Лазери на органічних барвниках

Якщо більшість лазерів, які ми розглянули, з'явилися в результаті високоскоординованих зусиль і вимагали розвитку передових технологій (це пояснює, чому вони з'явилися в США), то випадок органічних барвників (просто барвників) можна розглядати як зовсім різний. Перший лазер цього з'явився випадково завдяки лазерної методиці, званої модуляцією добротності, яку запропонував 1961 р. Роберт Хелворт з Hughes Research Lab. Цей метод, як зазначалося вище, дозволяє значною мірою збільшити імпульсну потужність лазерного випромінювання шляхом генерації «гігантських імпульсів». Суть методу ось у чому. У період накачування добротність резонатора штучно підтримується на низькому рівні і генерація не виникає. Відсутність генерації дозволяє отримати велику інверсну населеність (при генерації вимушене випромінювання збіднює верхній рівень лазера). У момент досягнення максимального значення інверсної населеності швидко включається максимальна добротність резонатора (різко зменшуються втрати). Умови генерації виявляються сильно перевиконаними. В результаті генерація дуже швидко розвивається і запасена в активному середовищі енергія висвічується у вигляді короткого імпульсу (його тривалість становить кілька часів обходу світлом відстані між дзеркалами резонатора). Таким способом можна отримати від рубінового лазера одиночний імпульс з типовою тривалістю 30 і потужністю порядку десятків або сотень мільйонів ват (мегават).

Спочатку здійснення цього було дуже грубым[11]. Усередині резонатора, тобто. між дзеркалами, поміщався диск з непрозорого матеріалу, що швидко обертається, в якому була щілина, що відкриває шлях світла (для швидкого відкриття щілинарозташовувалась у загальному фокусі двох лінз, які фокусували паралельний пучок і знову перетворювали його на паралельний). Накачування світлом імпульсної лампи проводилося в той інтервал часу, коли диск перекривав світло між дзеркалами. У момент, коли інверсна населеність виявлялася максимальною, щілина відкривала шлях світла, тож виходив резонатор із мінімальними втратами. Ця система давала надто повільне включення добротності і була незручна у користуванні. Часто виходив не один, а два чи три імпульси з меншою потужністю.

Тож фахівці почали думати про інші методи. Один із них виявився саморегулюючим. Коли світло падає на поглинаючу речовину (наприклад, що складається з молекул), воно поглинається через те, що молекули, що знаходяться в нижньому енергетичному стані, збуджуються на верхній рівень. Однак, якщо інтенсивність світла дуже велика, більшість молекул з нижнього стану перейдуть на верхні, і молекули, що залишилися на нижньому стані, будуть слабше поглинати світло. Поглинаючий матеріал стає «просвітленим», або, як кажуть, «насиченим» (якщо такий матеріал помістити всередині резонатора, він автоматично збільшить його добротність під час генерації).

У IBM Петер Сорокін і Джон Ланкард показали в 1966 р., що такими матеріалами по відношенню до світла рубінового лазера можуть бути органічні барвники, які називаються фталоціанінами (фталоціанін ванадію), розчинені в деяких органічних рідинах (нітробензол). Фталоціанін представляє комплекс кільцевих структур з іоном металу у центрі. Вони попросили свого колегу Луцці синтезувати цю речовину. Сорокін помістив кювету з шаром розчину фталоціаніну прямо в резонатор рубінового лазера і ввімкнув його. Негайно було отримано одиночний потужний імпульс тривалістю близько20 ні.

Намагаючись краще зрозуміти, що відбувається, Сорокін подумав, що ці речовини можна використовувати і в інших експериментах, і зосередився на двох із них. В одному експерименті він хотів індукувати ефект, відомий у наш час як раманівське розсіювання, або ефект Рамана (в українській літературі цей ефект називають комбінаційним розсіюванням). Його відкрив у 1928 р. індійський фізик Чандрасекар Раман (1888-1970), який за це відкриття отримав у 1930 р. Нобелівську премію з фізики. Раман показав, що за певних умов деяка частка світла, що проходить через прозорий матеріал, перевипромінюється на дещо відмінній частоті. Сорокін хотів у іншому експерименті перевірити, чи можуть барвники, накачиваемые світлом рубінового лазера, самі давати лазерний ефект.

