Физика лазерных систем: эксимерный лазер на хлориде ксенона - лазер на красителе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи Для служебного пользования № £

УДК 535.37:539.194:621.373 ТЕЛЬМИНОВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ

. ФИЗИКА ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ: ЭКСИМЁРНЫЙ ЛАЗЕР НА ХЛОРИДЕ КСЕНОНА - ЛАЗЕР НА КРАСИТЕЛЕ

01.04.05-оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ТОМСК-1998

Работа выполнена в Сибирском ордена Трудового Краевого Знамени. физико-техническом институте им. В.Д. Кузнецова Томского государственного университета им. В.В. Куйбышева

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, зав. лабораторией лазерной физики КОПЫЛОВА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ЯНЧАРИНА АЛЕКСАНДРА МАКАРОВНА; -кандидат физико-математических наук, старший на}чный сотрудник ЮДИН НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ • Ведущая организация - Институт оптики атмосферы СО РАН

Защита состоится 1998 г. в час на заседании

диссертационного совета К 063.53.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук в Томском государственном университете по адресу: 634050, г.Томск, прЛенина, 36, 2-й уч.корпус, ауд. 115

С диссертаций можно ознакомиться в Научной библиотеке ТГУ.

Автореферат разослан _

1998 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета кандидат физико-математических

наук, доцент об иА-ЬО^ ' Г.М.Дейкова

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Прогресс в развитии мощных перестраиваемых лазеров на растворах органических соединений в значительной степени обязан появлению в конце 70-х годов мощных ультрафиолетовых источников возбуждения - элеюроразрядных эксимерных лазеров. Они обладают уникальными параметрами возбуждающих импульсов: высокой мощностью излучения, высокой энергетичностью кванта, крутизной переднего фронта импульса и т.д. Возможность достижения высоких скоростей повторения импульсов в эксимерных лазерах делают их перспективными для накачки лазеров на красителях. Лазеры на растворах органических соединений широко используются в научных исследованиях: в области спектроскопии, нелинейной оптике, фотохимии, биологии и медицине, разделении изотопов, зондировании моря и атмосферы (сине-зеленый диапазон). Импульсные лазеры на красителях с когерентной накачкой генерируют лазерное излучение в широком диапазоне от ближнего УФ диапазона (320 нм) до ближней ИК области спектра (1200 нм). Уникальность их заключается в возможности получения узкой линии (доли пикометра) в широкой непрерывной области спектра излучения (до 50 нм). В этом случае внутрь резонатора помещаются дисперсионные элементы: дифракционные решетки, интерференционные фильтры, эталоны Фабри-Перо и др., при этом пространственная когерентность и расходимость могут быть близки к теоретическому пределу. По плотности мощности в импульсе лазеры на красителях стоят в одном ряду с лучшими лазерами, их пиковая мощность достигает 100 МВт, при энергии в импульсе в несколько джоулей. Лазерные системы с накачкой эксимерными лазерами, обеспечивающие получение излучения в сине-зеленом диапазоне спектра, имеют пиковую мощность, большую, чем с УАО-накачкой в 3 раза, среднюю мощность, большую в 5 раз, и поэтому они широко используются в ДПР-лндарах.

Начало данной работы относится к 1980 году, когда в Институте сильноточной электроники СО АН СССР г.Томска при участии автора были созданы первые эксимерные лазеры. Дальнейшая работа автора была направлена на создание эксимерных лазеров, генерирующих излучение на различных длинах волн (КтИ*- 248 нм, КгСР- 222 нм, ХеС1*- 308 нм и др.) с различной энергией, формой и длительностью импульса, а также их использования для накачки растворов органических соединений.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является.

- разработка, создание и исследование электроразрядных эксимерных лазеров для накачки органических соединений;

- исследование особенностей генерации органических соединений при возбуждении их излучением эксимерных лазеров;

- создание мощных лазерных систем на их основе.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в следующем:

- показана принципиальная возможность получения генерации транс-стильбена (т,м = 10 не, \У114К = 30-35 МВт/см2, = 308 нм);

- найдены оптимальные условия возбуждения замещенного пара-терфенила в этанольном растворе (JIOC-1) и экспериментально осуществлена его генерация с высоким КПД преобразования (~ 43%);

- экспериментально установлена корреляция между изменением отношения длительности импульса генерации к длительности импульса накачки (тГе„/т1Их) и изменением протекающих фотопроцессов для разных классов красителей (ксантенов, кумаринов, оксазолов);

- созданы кюветы (иовета-призма, юовета-конус), обеспечивающие высокую эффективность преобразования излучения эксимерных лазеров (авторские свидетельства №1533596, №1556495);

- предложена схема лазера с использованием двух усилителей, выполненных в виде призм полного внутреннего отражения и задающего генератора, резонатор которого образован двумя дифракционными решетками, одна из которых работает в режиме скользящего падения, а вторая - в автоколлимационном режиме, и выходным зеркалом; такая схема позволяет преобраз. вьшать излучение накачки с энергией накачки > 1 Дж (авторское свидетельство на полезную модель №251).

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. В условиях возбуждения мощным коротким импульсом (т11а1( = 10 нс, W„at = 20-35 МВт/см2) ХеС1*-лазера (¡W = 308 нм) возможна генерация транс-стильбена (/.rtl, = 350 нм) вследствие конкуренции процесса вынужденного излучения в этих условиях с процессом транс-цис-изомеризации, приводящей к малой эффективности спонтанного излучения транс-стильбена (квантовый выход флуоресценции у = 0.05) и отсутствию его генерации.

