Анизотропия распределения возбужденных центров и генерационные свойства активированных растворов и пористых стекол тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

I М V п

1 з ФЕВ 1995

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ •ХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ЯРЦЕВ Алексей Игоревич

АНИЗОТРОПИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕННЫХ ЦЕНТРОВ И ГЕНЕРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА АКТИВИРОВАННЫХ РАСТВОРОВ И ПОРИСТЫХ СТЕКОЛ

Специальность 02.00.04 - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Санкт-Петербург

1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Институте Точноц Механики и Оптики (Техническом Университете)

Научный руководитель

Доктор физико-математических наук, профессор

СЕЧКАРЕВ .

Алексей Владимирович

Научный консультант

Старший научный сотрудник

СМИРНОВ Валерий Сергеевич

Официальные о ппоненты

Доктор химических наук, профессор

КОРСАКОВ Владимир Георгиевич

Кандидат физико-математических наук, доцент

КОЗЛОВ Сергей Аркадьевич

Ведущая организация — НИИ ПП АО „Пластполимер"

Защита состоится „ <2 " ШлЛМУШ 1995 г. в^/у часов на заседании специализированного совета К 063.25.09 в Санкт-Петербургском Государственном Технологическом Институте (Техническом Университете)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб ГТИ (ТУ)

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной гербовой печатью учреждения, просим отправлять но адресу:

198013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, СПб ГТИ (ТУ), ученому секретарю специализированного совета.

Автореферат разослан „3 0 " января 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат химических наук

доцент

ПАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

уальность

В настоящее время перестраиваемые лазеры па красите-находят широкое применение в различных областях инеокой химии, связанных с исследованием возбуждеп-

0 состояния молекул. Лазерное излучение может исполь-аться как для перевода молекул реагентов в возбужден-

состояние, необходимое для протекания реакции в задан-

1 направлении, так и для воздействия на ход реакции в юткие промежутки времени, соизмеримые с временем азования продуктов реакции из возбужденных молекул-ивагоров Кроме того, исследование активной среды ера на красителе представляет большой интерес дляхнми-так как позволяет изучать вопросы, связанные с дншми-

I молекул за время жизни возбужденного состояния, тавом сольватпой оболочки, ролыо межмолекулярных имодействий.

Создание лазеров на красителях требует разработки (ых физико-химических методов исследования структу-активлой среды и ее характеристик, основанных на лапой внутрирезонаторной спектроскопии. Традиционно в качестве активных сред в лазерах на кителях используются растворы органических красней. Однако, несмотря па ряд общеизвестных достоинств — >стоту приготовления, высокий квантовый выход гене-(ни, такие системы обладают рядом существенных недо-тков, связанных, прежде всего, с размытием простран-.енно-угловых характеристик генерируемого излучения за большой величины градиента температурного нока-еля коэффициента преломления (Д/г/Д I). Последнее жительство предопределило поиск новых активных сред ¡1 лазеров на красителях, свободных от этого недостатка, ежде всего, широкое применение нашли различные твердо-[ьные матрицы на основе органических полимеров и неор-гаческих веществ, способных адсорбировать молекулы асителей. Одним из наиболее перспективных объектов, тользуемых в современных лазерах и преобразователях зерного излучения на основе красителей, является актированное пористое стекло (ПС). Лазер на твердотельной жлянной пористой матрице, активированной молекула-[ красителей, обладает лучшими пространственно-угловы-

ми характеристиками, чем лазер на растворе, в частности, существенно меньшей расходимостью излучения. Однако, до сих пор генерацию света удалось получить только при возбуждении образца активированного ПС лазерным излучением наиосекундной длительности.

Сказанное определяет актуальность экспериментального изучения физико-химических процессов, происходящих в активной среде лазера на красителе при возбуждении стимулированным излучением наносекундной длительности методами лазерной спектроскопии. Практическое применение микрокомпозиционных материалов в лазерной технике обуславливает актуальность поиска возможностей создания новых лазерных систем на основе активированных ПС.

