Тема: Решил собрать ж.л. на родамине

[AlexDark]

Кваратична в первом приближении

[Gall]

Про гасители совершенно верно. Наличие, например, кислорода в растворе резко понижает время жизни вредных уровней. Но на одних гасителях непрерывный режим не вытянуть, во всяком случае не кустарно.

Малые концентрации можно получать просто многократным разбавлением. Делаем 10%-й раствор, потом разбавляем еще в 10 раз, получаем 1%. Впрочем, сейчас есть китайские дешевые карманные весы, те, которые еще у наркоманов популярны, у них разрешение 0.01 грамма или даже 1 мг. Чистые красители - вещь дорогая, так что лучше аккуратно отвешивать, чтобы добро не пропадало.

Электролиз загадит раствор ионами металлов и понизит время жизни уже метастабильного уровня, не надо. Вообще чистота растворителя - главный фактор, влияющий на это время. Чистота самого красителя второстепенна, в растворе красителя и так кот наплакал, примесей еще меньше, они обычно не делают погоды. А вот примесей в растворителе запросто может быть больше, чем самого красителя. 1%-й раствор на растворителе 99%-й частоты - это 98% растворителя, 1% красителя и 1% дерьма. И что будет, предсказать очень тяжело. Отчасти поэтому воду и не любят: в ней загрязнения всегда какие-нибудь тяжелые ионы, в отличие от спирта, загрязненного обычно просто другими спиртами.

При увеличении площади - по площади прямо пропорционально, по линейным размерам, стало быть, квадратично. Если 50 мкм - 1 Вт, то 100 мкм - уже 4 Вт. "Нужен 1 Вт" - это грубая прикидка. Я когда-то хотел сделать жидкостный лазер с лазерной накачкой и рассчитал его, и помню, что у меня получалось что-то в районе 2 Вт для фокусного пятна объектива данной оптики, так что по крайней мере порядок тут правильный. При очень хороших зеркалах и вообще если все делать аккуратно, порог можно понижать. В тепличных лабораторных условиях его доводили до единиц мВт. Я в расчете исходил из типичных параметров доступной оптики и брал запас на непредвиденные потери. Точно как считал, сейчас не помню, но помню, что получилось, что с меньше чем 1 Вт можно не соваться. Доберусь для книжки - процитирую формулы. (Прошу прощения, лежу с температурой, поднимать зад за Звелто ооочень не хочется ))

Скелет расчета:
- бухгалтерия: на накачку 1 молекулы нужен 1 фотон накачки + потери;
- энергию одного фотона знаем => можем посчитать общую энергию/мощность;
- лазерная генерация возникает, когда вероятность взаимодействия фотона луча с молекулой красителя выше, чем вероятность того же фотона поглотиться в зеркалах или грязи;
- сечение взаимодействия молекулы красителя берем из справочника, количество молекул знаем; элементарная теория вероятностей: сколько фотонов усилятся при прохождении через кювету сечением S, если сечение взаимодействия усиливающей молекулы s, а общее количество накачанных молекул N? Ясно, что p = s*N/S и все;
- при непрерывном режиме надо, чтобы скорость накачки молекул (молекул в секунду) была не меньше скорости их разрядки на усиление, время жизни уровней знаем => можем перейти от энергий к мощностям;
- длиннее кювета - больше молекул на пути фотона, усиление растет пропорционально длине. Но точно так же пропорционально длине растет и количество молекул, которые надо качать. Поэтому энергия, необходимая для данного усиления, пропорциональна сечению, а не объему. (Это если пренебречь потерями на грязь в более длинной кювете и сложностями эффективной накачки в короткой.) С концентрацией усиление, очевидно, растет тоже линейно;
- во всех расчетах фигурирует не общее количество молекул, а тот процент, который накачан. Собака зарыта в том, что эти молекулы по объему распределены неравномерно. Поэтому лучше накачать все молекулы в малой концентрации, нежели часть молекул в большой. Надо делать поправку на части кюветы, которые не попадают в резонатор, но попадают под накачку. Они будут накачку жрать. Поэтому во многих лазерах слой красителя тонкий между двумя стеклами, и просто стараются сделать, чтобы пятно накачки совпадало с перетяжкой. Потерять накачку на это можно в разы.

