Твердотельные лазерно-активные среды на красителях в сине-зеленом диапазоне спектра
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Физические принципы работы лазеров на красителях 8
1.1 Схема Яблонского 9
1.2 Стоксов сдвиг 11
1.3 Механизмы накачки 12
2 Твердотельные лазеры на красителях 16
3 Выбор объектов для создания органических лазерно-активных сред 18
4 Объекты и методы исследования 19
5 Методика изготовления твердотельных лазерно-активных сред 20
6 Аппаратура и методика эксперимента 21
7 Результаты эксперимента и их обсуждение 22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 28
1 Физические принципы работы лазеров на красителях 8
1.1 Схема Яблонского 9
1.2 Стоксов сдвиг 11
1.3 Механизмы накачки 12
2 Твердотельные лазеры на красителях 16
3 Выбор объектов для создания органических лазерно-активных сред 18
4 Объекты и методы исследования 19
5 Методика изготовления твердотельных лазерно-активных сред 20
6 Аппаратура и методика эксперимента 21
7 Результаты эксперимента и их обсуждение 22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 28
Лазер (оптический квантовый генератор) - это квантовый генератор (усилитель) оптического излучения. Термин «лазер» образован от начальных букв фразы Light (Microwave) Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света (СВЧ-волн) благодаря индуцированному излучению. В этих названиях определен принцип работы квантовых усилителей и генераторов.
Таким образом, в самом термине «лазер» отражена та фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому история создания лазера начинается с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел понятие о вынужденном испускании. Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг сделал советский физик В. А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при прохождении через вещество. Идея, предложенная В. А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны, В. А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г. заявку на изобретение способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания.
На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой «Предмет изобретения» записано: «Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям». Создание мазера. Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ-диапазоне). В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ- диапазоне. Они назвали его «молекулярным генератором» (предполагалось использовать пучок молекул аммиака). Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом.
В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара — в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под 4
руководством Н. Г. Басова и А. М. Прохорова) и в Колумбийском университете в США (группой под руководством Ч. Таунса).
Впоследствии от термина «мазер» и произошел термин «лазер» в результате замены буквы «М» (начальная буква слова microwave — микроволновой) буквой «Ь» (начальная буква слова light — свет). В основе работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип — принцип, сформулированный в 1951 г. В. А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале это направление назвали квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой. Первые лазеры. Таким образом, интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в СССР и США в самом конце 50-х гг. XX в. вплотную подвели ученых к созданию лазера. Успех выпал на долю американского физика Т. Меймана. В 1960 г. в двух научных журналах появилось его сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне. Так мир узнал о рождении первого «оптического мазера» — лазера на рубине. Первый образец лазера выглядел достаточно скромно: маленький рубиновый кубик (1x1x1 см), две противоположные грани которого имели серебряное покрытие (эти грани играли роль зеркал резонатора), периодически облучался зеленым светом от лампы- вспышки высокой мощности, которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одной из посеребренных граней кубика.
В том же 1960 г. американским физикам А Джавану, В. Беннету, Д. Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона. Так родился первый газовый лазер, появление которого было фактически подготовлено экспериментальными исследованиями В. А. Фабриканта и Ф. А. Бутаевой, выполненными в 1957 г.
Начиная с 1961 г., лазеры разных типов (твердотельные и газовые) занимают важное место в оптических лабораториях. Изучаются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР и США одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры.
Так начался новый, «лазерный» период оптики [1].
Актуальность работы
Одной из наиболее примечательных особенностей современного состояния квантовой электроники является создание лазеров с требуемыми спектральными, временными, пространственными и энергетическими характеристиками. Большие успехи достигнуты, в частности, в решении одной из важнейших задач - разработке лазеров с перестраиваемой частотой излучения и высокой спектральной яркостью. Появление подобных источников не только расширило технические возможности квантовой электроники, но и стимулировало рождение новых многообещающих направлений в смежных областях науки и техники - лазерной спектроскопии и селективной фотохимии, лазерного разделения изотопов и дистанционного детектирования веществ, новых методов в биологии, медицине, оптической обработке информации и т. д. [2].
Органические лазеры или так называемые лазеры на красителях появились в то время, когда уже были открыты сотни лазерных материалов. Однако они не стали очередным дополнением к длинному списку существующих лазеров.