Целью работы являются исследование анизотропии распределения возбужденных центров активной среды лазера на красителе на основе разработки адекватных методик эксперимента и физических моделей, а также получение генерации света на активированном ПС при микросекундной накачке.

Основные задачи исследования:

1. Разработка метода внутрирезонаторной селекции компонент поляризации для исследования физико-химических свойств активных сред лазеров на красителях в растворах и пористых стеклах при линейно поляризованном лазерном возбуадении наносекундной длительности.

2. Экспериментальное изучение и выявление зависимостей излучения активных сред при внутрирезонаторной селекции компонент поляризации и различных мощностях накачки.

3. Разработка физических моделей, объясняющих наблюдаемые закономерности, количественная оценка физико-химических параметров исследуемых систем.

4. Получение генерации света на активированном молекулами красителе ПС при микросекундной накачке и изучение ее спектральных и пространственно-угловых свойств.

Научная новизна и практическая ценность работы

1. Разработан и апробирован новый перспективный метод исследования поляризационных характеристик излучения генерации систем „растворитель - краситель" и активирован-

е ПС, основанный на внутрирезонаторной селекции компо-!1Т поляризации.

2. С помощью данного метода выявлены зависимости ве-щшы анизотропии распределения возбужденных центров /ченных систем (Лр) в пороговом и надпороговом режи-х возбуждения от вязкости среды и мощности накачки, "ислен ряд физико-химических параметров, определяемых иродой молекул активатора и растворителя. Произведена герпретация установленных экспериментальных законо-рносгей на предложенных в работе физических моделях, бывающих поведение молекул красителя в растворах дсорбироваипом состоянии.

3. Впервые получена и исследована генерация света на гивированном красителем пористом стекле при микро-:ундной лазерной накачке, моделирующей ламповую.

Достоверность экспериментальных результатов данной юты обеспечивается тщательностью разработки методик :иеримента, хорошей воспроизводимостью результатов из-эепий, оценкой погрешности эксперимента, соответствием ературным данным. Предложенные физические модели тветствуют существующим представлениям о природе :войствах межмолекуляриых взаимодействий в конден-оваиных системах.

цшцаемые положения

1. Результаты экспериментальных исследований поляри-ноннмх характеристик изученных систем, полученные юмощыо разработанной методики измерений вели1шны зотропии распределения возбужденных центров (Лр)

растворов красителей и активированных ПС.

2. Обнаружение особенностей зависимостей величины зотропии распределения возбужденных центров (Ар) вязкости растворителя, природы активатора и мощности Зуждеиия.

3. Обнаруженные зависимости величины Ар от времени ни молекул активатора в возбужденном состоянии, уров-ютерь системы и эффекта оптической ориентации молекул :ителя полем световой волны накачки при мощностях Зуждения, превышающих пороговую.

4. Результаты исследований концентрационных зависите» величины порога генерации для активированного ;ителем ПС при накачке лазерным излучением микро-'ндной длительности.

Апробация работы

Результаты работы были иредставлены на VI Всесоюзной конференции „Органические люминофоры и их применение в народном хозяйстве" (Харьков, 1990 г.). Материалы работы докладывались на конференции пррфессорско-преподава-тельского состава ЛИТМО (1989 г.), на семинарах кафедры физики СП6ИТМ0 в 1988-1994 гг.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, кроме того, одна работа находится в печати. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из 5 глав, заключения и приложения; содержит 110 страниц машинописного текста, включая 21 рисунок и 4 таблицы. Список литературы содержит 82 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности изучения анизотропии распределения возбужденных центров активной среды лазера на красителе, которая определяет поляризационные характеристики излучения генерации. Также показана важность практической значимости получения и исследования основных параметров стимулированного излучения активированного ПС при лазерной микросекундной накачке. Сформулированы основные задачи и цели работы.

