рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Лазер на красителях

Работа сделанна в 2001 году

Лазер на красителях - Реферат, раздел Физика, - 2001 год - Министерство Образования Рф Томский Политехнический Университет Кафедра Лист ...

Министерство образования РФ Томский Политехнический Университет Кафедра ЛИСТ Реферат Лазер на красителях Выполнил студент гр. 1В80 Федоренко А. П. Проверил преподаватель Куликов В. Д. Томск 2001г.Содержание Введение 1. Лазеры на органических красителях . 1. Активная среда 4 1.2. Накачка 3. Непрерывная перестройка частоты излучения 4. Разделение изотопов 5. Расширение спектрального диапазона лазера . 2. Одноструйный субпикосекундный лазер на красителе в режиме самонастройки . 3. Узкополосный импульсный лазер на красителях с электродинамическими приводами поворота дисперсионных элементов 14 Заключение 17 Список Литературы 18 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 над всеми рассмотренными здесь лазерами 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. Лазеры на органических красителях 1. Активная среда Активная среда лазера на красителе состоит из раствора органического красителя.

Когда краситель возбуждается внешним источником коротковолнового излучения, он излучает на более длинных волнах или флуоресцирует, поглощая фотон на длине волны возбуждения, а затем излучая фотон на длине волны флуоресценции.

Разность энергии фотонов идет на безызлучательные переходы и в конечном счете переходит в тепло. Рис. 1. Спектр поглощения 1 и флуоресценции 2 типичного лазерного красителя На рис. 1.1 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.

Рис. 2. Диаграмма уровней для лазера на красителях. Синглет-триплетные переходы S1T1 интекомбинационные перходы 2 приводят к сильному поглощению лазерного излучения и срыву генерации за счет перехода T1T2, ограничивающих выходную мощность перходы 1. Широкий спектр флуоресценции красителя можно объяснить с помощью приведенной на рис. 1.2 схемы энергетических уровней типичной молекулы красителя. Молекула красителя имеет две группы состояний синглетные S0, S1 и S2 и триплетные T1 и Т2. Синглетные состояния возникают, когда полный спин возбужденных электронов в молекуле равен нулю, а триплетные когда спин равен единице. Как мы уже отмечали при рассмотрении правил отбора и радиационных времен жизни, синглет-триплетные и триплетсинглетные переходы маловероятны по сравнению с синглет-синглетными и триплет-триплетными переходами.

Накачка лазера на красителях происходит при поглощении фотонов, которые переводят молекулы из основного состояния S0 в первое возбужденное состояние S1. Затем происходит быстрый безызлучательный переход в наинизшие из уровней состояния S0. Стимулированное излучение возникает при переходе между уровнем, расположенным вблизи дна состояния S1, и некоторым промежуточным уровнем состояния.

Так как состояния S0 и S1 содержат множество отдельных колебательно-вращательных подуровней, показанных на рисунке отдельными линиями, то возникающая линия излучения весьма широка.

Триплетные состояния T1 и T2 не участвуют непосредственно в генерации излучения, тем не менее наличие их весьма существенно. Имеется некоторая малая вероятность того, что будет иметь место запрещенный переход S1T1 называемый интеркомбинационным переходом. Так как переход Т1S0 фосфоресценция также является запрещенным, молекулы имеют тенденцию накапливаться в состоянии T1. Но переход T1T2 является разрешенным, и, к сожалению, диапазон частот для этого перехода почти в точности равен диапазону рабочих частот лазера.

Как только в результате переходов значительное число молекул накапливается в состоянии T1 поглощение на переходе T1T2 быстро уменьшает коэффициент усиления и может сорвать генерацию. По этой причине некоторые лазеры на красителях работают в импульсном режиме при длительности импульса меньшей, чем та, которая требуется для достижения заметных значений населенности состояния T1. Для некоторых красителей может также иметь место поглощение, связанное с переходами в более высокие синглетные состояния S1S2, поэтому следует выбирать такие красители, у которых частоты этих переходов не лежат в интересующей исследователя спектральной области.