Благодаря чрезвычайно большой ширине спектральной полосы усиления лазера на красителях оказываются перспективными и для получения ультракоротких импульсов с длительностью, меньшей, чем у любых других лазеров. Первые попытки получить ультракороткие импульсы на красителях были связаны с накачкой раствора красителя цугом импульсов твердотельного лазера, работающего в режиме синхронизации мод. Кювета с красителем помещалась в резонатор, время прохождения которого было в точности равно или кратно интервалу импульса накачки. В дальнейшем оказалось возможным отказаться от резонатора и использовать бегущую волну сверхизлучения красителя, помещенного в клиновидную кювету. Длительность полученного таким путем импульса составляла 10 - 30 пс [2].
В настоящее время в связи с стремительным развитием лазерной техники перекрыт весь видимый диапазон длин волн излучения, однако, недостаточно представлен класс мощных импульсных перестраиваемых источников когерентного излучения. Ранее такими источниками выступали лазеры на красителях с возбуждением излучением эксимерных лазеров или различных гармоник твердотельных лазеров. В связи с высокой стоимостью таких лазерных систем и использованием жидкостных сред, эксплуатация их была трудоемкая и затратная. Требовалось достаточно большое количество раствора красителя. Поэтому использование таких перестраиваемых лазерных систем на красителях было ограниченным [3].
Особенный интерес представляют лазеры на красителях в силу малых затрат на изготовление, возможности перестройки линии генерации в широких пределах, высоких 6
генерационных характеристик. Решаются задачи разработки твердотельных лазерно-активных сред на красителях как альтернативы жидким растворам, т.к. работа с последними сопряжена не только с проблемами в эксплуатации и не компактностью таких лазеров, но также с свойственной склонностью этих растворов к ухудшению КПД их генерации с ростом плотности мощности накачки ввиду образования термолинз [4].
Начиная с 2000-х годов, появились сообщения о создании твердотельных лазерно-активных сред на красителях. Такие лазерные элементы содержат небольшое количество красителя, а их ресурс может быть сравнимым с жидкостными средами, но промышленных лазерных установок не выпускается. Создание лазеров на органических твердотельных средах связано с определенными трудностями - недостаточной фотостабильностью самих красителей и фотостойкостью твердотельной матрицы. Поэтому основной задачей создания таких сред является достижение характеристик, не уступающих жидкостным, в различных диапазонах спектра [4].
Важной особенностью лазеров являются выходные характеристики, а именно мощность излучения. Однако, получение качественного с оптической точки зрения (когерентное, узкополосное) излучения одновременно с мощностью, задача трудная. Как правило, она решается в системах «генератор-усилитель».
Целью работы является создание перестраиваемого импульсного лазера на основе твердотельных органических лазерно-активных сред синего диапазона спектра, объектом исследования - твердотельные матрицы из полиметилметакрилата (ПММА), допированные красителями.
Таким образом, в самом термине «лазер» отражена та фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому история создания лазера начинается с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел понятие о вынужденном испускании. Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг сделал советский физик В. А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при прохождении через вещество. Идея, предложенная В. А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны, В. А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г. заявку на изобретение способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания.
На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой «Предмет изобретения» записано: «Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям». Создание мазера. Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ-диапазоне). В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ- диапазоне. Они назвали его «молекулярным генератором» (предполагалось использовать пучок молекул аммиака). Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом.
В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара — в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под 4
руководством Н. Г. Басова и А. М. Прохорова) и в Колумбийском университете в США (группой под руководством Ч. Таунса).
Впоследствии от термина «мазер» и произошел термин «лазер» в результате замены буквы «М» (начальная буква слова microwave — микроволновой) буквой «Ь» (начальная буква слова light — свет). В основе работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип — принцип, сформулированный в 1951 г. В. А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале это направление назвали квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой. Первые лазеры. Таким образом, интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в СССР и США в самом конце 50-х гг. XX в. вплотную подвели ученых к созданию лазера. Успех выпал на долю американского физика Т. Меймана. В 1960 г. в двух научных журналах появилось его сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне. Так мир узнал о рождении первого «оптического мазера» — лазера на рубине. Первый образец лазера выглядел достаточно скромно: маленький рубиновый кубик (1x1x1 см), две противоположные грани которого имели серебряное покрытие (эти грани играли роль зеркал резонатора), периодически облучался зеленым светом от лампы- вспышки высокой мощности, которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одной из посеребренных граней кубика.
В том же 1960 г. американским физикам А Джавану, В. Беннету, Д. Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона. Так родился первый газовый лазер, появление которого было фактически подготовлено экспериментальными исследованиями В. А. Фабриканта и Ф. А. Бутаевой, выполненными в 1957 г.
Начиная с 1961 г., лазеры разных типов (твердотельные и газовые) занимают важное место в оптических лабораториях. Изучаются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР и США одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры.
