Типы жидкостных лазеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Принцип работы

2.Лазеры на красителях

3. Неорганические жидкостные лазеры

4. Способы возбуждения (накачки) жидкостных лазеров

5. Применение

Заключение

Список использованных источников

Введение

жидкостный лазер краситель неорганический

Лазеров существует великое множество: газовые, твердотельные, волоконные, на парах металлов, на свободных электронах, полупроводниковые, газодинамические, химические и др.

В данной работе мы постараемся детальней рассмотреть жидкостный лазер, принцип действия, применение и потенциал данного лазера в наши дни.

Практическое применение имеют два типа жидкостных лазеров, существенно различающиеся по свойствам излучения.

В жидкостных лазерах на красителях используются переходы в спектрах органических молекул. Их широкие электронно-колебательные полосы обеспечивают возможность непрерывной перестройки длины волны л излучения. При смене красителей жидкостные лазеры могут генерировать излучение в диапазоне 300-1300 нм в непрерывном и в импульсном режимах.

В жидкостных лазерах другого типа используются переходы в спектрах ионов редкоземельных элементов (РЗЭ). Лазеры, в которых активный ион находится в окружении органических молекул из класса хелатов, практич. применения не нашли. В существующих ж. л. на неорганических жидкостях ионы РЗЭ (гл. обр. Nd3+Nd3+) входят в состав жидкого люминофора, представляющего собой смесь оксихлорида с кислотой Льюиса. Их возбуждение производят ксеноновыми лампами. Такие Ж. л. работают в импульсном и непрерывном режимах. По удельной мощности и энергии oни превосходят твердотельный лазер, т.к. при той же концентрации активных ионов допускают эффективное охлаждение активного вещества путём его прокачки через рабочую кювету в резонаторе и теплообменник.

1. Принцип работы

Конструктивно жидкостный лазер выполняют в виде замкнутой кюветы, внутри которой циркулирует жидкость. Одно колено кюветы помещают в резонатор, а другое - в теплообменник. Источником накачки в жидкостных лазерах, как правило, являются азотный, аргоновый лазеры и др. Состав жидкости необходимо обновлять каждые 1-2 мес, так как красители при оптической накачке со временем разлагаются. Это одно из неудобств в работе с жидкостными лазерами.

Рис. 1. Устройство жидкостного лазера

Кроме того, в процессе работы жидкость нагревается неравномерно по всему объему, и в связи с этим показатель преломления становится неоднородным. Это приводит к образованию так называемых термических линз, которые не только препятствуют возникновению генерации, но и увеличивают расходимость генерируемого излучения.

Работают жидкостные лазеры как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В импульсном режиме активную среду возбуждают импульсными лазерами, например азотными. Для этого свет от источника возбуждения направляют перпендикулярно оси резонатора (рис. 2). Происходит преобразование энергии оптической накачки в энергию генерации. Так, например, энергия ультрафиолетового излучения азотного лазера преобразуется в энергию видимого света. В непрерывном режиме работы для накачки активной среды используют непрерывный лазер, например аргоновый.

Рис. 2. Схема жидкостного лазера с дифракционной решеткой 1 - дифракционная решетка; 2 - интерферометр Фабри - Перо; 3 - линза; 4 - кювета; 5 - зеркало; 6 - лазер

В отличие от импульсного лазера раствор красителя в нем облучают вдоль оси резонатора (рис. 3). Коэффициент преобразования очень высок, достигает 50%. Дело в том, что ширина полосы излучения жидкостного лазера достаточно велика - 0,1…0,4 мкм. Поэтому, используя селектор, можно в пределах этой полосы плавно перестраивать лазер с одной длины волны на другую. Роль селектора обычно выполняет дифракционная решетка, которую устанавливают вместо одного из зеркал резонатора либо дисперсионная призма.

Рис. 3. Схема жидкостного лазера с дисперсионной призмой; 1 - дифракционная решетка; 2 - интерферометр Фабри - Перо; 3 - линза; 4 - кювета; 5 - зеркало; 6 - лазер; 7 - дисперсионная призма

Спектральный диапазон излучения жидкостных лазеров зависит от типа красителя. Так, лазер на полиметиновом красителе генерирует свет в области 0,7…1 мкм, а на ксантеновом 0,5…0,7 мкм; кумариновые красители дают спектр от 0,4 до 0,5 мкм, а сцинтилляторные - в ультрафиолетовой области (менее 0,4 мкм). Мощность лазеров на красителях в непрерывном режиме излучения достигает 100 Вт.

