- •Министерство образования и науки рф
- •Глава 1. Уровни энергии. Взаимодействие элеКтромагнитного излучения с веществом
- •1.1. Многоэлектронные атомы
- •1.2. Молекулы
- •1.3. Электронные состояния в полупроводниках
- •1.4. Оптические переходы в полупроводниках
- •1.5. Люминесценция
- •1.6. Спонтанное и вынужденное излучение.
- •1.7. Форма и ширина спектральной линии
- •Глава 2. Усиление и генерация
- •2.1. Характеристики неравновесных состояний квантовых систем. Отрицательная температура
- •2.2. Принцип работы квантовых усилителей и генераторов
- •2.3. Возбуждение активного вещества (накачка)
- •2.5. Трехуровневые схемы
- •2.6. Четырехуровневая схема
- •2.7. Оптические резонаторы
- •2.8. Добротность резонатора.
- •2.9. Условие самовозбуждения и насыщение усиления
- •2.10. Свойства лазерного излучения
- •Глава 3. Лазеры
- •3.1. Классификация лазеров
- •3.2. Твердотельные лазеры
- •3.2.1. Рубиновый лазер
- •3.2.2. Лазеры на кристаллах и стеклах,
- •3.3. Жидкостные лазеры
- •3.4. Газовые лазеры
- •3.4.1. Атомарные газовые лазеры
- •3.4.2. Молекулярные лазеры
- •3.4.3. Эксимерные лазеры
- •3.5. Полупроводниковые лазеры.
- •3.5.1. Принцип работы полупроводниковых лазеров
- •3.5.2. Инжекционный лазер на гомопереходе
- •3.5.3. Инжекционный лазер на гетеропереходе
- •3.5.4. Лазеры на квантовых ямах
- •3.5.5. Квантово-какскадные лазеры
- •3.5.6. Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой
- •Глава 4. Некогерентные источники
- •4.1. Светодиоды
- •4.2. Спектр излучения светодиодов
- •4.3. Фотоприемники
- •4.4. Фотодиоды
- •Глава 5. Приборы управления световыми
- •5.1. Электрооптические, магнитооптические и пьезооптические эффекты
- •5.2. Оптические модуляторы
- •5.3. Дефлекторы
- •Список литературы
- •Оглавление
- •Глава 1. Уровни энергии. Взаимодействие
- •Глава 2. Усиление и генерация электромагнитного
- •Глава 3. Лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
- •Глава 4. Некогерентные источники излучения.
- •Глава 5. Приборы управления световыми потоками . . . . . . 97
3.3. Жидкостные лазеры
Жидкостной лазер представляет собой квантовый генератор, рабочим веществом которого является жидкость. Жидкостные лазеры делятся на следующие типы: на красителях, на органических жидкостях, на неорганических жидкостях.
Наибольший интерес представляет лазеры на органических красителях тем, что они допускают плавную перестройку частоты генерации по всей видимой области спектра, захватывая ближний УФ и ИК области. Такие лазеры могут работать в непрерывном, импульсном и импульсно- периодическом режиме. Энергия одного импульса может достигать сотен Дж, а мощность непрерывной генерации - десятков ватт при КПД в несколько десятков процентов при лазерной накачке.
Красителями принято называть сложные органические соединения с разветвленной системой сопряженных двойных связей (например, (-CH=)n. Эти соединения, как правило, имеют интенсивную окраску, что связано с наличием сильных полос поглощения в видимой области спектра. Эти свойства краситель лучше проявляет в жидких и твердых растворах.
Структура молекулы красителя сложна, она может содержать несколько десятков атомов. Такая макромолекула обладает богатым набором различных значений электронных, колебательных и вращательных состояний. Энергетические расстояния между этими состояниями имеют порядок (1…3) эВ, (0,1…0,01) эВ и (10-3 …10-4) эВ, соответственно. Естественно, выделить индивидуально каждый из уровней молекулы не представляется возможным.
Колебательные и вращательные состояния перекрываются друг с другом и образуют серии разрешенных энергетических полос, соответствующих определенным электронным состояниям. Эти состояния можно разбить на две группы: синглетные (S) и триплетные (Т) состояния.
Рис.3.3. Схема уровней органического красителя в растворе.
К первой группе относятся состояния с антипараллельной ориентацией спинов (S=0), ко второй с параллельной ориентацией спинов (S=1). Каждое электронное состояние, сопровождающее серией колебательных уровней (выделены жирными линиями) и серией вращающих уровней (рис. 3.3).
Согласно правилам отбора по спину оптические переходы разрешены между состояниями с одинаковой мультиплетностью () т.е. переходыS-S (синглет-синглетные) и Т-Т (триплет-триплетные). Переходы S-T и Т-S запрещены, их вероятность на три порядка меньше.
При нормальных условиях молекулы находятся в основном состоянии . В результате поглощения оптическое излучение молекулы переходит на один из колебательно- вращательных уровней состояния. Спектр поглощения представляет собой широкую бесструктурную полосу. В результате оптического перехода-молекула в результате релаксационных безызлучательных процессов по колебательно- вращательным подуровням внутри состоянияпереходит на нижние уровни группы. Этот процесс происходит за пикосекунды.
Термализованные носители из состояния излучательно или безызлучательно переходят в основное состояние. Из нескольких тысяч известных красителей лишь в некоторых из них (около 100) излучательные переходы преобладают над безызлучательными. Излученное время жизни для переходов-мало и составляет примерно 1 нс.
При интенсивной накачке между нижними состояниями и верхними состояниямиможет быть достигнута инверсия населенностей.Генерация осуществляется по четырехуровневой схеме между энергетическими состояниями полос и.
Триплетные состояния ине участвуют в процессе лазерной генерации, а напротив, препятствуют ей. Из возбужденных состояний, например, молекулы могут перейти в состояниебезызлучательным путем. Обычно вероятность этого перехода на порядок меньше вероятности излучательного перехода-. Попав в состояние, молекулы там накапливаются, поскольку переход-является запрещенным. Из состояниямолекулы могут оптическим путем переходить в состояние, поглощая фотоны соответствующих энергий. К сожалению, в большинстве красителей переходы-по энергии близки к переходу-и кроме того, они разрешены правилами отбора. Поэтому накопление молекул в состоянииприводит к появлению дополнительного паразитного поглощения на частотах генерации, что приводит ее срыву. По этой причине некоторые лазеры могут работать только в импульсном режиме.
Особенностью жидкостных лазеров является высокое значение ширины линии усиления активного перехода. Это обстоятельство позволяет создавать мощные лазеры в УФ-диапазоне длин волн. Одновременно можно производить плавную перестройку длины волны в достаточно широком диапазоне.