених рівнів Si електрони можуть перейти на рівні T1, що обумовлюється зіткненнями й отримало назву синглет-триплетної конверсії. Стан T1 можна вважати метаста­більним, а відстань T2 T1 приблизно дорівнює енергетичній відстані S1 S0. Сукупність цих факторів призводить до існу­вання процесу поглинання випромінювання накачування длязбудження триплетних рівнів, що, у свою чергу, призводить до зриву генерації. Ця проблема вирішується передусім застосу­ванням імпульсного накачування, тривалість імпульсу якої не повинна перевищувати час життя триплетного стану T1. Також проблема частково знімається при використанні лазерних си­стем накачування.

Здатність розчинів барвників ефективно генерувати випро­мінювання пов'язана із великими значеннями перерізів погли­нання оптичних переходів у цих сполуках, які в тисячі разів перевищують твердотільні активні середовища. Це дозволяє отримати великі коефіцієнти підсилення та ефективну генера­цію для малих концентрацій молекул барвника і малих довжин активного елемента.

Часи життя в синглетному збудженому стані на 5 — 6 поряд­ків менші за часи метастабільних рівнів твердотільних активних середовищ. З цієї причини необхідно підвищувати густину нака­чування, яка визначається величиною 1/ат. Хоча великі зна­чення перерізів поглинання переходів та значні довгохвильові зміщення спектрів випромінювання відносно смуг поглинання дозволяють послабити цю вимогу.

Як розчинник органічних барвників широко використову­ють воду, спирти, похідні бензолу, рідше полімерні матеріали: епоксидні смоли, поліуретан, поліметилметакрилати.

Головною корисною властивістю лазерів на органічних барвниках є можливість перебудови частоти генерації в широ­кому спектральному діапазоні: від 330 нм до 1,8 мкм. Груба пе­ребудова частоти виконується заміною барвника.

Узагалі отримано генерацію на понад тисячу різних барвни­ках, найбільш важливі із яких можна класифікувати таким чи­ном [77].

Кумаринові барвники. Загальна кількість модифікацій близько 90. Спектри генерації цих сполук перекривають діапа­зон від 370 нм до 600 нм. Область перебудови частоти одногорозчину до 220 нм. Ефективність генерації до 30% при мо-ноімпульсному накачуванні. Характерна слабка фотостійкість, особливо при дії УФ випромінювання.

Ксантенові барвники. Це сполуки, які мають у своїй стру­ктурі ксантенове ядро. До цього класу відносять флуоресцено-ві, родамінові та піранінові барвники. Введення в ксантенове ядро різних замінників та циклічних груп дозволяє змінювати спектр поглинання та випромінювання на 100 нм.

Великі значення перерезів переходів та часів життя збудже­них станів, малі втрати на поглинання, високий вихід флуоре­сценції та добра фотостійкість роблять ці сполуки перспектив­ними для використання. Спектри генерації перекривають діа­пазон 500 — 850 нм. До недоліків цих сполук можна віднести малий діапазон перебудови при генерації — 50 нм.

Оксазинові барвники. Відрізняються від ксантенових ато­мами азоту. У них менш виражений фоторозпад порівняно з по­передніми. Спектр генерації — 645—900 нм. Ефективність ге­нерації середовищ — 15% при моноімпульсному накачуванні в довгохвильовій смузі.

Поліметинові барвники. Мають тетроциклічні кінцеві групи. У них спектри поглинання та випромінювання значно пе­рекриваються. Перерізи переходів залежать від довжини лан­цюга молекули та мають максимальні значення для барвників із двома і трьома карбоціаніновими групами.

На сьогодні відомо близько 170 поліметинових сполук, на яких можна отримати генерацію. Спектр генерації досить стій­кий і перекриває діапазон 540 — 1320 нм. Область перебудови спектра одного барвника — 50 — 100 нм. Ефективність генерації близько 40%.

Поліметинові середовища здатні генерувати за один моно-імпульс накачування у двох спектральних діапазонах.

Сцинцелятори. Для отримання генерації в короткохви­льовій області використовують сполуки різної структури, де­які з яких відносять до сцинцеляторів. Часто вони є ланцюга­ми, утвореними фенільними та п'ятикутними циклічними група­ми, іноді із включенням парної кількості метинових груп. Ма­ють великі значення перерізів переходів та малі значення часу життя флуоресценції. Для цих сполук характерні високі виходи флуоресценції до 99%. Відомі близько 90 активних середовищ цього типу, які перекривають спектральний діапазон 340 — 490 нм.

Перилієві солі. Спектральні властивості перилієвих солей змінюються при заміні радикалів. Відомо до 64 подібних спо­лук, на яких отримано генерацію. Спектр генерації відповідає діапазону 440 — 770 нм із шириною перебудови довжини хви­лі однієї сполуки до 130 нм. Ефективність генерації в межах

20%.