2. Лазеры на красителях

Лазеры на красителях (ЛК), лазер, в котором активной средой являются органические соединения с развитой системой сопряжённых связей. Главной особенность ЛК - возможность перестройки длины волны генерируемого излучения л_г в широком диапазоне - от 330 нм до 1,8 мкм. Самая грубая перестройка - замена красителя. Существует несколько классов красителей: полиметиновые, обеспечивающие генерацию в красной и ближней ИК-области (л_г=0,7-1,5 мкм); ксантеновые, генерирующие излучение в видимой области (л_г=500-700 нм); кумариновые, генерирующие излучение в сине-зелёной области (л_г=400-500 нм). Наиболее часто используется ЛК на родамине 6G (л_г=570-640 нм).

Таблица 1. Характристики активных веществ

Активная среда ЛК обычно представляет собой раствор красителя в этиловом или метиловом спирте, этиленгликоле или воде; реже краситель вводится в матрицу из пористого стекла или полимера. Краситель возбуждается внешним источником коротковолнового излучения. Электронные уровни молекул красителя сильно уширены за счёт электрон-фононного взаимодействия. Усиление и генерация излучения возникают на переходах с нижних колебательных подуровней первого возбуждённого электронного состояния S₁ на слабо заселённые верхние подуровни основного электронного состояния S₀ (рис. 1). Разность энергии фотонов идёт на безызлучательные переходы и переходит в теплоту. При сильном возбуждении, т.е. большой заселённости уровня S₁, растёт поглощение из возбуждённого состояния вверх на уровень S₂, а также безызлучательная релаксация на триплетный уровень T₁, что приводит к уменьшению КПД лазера. Чтобы уменьшить вероятность этих процессов и нагрев активной области ЛК, для раствора красителя применяют проточную систему.

Рис. 4. Схема энергетических уровней красителя в растворе. Волнистыми линиями показаны безызлучательные переходы. Синглет-триплетные переходы S1>T1 приводят к сильному поглощению и срыву генерации

Для возбуждения ЛК используют аргоновый, криптоновый, азотный лазеры, лазер на парах меди, эксимерный лазер, лазер с ионами Nd³⁺, а также импульсные газоразрядные лампы. КПД ЛК, работающего в импульсном режиме, достигает 30-40%, в непрерывном режиме - 5-10%.

ЛК с неселективным резонатором даёт широкополосное излучение с максимумом в центре полосы усиления. Установка дисперсионных элементов (дифракционной решётки, дисперсионной призмы и др.) в резонатор приводит к уменьшению спектральной ширины линии излучения, вплоть до получения одномодовой генерации. Оптическая схема импульсного узкополосного перестраиваемого ЛК содержит дифракционную решётку, интерферометр Фабри - Перо, кювету с раствором красителя и полупрозрачное зеркало (рис. 2). Существуют ЛК с распределённой обратной связью, где резонатор - периодическая структура (стационарная или динамическая), создаваемая в самой активной среде.

Рис. 5. Схема импульсного узкополосного лазера на красителях. ДР - дифракционная решётка, ИФП - интерферометр Фабри - Перо, КР - кювета с красителем, З - полупрозрачное зеркало

ЛК широко используются в научых целях как узкополосные источники излучения для спектроскопии с высоким спектральным разрешением, а также как лазеры с короткими временными (до 20•10^-14 с) импульсами.

3. Неорганические жидкостные лазеры

Активные среды неорганических жидкостных лазеров представляют собой растворы соединений РЗЭ-ионов в неорганических растворителях сложного состава. Лазерный эффект достигнут пока только для ионов Nd³⁺ (табл. 2). генерация идет по четырехуровневой схеме на переходе ⁴F_3/2>⁴I_11/2 c поглощением света накачки собственными полосами поглощения Nd³⁺. Неорганические жидкостные лазеры могут работать с циркуляцией рабочего вещества, дают высоки значения выходной мощности. Эти лазеры работают как в режиме свободной генерации, так и модуляции добротности. [3]

Таблица 2. Неорганические жидкостные лазеры

4. Способы возбуждения (накачки) жидкостных лазеров

Важной особенностью является то, что импульс не должен превышать время межуровневой релаксации S₁ > T₀, то есть быть не более 10^-6 с. При коротком импульсе переходы S₁ > T₀ не успевают проявиться. Для накачки используют как лазеры (лазерная накачка), обычно работающие в режиме модуляции добротности (ф_{генерации}~10^-8 ч 10^-9 с), так и специальные лампы накачки (в частности, коаксиальной конструкции, имеющие малую индуктивность), излучающие короткие импульсы.