[Евгений]

На смежном форуме продается как я понял голова жидкостного  лазера в сборе с битой лампой. Это существенно упростит вам задачу. 10000 это приемлемая цена за него.
РS товар не мой и не реклама просто готовый девайс в сборе всегда дешевле.

[acmajor]

Спасибо Gall за обстоятельные комментарии. Болеть не нужно. Желаю Вам поскорее выздороветь (сам провалялся с температурой и кашлем в конце декабря).
На счет электролиза-полностью согласен. Грязи будет тьма, даже при применении графитовых электродов вместо металлов.
Примерно прикинуть даже порядок вероятности взаимодействия фотона и луча с молекулой против поглощения зеркалами и грязью не представляю как это можно. Сечение взаимодействия молекулы не встречал нигде. Пытался сделать расчет на мощность 1 Вт через молярную массу - концентрация получилась 2 миллиграмма (при условии 100% поглощения). Т.Е. такое кол-во молекул должно участвовать в процессе каждую наносекунду (время жизни в возбужденном состоянии). То что молекулы вне резонатора жрут энергию накачки - это понятно. Для этого и фокусируется накачка в точку. Но я думал, что не существует понятия "минимальной пороговой энергии накачки" и при малых энергиях накачки возможно получить генерацию, пусть и очень слабую (это уже будет зависить от качества зеркал). И наоборот при мощной накачке и большой концентрации красителя можно получить однопроходное усиление (без зеркал).
Ко всему прочему у меня не хватает понимания в простых логических рассуждениях. Если я могу накачать зеленым лазером в 1 Вт то простые рассуждения мне говорят: видимый диапазон 400-700 нм. - ширина 300 нм. Ширина зеленой указки 10 нм. В результате простой арифметики 300/10=30 Вт. видимого. Увеличиваю мощность в 3 раза (чтоб учесть не участвующую в прикидках ИК-область). И получается, что 100 Вт лампы должно хватить. Поэтому я и рассматривал галогенки.
Большое спасибо Евгению за подсказку о продаже (правда я не понят по какой ссылке идет эта продажа), но я так думаю, что это не мой вариант. Раз была лампа - это импульсный режим. Раз готовая установка, то я ограничен в дальнейших модификациях сего девайса (поставить дифрешетку, электрооптический модулятор, пару поляризаторов) чисто по соображениям конструктива. В готовых изделиях обычно для этого места не предусмотрены, а меня интересует модификация луча в момент генерации.

[acmajor]

Gall !!!
Я не совсем понял Ваш термин "сечение взаимодействия молекул" .
Вы имеете ввиду сечение сфокусированного света накачки, или это эффективное сечение взаимодействия в-ва с фотоном (по принципу ядерного эффективного сечения. Если это так, то сечение фотона рассчитать еще можно,  а вот сечение многоядерной молекулы красителя я даже не представляю как, не зная 3-D модели молекулы).

[V. Frankenstein]

насколько я понимаю, термин "сечение" тут несёт не геометрический смысл, а чисто абстрактный. который нужно интерпертировать как "вероятность взаимодействия фотона с молекулой вещества".

[acmajor]

Спасибо.  Я тоже предполагал, что это вероятность взаимодействия атома с фотоном. Попробую теперь разобраться какой из атомов C28H31N2O3Cl (формула родамина 6) участвует в создании инверсной населенности. Наверное не вся молекула целиком. Вероятнее всего это атомы углерода или азота.

[Gall]

Сечение взаимодействия - это мера вероятности взаимодействия чего-либо с частицей. Она имеет размерность площади. Это как бы эффективный размер молекулы, слабо связанный с настоящим ее размером. Термин чаще всего применяется в ядерной физике для вычисления вероятностей взаимодействия, скажем, нейтрона с ядром урана, но он применим и в нашем случае.