Рис. 1.3. Выходная мощность некоторых распространенных лазерных красителей 1 карбостирил 165 1,5 Вт, УФ 2 кумарин 120 1,5 Вт, УФ 3 кумарин 2 1,8 Вт. УФ 4 7-диэтиламино-4-метилкумарин 1,35 Вт, УФ 5 кумарин 102 1,5Вт, УФ 6 кумарин 7 1,2 Вт, 4765HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15 7 кумарин 6 2,3 Вт, 488OHYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15 8 Na-флуоресцеии 4 Вт суммарного излучения 9 родамин 110 4 Вт суммарного излучения 10 родамин 6G 4 Вт суммарного излучения 11 родамин 6G 2 Вт суммарного излучения 12 родамин В 4 Вт суммарного излучения 13 перхлорат крезила фиолетового 5 Вт суммарного излучения 14 перхлорат нильского голубого 0,75 Вт, 6471HYPER13 EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15. В скобках у наименования красителя указаны типичная мощность накачки излучением Аг-лазера, необходимая для получения приведенных кривых перестройки и область спектра излучения.

Использование различных красителей в качестве активных сред позволило осуществлять плавную перестройку рабочей частоты в широком диапазоне, охватывающем почти всю видимую область спектра рис. 3. Из рисунка видно, что применение родамина 6G характерно для многих систем это связано с его высоким КПД преобразования 20 и широким спектральным диапазоном перестройки.

Максимальная выходная мощность лазера на красителях зависит от используемого растворителя и качества юстировки оптического резонатора.

Некоторые добавки, такие, как циклооктатетрен, могут слегка сдвигать полосу флуоресценции красителя и увеличивать мощность излучения. 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 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 r5 см и коэффициентом отражения R100 и плоским выходным зеркалом 7 R95-98. Вспомогательное зеркало 5 r - 7,5 см, R100 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

Иногда коэффициент усиления красителя бывает настолько высок, что роль... Однако ширина линии лазерного излучения при таком методе селекции може... Поэтому для дальнейшего сужения линий генерации в резонатор помещают о... Как отмечалось ранее, такие условия способствуют усилению в резонаторе... Главные направления кристалла ориентированы так, что пластина является...

Расширение спектрального диапазона лазера

е. на длине волны 347,2 нм. Хотя это излучение было много слабее, чем на длине волны 694,3 нм, тем... Для перестройки частоты излучения надо изменить температуру кристалла ... Быструю перестройку частоты в ограниченном спектральном диапазоне можн...

Одноструйный субпикосекундный лазер на красителе в режиме самонастройки

НЛК имел традиционный V-образный трехзеркальный резонатор с компенсаци... Генерирующим красителем для мягкого НП ДОДКИ был выбран Р6Ж. Соотношение t0,35 свидетельствует о спектральной ограниченности импуль... Кривая усиления Р4С-П смещена относительно Р6Ж в красную область и луч... Соотношение t 2 указывает на возможное наличие чирпа. Более высокое S ...

Узкополосный импульсный лазер на красителях с электродинамическими приводами поворота дисперсионных элементов

Методы получения узкополосного плавно перестраиваемого излучения доста... Последний способ обеспечивает синхронность перестройки всех дисперсион... Перечисленные трудности привели нас к выбору другого способа перестрой... Зависимости длины волны от углов поворота и дифракционной решетки 1 и ... 3.2 состоит из сумматора аналоговых сигналов 1, аналогового умножителя...

Заключение

Заключение В настоящее время наряду с исследованиями по нелинейной оптике продолжаются работы и над созданием лазеров совершенно новых типов.

Одно из важных направлений исследования получение когерентной генерации длинноволнового рентгеновского излучения 10-910-10 м. Существуют два основных препятствия на пути создания рентгеновских лазеров практически отсутствуют отражатели, пригодные для резонаторов в области длинноволнового рентгеновского излучения, и, кроме того, растут трудности, связанные с осуществлением накачки, и с уменьшением длины волны. Так как любое твердое тело поглощает рентгеновское излучение, невозможно для создания обратной связи применить обычные лазерные резонаторы.

Мало надежды на то, что удастся создать резонатор с замкнутой траекторией луча, отклоняя излучение с помощью нескольких скользящих отражений от кристаллов.

Таким образом, источники когерентного рентгеновского излучения, вероятно, будут усилителями, а не генераторами.

Другая серьезная проблема заключается в трудности накачки таких лазеров. Она возникает вследствие крайне короткого времени жизни рентгеновских переходов 10-15 с. Поддержание инверсной населенности требует мощностей накачки порядка ватта на атом. Становятся доступными системы накачки, использующие пикосекундные импульсы на выходе системы.

