Спектральные характеристики лазера на красителе с многозеркальным резонатором Фабри-Перо: Методические указания к лабораторной работе

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Физический факультет Кафедра общей физики М. Ф. Ступак

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРА НА КРАСИТЕЛЕ С МНОГОЗЕРКАЛЬНЫМ РЕЗОНАТОРОМ ФАБРИ-ПЕРО Описание лабораторной работы 4.3 по физической оптике

Новосибирск 2004

www.phys.nsu.ru ГЛАВА 3

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРА НА КРАСИТЕЛЕ С МНОГОЗЕРКАЛЬНЫМ РЕЗОНАТОРОМ ФАБРИ-ПЕРО Оборудование: источник оптической накачки – азотный импульсно-периодический лазер ЛГИ–21, элементы резонатора лазера на красителе, краситель родамин 6G, спектрограф ДФС–12.

www.phys.nsu.ru ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с принципом работы лазера на красителе, изучение спектрального состава его излучения, определение абсолютного значения максимума линии генерации.

§1 КАЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ КРАСИТЕЛЕЙ И РАБОТЫ ЛАЗЕРА НА КРАСИТЕЛЕ Среди лазеров на конденсированных средах особое место занимают лазеры на красителях, точнее на растворах молекул органических красителей в органических растворителях или воде. Эти лазеры известны с 1966 г. (Сорокин и Ланкардт, США). Лазеры на красителях замечательны прежде всего тем, что, работая в широкой области длин волн от ближнего ИК до ближнего УФ включительно. Они допускают плавную перестройку длины волны генерации в полосе шириной несколько десятков нанометров с

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru монохроматичностью, достигающей 1 – 1,5 МГц. Лазеры на красителях работают в непрерывном, импульсном и импульснопериодическом режимах, их оптический КПД при лазерной накачке достигает десятков процентов. Свойства лазеров на красителях определяются свойствами их рабочего вещества – органических красителей. Красители – это сложные органические соединения, сильно поглощающие видимый свет. Они обычно состоят из бензольных (C6H6), пиридиновых (C5H5N), азотных (C4H4N2) и других колец. Для иллюстрации на рис. 1. показана структура одной из наиболее известных молекул красителя родамин 6G. Этот краситель используется для возбуждения лазерной генерации в настоящей лабораторной работе. O

www.phys.nsu.ru CH3

CH3

Родамин 6G- C28H31O3N2Ce

Рис. 1. Структура одной из наиболее известных молекул красителя родамин 6G

Можно указать ряд нужных свойств, наличие которых делает лазерные красители в значительной степени подобными друг другу. Во-первых, ширина полос поглощения и излучения составляет около 1000 см-1. В коротковолновой области спектра могут находиться несколько дополнительных полос поглощения. Во-вторых, максимум флуоресценции сдвинут в длинноволновую область спектра, по сравнению с главным максимумом поглощения (Стоксов сдвиг флуоресценции). В–третьих, спектральный контур флуоресценции обычно зеркален спектральному контуру основного поглощения, а время флуоресценции составляет порядка 10-9 с. На рис. 2 приведена схема энергетических уровней молекулы органического красителя. Волнистыми стрелками на рисунке

www.phys.nsu.ru 2

www.phys.nsu.ru отмечены безызлучательные процессы, прямыми – радиационные переходы (т.е. переходы с испусканием кванта света).

Энергия

S2

T2 (триплет) Триплет-триплетное поглощение

S1

T1 (триплет) я я на енци ь л ц е с ит ре Дл сфо фо Конфигурационная координата

www.phys.nsu.ru S0

Рис. 2. Схема энергетических уровней молекулы органического красителя

При комнатной температуре и в равновесных условиях заселены нижние колебательно-вращательные уровни основного состояния S0. При оптическом возбуждении монохроматическим излучением на переходе S0 − S1 или при использовании дополнительных полос поглощения на переходе S0 − S2 с последующей безызлучательной рекомбинацией на S1 заселяется какое-то колебательно-вращательное состояние терма S1. Между уровнями терма S1 быстро (за время 10-11 ÷ 10-12 с) происходит безызлучательная термализация избыточной энергии (установление больцмановского распределения). Излучательное время жизни возбужденных состояний S1 равно обычно (1÷5) 10-9 с, поэтому безызлучательная релаксация в пределах состояния происходит быстрее, чем излучательная S1 − S0. С нижних уровней состояния S1