В первой главе приведен анализ работ, имеющихся в литературе и посвященных изучению физико-химических свойств растворов красителей и адсорбатов при их возбуждении линейно поляризованным светом, а также исследованию генерационных свойств активированных пористых стекол. В разделе 1.1 проанализированы работы, связанные с исследованием поляризационных свойств излучения активных сред лазеров на красителях. Поляризация является одной из важнейших характеристик света наряду со спектральным составом, интенсивностью, направлением распространения и др. Изменения физико-химических свойств молекул, напри-

:р, связанных с образованием новых химических соединяй или их разрушением, находят отражение в этих харак-ристиках. Поляризация излучения (в том числе и вынуж-ннога) растворов красителей несет важную информацию 5 анизотропии распределения молекул активатора в момент (ысвечивания", а также о динамике процессов, проходящих растворе за время жизни молекул в возбужденном состоя-ш, составе сольватной оболочки и др. Анизотропия расселения возбужденных центров (Ар), как показано во ■югих классических работах (например, работах Б. И. Сте-нова, Дж. Лаковича), задает анизотропию люминесценции :стемы „активатор-растворитель" (Лл). Из ряда работ едует, что на величину Ар оказывают влияние вязкость (г?) температура среды (Т), которые определяют скорость юуновских поворотов, приводящих к деполяризации стемы. Этот деполяризующий фактор связан с соотно-знием между коэффициентом вращательной диффузии 'Вр) и временем жизни молекулы активатора в возбужден-м состоянии (тж). Зависит величина Ар и от физико-хи-1ческой природы молекул активатора. Из литературных нных следует, что в предельном случае (система жестко-крепленных осцилляторов) величина Ар не может пре-1шать 40 %. Между тем, известно, что для излучения ге-рации лазеров на растворах красителей значения анизо-оиии излучения (Лг) существенно выше, чем 40%. Этот сперименталышй факт требует объяснения. Таким обрам, исследование Ар внутрирезонаторными методами весьма туалыю.

В разделе ] .2 доказывается на основе известных положе-й, что некоторое влияние на величину Ар должно оказы-ть ориентирующее действие светового поля возбуждения зонансной частоты. На основании расчета проводится оцен-; величины эффекта оптической ориентации для молекулы |дамина 6Ж в растворе. Так, при плотности мощности воз-•ждающего излучения 10 МВт/см2, средняя энергия взаимо-йствия индуцированного диполя молекулы активатора электрическим полем световой волны составляет 1,4-103 эВ, о соответствует ~ 5 % от средней тепловой энергии молекул ш комнатной температуре и может приводить к реально блюдаемым величинам оптической ориентации молекул йсителя. В случае молекул родамина 6Ж, адсорбирован-.IX пористой стеклянной матрицей, возможно усиление [исанного эффекта, связанное со спецификой простран-

ственного распределения молекул активатора при адсорбции (фрактальное распределение).

В разделе 1.3 приведен обзор литературы, посвященной изучению спектрально-люминесцентных и особенно генерационных свойств активированных молекулами красителей пористых стекол. Пористая стеклянная матрица образуется в результате удаления при травлении в соляной кислоте натрия и бора из натрийборсиликатного стекла и является хорошим адсорбентом для многих веществ, в том числе и органических красителей. ПС, активированные красителями, широко используются в лазерной технике в качестве генерационных сред и преобразователей излучения. Такие активные элементы имеют значение температурного коэффициента преломления (Ati/AT) на два порядка ниже, чем жидкостные. Однако, эффективность таких преобразователей не превышает 5 % из-за значительного светорассеяния пористой структурой матрицы. Невелика и фотохимическая стойкость молекул, адсорбированных матрицей. Существенно улучшить эти показатели может введение в норы жидкостной или твердотельной (полимерной) иммерсии. Несмотря на большие достижения в создании таких образцов, до сих пор остается открытым вопрос о возможности создания лазера на твердотельной стеклянной пористой матрице при ламповой накачке. Поэтому получение и изучение генерации света на таких средах при лазерной микросекундной накачке, мо-делМрующей по длительности ламповую, представляется весьма важным.

