Войти
Крупный план настольного лазера на красителях CW на основе родамин 6G, излучающий при 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 триплетной фосфоресценцией, и накачивается лучом 514 нм (сине-зеленым) аргонового лазера. Под желтым окном видно, как лазер накачки входит в струю красителя. A лазер на красителе - это лазер, который использует органический краситель в качестве средний, 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 от 50 до 100 нанометров и 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 генерировать импульсы длительностью до 16 фемтосекунд. Более того, краситель может быть заменен другим типом, чтобы генерировать еще более широкий диапазон длин волн с тем же лазером, 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. Сорокин П. и Ф. П. Шефер (и его коллеги) в 1966 году.
Помимо обычного жидкого состояния, лазеры на красителях также доступны в виде твердотельных лазеров на красителях (SSDL). В SSDL в качестве усиливающей среды используются органические матрицы, легированные красителями.
Внутренний резонатор линейного лазера на красителях, показывающий путь луча. Лазер накачки (зеленый) входит в ячейку с красителем слева. Излучаемый луч выходит вправо (нижний желтый луч) через заглушку 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). 
Кольцевой лазер на красителях. Лазерный луч P-накачки; Струя красителя G-gain; A-насыщающаяся струя красителя-поглотителя; Зеркала М0, М1, М2 плоские; ОС – выходной ответвитель; Зеркала с изгибом 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 как краситель в маркере маркер. Краситель смешивается с совместимым растворителем, позволяя молекулам равномерно диффундировать в жидкости. Раствор красителя может циркулировать через ячейку красителя или протекать через открытый воздух с использованием струи красителя. Для «накачки» жидкости за пределы ее порога генерации необходим источник света с высокой энергией. Для этого обычно используется быстрый разряд импульсная лампа или внешний лазер. Зеркала также необходимы для генерации света, производимого 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 абсорбции триплетов и уменьшить разложение красителя. призма или дифракционная решетка обычно устанавливается на пути луча, чтобы обеспечить возможность настройки луча.
Поскольку жидкая среда лазера на красителях может принимать любую форму, существует множество различных конфигураций, которые можно использовать. Лазерный резонатор Фабри – Перо обычно используется для лазеров с ламповой накачкой, который состоит из двух зеркал, которые могут быть плоскими или изогнутыми, установленных параллельно друг другу с лазерной средой между ними. Ячейка для красителя часто представляет собой тонкую трубку, примерно 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 флэш-трубок проходят параллельно ячейке с красителем в полости отражателя. Полость отражателя часто охлаждается водой для предотвращения теплового удара в красителе, вызванного большим количеством излучения в ближнем инфракрасном диапазоне, которое производит лампа-вспышка. 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 передачи. Коаксиальные лазеры с 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 импульсных выходов.
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 для красителя или кювета обычно очень мала. Иногда для предотвращения потерь на отражение используется струя красителя. Краситель обычно накачивается внешним лазером, таким как азотный, эксимерный или лазер с удвоенной частотой Nd: YAG. 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 явление, когда энергия захватывается в неиспользуемых частях среды между гребнями волны. Это приводит к лучшему усилению от лазерной среды.
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, время жизни флуоресценции большинства твердотельных лазеров составляет от сотен микросекунд до нескольких миллисекунд.) В стандартных условиях лазерной накачки молекулы излучают свою энергию до того, как инверсия населенности сможет должным образом нарастать., поэтому красители требуют довольно специализированных средств накачки. Жидкие красители имеют чрезвычайно высокий порог генерации. Кроме того, большие молекулы подвержены сложным переходам в возбужденное состояние, во время которых спин может быть "перевернут", быстро переходя из полезного, быстро излучающего "синглетного" состояния в состояние более медленное «триплетное» состояние.
Входящий свет возбуждает молекулы красителя в состояние готовности к испусканию стимулированного излучения ; 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 необходима вспышка с чрезвычайно короткой продолжительностью, чтобы доставить большое количество энергии, необходимое 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 действием света, раствор красителя обычно циркулирует из большого резервуара. Раствор красителя может течь через кювету, то есть стеклянный контейнер, или быть струей красителя, то есть листовой струей 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 высокое усиление в качестве лазерных носителей. Лучу необходимо сделать всего несколько проходов через жидкость, чтобы достичь полной расчетной мощности, и, следовательно, высокого коэффициента пропускания выходного элемента связи . 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 имеют покрытие, анодирование или иным образом изготовлены из материала, который не будет отражаться на длине волны генерации, а отражаться на длине волны накачки.