При лазерной накачке (например, с помощью рубинового лазера) с модуляцией добротности (особенно, для фталоцианиновых красителей), неодимового лазера с модуляцией добротности (для полиметиновых красителей), азотного лазера (л ~ 3000Е) различают 2 варианта:

1. Продольная накачка:

Рис. 6. Продольная лазерная накачка

2. Поперечная накачка:

Рис. 7. Поперечная лазерная накачка

При ламповой накачке используют, в частности, коаксиальные лампы:

Рис. 8. Ламповая накачка

Основным преимуществом жидкостных лазеров на растворах красителей является лёгкость управления частотой излучения, и перестройка её в широком диапазоне. Наиболее эффективный метод - использование дифракционной решётки или призмы.

Рис. 9. Жидкостной лазер с использованием призмы

Рис. 10. Жидкостной лазер с использованием дифракционный решетки

При этом удаётся получить излучение с Дл ~1Е с диапазоном перестройки сотни Е (даже до 1000 Е). С помощью двух сменных кювет можно перекрыть весь спектр от УФ до ИК.

жидкостный лазер краситель неорганический

5. Применения

Жидкостные лазеры применяют, когда требуется проводить перестройку волны, например, в спектроскопии, в фотохимии.

В идеальном фотохимическом эксперименте должен использоваться монохроматический свет, так как природа многих первичных процессов и их квантовые выходы могут зависеть от длины волны света. Кроме того, применение монохроматического излучения упрощает измерения абсолютных интенсивностей света. Но большинство источников света, исключая лазеры, дают излучение в некотором спектральном диапазоне, и для выделения света с узкой полосой длин волн требуются специальные приборы. Для этой цели хорошо подходят решеточные и призменные монохроматоры, хотя для некоторых экспериментов интенсивности получаемого света могут оказаться недостаточными. В более простых случаях применяют один или несколько цветных фильтров. Ими могут быть жидкие растворы или стекла, которые содержат соединения, обладающие сильным поглощением света с нежелательными длинами волн.

Так же Ж.л находят применение и повседневной жизни. Например, в косметологии.

Их стали применять для лечения сосудистых патологий с 80-х годов 20 века. Под лазерным воздействием происходит нагревание гемоглобина, что приводит к разрушению (склейке) сосудов.

При воздействии на рубцы и шрамы нарушается кровоток, снабжающий рубцы питательными веществами. Благодаря этому размеры рубцов уменьшаются, и они становятся более эластичными.

Импульсные жидкостные лазеры эффективно используют для устранения следующих проблем:

· капиллярные гемангиомы (особенно у детей);

· телеангиэктазии на лице;

· старческое лентиго;

· веснушки и пятна со слабой пигментацией.

При объёмных сосудистых образованиях жидкостный лазер менее эффективен из-за небольшой длительности импульса, которого не хватает для полного удаления сосудов. Если увеличивать мощность лазера, то это может привести к образованию рубца.

Заключение

Со времени создания в 1960 г. первого лазера квантовая электроника прошла в своем развитии огромный путь. Открыты различные виды лазеров, генерирующих излучение на тысячах длин волн в спектральном диапазоне примерно от 0,1 до 2000 мкм, разработаны эффективные методы управления параметрами излучения. Успехи лазерной техники и быстрое развитие сфер ее применения привели не только к существенному усовершенствованию традиционных оптических методов исследования, но и к появлению принципиально новых идей и методов, новых научных направлений.

Жидкостные лазеры используются гораздо реже, чем газовые либо твердотельные лазеры, но и они обладают некоторыми преимуществами. Например, у Ж.л более высокая концентрация активных атомов, нежели в газовом лазере. В твердотельном лазере, большую роль играет оптические качества кристалла и неоднородности структуры ограничивают когерентность лазеры. Так же кристаллы часто подвергаются разрушениям, чего не скажешь о жидкостных лазерах. Плюс ко всему, проще в эксплуатации, активная среда является недорогой. В основном, жидкостные лазеры находят применение в научных целях (устройства лазерного зондирования атмосферы (лидары), спектроскопии, фотохимии; разделение изотопов), нежели в быту.

Список использованных источников

1. Лазеры на красителях 1976; Справочник по лазерам / Под ред. А.М. Прохорова. М., 1978. Т. 1. Гл. 17;

2. Лазеры на красителях. М., 1976; Анохов С.П., Марусий Т.Я., Соскин М.С. Перестраиваемые лазеры. М., 1982.

3. Энциклопедия по машиностроению: https://mash-xxl.info/info/249934/ (дата обращения: 08.11.2020).

4. Российская энциклопедия по охране труда: https://rus-work-prot-enc.slovaronline.com (дата обращения: 24.11.2020).

Размещено на Allbest.ru