Во второй главе описаны экспериментальные методики и объекты исследования. Для решения поставленных в данной работе задач потребовался ряд практических усилий. Во-первых, создание экспериментальной установки, регистрирующей излучение в области люминесценции и генерации исследуемых веществ и позволяющей измерять степень поляризации света при внутрирезонаторной селекции компонент поляризации, которая проводилась с помощью внесения в резонатор специального поляроида, выделяющего одну из составляющих поляризации. Простое поворотное устройство позволяло легко менять ориентацию внутреннего поляроида относительно направления электрическою вектора поля световой волны лазера накачки. В качестве возбуждающего лазера использовался серийный неодимовый ОКГ ЛТИПЧ (2-я гармоника, Аг =532 нм), накачка осуществлялась в поперечном варианте. Зеркала резонатора 3, и 32 были плоскими

и имели коэффициенты отражения в области генерации исследуемых красителей 0,99. При работе установки в пороговом режиме возбуждения, порог генерации при различных ориентациях внутреннего поляроида относительно направления поляризации излучения накачки определялся визуально, для падпорогового режима - с помощью фотоприемника, состоящего из фотоэлемента ФД-К-155, интегрирующей схемы и цифрового вольтметра В7—16А. Схема установки представлена на рис. 1.

Объектам! исследования были растворы красителей родамина 6Ж и 6-аминофеноленона в органических растворителях различной вязкости: ацетоне, этаноле, пентаноле-2, эгандиоле, пропантриоле-1,2,3 (глицерине). Величина вязкости определялась с помощью капиллярного вискозиметра Оствальда. Выбор данных красителей был обусловлен их хорошими генерационными свойствами при используемом возбуждении (Хг = 5 65 нм —родамин 6Ж, Хг = 620 нм — 6-аминофеиоленон), значительной растворимостью в применяемых растворителях, разными значениями времени жизни (гж) в одних и тех же растворителях.

Образцы ПС изготавливались из натрийборсиликатного стекла марки ДВ-1М по технологии, разработанной на кафедре химии Санкт-Петербургского Института Точной Механики и Оптики. Готовые к применению ПС имели сквозную пористую структуру с суммарным объемом пор ~ 25 % от общего объема; размеры пор составляли в среднем величину ~ 80 А, средняя концентрация их равнялась ~ 2 • 1018 см-3.

Концентрации молекул красителей в растворах составляли величины порядка 2 • 1016 см"3 — для родамина 6Ж,

Кю8ета

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

~ 1017 см"3 - для 6-аминофеноленона. Введение молекул красителя в матрицу осуществлялось путем адсорбции из этанолыюго раствора, концентрация определялась спектро-фотометрически по убыли молекул активатора из раствора.

Вторая практическая задача была связана с разработкой установки для получения и исследования излучения генерации активированного ПС при микросекундной лазерной накачке. В качестве возбуждающего лазера был использован лазер на растворе красителя кумарина 7 в этаноле, созданный в ВНЦ „ГОИ им. С. И. Вавилова", который позволял получать импульсы стимулированного излучения длительностью ~ 2 мкс на длине волны ~ 523 нм при уровне энергии возбуждения до 12 - Ю-3 Дж. Полученное излучение генерации активированным ПС фотографировалось. Снимались также осциллограммы полученных импульсов. Концентрация молекул красителя (родамин 6Ж) варьировалась от ~.5 • 1017 см"3 до ~ 1019 см"3.

В главе 2 приведены подробные схемы используемых экспериментальных установок, представлены данные о значениях времен жизни молекул исследуемых красителей в некоторых растворителях и ПС.

Третья глава работы посвящена исследованию анизотропии растворов красителей и активированных ПС по распределению возбужденных центров при линейно поляризованном лазерном возбуждении наносекундной длительности при мощностях накачки, близкой к пороговой.