Фіналеміни. Належать до недавно досліджених сполук що­до використання як активних середовищ. Спектр генерації пе­рекриває діапазон 600—670 нм з перебудовою спектра на одно­му барвнику в межах 50 нм.

Лазери на барвниках знайшли застосування в багатьох нау­кових та технічних галузях. Серед них можна виділити спектро­скопію, вивчення молекулярної дисоціації та хімічних реакцій, сортування ізотопів.

 

7.5.   Газові оптичні квантові генератори

 

Газовими лазерами називаються такі генератори, у яких активне середовище перебуває в газовій фазі. Це можуть бути безпосередньо газ або речовина, що перебуває в газоподібному стані за нормальних умов, або пари речовин, які знаходяться за нормальних умов у твердій фазі. В останньому випадку речо­вина штучно нагрівається для утворення газоподібного актив­ного середовища ОКГ. У газових лазерах як робочі можуть ви­користовуватися різноманітні переходи (більш ніж 1000 різнихпереходів) між електронними, коливальними та обертальними рівнями енергій нейтральних або іонізованих атомів і молекул. Це дає можливість генерації у спектральному діапазоні від УФ до субмм (приблизно від 0,1 мкм до 1 мм) [17], [13], [17]— [19],

[22], [32].

Газ як активне середовище володіє високим ступенем опти­чної однорідності, тому в газових ОКГ можна одержати най­менший кут розбіжності пучка. Спрямованість випромінюван­ня газових лазерів досягає межі, обумовленої дифракцією сві­тла. Розходження світлового променя газових ОКГ у видимому діапазоні приблизно 10-5 10-4 рад, в ІЧ-діапазоні прибли­зно 10-4 10-3 рад. Діаграма спрямованості випромінювання визначається властивостями резонатора. Випромінювання га­зових лазерів є найбільш якісним за параметрами порівняно з іншими типами лазерів. У газових середовищах взаємодія між частинками середовища мінімальна, тому лінії випромінювання й поглинання найбільш вузькі (10-13 10-12) м і дуже легко ре­алізувати одномодовий режим генерації. Ширина лінії генерації газового ОКГ мінімальна серед усіх видів лазерів, вона досягає 1 ГГц. Однак, за винятком газових ОКГ високого тиску, це при­зводить до неможливості отримання наднетривалих імпульсів світла та змінювати в достатніх межах діапазон їх роботи.

Більшість газових лазерів працює у безперервному й ім­пульсному режимах та дозволяють одержувати більші вихідні потужності за високої спрямованості випромінювання й ста­більності його частоти. Завдяки малій густині газу ширина спе­ктра лінії обумовлена головним чином доплерівським розшире­нням, величина якого мала. Це, а також застосування ряду ме­тодів, що використовують властивість доплерівського розши­рення лінії, дозволяє досягти високої стабільності частоти.

Разом з тим мала об'ємна щільність активних центрів у газі перешкоджає отриманню такої високої густини збуджених ча­стинок, що характерна для твердих тіл і рідин. Тому енергети­чний вихід у газових лазерів нижчий, ніж у твердотільних лазе­рів і рідинних лазерів. Однак перехід до більш високих тисків і створення швидко поточних газових лазерів різко збільшили їхню потужність.

Специфіка газів проявляється в різноманітності типів активних частинок, рівні яких використовуються для генерації (нейтральні атоми, іони, стійкі та нестійкі молекули і т.п.). То­му процеси, використовувані для створення інверсійної заселе­ності, у газових лазерах також досить різноманітні. За метода­ми накачування газові ОКГ можна розділити на газорозрядні, газодинамічні та хімічні. Оптичне накачування в них може бу­ти реалізоване, але внаслідок вузьких спектрів поглинання газу воно є неефективним.

Найбільше поширення отримали газорозрядні лазери, які, у свою чергу, можна розділити на три групи: атомарні, іонні та молекулярні. Газовий розряд створюється, як правило, безпо­середньо в активному середовищі, хоча є схеми, в яких може збуджуватися тільки допоміжний газ із подальшою передачею енергії робочому газу. Використовують самостійні та несамо­стійні, імпульсні та стаціонарні, дугові, тліючі, високочастотні розряди і розряди в постійному струмі.

Параметри всіх типів розрядів повинні забезпечувати пере­важно взаємодію активних частинок при непружних зіткненнях першого роду та поступове електронне збудження. Крім цьо­го, за наявності допоміжного газу, зазначені процеси можуть доповнюватися резонансною передачею енергії збудженого до­поміжного газу активним атомам та молекулам. Цей механізм значно збільшує ефективність створення інверсійної заселено­сті в газових лазерах, оскільки дозволяє селективно заселюва­ти верхні лазерні рівні. Крім того, допоміжні гази можуть спри­яти ефективному спустошенню нижніх лазерних рівнів, як, на­приклад, He в CO2 лазері.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 


Похожие статьи

О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка