Краситель лазер
Лазер красителя - это лазер , который использует органический краситель в качестве корпусной среды , обычно в качестве жидкого раствора . По сравнению с газами и большинством солидных костюмов, краситель обычно можно использовать для гораздо более широкого диапазона длин волн , часто охватывая от 50 до 100 нанометров или более. Широкая полоса пропускания делает их особенно подходящими для настройки лазеров и импульсных лазеров. Например, краситель Rhodamine 6G может быть настроен от 635 нм (оранжево-красный) до 560 нм (зеленовато-желтый) и производить импульсы всего 16 фемтосекунд. [ 1 ] Более того, краситель может быть заменен другим типом, чтобы генерировать еще более широкий диапазон длин волн с одним и тем же лазером, от почти инфракрасного до почти ультравиолетового, хотя обычно это требует замены других оптических компонентов в лазере, а также также такие как диэлектрические зеркала или лазеры насоса.
Лазеры красителя были независимо обнаружены ПП Сорокином и ФП Шефером (и коллегами) в 1966 году. [ 2 ] [ 3 ]
В дополнение к обычному жидкому состоянию, красительные лазеры также доступны в качестве твердотельных лазеров красителей (SSDL). Эти лазеры SSDL используют органические матрицы, легированные красителем в качестве среды для усиления.
Строительство
[ редактировать ]
Лазер красителя использует усилительную среду, состоящую из органического красителя, который представляет собой растворимое окрашивание на основе углерода, которое часто является флуоресцентным, таким как краситель в перо . Краситель смешивается с совместимым растворителем , позволяя молекулам по равномерно диффундировать всей жидкости. Раствор красителя может распространяться через ячейку красителя или транслировать через открытый воздух с помощью струи красителя. Высокий источник света необходим для «накачивания» жидкости за пределы его порога накидывания . Для этой цели обычно используется быстрый разрядный флештуб или внешний лазер. Зеркала также необходимы для колебания света, полученного флуоресценцией красителя, который усиливается с помощью каждого прохода через жидкость. Выходное зеркало обычно составляет около 80% отражающей, в то время как все другие зеркала обычно более 99,9% отражают. Раствор красителя обычно циркулируется на высоких скоростях, чтобы избежать поглощения триплета и уменьшить деградацию красителя. Призма или обычно монтируется в пути пучка, чтобы дифракционная решетка обеспечить настройку луча.
Поскольку жидкая среда лазера красителя может соответствовать любой форме, существует множество различных конфигураций, которые можно использовать. Лазерная полость Фабри -Перо обычно используется для насосных лазеров FlashTube, которые состоит из двух зеркал, которые могут быть плоскими или изогнутыми, установленными параллельно друг другу лазерной средой между ними. Клетка красителя часто является тонкой трубкой, приблизительно равной по длине для FlashTube, с окнами и входом/выходом для жидкости на каждом конце. Клетка красителя обычно накапливается, с одним или несколькими вспышками, работающими параллельно ячейке красителя в полости отражателя. Половая отражателя часто охлаждается водой, чтобы предотвратить тепловой удар в красителе, вызванного большим количеством излучения вблизи инфракрасных излушек, которое производит FlashTube. Осевые насосные лазеры имеют полый, кольцевой флештуб, который окружает клетку красителя, которая имеет более низкую индуктивность для более короткой вспышки и повышенной эффективности переноса. Коаксиальные насосные лазеры имеют кольцевую клетку красителя, которая окружает FlashTube, для еще лучшей эффективности переноса, но имеют более низкий прирост из -за дифракционных потерь. Флэш -насосные лазеры могут использоваться только для пульсированных выходных приложений. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