В параграфе 3.1 формулируется основная идея разработанного метода внутрирезонаторной селекции компонент поляризации — формирование направления поляризации излучения генерации путем внесения внутрь резонатора поля-роидной пленки, которая выделяет одну из составляющих (компонент) поляризации. В параграфе 3.1 показано, что в пороговых условиях возбуждения величина Ар может быть вычислена по формуле

- Р>" ~ ' рЧр" +2

Лр=-Т7~7~— (1)

где р", р1-- пороговые скорости накачки при различных ориентациях внутреннего поляроида, параллельно или перпендикулярно, направлению вектора поляризации световой волны возбуждения.

В разделе 3.2 приводятся результаты исследования анизотропии распределения возбужденных центров исследованных систем при накачке, близкой к пороговой, измеренные с по-

Таблица 1. Анизотропия распределения возбужденных молекул (Ар) и анизотропия люминесценции (Ап) родамина 6Ж и 6-аминофеноленона в различных растворителях и-пористых стеклах

Растворитель

Ацетон

Этанол

Пентанол-2

Этапдиол

Глицерин

Активир. ПС

Вязкость, сП

Родамин 6Ж

0,3 1,2 4,5 15,0

800

0 5

14 22 38 40

Ап.%

1 5 12 18 36 38

Этанол Пентанол-2 Этандиол Глицерин

6-А минофеноленон

1,2 1

4,5 2

15.0 8

800 32

0 0 6

30

мощью предложенного метода и рассчитанные по формуле (1) (табл. 1). Из таблицы видно, что значения Ар практически полностью совпадают со значениями анизотропии излучения люминесценции, измеренными обычным способом. Этот

факт позволяет предположить, что при мощности накачки, близкой к пороговой, возможно применение известного соотношения Левшина — Перрена для поляризованной люминесценции.

Из классических работ известно, что молекула активатора за время жизни возбужденного состояния (тж) может испытывать броуновский поворот, связанный с гБ - време-*ем корреляции ориентации. В случае диффузионного характера движения гБ - время корреляции релаксационных по-юротов. Равенство величин Ар и Ап позволяет сделать вывод ) применимости известного соотношения Левшина—Перрена

тж

1дя поляризованной люминесценции А =А0 /1 + -—, что в данном случае приводит к следующей формуле:

■де В — эмпирический параметр, который может быть определен для саждой из исследованных систем экспериментально (А0 - значение «изотропии возбужденных центров в предельном случае - в отсутствие броуновского поворота за время жизни возбужденного состойся: например, в глицериновых растворах.

Рис. 2. Зависимость величины А р от вязкости растворителя.

Точки - экспериментальные данные; кривые — расчет по формуле (2). Накачка — близкая к пороговой, концентрации красителей — 2 X X 1016 см"3 — родамин 6Ж и К)" см"3 — 6-аминофеноленон Системы: ] — „растворитель —родамин 6Ж"; 2 - „растворитель — 6-аминофеноленон"

Растворители: ацетон (т? = 0,3 сП), этанол (г)=1,2 сП), пентанол-2 (ц = 4,2 сП), этш.енгликоль (ц = 15 сП), глицерин (г) = 800 сП)

Результаты исследования зависимостей величин Ар от вязкости систем представлены на рис. 2 (точки — экспериментальные данные, кривые - расчет по формуле (2). Хорошее совпадение расчетных значений с экспериментом и сам характер полученных зависимостей подтверждает предположение о применимости соотношения, аналогичного формуле Лсвши-на-Перрена в пороговом режиме возбуждения. Из полученных данных удалось вычислить значение эффективного объема молекулы активатора К для системы „родамин 6Ж-этанол" но формуле У = тжкТ/Вг}2, где к - константа Больцма-на. При 293 К, V равен 1,6 • 10""26 м3. Знание предельных значений А0 (38 % для родамина 6Ж и 30 % для 6-амино-феноленоиа в глицерине) позволило определить величину угла между диполями излучения и поглощения (д). Он может быть вычислен по формуле = у/ —^—~ , где Р0

0 ~

(степень поляризации) равна ЗЛ0/2 + А0. Величины х) оказа-

ись равными 21° (для 6-аминофеноленона) и 12° (для одамина 6Ж).