Почему так происходит, очень хорошо объяснено в книге Линднера "Картины современной физики". Представим себе тир, в котором стреляют по листкам бумаги формата A4. В такой листок попадет даже ребенок. Но настоящая цель - маленький кружок, нарисованный на обратной стороне листка, а где именно - неизвестно. Попадание в такой кружок - чистая лотерея, и вероятность в него попасть пропорционально площади кружка. Если считать, что лист A4 - это молекула, а попадание в маленький кружок - это успешное взаимодействие фотона с молекулой, то площадь кружка и есть сечение взаимодействия.

Образование энергетических уровней в молекулах красителей я объясню. Инверсия заселенностей связана там не с каким-то конкретным атомом, а со всей молекулой в целом. Все органические красители содержат цепь атомов, обычно (но не исключительно) углеродных, в которой чередуются одинарные и двойные связи. Это хромофорная группа. На химической формуле одинарные и двойные связи рисуют довольно условно, в действительности же электроны, образующие эти связи, делокализованы, т.е. не имеют определенного места и вдоль цепи могут летать. (Из школьной химии такое явление известно в бензоле, где все электроны образуют общее кольцо для атомов - все связи равноправны, хотя в старых книгах рисуют три одиночных и три двойных.) Молекула может содержать циклы и что угодно, но в ее основе все равно лежит толстая "труба" хромофорной группы, обвешанная по сторонам другими атомами. Стоячие волны электронов, образующиеся в этой "трубе", как в резонаторе, и есть энергетические уровни, отвечающие за оптические свойства. У многих красителей среди этих уровней есть достаточно долгоживущие для лазерной генерации. Родамин 6Ж - наилучший для первых экспериментов, у него рекордная эффективность. А на многих других красителях лазер не получается или получается плохо, несмотря на схожую химию. Бриллиантовый зеленый ("зеленка"), например, не годится, хотя он очень даже органический краситель.

Посчитать из этих знаний оптику молекулы, хм... возможно, но исключительно трудно. Это квантовохимический расчет, он требует специальной подготовки, знания квантовой механики и специального софта. Попросту говоря, доступен только узким специалистам. На бумажке он не делается. Погрешность расчета, особенно у неопытного расчетчика, может быть очень большой, поэтому я рекомендую не пытаться считать, а брать готовые числа из справочников.

Вероятность взаимодействия, сечение взаимодействия напрямую с видом молекулы не связано. Оно имеет ту же природу, что и правила отбора для спектров атомов. Процесс взаимодействия фотона с молекулой, как и все остальные квантовые процессы, вероятностный. (Вероятность наблюдать электрон на возбужденном уровне.) Соотношение неопределенностей работает. В общую вероятность дают вклад и такие вещи, как ориентация молекулы по отношению к поляризации фотона. Законы сохранения импульса и момента импульса должны соблюдаться, поэтому не каждый фотон может вступить во взаимодействие. Нам сейчас природа всех этих явлений неинтересна, интересно только одно результирующее число, а его проще эмпирическое взять.

[acmajor]

Спасибо Gall за как всегда подробный ответ!

Захват фотона я себе так и представлял (как бомбардировка атома нейтронами например). Единственное - я не думал, что поляризация может давать вклад в вероятность поглощения фотона. Я считал, что поглощение происходит независимо от поляризации. Вынужденное испускание фотона - да. Подчиняется свойствам пролетавшего рядом и вызвавшим это испускание. Конечно делать расчет опираясь на уравнения квантовой физики я не собирался (наверное сейчас даже с трудом их могу вспомнить). Предполагаю, что есть механизмы расчета более простые исходя из кол-ва фотонов накачки (опираясь на мощность накачки) и концентрации красителя в деннице объема, освещенного этой накачкой. А уже применительно к концентрации и должен быть какой-то коэффициент, учитывающий все вероятностные факторы. К сожалению таких справочников у меня нет.

