|
|
Реферат по лазерам на красителях. Лазеры на красителях
 Министерство образования Российской Федерации
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э. БАУМАНА
Реферат
на тему «Лазеры на красителях»
Выполнил:
Студент группы МТ12-91
Печенов Артём Викторович
Проверил:
Доктор технических наук
Васильцов Виктор Владимирович
Оглавление
Введение 2
1. Активная среда 4
2. Накачка 13
2.1 Возбуждение с помощью ламп вспышек 13
2.2 Возбуждение с помощью импульсных лазеров 15
2.3 Возбуждение с помощью непрерывных лазеров 17
3. Непрерывная перестройка частоты излучения 23
4. Сверхкороткие импульсы 26
5. Разделение изотопов 27
6. Расширение спектрального диапазона лазера 28
7. Лазерные установки на красителях 31
7.1 Cynosure Cynergy 31
7.2 Q-scan 33
7.3 FTSS Dye laser 34
Вывод 36
Список литературы 37
Введение
Жидкостные лазеры используются в целом реже, чем газовые либо твердотельные лазеры, однако с точки зрения некоторых приложений они обладают рядом уникальных свойств. Параметры излучения твердотельного лазера в значительной степени зависят от оптических качеств используемого кристалла. Неоднородности кристаллической структуры могут серьезно ограничивать когерентность лазера. Кристаллы постоянно подвержены разрушениям; концентрация активирующих ионов задается в процессе изготовления лазера и является определенной величиной для данного кристалла. С этими конкретными трудностями не приходится иметь дело при работе с газовыми лазерами, но зато эти лазеры имеют заметно меньшую концентрацию активного вещества из-за низкой концентрации атомов в газе. Преимущества жидкостных лазеров заключаются в том, что они имеют значительно более высокую концентрацию активных атомов, которую легко можно изменять; кроме того, активная среда является дешевой и относительно мало подверженной повреждениям. В то же время жидкостные лазеры не столь громоздки, как газовые системы, и проще в эксплуатации.
Из расчетных типов жидкостных лазеров наибольшее значение имеют лазеры на органических красителях. Эффект генерации раствора красителя впервые обнаружили в 1965 г. П. Сорокин с сотр. в лаборатории фирмы IBM в ходе исследования ряда красителей, используемых в пассивных затворах для рубиновых лазеров. Наиболее существенным преимуществом лазера на красителях является возможность плавно перестраивать частоту излучения в пределах значительного спектрального диапазона. Типичный газовый или твердотельный лазер можно перестраивать только внутри очень узкого диапазона (практически лишь в пределах ширины кривой усиления). Хотя имеющиеся газовые и твердотельные лазеры излучают большое число дискретных длин волн в диапазоне, простирающемся от ближней ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра, все же остаются значительные участки оптического диапазона, в которых отсутствуют линии генерации этих лазеров.
Перестраиваемый источник узкополосного излучения оптического. диапазона при высокой когерентности этого излучения желательно иметь во многих приложениях, таких, как спектроскопия, изучение молекулярной диссоциации и химических реакций, а также разделение изотопов.
1. Активная среда
В лазерах на красителях [26] активная среда представляет собой растворы определенных соединений органических красителей в жидком растворителе, таком, как этиловый спирт, метиловый спирт или вода. Органические красители составляют большой класс многоатомных молекул с сопряженными двойными связями (например,  ) . Лазерные красители обычно принадлежат к одному из следующих классов:
1. Полиметиновые красители, обеспечивающие генерацию в красной илиближней ИК-области (0,7-1,5 мкм). В качестве примера на рис. 1.1а приведена химическая структура красителя 3,3'-диэтилтиатрикарбоцианиниодида, который генерирует излучение в ИК-диапазоне (длина волны  ).
2. Ксантеновые красители, генерирующие в видимой области. В качестве примера на рис. 1.1б приведена химическая структура широко используемого красителя родамина 6G (Хр = 590 нм).
3. Кумариновые красители, генерирующие в сине-зеленой области (400-500 нм). В качестве примера на рис. 1.1в приведена химическая структура кумарина 2, который генерирует излучение в синей области (кр = 450 нм).
Органические красители, как правило, имеют широкие полосы поглощения и флюоресценции без каких-либо острых пиков. Полосы флюоресценции значительно смещены в сторону более длинноволнового диапазона (стоксово смещение) от полос поглощения, что напоминает ситуацию с перестраиваемыми твердотельными лазерами, рассмотренными в предыдущем разделе. В качестве примера на рис. 1.2 представлены основные характеристики поглощения и флюоресценции раствора родамина 6G в этаноле.