2. В условиях возбуждения в максимум полосы поглощения (Х^ак = 308 нм) при плотности мощности возбуждения 10-25 МВт/см2 и оптимальном отношении ширины зоны возбуждения к ее длине, равном 0.2, а также минимизации потерь в канале триплетных состояний (т„а* = 10-20 нс) возможно осуществление генерации активной среды на основе этанольнэго раствора замещенного пара-терфенкла (JIOC-1) с максимальным КПД в УФ диапазоне спектра (43%, A«,, =375 нм).

3. Изменение отношения длительности импульса генерации к длительности импульса накачки (тгаЛнак) лазерных красителей различного молекулярного строения коррелирует с изменением определяемого совокупностью протекающих фотофизических процессов в молекулах:

- для ксантеновых красителей (Цжд > 500 нс) характерна незначительная деформация импульса генерации (xTcJxlva = 0.9), что связано с оптимальной в генерационном отношении совокупностью фотопроцессов в них (в частности, малым Т-Т поглощением);

- для красителей сине-зеленого диапазона спектра (кумарины) (tllpea ~ 100 нс) наведенное поглощение й фстораспад приводят к большей деформации

импульса излучения (тгс„/тиа(: = 0.8);

- для красителей УФ-диапазона спектра (оксазолы) (11фСд ~ 30 не) сильная деформация импульса излучения (тгаЛИ1ис = 0.3) вызвана влиянием сильного наведенного поглощения в канале триплетных состояний; причем увеличение энергии импульса на порядок (30-300 мДж) приводит к уменьшению тГС1:/т1и1 до 0.19.

4. Использование явления полного внутреннего отражения света (ПВО), а также фокусирующих свойств аксиконовых отражателей обеспечивает создание кювет мощных лазеров на красителях (иовета-призма, кювета-конус), способных преобразовывать излучение эксимерных лазеров с энергией в импульсе » 1 Дж с высокой эффективностью (больше 25%).

5. Максимальный КПД преобразования (18.8%) мощного узкополосного пазера на красителях (кумарин 2) (ДА < 0.01 нм), работающего в режиме задающий генератор - предусилитель - усилитель (ЗГ-ПУ-У) (резонатор ЗГ образован двумя дифракционными решетками, одна из которых работает в режиме скользящего падения, в усилителях - кюветы-призмы полного внутреннего отражения) реализуется при энергии импульса накачки > 1.5 Дж, длительности импульса т < 50 не, длительности переднего фронта < 10 не, :ечении пучка выходного излучения 38 х 14 мм и расходимости вертикальной гпоскости й 1 мрад, в горизонтальной - 3 мрад.

ДОСТОВЕРНОСТЬ результатов работы подтверждается:

- воспроизводимостью результатов по получению генерационных гарактеристик исследуемых объектов;

- непротиворечивостью с результатами работ других авторов;

- полученные результаты укладываются в представления о физических троцессах, протекающих в молекулах.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается в следующем:

- созданы высокоэффективные (с КПД > 30%) и фотостабильные (10 4Дж/л) композиции на основе кумариновых красителей (К102, УК1, УК4, С2), излучающие в сине-зеленом диапазоне спектра при накачке излучением <еС1*-лазера;

- получена генерация нового поколения красителей ближнего ИК иапазона спектра = 625-823 нм, имеющих высокий ресурс работы (до 1 ЛДж/л) при возбуждении мощным УФ излучением эксимерных лазеров (А= 108 нм);

- разработаны высокоэффективные активные 'среды ближнего УФ тапазона спектра на основе пара-терфенила, генерирующие в этаноле с КПД • 40% при накачке ХеС1*-лазером;

- разработаны и созданы мощные перестраиваемые лазеры на красителях МЖЛ-01 и МЖЛ-03) с энергией в импульсе 3.2 Дж, ДА = 0.1 нм ( МЖЛ-01);

энергией в импульсе 200 мДж, ДА = 0.01 нм ( МЖЛ-03)при накачке ХеО*-азером.

АПРОБАЦИЯ ДИССЕРТАЦИИ. Результаты работы доложены на всесоюзных и международных конференциях: Всесоюзном совещании «Инверсная заселенность и генерация на переходах атомов и молекул» г.Томск, 1986г.; Всесоюзной школе-семинаре «Лазерное и спектральное приборостроение» г.Минск, 1986г.; Международной конференции «Перестраиваемые лазеры» Байкал, 1989г.; VI Всесоюзной конференции "Органические люминофоры и их применение в народном хозяйстве" Харьков, 1990г.; Совещании по лазерному современному приборостроению, С-Пстербург, 1991г.; Международной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул", Томск, 1992,1995,1997гг.; Intem.conference "Laser's'94" Canada; Международной конференции по лазерной физике и спектроскопии, г.Гродно (Беларусь) 1995г.,1997г.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Диссертация изложена на [-¿Л страницах, содержит рисунков, / таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения (основные результаты ивыводы). Список работ соискателя и используемой литературы содержит flu наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Во введении обсуждается актуальность работы, формулируется цель и основные задачи, требующие решения. Дается общая характеристика работы, отмечается практическая значимость и научная ценность результатов, Освещается личный вклад автора в результаты научных исследований.

ГЛАВА 1. Эксимерные лазеры - перспективные источники накачки органических красителей.

