3 Принципы реализации РОС-лазеров на органических красителях

3.1 Современные типы лазеров с РОС и основные трудности их дальнейшего развития

Идея лазеров с распределенной обратной связью (РОС-лазеры) была выдвинута в 1971 году коллективом авторов во главе С Ж.И. Алферовым и в дальнейшем развита в работах Когельника, Шенка и Казаринова, Суриса. Согласно этим работам в рабочей среде лазера создается периодическая, в простейшем случае одномерная структура, с периодически меняющейся вдоль оси z диэлектрической проницаемостью , где — период структуры. В случае поглощающей (или усиливающей) среды диэлектрическая проницаемость является комплексной величиной . При этом вещественная часть связана с показателем преломления , а мнимая часть связана с коэффициентом поглощения/усиления по мощности , где k – волновое число.

Дифракция излучения на подобной решетке приводит к формированию «прямой» и «обратной» волн, по аналогии с классическим «сосредоточенным» резонатором. Детальное описание работы растпределенного резонатора может быть дано с применением теории связанных волн, метода Флоке-Блоха или в борновском приближении многоволновой дифракции. Однако при любом подходе подобное решение, за исключением ряда частных случаев, сводится к численным вычислениям.

Лазеры с распределенной обратной связью обладают целым рядом уникальных характеристик: в первую очередь это высокая спектральная селективность и значительная разреженность спектра мод резонатора даже в случае малых линейных размеров. Особенно это касается спектра продольных мод. Если в случае резонатора Фабри-Перо длиной Lплотность продольных мод определяется как , где m – порядок моды, определяется из условия  и для реальных лазеров составляет величину 10⁴-10⁶,то для РОС-лазера с периодом структуры  разрешенными в продольном спектре будут длины волн , следовательно две ближайшие продольные моды будут отличатся по длине волны ровно в 2 раза, и с учетом спектральной селективности активной среды продольный спектр РОС-лазера можно считать фактически одноволновым. Поперечный спектр также сильно разрежен, что уменьшает расходимость генерируемого пучка и позволяет получить квазигауссово распределение интенсивности в пучке.

Эти особенности, а также наличие отработанных технологий получения регулярных структур в полупроводниковых кристаллах и кварцевых волокнах предопределили активное использование РОС (вариант: лазеры с распределенным брегговским отражателем) в полупроводниковых и волоконных лазерах. Переход на подобные лазеры, в частности, в телекоммуникационных сетях позволил увеличить скорость передачи данных в сотни раз за счет спектрального уплотнения каналов.

Многими научными группами ведется работа по созданию РОС-лазеров на других рабочих средах. Очевидно, что в газообразных активных средах и твердотельных кристаллах использование РОС малореально, поэтому еще одной, достаточно популярной средой для РОС-лазера являются растворы органических красителей и полимерные пленки ими окрашенные. Речь идет о т.н. «лазерных красителях», чаще всего это родамин C, родамин 6G, эритрозин, нильский синий и др.

Однако создание РОС-лазера на красителях столкнулось с рядом трудностей и остановилось на уровне лабораторных образцов, не имеющих заметных перспектив практического использования и дальнейшего развития. В нашей работе мы постараемся рассмотреть эти трудности и предложить возможные пути их преодоления.