Полученные значения Ар могут быть также использованы пя определения коэффициента вращательной диффузии \р) по формуле Левшина — Перрена, записанной в виде р = Л0!\ + 6£)ирГж Для этанольного раствора родамина 6Ж н оказался равным 2,6 • 108 с"1 (тж =4,5 не), а для адсор-ированных в ПС молекул родамина 6Ж - 1,6 ■ 106 с"1 (тж = 5,4 не). Зная £>иможно оценить размер вращающейся

ГТт—^

бласти с помощью формулы Я - у--, где К. — радиус

8я£>врг)

ращающейся сферы. Значение Я = 17 А близко к сумме сред-его радиуса молекулы родамина 6Ж (~ 7 А) и среднего диа-ктра молекулы этанола (~ 10 А). Это служит подтвержде-ием того факта, что вместе с молекулой активатора враща-гся также и первая координационная сфера сольвата.

Раздел 3.3 представляет краткое резюме полученных вы-1е результатов.

Глава 4 описьтает исследования величины Ар методом нутрирезонаторной селекции компонент поляризации при ровнях накачки выше пороговой.

В параграфе 4.1 показано, что в надпороговых условиях еличина анизотропии распределения возбуждения центров сследуемой системы может быть определена с помощью юрмулы

,1 =---Д---'---, (3)

р X - 1 с ЛI Ь + 2

X' - 1

це а - отношение числа фотонов в резонаторе при двул ориентация^ оляроида-анализатора; X - превышение мощности накачки над постовой для соответствующих ориентации поляроида-анализатора вну-ри резонатора относительно направления поляризации света возбуж-.аищет лазера.

В этом же параграфе представлена схема расчета Ар по формуле (3). Результаты расчета величины Ар для различных I' приведены в табл. 2, из которой видно, что значения анизо-•ропии системы по возбужденным центрам увеличиваются по л ере роста ЛГ, но всегда остаются существенно меньшими, чем шачения анизотропии излучения свободной генерации 04г). 1ричины этого явления рассматриваются в параграфах 4.2 и 4.3.

Таблица 2. Зависимость анизотропии распределения возбужденных молекул родамина 6Ж (/!„) в растворах от превышения мощности накачки над пороговой (л) и анизотропия излучения свободной генерации (/1г)

Растворитель Аг.%

Х-2 Х=А ': X = 8

Ацетон*

Этанол

Пентанол-2

1 5 14

2 6 16

7 12 22

25 60 90

* При 16 для системы „ацетон — родамин-бЖ" 4Р= 10 <

В разделе 4.2 проводится расчет величины Ар как функции от времени жизни молекулы активатора в возбужденном состоянии (гж). Для этого предлагается упрощенная формула

7ж

(4)

Рис. 3. Зависимость анизотропии распределения возбужденных центров исследованных систем (Лр) от превышения мощности накачки над пороговой (X):

точки — экспериментальные данные; кривые — расчет по формуле (4) ; пунктирная кривая - расчет по формуле (5)

1 - ацетон — родамин 6Ж; 2 - этанол — родамин 6Ж; 3 - пентанол-2 -родамин 6Ж

»ультаты расчета по этой формуле представлены на рис. 3. к видно из этого рисунка, для лучшего соответствия рас-га экспериментальным данным необходимо учитывать таки другие факторы, влияющие на величину Ар.

Влияние дополнительных факторов — уровня потерь сис-иы и эффекта оптической ориентации молекул красителя пем световой волны возбуждения рассматривается в раз-1е 4.3.

Учесть все факторы, оказывающие влияние на величину „ можно используя формулу (5):

АР=А*Ц +--ГТГТГу—ГГ ' (5)

^ ГБ [1 + У (X - 1)

! Ф — логарифмический коэффициент потерь системы, который жет быть определен экспериментально по формуле <р = сг2Лгв/тж/в - ссчение поглощения света молекулой красителя; / — дайна рабо-о слоя; /д - интенсивность возбуждения; - концентрация мо-сул активатора).