Кольцевой лазерный дизайн часто выбирается для непрерывной работы, хотя иногда используется дизайн Fabry -Pérot. В кольцевом лазере зеркала лазера расположены для того, чтобы луча проходила по круговому пути. Клетка красителя или кювета обычно очень мала. Иногда струя красителя используется, чтобы помочь избежать потерь отражения. Краситель обычно накачивается внешним лазером, таким как азот , эксимер или частота, удвоившаяся ND: YAG -лазер . Жидкость циркулируется на очень высоких скоростях, чтобы предотвратить поглощение триплета от разрезания луча. [ 7 ] В отличие от полостей Фабри -Перот, кольцевой лазер не генерирует стоящие волны , которые вызывают сжигание пространственного отверстия , явление, когда энергия попадает в неиспользованные части среды между гребнями волны. Это приводит к лучшему выигрышу от корпусной среды. [ 8 ] [ 9 ]
Операция
[ редактировать ]Красители , используемые в этих лазерах, содержат довольно большие органические молекулы, которые флуоресят. Большинство красителей имеют очень короткое время между поглощением и излучением света, называемой сроком службы флуоресценции, которая часто находится в порядке нескольких наносекунд. (Для сравнения, большинство твердотельных лазеров имеют время жизни флуоресценции от сотен микросекундов до нескольких миллисекунд.) При стандартных условиях лазера молекулы испускают свою энергию, прежде чем инверсия популяции может накапливаться, поэтому красители требуют скорее специализированных специализированных Средства перекачки. Жидкие красители имеют чрезвычайно высокий порог . Кроме того, крупные молекулы подвержены сложным возбужденного состояния переходам , в течение которых вращение может быть «перевернуто», быстро изменяясь от полезного, быстро излучающегося состояния «синглета» в более медленное «триплетное состояние». [ 10 ]
Входящее свет возбуждает молекулы красителя в состояние готового излучения стимулированного излучения ; синглет . В этом состоянии молекулы испускают свет через флуоресценцию , а краситель прозрачен к длине волны. Внутри микросекунды или меньше молекулы изменятся на их триплетное состояние . В триплетном состоянии свет испускается посредством фосфоресценции , а молекулы поглощают длина волны нагрузки, делая краситель частично непрозрачным. Флэшламп-накапливаемые лазеры нуждаются в вспышке с чрезвычайно короткой продолжительностью, чтобы доставить большое количество энергии, необходимой для того, чтобы принести краситель после порога до того, как поглощение триплета преодолеет синглет. Лазеры для красителей с внешним насосным лазером могут направлять достаточно энергии правильной длины волны в краситель с относительно небольшим количеством входной энергии, но краситель должен циркулировать на высоких скоростях, чтобы не допустить триплетных молекул от пути пучка. Из -за их высокого поглощения энергия накачки часто может быть сконцентрирована в довольно небольшом объеме жидкости. [ 11 ]
Поскольку органические красители имеют тенденцию разложить под воздействием света, раствор красителя обычно циркулируется из большого резервуара. [ 12 ] Раствор красителя может протекать через кювету , то есть стеклянный контейнер или быть как струйка для красителя , т.е. в виде листоподобного потока в открытом воздухе из специальной формы . С помощью струи красителя можно избежать потерь отражения с стеклянных поверхностей и загрязнения стен кюветы. Эти преимущества стоят за счет более спонтингового выравнивания.