В главе 1 описаны физические принципы работы эксимерных лазеров к обсуждены типы систем накачки электроразрядных эксимерных лазеров Установлены закономерности изменения энергетических параметре! эксимерных лазеров в зависимости от состава рабочей смеси, давления системы предыонизации и параметров разрядного контура. Показано, чте оптимизация параметров разрядного контура имеет немаловажное значение для генерационных характеристик лазера. Варьированием соотношение емкостей системы питания разряда, составом смеси, давлением в эксимерньс лазерах можно изменять в широких пределах условия разряда, то есп накачки, и таким образом управлял, энергетическими, временным! характеристиками излучения, а также формой импульса. Намечены пуп создания эксимерных лазеров с параметрами излучения необходимого да эффективной накачки лазеров на красителях.

ГЛАВА 2. Экспериментальная база и методики исследования.

В главе 2 описаны эксимерные лазеры, используемые в экспериментах Нами применялись несколько моделей электроразрядных эксимерньп лазеров, разработанных в ИСЭ СО РАН (ЭЛАН, ЛИДА). Они бьцп модернизированы в плане обеспечения параметров, необходимых да накачки красителей (ресурса работы, формы и длительности импульс

илучения, стабильности, удобства обслуживания и ремонта). Также дано шисаиие созданного нами электроразрядного эксимерного лазера ЛУФИ-100 : длительностью импульса излучения до 100 не по основанию. Исследованы к энергетические и временные характеристики в зависимости от питающего 1апряжения, давления, состава смеси. Основные параметры используемых тми лазеров приведены в таблице 1.

Таблица 1

Эксимерные ХеС1*-лазеры применяемые в экспериментах по

возбуждению генерации органических соединений

Тип Еге„.мДж Пучок, мм Частота, Гц тга„ НС Импульс

ЭЛАН 80 10x25 до 5 20 л

ЛИДА-101 800 34x18 одиночный 35 J\

ЛИДА-КТ 400 32x14 одиночный 50 /X

ЛУФИ-100 80 25x12 доЗ 80

ЭЛАН 80 22x10 до 3 100

8 этой же главе описаны экспериментальные методики исследования гпектров и импульсов генерации органических соединений. Нами применялись как стандартные методы исследования энергетических и временных характеристик, так и созданные нами методы регистрации •«веденного поглощения в канале триплет-триплетных состояний, методы быстропротекающих процессов, для которых были разработаны специальные измерительные комплексы. Измеритель длины волны и спектра излучения (ИДВ) разработан фирмой "Ангстрем" при институте метрологии г.Новосибирска. ИДВ позволяет измерить длину волны излучения в видимом диапазоне с точностью до 0.1 нм и спектр исследуемого излучения с шириной от 0.1 до 50 им за один импульс в диапазоне 400-800 нм.

Для регистрации длительности и формы импульсов излучения был создан аппаратно-программный комплекс "Техническое зрение" (ИСЭ СО РАН), предназначенный для оцифровки и дальнейшей обработки видеосигнала с видеокамеры. Он включает в себя: запоминающий осциллограф, зеркально-оптическую систему, видеоконтрольное устройство, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), персональный компьютер и специальную программу BWS (визуализация данных с АЦП, просмотр осциллограмм и их запись в формате PGM). В этой же главе определен выбор объектов исследования.

ГЛАВА 3. Фотопроцессы в лазерно-активных средах, накачиваемы: излучением эксимерных лазеров.

В этой главе представлены результаты исследования нсшцх активны: сред в УФ-диапазоне, видимом и ближнем ИК диапазонах при накачю излучением эксимерного ХеС1*-лазера.

Ближний УФ-диапазон спектра. Этот диапазон до появление эксимерных ХеС1* и КгБ* лазеров был практически не освоен, так как дш возбуждения генерации соединений в этом диапазоне спектра требование] мощные УФ импульсы возбуждающего излучения, а 3-ьи гармонии твердотельных лазеров не удовлетворяли по мощности излучения. Нам1 разработаны и созданы новые активные среды ближнего УФ диапазон: спектра, представляющие интерес в плане лазерного разделения изотопо) углерода (Хгс„ =322-330нм ), зондирования атмосферы и пр.

Уделено особое внимание обсуждению генерационной способноси транс-стильбена. Получение генерации транс-стильбена считалос! невозможным, однако нами была обнаружена генерация транс-стильбена пр! возбуждении коротким мощным импульсом в максимум полосы поглощение (308 им). На рис.1 приведена полоса флуоресценции и генерации транс-стильбена (а) и зависимость КПД от плотности мощности накачки (б). Видно что генерация осуществляется на длине волны, близкой к максимуму полоск флуоресценции, что исключает интерпретацию полученного излучения кш излучения неконтролируемых примесей. В условиях возбуждения короткий (10 не) и мощным импульсом (плотность мощности возбуждения 35 МВт/см2] транс-цисизомеризация транс-стильбена не успевает произойти,улучшение флуоресцентных свойств молекулы приводит к возможности осуществление генерации вынужденного излучения.

**

* •

3 -

I -

■I . о

зк> л» мш да ив

I- 1о го

Рис.1. Полоса флуоресценции и генерации ' транс-стильбена (а); зависимость КПД от плотности мощности накачки (б).