Л* определяется из формул, теоретически обоснованных параграфе 1.2, и учитывает эффект оптической ориентации шекул красителя полем световой волны возбуждения. Ре-пьтат расчета по этой формуле для системы „этанол — рода-1Н 6Ж" представлен на рис. 3 (пунктирная кривая). Из с. 3 видно, что расчетные данные хорошо коррелируют с спериментальными.

Результаты исследований, описанных в главе 4, суммиро-ны в разделе 4.3.

Глава 5 имеет прикладной характер и посвящена пробле-1м получения генерации света активированным красителем 1 при лазерной накачке микросекундной длительности, щелирующей ламповую.

В параграфе 5.1 описывается получение импульсов генера-и на образце активированного родамином 6Ж ПС при воз-ждении в продольном варианте излучением кумаринового зера. Исследуются пространственно-угловые характеристи-[ полученного излучения. На рис. 4 представлены микро-уго граммы излучения генерации света „сухим" активиро-нным ПС в плоскопараллельном (а) и конфокальном (б) зонаторах. Применение второго типа резонатора позволяет щественно снизить расходимость излучения. При этом для ¡разца ПС толщиной ОД см пороговая энергия накачки со-авила ~ 6 • 10"3 Дж, что всего в 1,5 раза больше, чем в слу-

чае применения илосконараллельного резонатора. Использование этанольного раствора красителя в этом случае привело к резкому (почти на порядок) возрастанию величины пороговой энергии генерации из-за большой величины температурного коэффициента показателя преломления (Ап/АТ). На рис. 5 представлены результаты исследования временной зависимости интенсивности генерации. Соответствующие осциллограммы показали, что форма импульса генерации на активированном ПС в отличие от этанольного раствора в точности повторяет форму импульса накачки. Этот результат позволяет считать, что рост наведенных накачкой потерь в течение импульса генерации в лазере на ПС существенно меньше, чем при использовании этанольного раствора.

Параграф 5.2 посвящен изучению концентрационной зависимости пороговой энергии генерации для активированного ПС и этанольных растворов родамина 6Ж. .Как видно из рис. 6, оптимальная для достижения порога генерации концентрация возрастает при переходе от раствора к активированно-

Рис. 4. Микрофотограммы дальнего поля генерации в нлоско-парап-лельном (а) и конфокальном (б) резонаторах лазера на активированном ПС при микросекуидной лазерной накачке

Рис. 5. Осциллограммы импульсов генерации возбуждающего лазера (а), исследуемого лазера на активированном ПС (б) и на этанольном растворе (в) в плоском резонаторе

а

5мрад

2мкс

'ис. 6. Зависимость ио-эоговой энергии накачки Т^^р от концентрации мокнул активатора (родамин 6Ж) в активной среде:

( — этанольнмй растиор; 2 -,сухое" ПС

¥ 10 с; 2

15 -

чу ПС. Такой характер « = концентрационной зави- 5 ж мо ста свидетельству-¡т о более высоком

* а

я ~

/ровне потерь в „су- , |_|

ком" активированном 17 18 19 1дгС

ПС, для частичной компенсации которых требуется увеличение концентрации. Введение в поры матрицы зтанольной иммерсии позволило уменьшить величину пороговой энергии генерации в 1,5 раза, что свидетельствует о перспективности иммертированного ПС.

Анализ результатов исследования генерационных свойств активированной стеклянной пористой матрицы проведен в параграфе 5.3. Подчеркнуто, что Г1С обладает рядом преимуществ по сравнению с раствором красителя из-за минимального значения Дп/АТ. Получение генерации на активированном ПС является важным шагом на пути создания лазера на основе стеклянной матрицы. Дальнейшие направления исследования, вероятно, будут связаны с использованием твердых иммерсионных сред для уменьшения светорассеяния и с разработкой конструкций для эффективного лампового возбуждения тонкослойных сред на основе активированного ПС.