www.phys.nsu.ru 3

www.phys.nsu.ru молекула может возвратиться в состояние S0, испустив фотон. Такой процесс при возбуждении S0 − S1 носит название флуоресценции. Так как возбуждаются обычно высокие колебательно-вращательные уровни (принцип Франка-Кондона при сдвинутых равновесных конфигурациях), а переход из состояния S1 в S0 совершается с низших колебательно-вращательных уровней на высшее в S0 (они менее заселены, поэтому могут принять «гостей»), то, очевидно, энергия излученного фотона (S1 − S0) меньше энергии поглощенного фотона (S0 − S1), что объясняет наличие стоксова сдвига в спектре флуоресценции по отношению к спектру поглощения. При флуоресценции возбужденного красителя, не помещенного в резонатор, наблюдается широкая спектральная линия, примерный контур которой для красителя родамин 6G показан на рис. 3. Интенсивность флуоресценции

www.phys.nsu.ru Рис.

Флуоресценция “Зеркальный” контур поглощения

3

Спектр

флюоресценции

возбужденного

красителя

(родамин 6G)

Ситуация существенно меняется, когда возбужденный краситель помещен в добротный резонатор. Если это резонатор типа Фабри-Перо, то в генерации будет участвовать большое число продольных типов колебаний из возможных типов TEMmnq, и с учетом потерь в резонаторе примерный спектр генерации будет выглядеть следующим образом (рис. 4):

www.phys.nsu.ru 4

www.phys.nsu.ru

Рис. 4. Эквидистантные разрешенные типы колебаний в резонаторе В генерации будут наблюдаться лишь «заштрихованные» типы колебаний, для которых выполнены условия генерации (усиление превышает потери). Таким образом, огибающая спектра генерации будет всегда уже, чем контур линии флуоресценции. Если же в резонаторе лазера имеются дополнительные селективные элементы, создающие для одного или нескольких типов колебаний гораздо более высокую добротность по сравнению со всеми остальными, то спектр генерации будет еще более монохроматичным. Участвовать же в такой «узкочастотной» генерации будет практически вся энергия, запасенная термом S1, изза быстрого внутреннего «перемешивания» за времена 10-11 ÷ 10-12 с. Очевидно, что при перестройке селективных элементов в пределах спектральной ширины линии флуоресценции красителя будет перестраиваться и частота излучения лазера.

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 5

www.phys.nsu.ru §2 ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ Оптическая схема лазера на красителе родамин 6G приведена на рис. 5.

www.phys.nsu.ru Рис. 5. Оптическая схема лазера на красителе родамин 6G Источником оптического возбуждения красителя родамин 6G, находящегося в кювете 5, является импульсно–периодический азотный лазер 1, излучающий короткие (τ ≤ 10-8 с) импульсы ультрафиолетового излучения ( λ = 0,337 мкм) с регулируемой частотой следования. Линза 2 на рис. 5. фокусирует ультрафиолетовое излучение азотного лазера в кювету с красителем для создания инверсии заселенностей между термами 10-11 ÷ 10-12 S1 и S0 , превышающей пороговую. Резонатор лазера на красителе образован параметрическим зеркалом 3 (оно полностью пропускает излучение накачки азотного лазера и отражает > 90 % излучения лазера на красителе) и полупрозрачным зеркалом 6. Окнами кюветы 5 являются полупрозрачное зеркало 6 с одной стороны и тонкая сапфировая пластинка 4 с другой. Сапфировая пластинка ориентирована

www.phys.nsu.ru 6

www.phys.nsu.ru параллельно зеркалам резонатора и, как видно из рисунка, находится внутри этого резонатора. Кювета с окнами и «глухое» зеркало 3 образуют жесткую единую конструкцию. Ориентацию этой конструкции относительно сфокусированного луча азотного лазера 1 можно менять с помощью двух юстировочных винтов. Оптимальные условия для генерации лазера на красителе будут созданы при нормальном падения луча азотного лазера на оптические поверхности данной конструкции. В этом случае эффективная длина области усиления активной среды (см. рис. 6) будет максимальна, следовательно, максимальным будет и усиление за проход в активной среде (при неизменных параметрах излучения азотного лазера накачки). При больших отклонениях от нормали луча накачки уровень поглощения в неинвертированных областях красителя между зеркалами начнет превышать уровень усиления в инвертированной (накачанной) области красителя, что приведет к исчезновению генерации лазера на красителе.

www.phys.nsu.ru а)

б) Рабочая область генерации

а) Оптимальные условия расположения области накачки для генерации при нормальном падении луча накачки на зеркала резонатора; б) Генерация с большими потерями при отклонении кюветы с зеркалами от нормального падения луча накачки.