Не менее интересны результаты исследования генерационной способности паратерфенила и его замещенных, из которых особо выделяется соединение ЛОС-1. Введение заместителя СО2С4Н9 в 1,8- положения паратерфенила значительно улучшает растворимость соединения в этаноле, приводит к значительному увеличению эффективности преобразования излучения ХеС1* лазера: ЛОС-1 в этаноле при С = S-IO^-IO-3 моль/л имеет КПД = 43% при энергии импульса накачки ~ 40 мДж и длительности импульса T1/2 = 20 не, в то время как паратерфенил в этих условиях имеет КПД = 22% (рис.2). Установлено, что паратерфенил имеет более сильное Т-Т поглощение с Хаах = 440 нм, АX = Х-гг"1"" -Ягя1ю"= 100 нм. Для ЛОС-1 ХтгИ1Х = 505 нм, а М = 130 нм, что больше, чем у паратерфенила (рис.3).

4

и-

• 2

34- д^З

20-

to •

ю

1 1 £0 3 6

Рис. 2. КПД преобразования ЛОС-1 (1,2) я пара-терфешш! (3).

Рис.3. Спектры Т-Т поглощения ЛОС-1 (1) и паратерфенила (2).

Сине-зеленый диапазон. Создание

лазерных систем связи и систем экологического мониторинга требовало разработки высоко

эффективных и

фотостабильных активных сред, излучение которых попадало бы в окно прозрачности морской воды Р-шгл = 470 нм), либо в полосу поглощения примесей (для N0* к = 450 нм). В этой связи нами было проведено детальное исследование генерационной способности кумарина 102 .кумарина 2 и некоторых замещенных кумарина. Как известно последние растворяются в нетоксичных растворителях (вода, этанол), обладают хорошей излучательной способностью (эффективность преобразования достигает 37%). Использование комплексного подхода создания лазерно-активных сред, сочетающего теоретические и экспериментальные исследования спектрально-люминесцентных свойств молекул, выбор оптимальных в генерационном отношении структур и их целенаправленный синтез (ИОХ АН УССР, Кропачев A.B., Ильченко А.Я.) позволили получить высокоэффективные и фотостабильные лазерно-активные среды сине-зеленого диапазона спектра на основе кумарина (УК4 и УК15).

Ближний ИК-диапазон спектра. Нами совместно с химиками-синтетиками (Бычковым H.H., Резниченко A.B. г.Москва) созданы новые активные среды, эффективно излучающие в диапазоне 650-850 нм при накачке излучением ХеС1* лазером с энергией в импульсе до 80 мДж и длительностью импульса тт — 20 не. Многие из известных красителей, генерирующих в ИК-диапазоне спектра, испытывают значительные фотохимические превращения при возбуждении мощным УФ излучением. Так, у родамина 6Ж ресурс составляет 165 Дж/см3, а у полиметинового красителя 450IV - 40 Дж/см3. Только оксазин 17 имеет ресурс работы ~ 1000 Дж/см3. В таблице 2 приведены новые активные среды, имеющие высокую фотостабильность и генерирующие в этом диапазоне спектра при накачке излучением ХеС1*-лазера.

Таблица 2

Новые лазерно-акгивные среды ИК диапазона спектра с накачкой ХеС1*-

лазером

(Расп оритель- ацетонитрил, ацетонитрил+НгО, этанол)

Соединение Раст., С, моль/л Хтен, нм КПД, % Ресурс, Дж/см3

0010 ац., 4х10'3 679 19 860

675 23 810

0020 этанол 2x10"3 712 14 1000

0018 ац., 709 10 1000

0016 " 708 14 1000

ац., 7хЮ"3+Н20 704 16 1000

20Б ац., 2+5х10'3 730 12 1000

ЛК790 И . 785 26 516

ЛК800 м 783 19 1300

Ж840 эт. 8x10"3 823 18 1000

Феналемин и 625 16.5 1000

512

М316 эт. 5х10'3 718 14 560

ДСМ-1 •• 630 12 850

ДСМ-2 эт. 2x10'3 630 20 555

Родамин 6Ж эт. 2x10"3 583 25 165

Полимет.4501 И 783 13.6 40

V

Оксазин-1 " 782.6 22 84

Оксазин-17 и 665 15 1100

ЛК678 »1 672.6' 31 800

ЛК747 ац. 711.9 24' 612

Нами установлено, что оптимальные параметры генерации лазерно-активных сред (КПД, ресурс) определяются не только протекающими в них фотофизическими процессами, но и в значительной степени условиями эксперимента. Так, нами было установлено, что ресурс работы активной среды в условиях усиления узкополосного излучения в каскаде мощного жидкостного лазера (МЖЛ-03) превышает ресурс работы активной среды в лазере с неселекгивным резонатором, что может быть связано с увеличением вредного влияния спонтанного излучения на фотохимические превращения красителя в последнем случае. Кроме того отмечено, что ресурс лазерно-акгивной среды существенно зависит от концентрации красителя, которая в свою очередь также долина быть О1ггимизирована по эффективности преобразования.

Для обнаружения динамики потерь в импульсе генерации 7-аминокумаринов были исследованы активные среды в растворителях с разными термооптическими свойствами (вода и этанол). Было изучено ослабление зондирующего импульса генераций родамина-бЖ (Х^, = 580 нм, проходящего через зону генерации исследуемых растворов К175 и этанольного раствора К2. Установлено, что импульс излучения родамина в разных растворителях претерпевает разные изменения (сдвиг максимума и уменьшение амплитуды). Так как условия возбуждения красителей оставались неизменными, а менялся только растворитель, можно предположить, что паление КПД связано с термооптическими искажениями среды в течение импульса возбуждения.

