Органикалық бояғыштағы лазерлер
Бояғыштағы лазерлер: пайда болу тарихы және жалпы сипаттама
Сұйық лазерлердің маңызды бағытының бірі — органикалық бояғыштағы лазерлер. Бұл лазерлердің ерекше қыры — сәулелену жиілігін (толқын ұзындығын) өте кең спектрлік диапазонда жылжытуға мүмкіндік беруі. Қатты және газ лазерлерінде мұндай баптау әдетте тек тар ішкі диапазонда ғана орындалады.
Бояғыштардың генерация (лазерлік) эффектісі алғаш рет 1965 жылы IBM фирмасының зертханасында П. Сорокин және оның әріптестері лағыл лазерлер үшін бояғыштар қатарын зерттеу барысында байқалды.
Неліктен сұйық орта пайдалы?
- Белсенді бөлшектердің концентрациясын жоғары деңгейде ұстауға болады.
- Қатты денелердегі кристалл ақауларына тәуелділік жоқ.
- Орта жиі жаңарып отыратын ағыс ретінде ұйымдастырылса, деградация әсері азаяды.
Негізгі артықшылық
Бояғыштағы лазерлердің ең маңызды артықшылығы — сәулелену толқын ұзындығын кең аралықта баптау. Бұл қасиет спектроскопия, дәл өлшеулер және әртүрлі оптикалық эксперименттер үшін өте құнды.
Ескерту
Газ және қатты лазерлерде баптау мүмкіндігі көбіне тар жолақпен шектеледі.
1. Органикалық бояғыштағы лазерлер
1.1. Белсенді орта
Бояғыштағы лазердің белсенді ортасы — органикалық бояғыштардың ерітіндісі. Сыртқы қысқа толқынды сәулелену әсерінен бояғыш молекулалары қозып, кейінірек ұзындау толқындар аймағында сәуле шығарады, яғни флуоресценция береді.
Процестің жалпы логикасы мынадай: молекула алдымен белгілі бір толқын ұзындығындағы фотонды жұтады, ал кейін энергияның бір бөлігі сәулеленбейтін өтулер арқылы жылуға айналып, қалған бөлігі флуоресценция толқын ұзындығында қайта сәулеленеді.
Бояғыш лазерлері көрінетін спектр аймағында кең диапазонда флуоресценция бере алады. Осы кең жолақ кейін лазер сәулесін баптауға негіз болады.
Белгілеу
- 1) Жұту спектрі
- Absorption
- 2) Флуоресценция спектрі
- Fluorescence
Флуоресценция спектрінің жалпақтығын бояғыш молекуласының энергетикалық деңгейлері арқылы түсіндіруге болады. Молекула күйлері әдетте екі топқа бөлінеді: синглетті (S0, S1, S2) және триплетті (T1, T2). Синглет күйде қозған электрондардың спиндерінің қосындысы нөлге, ал триплет күйде бірге тең болады.
Лазерлік генерация көбіне синглет күйлер арасындағы өтулермен байланысты. Триплетті күйлер (T1, T2) әдетте генерацияға қатыспайды және кей жағдайларда шығындарды арттыруы мүмкін.
Диаграммада жұту, сәулеленбейтін релаксациялар және стимулденген сәулеленуге алып келетін өтулер көрсетіледі. Қатты жұту аймақтары мен өтулердің қанығуы генерацияның үзілуіне әсер етуі мүмкін.
Қорытынды ой
Әртүрлі органикалық бояғыштарды белсенді орта ретінде қолдану көрінетін спектрдің дерлік барлық бөлігінде толқын ұзындығын кең аралықта түрлендіруге мүмкіндік береді.
1.2. Тарту (сорғылау)
Бояғыштағы лазерлердің барлығы дерлік оптикалық тарту әдісімен жұмыс істейді. Тарту көзі таңдаудағы негізгі талап: тарту сәулесі бояғыштың жұту жолағына мүмкіндігінше жақын болуы керек.
Табиғатына сай, бояғыштың лазерлік сәулеленуі көбіне тарту сәулесіне қарағанда ұзындау толқында байқалады (Стокс ығысуы).
Мысал: Родамин 6G
Родамин 6G үшін жиі келтірілетін тәжірибелік мәндер: флуоресценция аймағы шамамен 590 нм маңында, ал тиімді тарту көзі көк/ультракүлгін аймаққа жақын таңдалады. Нақты жұмыс диапазоны қондырғы геометриясына, ерітінді концентрациясына және селекция элементтеріне тәуелді.
Тарту көздері
- Стерженьдік шамдар (импульстік қуаты бірнеше кВт деңгейіне дейін).
- Азот лазері — тарту сәулесі бояғыштың жіңішке ағынында жұтылады.
- Тарту геометриясы генерацияның спектрлік диапазонына да, тұрақтылығына да әсер етеді.
