различных режимов работы LC-инвертора вызывает значительные трудности по
сравнению с LC-контуром. Поэтому, результаты полученные по LC-инвертору
нуждаются в более тщательном анализе и обобщении.
2. Влияние динамики инверсии и поглощения активной среды РОС-лазера на
красителях на генерационные характеристики УКИ излучения
2.1. Введение
Стабильные источники ультракоротких импульсов излучения (УКИ),
перестраиваемые в широком спектральном диапазоне представляют интерес для
целей лазерной спектроскопии высокого временного разрешения. Особенно
привлекательны в этом смысле такие источники на основе РОС-лазеров на
красителях, использующие наносекундное возбуждение [15]. В связи с этим
поиск новых способов управления характеристиками УКИ, а также исследование
путей оптимизации генерационных характеристик РОС-лазеров, является
актуальным и представляет определенный практический интерес.
Использование в качестве активных сред двухкомпонентных смесей
красителей существенно расширяет возможности РОС-лазера. Прежде всего это
позволяет увеличить динамический диапазон изменения накачки в пределах
которого генерируются УКИ, а во-вторых, дает возможность управлять
генерационными характеристиками пикосекундных импульсов [16,17].
Поведение населенностей энергетических уровней активной среды явно
отражает собой сущность происходящих в лазере процессов. Особую значимость
имеет анализ динамики населенностей рабочих уровней для многокомпонентной
лазерной среды, как в нашем случае.
Использование бинарных смесей красителей в качестве активных сред
РОС(лазера, генерирующего когерентное излучение ультракороткой длительности
возможно в трех различных режимах. Первый режим – работа РОС(лазера в
спектральном диапазоне донора. В этом случае смесь содержит малое
количество акцепторного красителя, выполняющего роль насыщающегося
поглотителя [18]. В лазере на бинарной смеси с РОС в этом режиме удается
обеспечить генерацию одиночных УКИ и улучшить их генерационные
характеристики [19].
Второй режим – работа двухкомпонентной смеси в спектральной области
усиления акцептора при высокой концентрации акцепторных молекул. Инверсия
населенности данных молекул создается благодаря преимущественно
безызлучательному переносу энергии электронного возбуждения. Рост
эффективности переноса энергии в данном режиме работы способствует
сокращению длительностей одиночных УКИ [20].
Третий режим генерации РОС(лазера на бинарной смеси красителей
соответствует работе на коротковолновом склоне усиления акцептора.
Концентрация акцепторных молекул в данном режиме заметно меньше, чем во
втором, но выше нежели в первом. РОС(лазер и в данном режиме работы
позволяет реализовать генерацию одиночных УКИ. В этом случае эффективность
безызлучательного переноса энергии невелика, а инверсия населенности
РОС(лазера создается преимущественно благодаря излучательному переносу
энергии электронного возбуждения. Данный режим генерации УКИ РОС(лазером
изучен в наименьшей степени, что и вызывает соответствующий интерес.
2.2. Описание генерации излучения РОС-лазером
на двухкомпонентной смеси красителей
Для численного исследования динамики населенносей лазерных уровней и
плотностей фотонов излучения, генерируемого РОС(лазером на двухкомпонентной
смеси красителей, в зависимости от параметров активной среды использовалась
система скоростных уравнений для бинарной активной среды [19,21]:
[pic] , (19)
[pic] , (20)
[pic], (21)
[pic] , (22)
[pic] . (23)
где: n(t), na(t) - населенности верхних энергетических уровней донора S1 и
акцептора S1а, соответственно [см -3]; q(t) - объёмная плотность фотонов
широкополосного лазерного излучения донора; qа(t) - объёмная плотность
фотонов лазерного излучения с длиной волны (г [см-3.нс-1]; N, Na -
концентрации молекул донора и акцептора, соответственно[см-3]; (, (a -
времена жизни возбуждённых состояний молекул донора и акцептора,
соответственно; Ip (t) - плотность потока фотонов накачки [см-2.нс-1];
(p,(pa - сечения поглощения излучения накачки молекулами донора и
акцептора на S0 уровне [см2], соответственно; (ejk,(ajk,(1jk - сечения
вынужденного излучения, поглощения на нижнем уровне и в возбужденном
состоянии S1 молекулами поглощающего красителя (j(a) или излучающего
красителя (j(l) на длине волны генерации (1 (k(l) или на длине волны
накачки (a (k(a); c - скорость света; ( - показатель преломления раствора
красителя; kf – константа скорости переноса энергии при дипольно-дипольном
взаимодействии, ( - коэффициент, определяющий часть спонтанного излучения
молекул, которая соответствует угловому и спектральному диапазонам
генерации РОС(лазера; L - длина периодической структуры; V - видимость
интерференционной картины.