Рис. 6 Толщина d сапфировой пластинки 4 – несколько десятых долей миллиметра, показатель преломления сапфира n = 1,76 . Между сапфировой пластинкой 4 и «глухим» зеркалом резонатора 3

www.phys.nsu.ru 7

www.phys.nsu.ru имеется очень тонкий воздушный зазор ∆. Таким образом, резонатор лазера на красителе представляет собой многозеркальный интерферометр Фабри-Перо, схематически изображенный на рис. 7 а. B

Родамин 6G

dn

∆

Полупрозрачное зеркало

C сапфир

воздух

Параметрическое зеркало

A

Рис.7 а). Наблюдаемый спектр генерации на красителе

www.phys.nsu.ru ∆ν%1 = 1 2 ∆

Контур усиления

ν% ( cм −1 ) ∆ν% = 1 2 ( dn + ∆)

∆ν%2 = 1 2 ( dn )

Рис. 7 б). Схематически представленная спектральная картина генерации

Пара отражающих зеркал лазерного резонатора создает свой набор продольных резонансных типов колебаний (см. раздел «Принципы лазеров»), расстояние между ближайшими из них

∆ν% =

1 ( см −1 ) , 2L

где

L

–

оптическая

длина

пути

между

www.phys.nsu.ru 8

www.phys.nsu.ru поверхностями. Спектральная ширина каждого резонансного типа колебаний обратно пропорциональна эффективному времени жизни фотона в данном элементарном интерферометре Фабри-Перо, поэтому она обратно пропорциональна L и произведению коэффициентов отражения зеркальных поверхностей. Если количество отражающих поверхностей в лазерном резонаторе больше двух, т.е. между двумя зеркалами резонатора расположены, как в нашем случае, дополнительные отражающие поверхности, то наибольшей добротностью будут обладать только некоторые из описанных выше типов колебаний основного лазерного резонатора. Они в основном и будут представлять спектр лазерного излучения. Качественно условие выделения этих некоторых типов колебаний заключается в том, что для данной моды (другое название типа колебаний резонатора) целое число длин полуволн должно укладываться как между основными зеркалами лазерного резонатора, так и между любой иной парой отражающих поверхностей. Это оказывается возможным, т.к. целое число длин полуволн определяется с точностью до спектральной ширины моды. Если бы резонатор лазера на красителе был образован всего лишь двумя зеркалами 3 и 6, мы не смогли бы зафиксировать частокол резонансных типов колебаний. Это связано с тем, что используемый в работе регистрирующий спектрограф 8 имеет спектральное разрешение не выше 0,5 см-1. Он не сумеет разрешить соседние резонансные типы колебаний, если расстояние между отражающими поверхностями L ≥ 1 см. Поэтому наблюдаемый спектр генерации лазера на красителе будет в основном определяться следующими наборами поверхностей (см. рис. 7 а). А–В (L = ∆) В – С ( L = d ⋅n ) А – С ( L = ∆ + d ⋅n ) Соответствующая спектральная картина генерации схематически представлена на рис. 7 б. Расстояния между линиями генерации на этом рисунке представлены через волновые числа:

www.phys.nsu.ru

∆ν% = ν% 1 − ν% 2 , где ν% 1 =

1 1 и ν% 2 = . λ1 λ2

www.phys.nsu.ru 9

www.phys.nsu.ru При обработке фотопленки со спектром генерации местоположение интересующих Вас линий будет измеряться в длинах волн λ. Поэтому, например:

∆ν% =

1 1 1 λ 2 − λ1 . = − = 2L λ1 λ 2 λ1λ 2

Так как выходящее из кюветы излучение лазера на красителе имеет большую расходимость из-за малого поперечного сечения активной области генерации (область фокуса линзы 2), после резонатора помещается коллимирующая линза 7. После линзы 7 излучение с помощью световода подается на входную щель спектрографа 8. Для получения реперного спектра используется ртутная лампа 9. В спектрографе 8 (марка ДФС–12) установлена решетка 1200 штрихов/мм. Спектры генерации и ртутной лампы регистрируются во втором порядке указанной решетки. Рукоятка и тумблеры спектрографа, отвечающие за рабочее положение решетки, защищены наклейками, и трогать их не рекомендуется. При выполнении лабораторной работы используются следующие тумблеры на пульте управления спектрографа (см. описание спектрографа): 14 – Подъем или опускание кассеты с фотопленкой. 15 вкл/выкл – Затвор открытия/закрытия щели спектрографа. 16 – вкл/выкл – Подача сетевого питания.