Преимущество органические красители - это их высокая эффективность флуоресценции. Наибольшие потери во многих лазерах и других флуоресцентных устройствах связаны не с эффективностью передачи (поглощенная по сравнению с отраженной / передаваемой энергией) или квантовым выходом (количество испускаемых фотонов на поглощенное количество), а с потерями при высоких Энергетические фотоны поглощаются и переизлучаются в виде более длинноволновых фотонов. 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, так что профиль поглощения немного 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. 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. Между окнами с большой скоростью проходит тонкий слой жидкости. Окна устанавливаются под углом Брюстера (поверхность раздела воздух-стекло) для лазера накачки и под углом Брюстера (поверхность раздела жидкость-стекло) для испускаемого луча.
Стоксов сдвиг в родамине 6G при широкополосном поглощении / излучении. При работе лазера стоксов сдвиг - это разница между длиной волны накачки и выходной мощностью.
Непрерывные лазеры на красителях часто используют струю красителя. Непрерывные лазеры на красителях могут иметь линейный или кольцевой резонатор и послужили основой для разработки фемтосекундных лазеров.
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 до ширины линии в доли ангстрем..Излучение лазеров на красителях по своей природе является широким. Тем не менее, перестраиваемое излучение с узкой шириной линии стало ключевым фактором успеха лазера на красителях. Для настройки узкой полосы пропускания в этих лазерах используется множество типов резонаторов и резонаторов, включая решетки, призмы, многопризменные решетки и эталоны.
. Первая узкая ширина линии лазер на красителях, представленный Хэншем, использовал телескоп Галилея в качестве расширителя луча для освещения дифракционной решетки. Затем 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 призматическими решетками была объяснена Дуарте и Пайпер.
порошок хлорида родамина 6G; смешанный с метанолом; испускание желтого света 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, 450–470 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 быть очень коррозионными по отношению ко всем металлам, кроме нержавеющей стали. Хотя красители имеют очень широкий спектр флуоресценции, поглощение и излучение 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, а 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: вода, гликоль, этанол, метанол, гексан, циклогексан., циклодекстрин и многие другие. Растворители часто очень токсичны 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 особый источник лазерной накачки.
Адамантан добавляют в некоторые красители для продления их жизни.
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 COT в растворе метанол-вода.
Лампы-вспышки и несколько типов лазеров могут использоваться для оптической накачки лазеров на красителях. Неполный список возбуждающих лазеров включает:
R. Л. Форк, Б. И. Грин и продемонстрировали в 1981 году генерацию ультракороткого лазерного импульса с использованием лазера на кольцевом красителе (или лазера на красителе, использующего синхронизацию мод ). Такой тип лазера способен генерировать лазерные импульсы длительностью ~ 0,1 ps.
Внедрение решетчатых технологий и внутрирезонаторных призматических компрессоров импульсов в конечном итоге привело к рутинное излучение фемтосекундных импульсов лазера на красителях.
Эксперимент по лазерному разделению изотопов на атомарном пару в LLNL. 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 на импульс, а лазеры на красителях с медной накачкой, как известно, дают среднюю мощность в киловаттном режиме.
Лазеры на красителях используются во многих областях, включая: 244>астрономия (как лазерные проводники ),
В лазерной медицине эти лазеры применяются в нескольких областях, в том числе дерматология, где они используются, чтобы сделать тон кожи более ровным. Широкий диапазон возможных длин волн позволяет очень близко соответствовать линиям поглощения определенных тканей, таких как меланин или гемоглобин, а узкая полоса пропускания помогает снизить вероятность повреждения окружающих тканей. Они используются для лечения винных пятен и других заболеваний кровеносных сосудов, шрамов и камни в почках. Их можно сочетать с различными типами красок для удаления татуировок, а также с рядом других Применение.
В спектроскопии лазеры на красителях могут использоваться для изучения спектров поглощения и излучения 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 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.
Настраиваемая лазеры используются для измерения абсолютных расстояний с очень высокой точностью. Устанавливается двухосевой интерферометр, и при качании частоты частота света, возвращающегося из фиксированного плеча, немного отличается от частоты, возвращающейся от плеча измерения расстояния. Это создает частоту биений, которую можно обнаружить и использовать для определения абсолютной разницы между длинами двух плеч.
СМИ, связанные с лазерами на красителях на Wikimedia Commons