Приложение содержит несколько практических результатов, связанных с изучением влияния на величину порога генерации толщины стеклянной матрицы (при микросекундной накачке) и влияния вязкости растворителя на величину порога генерации при наносекундном возбуждении. Эти результаты содержат ценную информацию для дальнейших исследований, связанных с изучением генерационных свойств активированных растворов и ПС.

ВЫВОДЫ

1. Разработан новый метод экспериментального исследования анизотропии распределения возбужденных центров (Ар) активной среды лазера на красителях, основанный иа

внутрирезонаторнои селекции компонент поляризации. Проведена апробация метода на ряде систем „растворитель — краситель" и активированном ПС.

2. Предложены механизмы процессов, приводящих к изменению величины Ар. Показано, что в пороговом режиме возбуждения она зависит от вязкости среды (??), эффективного объема молекулы (У), времени жизни молекулы активатора в возбужденном состоянии (тж) и величины угла между диполями поглощения и испускания (#). Эта зависимость может быть выражена формулой, аналогичной соотношению Левшина - Перрена для поляризованной люминесценции. В надпороговом режиме возбуждения изменение величины Ар обусловлено в основном конкуренцией двух процессов -сокращения тж за счет увеличения вынужденных переходов и роста нелинейных потерь, связанных с термооптическими искажениями. Предложена формула, позволяющая учесть сокращение гж при превышении мощности накачки над пороговой.

3. По экспериментальным данным рассчитаны: коэффициент вращательной диффузии (Оир) для этанольного раствора родамина 6Ж и активированного этим красителем ПС, размер вращающейся области (Л) для системы „этанол — родамин 6Ж", величины угла г> для исследованных молекул красителей. Сделан вывод о вращении молекул растворителя, образующих первую координационную сферу в системе „этанол - родамин 6Ж".

4. Впервые получена генерация света на активированном родамином 6Ж пористом стекле при лазерной накачке микросекундной длительности.

5. Исследованы'пространственно-угловые характеристики и временные параметры полученного излучения. Показано, что фазовые искажения резонатора в течение времени импульса генерации существенно меньше, чем для лазера на этаноль-ном растворе родамина 6Ж благодаря небольшому значению температурного коэффициента показателя преломления (Ап/АТ) в ПС. Изучено влияние на величину порога генерации толщины образца, концентрации молекул активатора, иммер-тирования этанолом. На основании этих данных предложены направления оптимизации процесса получения генерации света на активированном ПС.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Смирнов В, С., Земский В. И., Ярцев А. И. Исследование некоторых характеристик генерации света сухим пористым стеклом,активированным родамином 6Ж, в резонаторе с малой базой при микросекундном лазерном возбуждении. // Оптика и спектроскопия, 1990, Т. 68. В. 4. С. 960-962.

Смирнов В. С., Ярцев А. И., Сечкарев А. В. Исследование анизотропии люминесценции методом внутрирезонагорной селекции компонент поляризации // 6-ая Всесоюзная конференция „Органические люминофоры и их применение в народном хозяйстве", Тезисы докладов. 1990. Харьков. Т. 2. С. 193.

Земский В. И., Колесников Ю. Л., Смирнов В. С., Ярцев А. И. Исследование спектральных и генерационных характеристик молекул красителей, адсорбированных на поверхности пористого стекла // Сборник „Спектрохимия внутри- и межмолекулярных взаимодействий". Л., 1991. В. 5. С. 104-117.

Бегер В. И., Сечкарев А. В., Ярцев А. И. Проявление оптического эффекта Керра в параметрах спектров флуоресценции молекул красителей в растворах и в адсорбированном состоянии // В сборнике „Физика и химия конденсированного состояния". Кемерово. 1993. С. 114-156.

Смирнов В. С., Ярцев А. И. Метод внутрирезонаторной селекции компонент поляризации для исследования анизотропии растворов красителей в режиме генерации // Оптика и спектроскопия. 1993. Т. 75. В. 4. С. 898-903.

11.01.95. Зак. 3 Ч • Отпечатано в ППО-1-7, Марата, 12.