www.phys.nsu.ru §3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Включить тумблер «Сеть» на блоке управления азотным лазером, через 3 – 5 минут там же включить тумблер «Высокое напряжение», соответствующим переключателем установить частоту разрядных импульсов лазера 100 Гц. Убедиться визуально в присутствии генерации ультрафиолетового излучения накачки по фиолетовой люминесценции в кварцевой линзе 2 и яркой желтозеленой флуоресценции красителя кювете.

www.phys.nsu.ru 10

www.phys.nsu.ru Добиться оптимальных условий генерации лазера на красителе (см. рис. 6), вращая его юстировочные винты таким образом, чтобы отраженное от передней стенки кюветы излучение накачки (фиолетовое пятно на белой бумаге) возвращалось назад по тому же пути. Завести излучение лазера на красителе в спектрограф 8, в соответствии с требованиями, изложенными в описании спектрографа. Получить изображение спектра генерации на матовом стекле. Установить ширину входной щели спектрографа в диапазоне 0,03 – 0,05 мм (при ширине, большей, чем указанная, возможна потеря спектрального разрешения). Сфотографировать спектр генерации на пленку, заправленную предварительно в кассету. Для получения реперного спектра включить питание ртутной лампы, завести в спектрограф ее излучение. Получить изображение спектра ртутной лампы на матовом стекле (глаз должен видеть почти в центре поля матового стекла зеленую линию ртути и в левом краю – двойную желтую линию). Сфотографировать спектр ртутной лампы на той же фотопленке, что использовалась для регистрации спектра лазера. Время экспозиций излучения лазера и света ртутной лампы для используемого фотоматериала указаны на рабочем месте. Во избежание выхода из строя, время непрерывной работы ртутной лампы не должно превышать ТРЕХ МИНУТ! Считать длины волн наблюдаемых реперных линий известными:

www.phys.nsu.ru λсиняя = 0,4916 мкм (слабая линия); λзеленая = 0,5461 мкм (яркая линия); λжелтая = 0,5770 мкм и 0,5791 мкм (яркий дублет). Используя компаратор, определить местоположение реперных линий на снимке, построить градуировочный график (объяснить его особенности, исходя из теории дифракции на решетке). Измерить с помощью компаратора местоположение максимумов в спектре генерации лазера. Определить, используя градуировочный график, абсолютное значение длины волны центрального максимума спектрального контура генерации, а также

www.phys.nsu.ru 11

www.phys.nsu.ru длины волн дополнительных максимумов спектрального контура генерации. Используя формулы, приведенные на рис. 7 б), вычислить расстояние между дополнительными селектирующими поверхностями в резонаторе лазера исходя из упрощенных принципов работы сложного интерферометра Фабри-Перо (см. рис. 7):

∆ν% =

1 ( см −1 ) 2L

где

L

–

расстояние

⎛

поверхностями, ∆ν% – расстояние в волновых числах ⎜ ∆ν% =

⎝

между

1 1 ⎞ − ⎟ λ1 λ 2 ⎠

между двумя соседними (для данной пары поверхностей) максимумами в спектре генерации с длинами волн соответственно λ1 и λ 2 .

www.phys.nsu.ru §4 ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ, РЕКОМЕНДУЕМЫЕ В КАЧЕСТВЕ КУРСОВЫХ РАБОТ

Выяснить состояние поляризации излучения лазера на красителе. Экспериментально определить, от каких физических факторов это состояние зависит. Необходимо чтение дополнительной литературы (см., например, кн. «Проблемы современной оптики и спектроскопии» под ред. Б. И. Степанова и А. А. Богуша, Минск, Наука и техника, 1980 г., глава Х). Проверить возможность дополнительной селекции продольных мод излучения лазера на красителе, используя метод тонкого поглощающего слоя (см. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М., Наука, 1988. С. 90–110). В качестве такого слоя можно использовать металлическое полупрозрачное зеркало 6 (см. рис. 5). Дополнительное полупрозрачное выходное зеркало вновь созданного резонатора необходимо поместить после коллимирующей линзы 7. Получить по двум координатам количественные характеристики параллельности плоскостей 1 и 2 (рис. 7 а)), образующих тонкий воздушный зазор. С этой целью вычислить величину ∆ в двух

www.phys.nsu.ru 12

www.phys.nsu.ru крайних точках поперечника кюветы по горизонтали и в двух – по вертикали.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Качмарек Ф. Введение в физику лазеров. М., Мир, 1981. С. 209–228. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М., Наука, 1988. С. 70–89, 243–255.

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 13