Система уравнений (19-23) описывает процесс генерации излучения
двухкомпонентной активной средой при наличии динамической пространственно-
периодической структуры, а также излучательного и безызлучательного
механизмов переноса энергии возбуждения. В качестве основного лазерного
красителя (донора) был выбран краситель кумарин 1, часто используемый в
экспериментальных исследованиях, а в качестве поглотителя (акцептора) _
кумарин 7. Спектр поглощения акцептора хорошо перекрывается со спектром
люминесценции донора [16], что создаёт благоприятные условия для переноса
энергии возбуждения и генерации излучения в области усиления акцептора.
В двухкомпонентной смеси красителей миграция энергии возбуждения от
донора к акцептору ведет к изменению времени жизни возбужденного состояния
донора. Если расстояние между донором и акцептором равно R, то константа
скорости переноса энергии при дипольно-дипольном взаимодействии [22]
[pic], (24)
причем критическое расстояние переноса R0 соответствует концентрации
акцептора Na0, т.е. [pic]. В этом случае [pic] может быть записана через
соответствующие концентрации
[pic]. (25)
Критическое расстояние переноса R0 может быть вычислено, пользуясь
соотношением [23]
[pic] , (26)
где ( 2 – ориентационный фактор; (D – квантовый выход люминесценции донора
в отсутствии тушения; NA – число Авогадро; ( – волновое число;
[pic] – квантовая спектральная плотность люминесценции донора,
нормированная на единичную площадь; [pic] – молярный десятичный коэффициент
экстинкции акцептора.
Концентрация акцепторных молекул в двухкомпонентной смеси красителей
выбиралась достаточно небольшой. РОС(лазер в этом случае мог генерировать
излучение в спектральной области, начиная с длинноволнового края донора и
заканчивая коротковолновым краем акцептора. В данном режиме работы
РОС(лазер позволяет осуществить генерацию узкополосного излучения
ультракороткой длительности.
Молекулы обоих красителей обладают усилением на длине волны генерации
и вносят вклад в положительную обратную связь. В этом случае время жизни
фотона в резонаторе (с будет описываться выражением (23).
2.3. Генерация УКИ при наличии излучения
донора и переноса энергии возбуждения
Использованные нами коэффициенты в уравнениях имели следующие
значения : N = 3.1018 см-3; (0 = 2,9 нс; L = 0,3 см; (г = 490 нм; ( =
1,36; (p = 2,8.10-17 см2; (e = 2,4.10-16 см2; (pa = 10-2.(p; ( = 1,465.10-
8; Na = (0,03 – 0,05).N; V = 1. Импульс возбуждения в расчетах считали
имеющим Гауссов профиль с длительностью 0.7 нс и длиной волны (н = 337 нм
(азотный лазер).
Проведенные численные исследования динамики населенностей рабочих
уровней и плотности фотонов РОС(лазера на бинарной смеси красителей
показали, что работа в режиме 3 принципиально отличается от других режимов
тем, что на выходе лазера одновременно присутствуют как излучение донора,
так и излучение акцептора. Генерация начинает развиваться из излучения
донора. Населённость возбужденного состояния молекул донора достигает в
данном случае высоких значений и развивается просветляющий импульс
излучения, рис. 13 а). В момент разгорания данный
импульс сильно поглощается, вызывая резкий скачок инверсии акцептора и
генерируется УКИ на длине волны, соответствующей настройке РОС(лазера.
Кинетика генерации РОС-лазера на бинарной смеси красителей при
наносекундном возбуждении.
[pic]
а).
[pic]
б).
Концентрация акцептора составляет а). Na = 0,032.N, б). Na = 0,045.N.
Рис.13
К моменту развития излучения донора в среде оказывается запасённой
значительная энергия. Это обеспечивает высокое усиление для излучения
донора и его резкий всплеск на фронте. Данный всплеск приводит к резкому
скачку населённости акцептора за счет излучательного переноса энергии и
генерации УКИ.
Указанный режим работы РОС(лазера определяющим образом зависит от
концентрации акцепторных молекул. В рассматриваемом случае концентрация
акцепторных молекул составляла 0,032.N, что соответствует малой
эффективности безызлучательного переноса энергии электронного возбуждения.
При увеличении концентрации акцептора до Na = 0,045.N эффективность
безызлучательного переноса энергии увеличивается настолько, что
населённость верхнего лазерного уровня акцептора благодаря
безызлучательному переносу энергии увеличивается выше порогового уровня и
генерируется УКИ, рис. 13 б).
Следует отметить, что максимальное превышение порога накачкой (0 при
котором ещё генерируется одиночный УКИ при этом заметно уменьшается и
составляет 1,41. Увеличение накачки выше указанного значения приводит к
генерации двух импульсов, причем, если первый генерируется благодаря
безызлучательному переносу энергии возбуждения, то второй – преимущественно
