Разделение изотопов

Разделение изотопов. Лазеры собранные на органических красителях 1. Виды активной среды В качестве активной среды лазера на красителе используется раствор органического красителя.

При возбуждении красителя внешним источником коротковолнового излучения возможны два вида излучения: краситель может излучать на более длинных волнах, или флуоресцировать, поглощая фотон на длине волны возбуждения. Впоследствии происходит излучение фотона на длине волны флуоресценции. Разность между энергии, полученной от фотонов и затраченной на излучение, идет на переходы, не сопровождающиеся излучением, и, как следствие, переходит в тепло.

Рис. 1. Спектр поглощения (1) и флуоресценции (2) обычного лазерного красителя Рис. 1.1 наглядно иллюстрирует спектры поглощения и флуоресценции, характерные для обычного лазерного красителя. Как видно, кривая поглощения занимает голубой и зеленый участки спектра, тогда как кривая флуоресценции, сдвинута по отношению к ней в область с большей длиной волны и охватывает желтую и большую часть красной области спектра.

Аналогичная ситуация возникает при работе твердотельного лазера на рубине: излучение лампы накачки лежит в основном 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 S 1 Þ T 1 (интекомбинационные переходы 2) приводят к срыву генерации за счет перехода T 1 Þ T 2 , ограничивающих выходную мощность (переходы 1) и сильному поглощению лазерного излучения. 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 (S 0 , S 1 и S 2 ) и триплетные (T 1 и Т 2 ). (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 S 0 в первое возбужденное состояние S 1 . Затем происходит быстрый безызлучательный переход в наинизшие из уровней состояния S 0 . Стимулированное излучение возникает при переходе между уровнем, расположенным вблизи дна состояния S 1 , и некоторым промежуточным уровнем состояния. Так как состояния S 0 и S 1 содержат множество отдельных колебательно-вращательных подуровней, показанных на рисунке отдельными линиями, то возникающая линия излучения весьма широка.

Триплетные состояния T 1 и T 2 не участвуют непосредственно в генерации излучения, тем не менее наличие их весьма существенно.

Имеется некоторая малая вероятность того, что будет иметь место запрещенный переход S 1 Þ T 1 (называемый интеркомбинационным переходом). Так как переход Т 1 Þ S 0 (фосфоресценция) также является запрещенным, молекулы имеют тенденцию накапливаться в состоянии T 1 . Но переход T 1 Þ T 2 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 T 1 поглощение на переходе T 1 Þ T2 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 T 1 . Для некоторых красителей может также иметь место поглощение, связанное с переходами в более высокие синглетные состояния (S 1 Þ S 2 ), 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, 4765 ); 7—кумарин 6 (2,3 Вт, 488O ); 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, 6471 ). 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 N 2 -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 ( l =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 r=5 см и коэффициентом отражения R=100%) и плоским выходным зеркалом 7 (R=95-98%). Вспомогательное зеркало 5 (r - 7,5 см, R=100%) 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 Перестройка частоты лазерного излучения осуществляется с помощью частотно-селективных элементов типа призменного устройства. В некоторых случаях для увеличения дисперсии используют систему из нескольких призм, работающих вблизи угла Брюстера. Иногда коэффициент усиления красителя бывает настолько высок, что роль диспергирующего элемента (и одновременно “глухого” зеркала) может выполнять дифракционная решетка.

Если нормаль к поверхности решетки составляет угол с оптической осью резонатора, то в обратном направлении распространяется излучение в узком спектральном диапазоне вблизи длины волны, удовлетворя.