Возможность изменения в широких пределах параметров импульса возбуждения эксимерных лазеров (энергии и длительности импульса) позволила исследовать влияние энергии и длительности возбуждающего импульса на протекание совокупности фотопроцессов в лазерно-акгивкых средах различного строения. В качестве объектов исследования были выбраны соединения разных классов, для которых влияние триплетных состояний на процесс генерации различно. Количественной характеристикой оценки такого влияния являлась величина предельного времени генерации. Эта величина могла быть оценена из данных теоретического исследования электронной структуры молекул либо из имеющихся экспериментальных данных по формулам:

- 1-Г

Или, если к„, мала,

. - 2 3.-4, ■ "" к,' л,

где г - время жняни флуоресцентного состояния S3; у - кзантовый выход флуоресценции; 5ц * сечение вынужденного испускания; 5-з; и 5:4 - сечения наведенного поглощения в канале синглешых и триплетных состояний; к„ и

к5т - константы скоростей внутренней и интеркомбинационной конверсии. Установлено, что отношение длительности импульса генерации к длительности импульса накачки (тг / х„) коррелирует с Цред для исследуемых молекул.

Кумарин 102. Эффективная лазерная среда с высоким КПД генерации, 11!рсд> 100 не. Импульс генерации повторяет импульс накачки (тг / т„ = 0.90) во всех проведенных экспериментах при изменении энергии накачки от 30 до 400 мДж и длительности импульса накачки от 30 до 70 не. Деформации импульса генерации относительно импульса накачки не наблюдается, что свидетельствует об отсутствии наведенных потерь в течение импульса накачки.

Пара-терфенил. Известное лазерное соединение УФ диапазона (Хгш, -340 им), КПД достаточно высок (~ 20%), tщCД ~ 50 не. При малых энергиях и длительности импульса накачки импульс генерации достаточно хорошо повторяет импульс накачки (т/г,, = 0.97), при увеличении энергии накачки на порядок наблюди ггея заметное сокращение импульса генерации относительно импульса накачки (тг/тн = 0.55). Тот же эффект наблюдается и при увеличении длительности импульса накачки в 2 раза (тг/тя = 0.79). Такое поведение свидетельствует о появлении потерь в среде при увеличении энергии и длительности импульса накачки. Это подтверждается экспериментально полученными спектрами Т-Т поглощения (рис. ).

ВоР. Лазерное соединение ближнего УФ диапазона спектра (ХГВ1„ = 327330 нм), КПД ~ 5-7%, 1пред~ 10 не. Даже при малых энергиях и длительности импульса накачки наблюдается заметное сокращение импульса генерации (т/Сц = 0.51). При увеличении энергии накачки на порядок наблюдается дальнейшее сокращение импульса генерации (тг/т„ = 0.39). При увеличении длительности импульса накачки в 2 раза импульс генерации сокращается еще сильнее (тг/т„ = 0.19). Для Беществ с Цед ~ 10 не (ВоР) заметное заселение триплетных состояний и появление мощного Т-Т поглощения начинается уже при малых энергиях и длительностях накачки, что приводит к значительному сокращению импульса генерации относительно импульса накачки. Дальнейшее увеличение энергии и длительности накачки усугубляет этот эффект.

Особое внимание уделено исследованию особенностей преобразования мощного излучения эксимерных лазеров (с энергией в импульсе >10 Дж). Эта проблема является слоягной (в 80'ые годы она считалась неразрешимой), так как требует решения двух задач: создания высокоэффективных и фотостабильных активных сред и создания оригинальных конструкций кювет, способных преобразовывать мощный импульс накачки с высокой эффективностью, не разрушаясь под действием мощного УФ излучения. Поставленные задачи нашли свое разрешение в разработке, создании и испытании оригинальных конструкций кювет и в создании

высокоэффективных и фотостабильных лазерно-активных сред, а также мощных лазерных систем на их основе.

ГЛАВА 4. Разработка и создание мощных лазеров на красителях с эксимерной накачкой.

В этой главе описаны конструкции мощных жидкостных лазеров на красителях с эксимерной накачкой, в которых используются разработанные новые активные среды и оригинальные конструкции созданных нами кювет (разборная прямоугольная кювета, юовета-призма, юовета-конус).

1. Прял юугольная разборная кювета

состоит из

металлического корпуса. Окна изготовлены из кварцевых ' блоков толщиной 20 мм, которые уплотняются с помощью демфирующих прокладок из

силиконовой резины (рис.4),что повышает ее ударную прочность по сравнению с

тонкостенной "жесткой кюветой".. . При

испытаниях достигнута плотность накачки ~ 35-

XV1

г

\

Рис.4. Прямоугольная разборная кювета (а): 1 - фокусирующая линза, 2 - входное окно,

3 - корпус; схема двухсторорнней накачки (б):

4 - поворотное зеркало, 5 - делительная призма.

40 МВт/см2 при общей энергии накачки 56 Дж. Максимальный КПД был получен ~ 32%, при этом энергия генерации составила ~ 980 мДж при оптимальной плотности накачки ~ 2 МВт/см2 и общей энергии накачки 3 Дж. Таким образом, разборная прямоугольная кювета позволяет работать при мощных световых полях вплоть до оптического пробоя. Для улучшения однородности выходного излучения возможна

двухсторонняя накачка прямоугольной кюветы.

2. Кювета-призма представляет собой призму полного внутреннего отражения (рис.5) с просверленным определенным образом цилиндрическим каналом для раствора красителя. Излучение накачки падает на гипотенузную грань призмы й- после отражения, четырьмя световыми потоками, попадает в полость с раствором красителя. При этом обеспечивается равномерность накачки цилиндрического объема раствора красителя со всех сторон.

