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. 1.1.

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. 1.2.

Диаграмма уровней для лазера на красителях.

Синглет-триплетные переходы S1ÞT1 (интекомбинационные перходы 2) приводят к сильному поглощению лазерного излучения и срыву генерации за счет перехода T1ÞT2, 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 S1ÞT1 (называемый интеркомбинационным переходом). Так как переход Т1ÞS0 (фосфоресценция) также является запрещенным, молекулы имеют тенденцию накапливаться в состоянии T1. Но переход T1ÞT2 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 T1ÞT2 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 (S1ÞS2), 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.