آخرین دسته از لیزرهای موجود در بازار، لیزرهای رنگینه ای اند. اصولاً این لیزرها با انواعی که تاکنون بررسی کردیم تفاوت بنیادی دارند. تمام تفاوتها را می توان ناشی از ماهیت نامتعارف محیط فعال دانست که محلولی از رنگینه آبی است. برای این منظور می توان از بیش از 200 رنگینه استفاده کرد، تنها شرط عمومی وجود نوار جذب در مرئی و طیف پهن فلوئورسانی است. موادی که به بهترین وجه با این معیارهای همخوانی دارند، از مولکولهای چند اتمی نسبتاً بزرگ با عدم استقرار زیاد الکترون تشکیل می شوند. پر مصرفترین مثال در این زمینه رنگینه ای است که معمولاً به نام رودآمین G 6 (Cl3O2N31H28C) شناخته شده است. این گونه با 64 اتم، 168 (6 – N 3) مد ارتعاشی متمایز دارد. البته درحالت محلول، ترازهای انرژی مربوط به دلیل برهم کنشهای مولکولی قوی با حالت مایع پهن می شوند و در اثر برهمپوشانی آنها، برای هر حالت الکترونی، یک پیوستار انرژی ایجاد می شود. به طور کلی ، جذب نور توسط رنگینه های چند اتمی ، پیش از هر چیز باعث گذار از حالت پایه یکتایی S0 به پیوستار انرژی متعلق به اولین حالت برانگیخته یکتایی 1S می شود. نماد یکتایی از این واقعیت ناشی می شود که حالت با اسپین الکترونی جفت نشده ، نا هم تراز است ( یعنی 1 = 1 + S2 اگر 0=S ) . به دنبال این گذار به سرعت یک واپاشی سریع غیر تابشی به پایین ترین تراز انرژی در پیوستار 1 Sرخ می دهد، در رودآمین G 6 این فرایند در ps 20 پس از برانگیختگی آغازی تکمیل می شود. سپس در اثر گذار رو به پایین به ترازهای درون پیوستار S0 و به دنبال آن توسط واپاشی بدون تابش بیشتر، به نشر فلوئورسان منجر می شود. فرایند نشر فلوئورسان می تواند به عنوان مبنایی برای عمل لیزر به کار برده شود، به شرط اینکه بین ترازهای بالایی و پایینی درگیر در گذار، وارونگی جمعیت ایجاد شود، بنابراین اصولاً با لیزری چهار ترازی سر و کار داریم. واضح است که چون فوتونهای نشر شده انرژی کمتری دارند، فلوئورسانی باید همواره در طول موجهای بلندبر در مقایسه با برانگیختگی اولیه انجام شود.
با این حال، همان طور که پیکانهای خط چین در نمودار نشان می دهند، معمولاً وقوع چند فرایند دیگر وضعیت را پیچیده می کند. یکی از مهمترین فرایندهای رقابتی به نام عبور بین سیستمی شناخته می شود، زیرا مولکول از یکی از حالتهای یکتایی سیستم به یک حالت سه تایی تغییر می یابد که در آن اسپین دو الکترون موازی است.( 3 = 1 + S2 اگر 1 = S ) . چنین گذارهای یکنایی به سه تایی که بنا به قاعده غیر مجازند، به مقدار کم ولی مؤثری انجام می شوند. حالت 1T با فرایند نسبتاً آهسته فسفر سانس که از لحاظ اسپینی غیر مجاز است و مولکول را به حالت الکترونی پایه S 0 باز می گرداند، تا حد اندکی عاری از جمعیت می شود. همچنین این حالت از طریق عبور بین سیتمی غیر تابشی به S 0 و با جذب تابش بیشتر که حالتهای سه تایی بالاتر را جمعیت دار می کند، بدون جمعیت می شود. علاوه بر تمام این فرایندها ، همچنین مولکول در حالت یکتایی 1S می تواند دچار تبدیل درونی غیر تابشی به حالت S 0 شود یا با جذب تابش بیشتر دچار گذار به حالت یکتایی بالاتر شود. این فرایندها همراه با هم، باعث بدون جمعیت شدن تراز بالایی 1S لیزر، افزایش جمعیت ترازهای پایینی S 0 لیزر و افت شدت خروجی می شوند و تمام اینها درکاهش کارایی لیزر سهیم اند.