Такая система состоит из задающего генератора и каскадов усиления и может давать импульсную выходную мощность излучения порядка 1012 Вт. Кроме того, следует отметить накачиваемые электронным пучком системы на эксимерах. Если удастся создать рентгеновский лазер, его можно будет использовать для радиографии с малыми длительностями экспозиции просвечивания плотных газов при высоких температурах и получения голограмм микрообъектов.

Выдвинуты предложения и проведены предварительные исследования возможности создания гразеров гамма-лазеров с рабочей длиной волны примерно 0,1 нм. Такие приборы, работая без зеркал, могли бы использовать возбужденные состояния ядер для получения стимулированного излучения. Какую наиболее короткую длину волны лазера можно получить Единственное принципиальное ограничение связано с образованием электрон-позитронных пар. Лазер, работающий на пороговой с точки зрения образования пар частоте, имел бы длину волны 1,2 10-12 м. Сравнивая частоту такого лазера с частотой мазера на аммиаке 24 ГГц, видим, что устройства, использующие усиление с помощью вынужденного излучения, могли бы работать в диапазоне, охватывающем десять порядков по частоте.

Список Литературы

Список Литературы Д. О Шиа, Р. Колден, У. Родс, Лазерная техника, Москва Атомиздат, 1980 г. Квантовая электроника, 5, 1989г. Квантовая электроника, 6, 1989г. HYPER13P.

– Конец работы –

Используемые теги: Лазер, красителях0.049

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Лазер на красителях

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

Лазеры на гетеропероходах (полупроводниковые лазеры)
В условиях термодинамического равновесия валентная зона полупроводника полностью заполнена электронами, а зона проводимости пуста.Предположим, что… Согласно правилу Стокса - Люммля энергия излученного кванта меньше по… Единственно возможными переходами электронов в полупроводнике в рассматриваемых условиях являются переходы зона…

Лазер на красителях
Во-первых, на параметры излучения твердотельного лазера довольно сильно влияют оптические свойства применяемого кристалла. Во-вторых, кристаллы постоянно подвержены разрушениям; концентрация… Жидкостные лазеры обладают двумя важными преимуществами, которые заключаются в том, что их жидкостная активная среда…

Лазер
Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы) В… Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно… Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии.Итак, кроме вынужденного испускания фотонов…

ЛАЗЕР И ЕГО ДЕЙСТВИЕ НА ЖИВЫЕ ТКАНИ
Уникальные свойства лазерного луча открыли широкие возможности его применения в различных областях хирургии, терапии и диагностике. Клинические… Воздействие низкоинтенсивных лазеров приводит к быстрому стиханию острых… Лазер или оптический квантовый генератор - это техническое устройство, испускающее свет в узком спектральном диапазоне…

Применение лазеров в военном деле
Объектами лазерной локации могут стать танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и вооруженные сооружения. Принципиально лазерная локация осуществляется активным методом. В основе… Лазерное излучение отражается от всех предметов металлических и неметаллических, от леса, пашни, воды. Более того, оно…

Восстановление электроразрядного эксимерного лазера XeCl*1.5
Объем страниц 18, рисунков 2, литературных источников 13, Ключевые слова лазерная камера, конденсатор, сетчатый электрод, электрод предыонизации,… Известно большое количество разработок эксимерных лазеров, которые продолжают… Однако многие потребности в данных лазерах из-за физических, технических и технологических трудностей, возникающих при…

Системы возбуждения эксимерных лазеров на основе LC-контура
Объект исследования методики теоретических и экспериментальных исследований электроразрядных эксимерных XeCl лазеров с возбуждением LC-контуром.Цель… Изучена методика расчета системы возбуждения ХеСl лазера, выполненной по типу… Изучена методика учета влияние параметров контуров возбуждения на энергетические характеристики эксимерных лазеров и…

Применение лазеров в военном деле
Объектами лазерной локации могут стать танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и вооруженные сооружения. Принципиально лазерная локация осуществляется активным методом. В основе… Лазерное излучение отражается от всех предметов металлических и неметаллических, от леса, пашни, воды. Более того, оно…

Лазеры. Основы устройства и их применение
Излучение нелазерных источников света не имеет этих особенностей. Сердце лазера - его активныйэлемент.У одних лазеров он представляет собой… Удругих - это отпаянная стеклянная трубка, внутри которой находится… Никакая оптическаясистема не позволяет получить на поверхности освещаемого объекта мощностьизлучения большую, чем в…

Принцип работы лазера и его применение
Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы) В… Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно… Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии.Итак, кроме вынужденного испускания фотонов…

0.022
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • По категориям
  • По работам