Зависимость энергии генерации от величины обострительной емкости

С1=180 нФ; С2=50 нФ; L0=3,5 нФ; L1=7,5 нГн; L2=20 нГн; U0=40 кВ

Рис.12

1.4. Анализ полученных результатов

Экспериментальные и теоретические исследования различных режимов работы LC-контура и LC-инвертора показали, что в обоих случаях наибольшая энергия генерации достигается в том случае, если параметры системы возбуждения таковы, что позволяют сформировать для возбуждения активной среды лазера сдвоенный импульс: короткий высоковольтный (~2U0) для формирования разряда и длинный (~ 10 кВ) для энерговклада в него. На стадии энерговклада Е/P ~ 1 /(см тор), при таких условиях фактически не происходит размножения электронов, а только компенсируются их потери в процессах прилипания и рекомбинации. Следует отметить то обстоятельство, что анализ 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]:

, (19)

, (20)

, (21)

, (22)

. (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 lг [см-3.нс-1]; N, Na - концентрации молекул донора и акцептора, соответственно[см-3]; t, ta - времена жизни возбуждённых состояний молекул донора и акцептора, соответственно; Ip (t) - плотность потока фотонов накачки [см-2.нс-1]; sp,spa - сечения поглощения излучения накачки молекулами донора и акцептора на S0 уровне [см2], соответственно; sejk,sajk,s1jk - 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 l1 (k®l) или на длине волны накачки la (k®a); c - скорость света; h - показатель преломления раствора красителя; kf – константа скорости переноса энергии при дипольно-дипольном взаимодействии, W - 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]