Жидкие красители имеют очень высокий прирост в качестве лазерной среды. Луч должен сделать только несколько проходов через жидкость, чтобы достичь полной мощности конструкции, и, следовательно, высокое коэффициент пропускания выходной муфты . Высокое усиление также приводит к высоким потерям, потому что отражения от стен красителей или отражателя вспышки вызывают паразитические колебания , резко уменьшая количество энергии, доступной для луча. Полосы насосов часто покрывают , анодируют или иным образом изготавливаются из материала, который не будет отражать на длине волны нагрузки, отражая на длине волны насоса. [ 11 ]
Преимущество органических красителей - их высокая эффективность флуоресценции. Наибольшие потери во многих лазерах и других флуоресцентных устройствах не связаны с эффективностью переноса (поглощенная по сравнению с отраженной/передаваемой энергией) или квантового урожая (испускаемое количество фотонов на поглощенное число), но по потерям, когда высокоэнергетические фотоны поглощаются и повторно как фотоны длинных длин волн. Поскольку энергия фотона определяется его длиной волны, испускаемые фотоны будут иметь более низкую энергию; явление, называемое Сдвигом Стокса . Центры поглощения многих красителей очень близки к центрам выбросов. Иногда эти два достаточно близки, чтобы профиль поглощения слегка перекрывает профиль излучения. В результате большинство красителей демонстрируют очень маленькие сдвиги Стокса и, следовательно, позволяют снизить потери энергии, чем многие другие типы лазеров из -за этого явления. Широкие профили поглощения делают их особенно подходящими для широкополосной перекачки, например, от FlashTube. Это также позволяет использовать широкий диапазон лазеров насосов для любого определенного красителя, и, наоборот, многие различные красители могут использоваться с одним лазером насоса. [ 10 ]
-
Кювета, используемая в лазере красителя. Тонкий лист жидкости проходит между окнами на высоких скоростях. Окна установлены под углом Брюстера (интерфейс воздуха-стекла) для лазера насоса и под углом Брюстера (интерфейс с жидкостью к стекла) для испускаемого луча. -
Стокс сдвигает родамин 6G во время поглощения/излучения широкополосного доступа. В лазерной работе сдвиг Стокса - это разница между длиной волны насоса и выходом.
CW Dye Lasers
[ редактировать ]Лазеры с непрерывной волной (CW) [ 13 ] часто используйте струйку для красителя. CW Dye-лазеры могут иметь линейную или кольцевую полость, а также обеспечить основу для разработки фемтосекундных лазеров.
Узкая ширина линейки красители лазеры
[ редактировать ]
Излучение красителей лазера по своей природе широкая. Тем не менее, настраиваемое излучение узкой ширины линии было центральным для успеха лазера красителя. Чтобы создать узкую настройку полосы пропускания, эти лазеры используют много типов полостей и резонаторов, которые включают в себя сборы, призмы, расположения решетки с несколькими странами и эталоны . [ 14 ]
Первый лазер с узкой шириной линии , введенный Hänsch , использовал галилейский телескоп в качестве расширителя луча , чтобы осветить дифракционную решетку. [ 15 ] Далее были дизайны решетки [ 16 ] [ 17 ] и конфигурации решетки с несколькими страдами . [ 18 ] [ 19 ] Различные резонаторы и конструкции осцилляторов, разработанные для лазеров для красителей, были успешно адаптированы к другим лазерным типам, таким как диодный лазер . [ 20 ] Физика узколизирной ширины с множественной страшной решеткой была объяснена Дуарте и Пайпер. [ 21 ]
Химические вещества используются
[ редактировать ]
Некоторые из лазерных красителей - родамин (апельсин, 540–680 нм), флуоресцеин (зеленый, 530–560 нм), кумарин (синий 490–620 нм), стильбен (фиолетовая 410–480 нм), umbelliferone (синий, 450– 470 нм), тетрацен , малахит -зеленый и другие. [ 22 ] [ 23 ] В то время как некоторые красители на самом деле используются в пищевой окраске, большинство красителей очень токсичны и часто канцерогенные. [ 24 ] Многие красители, такие как родамин 6G , (в его хлоридной форме), могут быть очень коррозии для всех металлов, кроме нержавеющей стали. Хотя красители имеют очень широкие спектры флуоресценции, поглощение и излучение красителя будут иметь тенденцию сосредоточиться на определенной длине волны и конусны с каждой стороны, образуя кривую настроительности, при этом центр поглощения имеет более короткую длину волны, чем центр излучения. Например, Rhodamine 6G имеет самый высокий результат около 590 нм, а эффективность преобразования снижается, когда лазер настроен на обе стороны от этой длины волны.