[Gall]

С поляризацией просто: молекула длинная, значит, скорее всего важно, колеблется ли электрическое поле вдоль молекулы или поперек. В той или иной мере поляризация играет во всех оптических явлениях. Но обычно ориентация неизвестна, поэтому конечный ответ просто усреднен по всем поляризациям.

Вынужденное излучение в принципе ничем не отличается от любой другой цепной реакции: один фотон захватило, два испустило взамен.

Простой расчет - да, есть, и как раз для него надо знать сечения взаимодействия. Бухгалтерия "1 молекула на 1 фотон" понятна, надо считать фотоны. Добрался до Звелто, вот картинка:

Это сечения взаимодействия в зависимости от длины волны. Накачка сигма_a и усиление сигма_e. Длина волны тут дана как волновое число (количество волн на сантиметр).

Времена жизни уровней для родамина 6Ж: верхний метастабильный - около 5 нс, паразитный от синглет-триплетной конверсии - 1 мс (!) в чистом растворе, 0.1 мкс при хорошем гасителе.

Теперь можно посчитать первую важную вещь: сколько надо иметь молекул на метастабильном уровне, чтобы фотон в резонаторе лазера скорее усилился, нежели потерялся в зеркалах или ушел на выход? Сможете уже, или более подробно объснить?

[acmajor]

Да, спасибо! Попробую разобраться, но это будет уже завтра.

[acmajor]

Жизнь, к сожалению, вносит свои корректировки в работу. Возвращаясь к обсуждению с проведенными опытами возникает закономерный вопрос. Как отличить люминесценцию от когерентного излучения в импульсном режиме однопроходного лазера? Судя по изображению пятна в торце трубки что-то генерит. Стекла Брюстера бесполезны (один проход). Думаю, что измерение фазы так-же безтолку, поскольку первые спонтанные фотоны в одном направлении могут возникать в любой точке объема. Вариант только один? ставить Брюстер и зеркала?

[Gall]

Излучение в один проход - еще не когерентное, оно называется "суперлюминесценция" и когерентность имеет только частичную. Если лазер входит в такой режим, это, как правило, плохо, потому что генерация тогда становится неуправляемой, от зеркал не зависящей, а когерентность - плохой. Отличить от простой люминесценции можно по наличию пространственной когерентности: такой луч, хоть и плохой, все равно направленный и не очень сильно расходится. На луч от кинопроектора похож. Отойти от кюветы подальше, подставить бумажку под предполагаемый луч, и все станет ясно.

Надо ставить зеркала. И может даже не просто зеркала, а что-то получше для селекции мод, дифрешетку, например, если хочется хорошую когерентность. Но чтобы это помогло, надо, чтобы суперлюминесценции не было. Либо уменьшить накачку, либо разбавить краситель. Если схема свалилась в суперлюминесцентный режим, толку от зеркал уже никакого не будет.

Окна именно Брюстера необязательны, можно просто всю кювету поставить под косым углом к зеркалам. Угол Брюстера желателен, но необязателен, отклоняться можно, и даже довольно сильно.

[acmajor]

Спасибо Gall. Я так и предполагал. Первоначальная цель была именно получить суперлюминесценцию за один проход (убедиться, что мой раствор с осветителем из светодиодных матриц что-то генерит или работает как усилитель). Луч действительно как от проектора. Расходимость в соответствии с телесным углом, под которым виден противоположный конец трубки. В дальнейшем конечно уменьшу концентрацию и на глухой конец поставлю дифрешетку.

[Gall]

Расходимость может быть великовата для суперлюминесценции. На непрерывном режиме в протяженной кювете ее в принципе трудно добиться. Что именно стоит в накачке и каких точно размеров кювета?

Вот если азотным лазером накачивать, тогда суперлюминесценция получается на раз, и бывает проблемой от нее избавиться.