4

/ *

* /

ч X ч

d/\ «

4d

Рис.5. Кювета-призма.

pump

Важным преимуществом кюветы призмы является то, что энергетическая нагрузка на молекулу красителя даже при большой энергии накачки остается в пределах обычной, как в случае с фокусировкой цилицдричесхой линзой (до 5 Мвт/см2) малых энергий накачки на прямоугольную иовеху. Разработаны конструкции кювет-призм (А.С.№1556495,1535309) позволяющие повысить их КПД и качество выходного излучения.

При применении юовет-призм излучение накачки не фокусируется на раствор красителя, плотности мощности накачки достигают 2-3 МВт/см2, что не оптимально для получения высоких КПД. Увеличение в этом случае плотности мощности накачки эксимерного лазера встречает известные трудности. Поэтому нами разработана, изготовлена и испытана кювета жидкостного лазера, в которой сочетается и круговая равномерная накачка, и фокусировка излучения для получения необходимых значений плотности мощности накачки - иовета-конус.

3. Кювета-конус представляет собой стеклянный (кварцевый) конус. В-центре от вершины к основанию просверлен полость для раствора красителя (рис.6). Излучение накачки,

ориентированное по оси конуса падает на его основание и отражается в канал с раствором красителя. Резонатор образован глухим зеркалом с коэффициентом отражения 99% на длине волны генерации

и кварцевой пластиной, расположенными на торцах канала, излучение выходит в направлении, параллельном излучению Вышеописанные конструкции кювет были использованы при мощных лазерных систем (МЖЛ-01, МЖЛ-03).

На рис.7 приведена блок-схема мощного лазера МЖЛ-01. Он предназначен для преобразования излучения эксимерных лазеров с прямоугольным сечением пучка (энергия излучения импульса до 1.5 Дж) и широкоаппертурного излучения (диаметр пучха накачки до 150 мм), поэтому лазер работает в двух режимах. В первом - излучение накачки «мягко» фокусируется на прямоугольную разбор!1ук> кювету, резонатор образован диэлектрическими зеркалами с коэффициентами отражения 99% и 5%, либо дифракционной решеткой, работающей в режиме скользящего падения и глухим зеркалом, при этом формируется линия излучения шириной порядка 0.1. нм. Во втором варианте широкоаппертурное излучение эксимерного лазера попадает на кювету-конус. Функциональные возможности лазера МЖЛ-01 исследованы с помощью лазерно-активных сред на основе этанольных растворов нового кумаринового красителя •УК-! 5 и кумарина 102

X las

Рис.6. Кювета-конус.

Лазерное накачки, создании

(К 102). Получено вг ходное излучение с А* = 460 нм и энергией в импульсе -2 Дж (УК-15) и 1.2 Дж (К 102), КПД при этом составил 25%. Максимальная энергия излучения кумарина 1 (К1), (К = 465 нм) достигла 3.2 Дж с КПД 31% при использовании кюветы-конуса с неселективным резонатором.

МЖЛ-03 предназначен для получения узкополосного излучения й 0.01 нм с высокой энергией импульса (до 200 мДж), малой расходимостью

(^Змрад). Блок-схема МЖЛ-03 приведена на рис.8. В качестве источника накачки используется эксимерный лазер с параметрами (Енах= 1.5 Дж, Тиш= 40-50 не, аппертура 30 х 40 мм). Принцип работы лазера на красителях: часть излучения накачки (15%) цилиндрическими линзами фокусируется в прямоугольную кювету задающего генератора. Резонатор ЗГ образован 2-мя дифракционными решетками и выходным зеркалом. Оставшаяся часть излучения накачки подается на усилители с помощью полупрозрачного и глухого зеркала. На первый усилитель 30%, на 2-й - 55%. Временные задержки: на 1-й . усилитель излучение накачки проходит через 5,3 не (относительно ЗГ), на 2-й - через 8 не. Излучение с ЗГ с помощью телескопа передается в 1-ый усилитель, а затем во 2-ой. Особенности ЗГ: одна

дифракционная решетка (ДР1 1200 штр/мм) работает в режиме скользящего падения, что

позволяет

сформировать узкую линию (Д?.<0.01нм) без использования расширителей пучка, дополнительных селекторов, которые усложняют юстировку лазера и делают его менее экономичным. Вторая диффракционная решетка (ДР2, 1200 татр/мм) работает по схеме Литтрова, Клр- выходного зеркала задающего генератора - 16%.

Высокий ресурс работы лазеров МЖЛ-01 и МЖЛ-03 обеспечивается созданной нами системой регенерации активной среды. В основу ее создания заложен сйособ очистки лазерно-активной среды заключающийся в том, что актизная среда 5кидкостного лазера на основе кумариновых красителей после

И!

1Дж г» ид*

Рис.7. Блок-схема мощного лазера МЖЛ-01: 1 - прямоугольная разборная кювета, 2 - кювета-конус, 3 - цилиндрическая линза, 4,5 -механизм юстировки зеркал, 6 - дифракционная решетка.

облучения прокачивается через слой гранулированного сорбента, насыщенного исходной активной средой до установления равновесия. Система регенерации обеспечивает ресурс работы лазера МЖЛ-03 до 106 импульсов

Рис.8. Блок-схема мощного жидкостного лазера МЖЛ-03:

КЗГ - кювета задающего генератора, ДР2 - дифракционная решетка, ВЗ -

выходное зеркало, Т - телескоп, У1 - предусилитель, У2 - оконечный

усилитель, ГЗ - глулое зеркало, ППЗ - поворотное полупрозрачное зеркало,

ГПЗ - глухое поворотное зеркало, ГЗК - глухое зеркало контроля длины

волны.