Можно использовать широкий спектр растворителей, хотя большинство красителей будут растворяться лучше в некоторых растворителях, чем в других. Некоторые из используемых растворителей - это вода , гликоль , этанол , метанол , гексан , циклогексан , циклодекстрин и многие другие. Растворители могут быть высокотоксичными и иногда могут поглощаться непосредственно через кожу или через вдыхаемые пары. Многие растворители также чрезвычайно воспламеняются. Различные растворители могут также оказывать влияние на специфический цвет раствора красителя, срок службы синглетного состояния, либо усиление, либо гашение триплетного состояния, и, таким образом, на пропускной способности и мощности, доступной с определенным источником лазера Полем [ 10 ]
Адамантан добавляется к некоторым красителям, чтобы продлить свою жизнь.
Циклогептипен и циклооктатетраен (COT) могут быть добавлены в качестве триплетных гасителей для родамина G, увеличивая выходную мощность лазера. Выходная мощность 1,4 киловатта при 585 нм была достигнута с использованием родамина 6G с кроваткой в растворе метанол-вода.
Лазеры возбуждения
[ редактировать ]Flashlamps и несколько типов лазеров могут использоваться для оптических лазеров для насоса. Частичный список лазеров возбуждения включает в себя: [ 25 ]
- Медные пара лазеры
- Диодные лазеры
- Эстимерные лазеры
- ND: YAG Lasers (в основном второе и третье гармоники)
- Азотные лазеры
- Рубиновые лазеры
- Ионные лазеры аргона в режиме CW
- Ионные лазеры Криптона в режиме CW
Ультра-короткие оптические импульсы
[ редактировать ]RL Fork, Bi Greene и CV Shank продемонстрировали в 1981 году генерацию сверхпрочного лазерного импульса с использованием лазера кольца (или лазера для лазера, использующего ) режим кондиционера . Этот вид лазера способен генерировать лазерные импульсы длительностью ~ 0,1 пс . [ 26 ]
Внедрение методов решетки и интраавит- призматических импульсных компрессоров в конечном итоге привело к рутинному излучению лазерных импульсов фемтосекундного красителя.
Приложения
[ редактировать ]
Красительные лазеры очень универсальны. В дополнение к их признанной ловкости длины волны, эти лазеры могут предлагать очень большие импульсные энергии или очень высокие средние мощности. Было показано, что лазеры с накатываемыми флешталами дают сотни джоулей на импульс, и, как известно, лазеры с накапливаемыми медными лазерами, как известно, дают средние полномочия в режиме киловатта. [ 27 ]
Лазеры красителя используются во многих приложениях, включая:
- астрономия (как звезда лазерного гида ),
- Атомное отделение лазера атомного пара [ 28 ]
- Производство [ 29 ]
- лекарство
- спектроскопия [ 30 ]
В лазерной медицине эти лазеры применяются в нескольких областях, [ 31 ] [ 32 ] в том числе дерматология , где они используются, чтобы сделать тон кожи более ровным. Широкий диапазон возможных длин волн обеспечивает очень близкое совпадение с линиями поглощения некоторых тканей, таких как меланин или гемоглобин , в то время как доступная узкая полоса помогает снизить вероятность повреждения окружающей ткани. Они используются для лечения пятен порта и других расстройств кровеносных сосудов, шрамов и камней почек . Они могут быть сопоставлены с различными чернилами для удаления татуировки , а также рядом других приложений. [ 33 ]
При спектроскопии лазеры красителя могут использоваться для изучения спектров поглощения и излучения различных материалов. Их настроение (от ближнего инфракрасного до почти ультравиолетового), узкая полоса и высокая интенсивность обеспечивает гораздо большее разнообразие, чем другие источники света. Разнообразие ширины импульсов, от ультра-коротких, фемтосекундных импульсов до непрерывной волны, делает их подходящими для широкого спектра применений, от изучения флуоресцентных времен жизни и свойств полупроводника до экспериментов с лунным лазером . [ 34 ]
Настраиваемые лазеры используются в облегчающей метрологии, чтобы обеспечить измерение абсолютных расстояний с очень высокой точностью. двух оси интерферометр Установлен , и, подметая частоту, частота света, возвращающегося из фиксированной руки, немного отличается от частоты, возвращающейся из измерения расстояния. Это создает частоту битов, которая может быть обнаружена и используется для определения абсолютной разницы между длиной двух рук. [ 35 ]
Смотрите также
[ редактировать ]- Лазерный краситель - краситель, используемый в качестве лазерной среды
- Органический лазер -лазер, который использует материал на основе углерода в качестве среды усиления
- Lase-Laser -лазер с красителем с окрашиваемой органической матрицей, легированной красителем
- Настраиваемый лазер - лазер с переменной длиной волны
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Принципы лазера Dye: с приложениями Фрэнка Дж. Дуарте, Ллойда В. Хиллмана - Academic Press 1990 Page 42
- ^ FP Schäfer (ed.), Dye Lasers (Springer-Verlag, Berlin, 1990).