Қарапайым жүзеге асырылатын тәсілдердің бірі — қатты денелі лазерлерге ұқсас оптикалық тарту: бояғыш ерітіндісі эллипстік шағылдырғыш ішінде орналасқан түтікше (немесе кювета) арқылы тартылады.
Лазерлік тартуда бояғыштың жіңішке ламинар ағыны қолданылады: тарту сәулесі осы аймақта жұтылып, ал түтіктен өтіп кеткен қалдық сәуле арнайы жұтқышта сөндіріледі. Бұл схема стимулденген сәулеленуді тартудың шағын көлемінде шектеп, режимді тұрақтандырады.
Резонатор әдетте бірнеше айнадан тұрады: толық шағылдырғыш айна, қосалқы айна және аз ғана өткізгіштігі бар шықпа айна. Үш айналы резонатор сәуленің параллельдігін жақсартуға және габаритті ықшамдауға көмектеседі.
Тәжірибелік ескертпе
Толқын ұзындығын таңдауға (селекцияға) дисперсиялық элементтер — мысалы, дифракциялық тор немесе эталондар қолданылады.
2. Таржолақты импульсті бояғыш лазерлер және дисперсиялық элементтерді басқару
Ленинградтағы Ядролық физика институты мен КСРО Ғылым академиясының Спектрлік талдау институтының лазерлік-ядролық кешендерінде қысқа өмір сүретін ядролы атомдардың оптикалық сызықтарындағы изотоптық ығысуды зерттеу үшін таржолақты (шамамен Δλ ≈ 1 пм) импульсті бояғыш лазерлер қажет болды.
Мұндай жүйелерде толқын ұзындығын жылдам әрі тұрақты қайта баптау маңызды. Практикада бұл мақсатқа бірнеше әдіс қолданылды: дифракциялық торды механикалық жылжыту, Фабри–Перо эталонын резонатор ішінде синхронды қозғалту, Лио сүзгісі арқылы селекция жасау немесе газ қысымын өзгерту арқылы резонатордың оптикалық ұзындығын тиімді басқару.
Газ қысымын өзгертуге негізделген тәсіл дисперсиялық элементтердің «бірге» қайта бапталуын қамтамасыз етеді және толқын ұзындығын салыстырмалы түрде кең диапазонда (бірнеше нанометр) жылжытуға мүмкіндік береді. Дегенмен, кей режимдерде сызықтық «көшірме» (жанама модалар/артефакттар) деңгейі артуы мүмкін.
Сұлбада дисперсиялық элементтердің синхронды бұрылуы арқылы таржолақты сәулеленуді тұрақтандыру идеясы көрсетіледі.
Қорытынды
Қазіргі кезеңде лазерлердің жаңа түрлерін жасау бағытында, әсіресе сызықты емес оптика аясында, түрлі зерттеулер жалғасуда. Маңызды бағыттардың бірі — когерентті рентген сәулесін (λ ≈ 10-9–10-10 м) генерациялау.
Рентген лазерлерін құруда екі негізгі кедергі бар: біріншіден, қысқа толқынды рентген аймағында резонаторға жарайтын тиімді шағылдырғыштардың болмауы; екіншіден, тарту (сорғылау) қиындықтары, өйткені көптеген қатты денелер рентген сәулесін күшті жұтады, ал рентгендік өтулердің өмір сүру уақыты өте қысқа (шамамен 10-15 с).
Егер рентген лазерлері толық іске асса, оларды өте жоғары температуралы және қысқа өмір сүретін тығыз газдардың радиографиясы, микрообъектілердің голографиясы сияқты қолданбаларда пайдалану мүмкіндігі артады.
Сонымен қатар, толқын ұзындығы шамамен 0,1 нм аймағында жұмыс істейтін гразерлер (гамма-лазерлер) жөнінде алдын ала зерттеулер ұсынылады. Мұндай құрылғыларда ядролардың қозған күйлері пайдаланылып, айнасыз-ақ стимулденген сәулелену алуға талпыныс жасалады.
Ең қысқа толқын ұзындығына ұмтылғанда іргелі шектеулердің бірі — электрон–позитрон жұптарының пайда болуы. Кейбір бағалаулар бойынша, бу негізіндегі лазерлер үшін λ ≈ 1,2 × 10-12 м деңгейлері талқыланады. Жиіліктерді аммиак мазерінің жиілігімен (24 ГГц) салыстыру мұндай жүйелердің аса кең жиілік масштабын қамтуы мүмкін екенін көрсетеді.
Бояғыш лазерлердің құндылығы
Кең диапазонда бапталатын сәулелену — спектроскопия және дәл өлшеулер үшін негізгі артықшылық.
Таржолақты режим
Дисперсиялық элементтерді келісімді басқару таржолақты импульстерді тұрақты алуға мүмкіндік береді.
Болашақ бағыт
Рентген және гамма диапазонында когерентті көздер жасау — күрделі, бірақ жоғары әлеуеті бар ғылыми мақсат.