Рис. 1.1 – Химическая структура некоторых распространенных красителей: а) 3,3'диэтилтиатрикарбоцианина иодида; б) родамина 6G; в) кумарина 2. В каждом случае хромофорный участок молекулы красителя изображен жирными линиями.
Рис. 1.2 – Сечение поглощения  , сечение синглет-синглетного вынужденного излучения  и сечение триплет-триплетного поглощения для раствора родамина 6G в этиловом спирте.
На рис. 1.2 приведены спектры поглощения и флуоресценции типичного лазерного красителя. Кривая флуоресценции, захватывающая желтую и большую часть красной области спектра, сдвинута в более длинноволновую область по отношению к кривой поглощения, занимающей голубой и зеленый участки спектра. Эта ситуация аналогична рассмотренной здесь при описании лазера на рубине: излучение лампы накачки лежит преимущественно в зеленой и голубой областях спектра, а кристалл рубина флуоресцирует в красной области. Существенное различие заключается в том, что краситель флуоресцирует в исключительно широком диапазоне частот видимой области спектра в противоположность очень узкой полосе флуоресценции типичного твердотельного лазера.
Чтобы понять спектральные особенности, представленные на рис. 1.2, прежде всего необходимо рассмотреть энергетические уровни молекулы красителя. Структуру энергетических уровней молекул красителя нетрудно понять, если воспользоваться так называемой моделью свободных электронов. Рассмотрим данную модель на примере красителя цианина, рис. 1.3а. В атомах углерода р-электроны образуют два плоских облака, одно из которых расположено выше, а другое ниже плоскости молекулы (области, закрашенные точками на рис 1.3а и 1.3б). В модели свободных электронов предполагается, что л-электроны движутся свободно в пределах их плоскости распределений, и их движение ограничено только потенциалом отталкивания метиловых групп, расположенных на каждом конце красителя. Электронные состояния молекулы определяются этим распределением электронов.
Рис. 1.3 – Иллюстрация модели свободных электронов для электронных состояний молекулы красителя.
В первом порядке приближения энергетические уровни электронов представляют собой уровни свободного электрона, находящегося в потенциальной яме, форма которой показана на рис. 1.3 в. Если эту яму приближенно представить как прямоугольную (см. рис. 1.3г), то уровни электрона в такой яме хорошо известны и определяются выражением:
где n — целое число, m — масса электрона, a L — ширина потенциальной ямы. Следует заметить, что в  -электронном облаке молекулы красителя находится четное число электронов. Если положить это число равным 2N, то основное состояние молекулы будет соответствовать ситуации, при которой все электроны находятся на N нижних электронных энергетических уровнях, при этом каждый уровень может быть занят двумя электронами с противоположными спинами. Таким образом, это молекулярное состояние имеет нулевой результирующий спин и находится в синглетном состоянии (на рис. 1.4 оно обозначено как  ). Приближенное значение энергии состояния  , занятого электронами, определяется из выражения (1) при  . На рис. 1.4а самый верхний занятый электронами уровень и следующий за ним (пустой) уровень указаны двумя квадратами, расположенными друг над другом, и, таким образом, состояние соответствует ситуации, когда нижний квадрат заполнен и имеет два электрона, а верхний квадрат остается пустым. Первое возбужденное синглетное состояние (обозначенное на рисунке как  ) образуется при переходе одного из двух высоколежащих электронов на следующий (более высокий уровень) без переворота спина. Энергия верхнего электрона ( ) этого состояния может быть приближенно рассчитана из выражения (1) при  Разница между энергиями состояний и определяется как  , и, согласно выражению (1), эта разница уменьшается с увеличением длины L молекулярной цепи. Если спин при этом переворачивается, то образуется трип летное состояние (на рисунке обозначено как  ; полный спин S = 1). Возбужденное синглетное  и трип летное  состояния образуются, когда электрон поднимается на следующий уровень и т. д. Следует заметить, что на рис. 1.4а каждое электронное состояние в действительности состоит из ряда колебательных (толстые горизонтальные линии на рисунке) и вращательных (тонкие линии) уровней. На рис. 1.4б энергетические состояния и колебательная структура молекулы красителя представлены как функция конфигурационной координаты (т. е. координаты, описывающей одну из многих колебательных мод, из которых состоит молекула красителя). Окончательно следует отметить, что из-за большого числа колебательных и вращательных уровней, а также из-за механизмов, вызывающих уширение линий, вращательно-колебательные уровни при комнатной температуре оказываются неразрешимыми.