Основные технические параметры лазера МЖЛ-03:

- диапазон перестройки 330-900 нм;

-ширина линии лазерного излучения 0.01 нм;

- энергетическая расходимость 2 мрад;

- частота повторения импульсов до 20 Гц;

- длительность импульса излучения 50 нс;

- энергия импульса излучения до 200 мДж;

- максимальная пиковая плотность мощности излучения 30 МВт/см2.

Указанные параметры обеспечиваются на этанольном растворе кумарина

2 на длине волны 446 ± 5 нм при энергии импульса накачки 1.5 Дж и длительности импульса накачки 50 не. Исследованы функциональные возможности лазера МЖЛ-03 в зависимости от изменения параметров лазера накачки (энергии и длительности импульса, сечения пучка выходного излучения, его расходимости). Установлено, что при увеличении расходимости выходного ихтучения, уменьшении энергии импульса накачки (до 0.5 Дж) и увеличении длительности импульса возбуждающего излучения (>50нс) КПД лазера падает. Причина этого в дефиците энергии в каскадах усилителей, нарушение условия синхронизации возбуждающих импульсов в

ЗГ, У1,У2. Максимгльный КПД лазера МЖЛ-03 (18.8%) достигается при следующих параметрах накачки: Е„ак = 1.3 - 1.5 Дж, т1МП = 40 - 50 не, длительности переднего фронта £ 10 не. При этом размеры пучка лазера накачки должны быть 38 х 13 мм с расходимостью 1 мрад по вертикали и 3.3 мрад по горизонтали.

МЖЛ-03 нашел применение в ЛИДАРе дальнего обзора системы экологического мониторинга г.Москвы, разработанный Российским НИИ космического приборостроения. В настоящее время два модуля лазера МЖЛ-03 проходят натурные испытания на стенде Лидара кругового обзора (ЛКО), идет доработка лазеров и вывод их на эксплуатационный режим.

В заключении привсдятся и обобщаются основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Совместно с ИСЭ СЮ РАН разработан и создан парк эксимерных лазеров, используемых для накачки органических соединений: ЭЛАН-01, ЭЛАН-01 с длинным импульсом, ЛУФИ-100, ЛИДА-101. Созданы эксимерные лазеры с разл1гчной энергией, формой и длительностью импульса для накачки органических соединений.

2. Исследованы закономерности изменения энергии и длительности импульса излучения эксимерных лазеров в зависимости от схемы

, возбуждения, состава и давления газовой смеси.

3. Выявлены особенности генерации органических соединений различного строения при возбуждении излучением эксимерных лазеров с различной энергией и длительностью импульса.

4. Показана возможность получения генерации транс-стильбена при определенных условиях возбуждения (тИак = 10 не, \У1ИК = 30-35 МВт/см2).

5. При оптимизации условий возбуждения (возбуждение в максимум поглощения = 308 нм и тш1[ = 10-20 не, оптимальном отношении ширины зоны возбуждения к ее длине, равном 0.2, и плотности мощности возбуждения 10-25 МВт/см2) осуществлена генерация замещенных пара-терфенила (ЛОС-1) с КПД = 43%.

6. Исследовано влияние энергии и длительности импульса возбуждающего излучения на временные генерационные характеристики лазерных красителей с различным Слред, обусловленным совокупностью протекающих в молекулах процессов. Установлена корреляция в изменении деформации импульса генерации красителя (Тгс/Тца*) в зависимости от 1прея для разных классов красителей, генерирующих в различных диапазонах (ИК -ксантеновые, сине-зеленый диапазон - кумариновые, УФ - оксазолы).

7. Установлены некоторые закономерности изменения генерационной способности новых активных сред ближнего ИК-диапазона в зависимости от их строения.. Показано, что при накачке ХеС1*-лазером таких сред, ресурс некоторых из них достигает 875 Дж/см3, что на порядок превышает ресурс

известных для этой области сред (родамин 6Ж).

8. Разработаны оригинальные конструкции кювет мощных лазеров на красителях, способных преобразовывать излучение эксимерных лазеров с энергией в импульсе больше 1 Дж без разрушения с эффективностью больше

• 25% (иовета-призма, мовета-конус, прямоугольная разборная кювета).

9. Разработан и создан мощный лазер на красителях (МЖЛ-01), предназначенный для использования в системах лазерной связи (энергия в импульсе до 3 Дж, ДХ = 5 ны) (кумарин102 в этаноле, С=5х10"3 ммоль/л).

10. Разработан и создан мощный узкополосный лазер на красителях (МЖЛ-03) (кумарин 2 в этаноле) с энергией в импульсе до 200 мДж при Е,^ = 1.5 Дж и Тщщ = 50 не, ДА = 0.01 нм, в = 1.5 мрад, предназначенный для использования в системах экологического мониторинга атмосферы.