Так начался новый, «лазерный» период оптики [1].
Актуальность работы
Одной из наиболее примечательных особенностей современного состояния квантовой электроники является создание лазеров с требуемыми спектральными, временными, пространственными и энергетическими характеристиками. Большие успехи достигнуты, в частности, в решении одной из важнейших задач - разработке лазеров с перестраиваемой частотой излучения и высокой спектральной яркостью. Появление подобных источников не только расширило технические возможности квантовой электроники, но и стимулировало рождение новых многообещающих направлений в смежных областях науки и техники - лазерной спектроскопии и селективной фотохимии, лазерного разделения изотопов и дистанционного детектирования веществ, новых методов в биологии, медицине, оптической обработке информации и т. д. [2].
Органические лазеры или так называемые лазеры на красителях появились в то время, когда уже были открыты сотни лазерных материалов. Однако они не стали очередным дополнением к длинному списку существующих лазеров.
Благодаря чрезвычайно большой ширине спектральной полосы усиления лазера на красителях оказываются перспективными и для получения ультракоротких импульсов с длительностью, меньшей, чем у любых других лазеров. Первые попытки получить ультракороткие импульсы на красителях были связаны с накачкой раствора красителя цугом импульсов твердотельного лазера, работающего в режиме синхронизации мод. Кювета с красителем помещалась в резонатор, время прохождения которого было в точности равно или кратно интервалу импульса накачки. В дальнейшем оказалось возможным отказаться от резонатора и использовать бегущую волну сверхизлучения красителя, помещенного в клиновидную кювету. Длительность полученного таким путем импульса составляла 10 - 30 пс [2].
В настоящее время в связи с стремительным развитием лазерной техники перекрыт весь видимый диапазон длин волн излучения, однако, недостаточно представлен класс мощных импульсных перестраиваемых источников когерентного излучения. Ранее такими источниками выступали лазеры на красителях с возбуждением излучением эксимерных лазеров или различных гармоник твердотельных лазеров. В связи с высокой стоимостью таких лазерных систем и использованием жидкостных сред, эксплуатация их была трудоемкая и затратная. Требовалось достаточно большое количество раствора красителя. Поэтому использование таких перестраиваемых лазерных систем на красителях было ограниченным [3].
Особенный интерес представляют лазеры на красителях в силу малых затрат на изготовление, возможности перестройки линии генерации в широких пределах, высоких 6
генерационных характеристик. Решаются задачи разработки твердотельных лазерно-активных сред на красителях как альтернативы жидким растворам, т.к. работа с последними сопряжена не только с проблемами в эксплуатации и не компактностью таких лазеров, но также с свойственной склонностью этих растворов к ухудшению КПД их генерации с ростом плотности мощности накачки ввиду образования термолинз [4].
Начиная с 2000-х годов, появились сообщения о создании твердотельных лазерно-активных сред на красителях. Такие лазерные элементы содержат небольшое количество красителя, а их ресурс может быть сравнимым с жидкостными средами, но промышленных лазерных установок не выпускается. Создание лазеров на органических твердотельных средах связано с определенными трудностями - недостаточной фотостабильностью самих красителей и фотостойкостью твердотельной матрицы. Поэтому основной задачей создания таких сред является достижение характеристик, не уступающих жидкостным, в различных диапазонах спектра [4].
Важной особенностью лазеров являются выходные характеристики, а именно мощность излучения. Однако, получение качественного с оптической точки зрения (когерентное, узкополосное) излучения одновременно с мощностью, задача трудная. Как правило, она решается в системах «генератор-усилитель».
Целью работы является создание перестраиваемого импульсного лазера на основе твердотельных органических лазерно-активных сред синего диапазона спектра, объектом исследования - твердотельные матрицы из полиметилметакрилата (ПММА), допированные красителями.
В результате выполнения бакалаврской работы были освоены физические принципы работы оптических квантовых генераторов, подробно рассмотрены принципы работы лазеров на красителях. Особенности создания твердотельных лазерно-активных органических лазерно-активных сред видимого диапазона. Получены спектрально-люминесцентные характеристики созданных образцов твердотельных элементов лазерно-активных сред сине-зеленого диапазона. В дальнейшем планируется синтез твердотельных лазерно-активных сред под накачку 3-й гармоникой YAG:Nd3 ’ на таких соединениях, как: Оксазол №5, ПОПОП + ПОСС 8%, ПОПОП + ПОСС 4%, ПОПОП и создание твердотельного перестраиваемого лазера на красителях в синем диапазоне спектра.