- ^ FJ Duarte и LW Hillman (Eds.), Принципы лазера Dye (Academic, New York, 1990).
- ^ Разработка и анализ систем флешламков для накачки органических лазеров красителя - JF Holzrichter и Al Schawlow. Анналы нью -йоркской академии наук
- ^ Да, Тк; Фанат, б.; Густафсон, Т.К. (1979-04-15). «Накрытый лазер с наклеженным на флешламке». Прикладная оптика . 18 (8). Оптическое общество: 1131–2. Bibcode : 1979apt..18.1131y . doi : 10.1364/ao.18.001131 . ISSN 0003-6935 . PMID 20208893 .
- ^ «Генеральные рекомендации ксеноновой флэш и стробоскоп» . members.misty.com . Получено 19 апреля 2018 года .
- ^ «Сэмский лазерный FAQ - домашний лазер красителя» . www.repairfaq.org . Получено 19 апреля 2018 года .
- ^ Пасшотта, доктор Рюдигер. «Энциклопедия лазерной физики и технологии - сжигание пространственного отверстия, SHB, лазерная, одночастотная операция» . www.rp-photonics.com . Получено 19 апреля 2018 года .
- ^ Лазерные основы Уильяма Т. Сильфваста -издательство Кембриджского университета 1996 г. Стр. 397-399
- ^ Подпрыгнуть до: а беременный в «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2017-02-16 . Получено 2017-02-13 .
{{cite web}}: CS1 Maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ) - ^ Подпрыгнуть до: а беременный «Принципы лазеров», Orazio Svelto
- ^ FP Schäfer и KH Drexhage, Dye Lasers. , 2 -й Rev. ред., Vol. 1, Берлин; Нью-Йорк: Springer-Verlag, 1977
- ^ Og Peterson, Sa Tuccio, BB Snavely, «CW Работа органического раствора красителя», Appl. Физический Летал 42 , 1917-1918 (1970).
- ^ FJ Duarte и LW Hillman, Dye Laser Princips (Academic, New York, 1990) Глава 4.
- ^ TW Hänsch , повторно пульсированный настраиваемый лазер красителя для спектроскопии высокого разрешения, Appl. Опт. 11 , 895-898 (1972).
- ^ I. Shoshan, NN Danon, и Up Oppenheim, узкополосная работа импульсного лазера красителя без расширения балки внутриактивности, J. Appl. Физический 48 , 4495-4497 (1977).
- ^ Littman, Michael G.; Меткалф, Гарольд Дж. (1978-07-15). «Спектрально узкий импульсный лазер красителя без балки». Прикладная оптика . 17 (14). Оптическое общество: 2224–7. Bibcode : 1978apt..17.2224L . doi : 10.1364/ao.17.002224 . ISSN 0003-6935 . PMID 20203761 .