با این حال، فرونشانی حالتهای برانگیخته، در اثر برهم کنش با سایر مولکولها نیز رخ می دهد و این اثر به ویژه هنگامی که محلول رنگینه حاوی اکسیژن حل شده باشد، مهم است. گاهی فرونشاننده های سه تایی مانند دی متیل سولفوکسید ( DMSO ) به ویژه برای افزایش توان خروجی از طریق جمعیت دار کردن مجدد حالتهای یکتایی ، به محلول رنگینه افزوده می شوند. پایداری نور شیمیایی و گرمایی رنگینه های مورد مصرف در لیزرهای رنگینه ای ، عامل بسیار مهم دیگری است. گرمای حاصل از گذارهای واپاشی غیر تابشی قادر است به سرعت رنگینه را در هم شکند و به همین علت معمولاً در عمل، محلول رنگینه به طور پیوسته در حال گردش است و خنک می شود. تابش حاصل از لامپ درخشی یا منبع لیزری اولیه با نشر درمرئی یا فرابنفش نزدیک، در نقطه ای روی محل عبور عرضی فواره محلول رنگینه، که نوعاً غلظتی در حدود 10 تا mol 10 دارد، متمرکز می شود. معمولاً حلال رنگینه بر پایه اتیلن گلیکول است که گرانروی مطلوبی برای برقراری یک جریان فواره ای تخت مناسب برای کارهای اپتیکی ایجاد می کند.
نشر فلوئورسان از فواره رنگینه، با قرار دادن دو آینه انتهایی حفره در هر دو سمت فواره برانگیخته می شود. با وجود این، در این مرحله است که خواص منحصر به فرد لیزر رنگینه ای آشکار می شود. چون فلوئورسانی در گستره ای از طول موجها رخ می دهد، نشر تکفام لیزر را تنها می توان با قرار دادن ابزار اپتیکی پاشنده اضافی مانند توری پراش یا سنجه در درون حفره به دست آورد. بدیهی است که با چرخش این عنصر، طول موجهای تقویت شده در لیزر رنگینه ای تغییر می کند، بدین ترتیب نشر کوک پذیر به دست می آید. برای مثال، لیزر رنگینه ای بر پایه محلول رودآمین G6 در متانول ، به طور پیوسته در گستره 570 تا nm 660 کوک پذیر است. گستره کامل لیزرهای رنگینه ای موجود در بازار، به طور کامل گستره nm 200 تا mm 1 را می پوشانند، در شکل 3. 5 منحنی کوک برخی از لیزرهای رنگینه ای مهم ارائه شده است. در کتاب مائدا می توان به فهرست جامعی از لیزرهای رنگینه ای و گستره های کوک دست یافت.
کارایی یک لیزر رنگینه ای اغلب در حدود 5% است و توان خروجی اصولاً به منبع تابش دمش بستگی دارد. برای خروجی CW وسیله دمش متداول، لیزر یون گاز بی اثر است، سایر دمشهای لیزری مانند لیزرهای نیتروژن، اکسی پلکس یا لیزر حالت جامد یون فلز واسطه، یا حتی لامپهای درخشی زنون، که به طور عادی به کار می روند معمولاً باعث ایجاد خروجی تپی می شوند. با استفاده از دمش خاصل از هماهنگی یک لیزر Nd بالاترین توانها قابل حصول است. لیزرهای رنگینه ای CW پهنای خطی درگستره 10 تا GHz 20 ( در حدود cm 5/0 ) نشر می کنند، هر چند با ابزار اپتیکی مناسب می توان این مقدار را تا حدود GHz 1 کاهش داد. ترکیب پهنای خط باریک، پایداری خوب فرکانس و کوک پذیری، ویژگی مطلوبی به ویژه برای بسیاری از کاربردهای طیف بینی به شمار می رود. یک عیب لیزر رنگینه ای آن است که در مقایسه با لیزر گازی پایداری کمتری در دامنه دارد، به طوری که روشهای طیف بینی غیر مستقیم مانند فلوئورسانی یا اثر فوتوآکوستیکی، اغلب مناسبترین کاربردهای آن هستند.
تغییری جالب در مفهوم لیزر رنگینه ای، لیزر رنگینه ای حلقه ای است که در آن تابش لیزر به جای حرکت رفت وبرگشتی ساده بین دو آینه، دور ساعت و خلاف آن حرکت می کنند حضور داشته باشند، معمولاً فرکانس آنها یکسان است. با این حال، هرگونه چرخاندن خود لیزر، باعث ایجاد اختلاف کوچکی بین این دو فرکانس می شود و از آشکار سازی این اختلاف می توان به عنوان مبنایی برای اندازه گیری بسیار دقیق چرخش استفاده کرد، در واقع این طرز کار ژیروسکوپ لیزر حلقه ای است. در روش دیگر، یک عنصر اپتیکی را که تا حدی شبیه به همتای اپتیکی دیود الکترونیکی کارمی کند، می توان برای گزینش راستای خاصی از انتشار ( جهت ساعت یا خلاف آن ) درون حفره قرار داد. در این مورد پهنای خط نشر لیزر حلقه ای، نوعاً دست کم ده مرتبه کمتر از مقدار مربوط به یک لیزر رنگینه ای است، اما در موارد با پایداری فعال بهینه، پهنای خط ممکن است به کمتر از c m 10 × 4 برسد.
منبع : prin.ir
|