Сорокін вирішив почати з першого експерименту, надсилаючи пучок рубінового лазера через зразок. Дослідивши спектр, що випускається зразком, він переконався, що успішний другий експеримент [12]. Помістивши зразок барвника між двома дзеркалами, Сорокін та Ланкард отримали потужний лазерний пучок на довжині хвилі 7555 А°. Вони випробували інші барвники та переконалися, що це загальний ефект. Вони перепробували всі барвники, які змогли дістати. В один із днів Сорокін проходив через лабораторію, питаючи колег: «Який колір ви бажаєте?», оскільки багато довжин хвиль можна було отримувати, замінюючи барвник. Одна обставина, яку вони прогавили, полягала в тому, що цей новий лазер міг бути перебудовуваним, тобто. випускати довжину хвилі, що варіюється в значному діапазоні, використовуючи один і той же матеріал.

У цих дослідженнях вони мали попередники. У 1961 р. два українські вчені С.Г. Раутіан та І.І. Собельман провели теоретичний розгляд [13], а 1964 р. Д.Л. Штокман із співробітникамизробили експерименти, в яких було отримано деякі вказівки на можливий лазерний ефект в ароматичних молекулах перилену з накачуванням імпульсною лампою.

Трохи пізніше і незалежно Фріц Шефер, який тоді працював в університеті Марбурга (Німеччина), вивчаючи характеристики насичення деяких органічних барвників сімейства ціанінів, отримав такий самий ефект. Він вивчав світло, що випускається барвником, що накачується потужним рубіновим лазером з модуляцією добротності. Його студент Вовці, досліджуючи спектри розчинів з високою концентрацією, отримав сигнали в тисячі разів сильніше, ніж очікувалося. Незабаром обидва дослідники зрозуміли, що вони мають справу з лазерним ефектом. Разом з аспірантом Шмідтом вони зняли спектри при різних концентраціях, і вперше показали, що можна побудувати лазер, що перебудовується по довжинах хвиль в межах 600 А, змінюючи концентрацію або віддзеркалення резонатора дзеркал. Незабаром цей результат був поширений на десяток різних барвників сімейства ціанінів. Виник цілий потік результатів у цій галузі, і в тисячах барвників було отримано лазерний ефект. Нарешті, в 1969 р. Б. Сневлі та Шефер показали можливість безперервної генерації з використанням накачування аргоновим лазером розчину родаміну: 6Ж.

Ці лазери здійснили мрію, що довго виношується — отримати лазер, який легко перебудовується в широкому діапазоні частот. Лазер, що перебудовується на необхідну довжину хвилі, народився! Барвники цікаві як робочі середовища лазерів і з інших причин. Підбором барвника, розчинника, концентрації та товщиною кювети легко отримати лазер, що генерує на потрібній довжині хвилі. Охолодження активного середовища, необхідне будь-якому лазері, легко досягається прокачуванням розчину. Більш того, у рідині не виникають незворотні ушкодження, характерні длятвердотільних середовищ.

У середині 1967 р. Б. Соффер і Б. МакФаллан замінили одне з дзеркал резонатора відбиваючою дифракційною решіткою і отримали лазер, що плавно перебудовується по довжинах хвиль в області понад 400 А простим поворотом решітки.

Лазери на барвниках в даний час дозволяють отримувати лазерне випромінювання на будь-якій довжині хвилі від ближнього ІЧ-діапазону до ультрафіолету. Завдяки тому, що лазери на барвниках мають надзвичайно широкі смуги посилення, вони дозволяють здійснювати режим генерації імпульсів тривалістю менше пікосекунди (10 -12 с).