- ^ Дуарте, FJ; Piper, JA (1980). «Двойной традиционный балок для пульсированных красителей лазеров». Оптическая коммуникация . 35 (1). Elsevier BV: 100–104. Bibcode : 1980optco..35..100d . doi : 10.1016/0030-4018 (80) 90368-5 . ISSN 0030-4018 .
- ^ Дуарте, FJ; Piper, JA (1981-06-15). «ПРИМА ПРИМЕДАЕТСЯ ТАКОЙ ПАССИНДОВАЯ РЕГИТЕЛЬСТВО РАЗИТИВАЯ ДЛЯ ИМПУЛЕТНЫХ КАРКАМИ». Прикладная оптика . 20 (12). Оптическое общество: 2113–6. Bibcode : 1981apt..20.2113d . doi : 10.1364/ao.20.002113 . ISSN 0003-6935 . PMID 20332895 .
- ^ P. Zorabedian, перестраиваемая внешняя полость полупроводниковые лазеры, в Справочнике «Настройки лазеров» , FJ Duarte (Ed.) (Academic, New York, 1995) Глава 8.
- ^ Дуарте, FJ; Piper, JA (1982). «Теория дисперсии рассеятелей пучка с множественной страной для пульсированных лазеров красителя». Оптическая коммуникация . 43 (5). Elsevier BV: 303–307. Bibcode : 1982optco..43..303d . doi : 10.1016/0030-4018 (82) 90216-4 . ISSN 0030-4018 .
- ^ Амнон Ярив, Оптическая электроника в современных коммуникациях, Пятое издание, стр. 266
- ^ «Кривые настройки» (PDF) . Экситон . Архивировано из оригинала (PDF) 2011-09-20 . Получено 2023-11-03 .
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2015-02-21 . Получено 2012-08-15 .
{{cite web}}: CS1 Maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ) - ^ FJ Duarte и LW Hillman (Eds.), Принципы лазера Dye (Academic, New York, 1990) Главы 5 и 6.
- ^ Вилка, RL; Грин, Би; Shank, CV (1981). «Генерация оптических импульсов короче 0,1 PSEC путем блокировки режима пульса». Прикладные физические буквы . 38 (9). AIP Publishing: 671–672. Bibcode : 1981apphl..38..671f . doi : 10.1063/1,92500 . ISSN 0003-6951 . S2CID 45813878 .
- ^ «Лазеры с высокой мощностью» . www.tunablelasers.com . Получено 19 апреля 2018 года .
- ^ Ma akerman, разделение изотопов красителя, в принципах лазера красителя , FJ Duarte и LW Hillman (Eds.) (Academic, New York, 1990) Глава 9.
- ^ D. Klick, Промышленные применения лазеров красителей, в принципах лазера красителя , FJ Duarte и LW Hillman (Eds.) (Academic, New York, 1990) Глава 8.
- ^ W. Demtröder , лазерная спектроскопия , 3 -е изд. (Springer, 2003).
- ^ L. Goldman, Dye Lasers в медицине, в принципах лазера красителя , FJ Duarte и LW Hillman, eds. (Academic, New York, 1990) Глава 10.
- ^ Costela A, Garcia-Moreno I, Gomez C (2016). «Медицинские применения органических лазеров красителя». В Duarte FJ (ред.). Настраиваемые лазерные приложения (3 -е изд.). Boca Raton: CRC Press . С. 293–313. ISBN 9781482261066 .
- ^ Duarte FJ, ed. (2016). Настраиваемые лазерные приложения (3 -е изд.). Boca Raton: CRC Press . ISBN 9781482261066 .
- ^ Лазерный путеводитель Джефф Хехт - McGraw Hill 1992 Page 294
- ^ «Высокая линейная, более широкая частота генерация на микроволновой и оптической частотах» (PDF) . НАСА.ГОВ . Архивировано из оригинала (PDF) 7 сентября 2012 года . Получено 19 апреля 2018 года .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
СМИ, связанные с красительными лазерами в Wikimedia Commons