Теперь рассмотрим ситуацию, когда на молекулу красителя действует электромагнитное излучение. Прежде всего, следует вспомнить, что правила отбора требуют, чтобы выполнялось условие  . Следовательно, синглет-синглетные, также, как и триплет-триплетные переходы являются разрешенными, а синглет-триплетные — запрещенными. Поэтому благодаря взаимодействию с электромагнитным излучением, согласно принципу Франка-Кондона (см. рис. 1.4б), или, если говорить более точно, благодаря факторам Франка-Кондона, молекула может перейти из основного состояния на один из колебательных уровней состояния . Поскольку вращательные и колебательные уровни являются неразрешимыми, спектр поглощения будет представлять собой широкий бесструктурный переход, что и наблюдается на рис. 1.2 для родамина 6G. Важная особенность красителей состоит в том, что они имеют очень большую величину дипольного матричного элемента  . Это объясняется тем, что -электроны свободно движутся на расстояниях, сравнимых с размером L молекулярной цепочки, а поскольку величина L является достаточно большой, значение также велико  . Отсюда следует, что сечение поглощения аа, которое пропорционально величине  , также оказывается большим  , см. рис. 1.2). Молекула в возбужденном состоянии релаксирует за очень короткое время (безызлучательная релаксация за счет столкновительных процессов,  ) на самый нижний колебательный уровень состояния (рис. 1.4б). С этого уровня имеет место излучательный переход на некоторый колебательный уровень состояния (опять же согласно принципу Франка-Кондона, см. рис. 1.4б). При этом спектр флюоресценции будет иметь вид широкой бесструктурной полосы, сдвинутой в сторону длинноволнового диапазона относительно полосы поглощения (стоксово смещение) (см. рис. 1.2). Благодаря большому значению дипольного момента , сечение вынужденного излучения будет, скорее всего, также велико , см. рис. 1.2). Перейдя на возбужденный колебательно-вращательный уровень основного состояния , молекула возвращается на самый низкий колебательный уровень за счет другой очень быстрой (100 фс) безызлучательной релаксации. Следует отметить, что из самого нижнего уровня состояния молекула может перейти в состояние  Этот процесс обусловлен столкновительными процессами (несмотря на то, что он излучательно запрещен) и называется синглет-триплетной конверсией. Аналогичным образом (преимущественно за счет столкновений) осуществляется переход  , который в основном обусловлен близко-резонансным переносом энергии вследствие столкновений молекул в растворе (например, зависит от содержания кислорода в растворе). Этот механизм осуществляется в соответствии с правилом Вигнера, согласно которому сохраняется суммарный спин частиц, участвующих в столкновительных процессах. Окончательно следует заметить, что пока молекула находится на нижнем уровне состояния она может также поглощать излучение при переходе  , который является оптически разрешенным. К сожалению, этот процесс поглощения имеет место в том же диапазоне длин волн, что и вынужденное излучение (см. рис. 1.2), и, как будет видно ниже, данное обстоятельство может быть препятствием для лазерной генерации.
Рис. 1.4 – а) Типичные схемы энергетических уровней красителя в растворе. Синглетные и триплетные уровни приведены отдельно слева и справа, б) Схема энергетических уровней красителя в представлении конфигурационных координат.
Описанные выше процессы релаксации, осуществляющиеся из состояний и можно охарактеризовать следующими тремя константами: 1) временем жизни  состояния определяемым спонтанным излучением; 2) скоростью (  ) синглет-триплетной конверсии  перехода  ; 3) временем жизни  состояния . Если время жизни состояния обозначить через , то можно записать следующее соотношение:
Излучательное время жизни оказывается небольшим, порядка наносекунд (например, 5 не для родамина 6G), что обусловлено большой величиной матричного элемента дипольного момента . Поскольку величина  , как правило, значительно больше (например, порядка 100 не для родамина 6G), наибольшее число молекул из состояния будет релаксировать за счет флюоресценции. Поэтому квантовый выход флюоресценции (число фотонов, испущенных за счет флюоресценции, деленное на число атомов, переведенных в состояние ) близок к единице.
Время жизни трип летного состояния зависит от раствора красителя и, в частности, от содержания кислорода в растворе. Оно может колебаться от  с (в растворах, насыщенных кислородом) до  с и более (в бескислородных растворах).
В табл. 1 приведены характерные диапазоны основных оптических и спектроскопических параметров активной среды лазера на красителе.
Таблица 1 – Диапазон оптических и спектроскопических параметров типичных красителей, используемых в качестве активных сред
Параметр
|
Диапазон значений
|
Параметр
|
Диапазон значений
|
Длина волны
|
|
|
|
Концентрация [молярная]
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Показатель преломления
|
|
|
|
|
Скачать 1.13 Mb.