11. Исследованы функциональные возможности мощного узкополосного лазера МЖЛ-03( активная среда - кумарин 2 в этаноле) и установлено, что:

- при увеличении расходимости выходного излучения, уменьшении энергии импульса накачки (до 0.5 Дж) и увеличении длительности импульса возбуждающего излучения (>50нс) КПД лазера падает. Причина этого в дефиците энергии в каскадах усилителей, нарушение условия синхронизации возбуждающих импульсов в ЗГ, У1,У2. Максимальный КПД лазера МЖЛ-03 (18.8%) достигается при следующих параметрах накачки: = 1.3 - 1.5 Дж, Ткмп = 40-50 не, дл-тельности переднего фронта й 10 не. При этом размеры пучка лазера накачки должны быть 38 х 13 мм с расходимостью 1 мрад по вертикали и 3.3 мрад по горизонтали;

- ресурс работы лазера может быть увеличен на порядок при использовании разработанной системы "регенерации лазерно-активных сред;

- зависимость КПД лазерной системы от плотности мощности возбуждающего излучения носит экстремальных характер, что обусловлено селективными потерями в канале синглетных и триплетных состояний (Si —> Sn, Т. -> Тш), а также с неселективными термооптическими искажениями.

12. Установлено, что использование в каскадах усилителей МЖЛ-03 кювет-призм полного внутреннего отражения позволяет преобразовывать излучение эксимерных лазеров с энергией в импульсе >1 Дж с эффективностью преобразования ~ 18.8%.

13. Использование в задающем генераторе МЖЛ-03 резонатора с дифракционной решеткой, работающей в режиме скользящего падения, позволяет получить узкополосное излучение (меньше 0.01 нм) при минимальной нагрузке схемы оптическими элементами.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Тарасенхо В.Ф., Верховский B.C., Федоров А.И., Тельминов E.H. Электроразрядный ХеС1-лагер // Квантовая электроника,- 1980, Т.7, №9.-С.2039-2041.

2. Бычков Ю.И., Иванов Н.Г., Коновалов И.Н., Лосев В.Ф., Тарасенко

B.Ф., Тельминов E.H. ХеС!-лазер, возбуждаемый микросекундным электронным пучком // Кв:штовая электроника,- 1983, Т.10, №7,- С.1510-1512.

3. Копылова Т.Н., Грузинский ВВ., Дегтяренко K.M., Китр-ic А.Н., Тельминов E.H. Динамика генерации некоторых органических соединений и фотофизические процессы в них//ЖПС,- 1988, Т.49,№4,- С.566-569.

4. Степанов Б.И., Бычков Н.Н, Никифоров В.Г., Тренчук Б.Ф., Копылова Т.Н., Дегтяренко K.M., Майер Г.В., Китрис А.Н., Тельминов E.H. Новое поколение красителей диапазона 660-S60 нм при накачке излучением эксимерного лазера на хлориде ксенона // Письма в ЖТФ,- 1989, Т.15, вып.11.- С.14-17.

5. Копылова Т.Н., Грузинский В.В., Свинарев Н.В., Дегтяренко K.M., Тельминов E.H., Китрис А Н. Влияние энергии и длительности импульса излучения эксимерного лазера на генерационные характеристики некоторых органических соединений //ЖПС.- 1990, Т.53, №5,- С.839-842.

6. Копылова Т.Н., Майер Г.В., Самсонова Л.Г., Морозова Ю.П., Чайковская О.Н., Дегтяренко K.M., Тельминов E.H. Разработка и создание системы регенерации активных сред мощных лазеров на красителях II Оптика •атмосферы и океана.- 1993, 7.6, №6.- С.712-715.

7.Копылова Т.Н., Майер Г.В.. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф.. . Дегтяренко K.M., Суханов В.Б., Тельминов E.H., Ломаев М.И., Мельченко

C.B., Кузнецова Р.Т., Самсонова Л.Г. Мощный узкополосный лазер на красителях с накачкой дкоульным эксиплексным лазером на хлориде ксенона //Квантовая электроника.- 1993, Т.20, №7,- С.657-662.

8. Дегтяренко K.M., Копылова Т.Н., Кузнецова Р.Т., Майер Г.В., Тельминов E.H. Влияние концентрации красителя и конструкции лазерной системы на ресурс работы // Оптика атмосферы и океана.- 1993, Т.6, №6,-С.716-720.

9. Кузнецова Р.Т., Копылова Т.Н., Тельминов E.H., Резшиенко A.B. Генерационные характеристики новых активных сред жидкостных лазеров // Оптика атмосферы и океана.- 1993, Т.6, №3.- С.274-277.

10. Дегтяренко K.M., Ефремов A.M., Копылова Т.Н., Майер Г.В., Самсонова Л.Г., Скакун B.C., Суханов В.Б., Тарасенко В.Ф., Тельминов E.H., Фомин Е.А. Преобразование излучения мощных ХеС1*-лазеров растворами органических соединений // Квантовая электроника,- 1995, Т.22, №5.- С.477-478.

11. А.с.№1533596 МКИ Н01 S 3/20. Лазер с протяженным активным элементом. Тельминов E.H., Китрис А.Н., Дегтяренко K.M.,Копылова Т.Н.-Бюл. "Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки".-1989, №10 (ДСП).

12. Ajc!№14S4238 МКИ Н01 S 3/20. Активная среда лазера на растворах органических соединений. Копылова Т.Н., Кузнецова Р.Т., Фофокова P.M., Тельминов E.H., Китрис А.Н., Виноходов А.Ю., Дегтяренко K.M.- Бюл.

"Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки".- 1989, №20 ("Т").

13. Кабанов М.В., Тргнчук Б.В., Копылова Т.Н., Деттяренко K.M., Китрис А.Н., Тельминов E.H., Морозов А.Н. Оптические элементы ОКГ на красителях с накачкой лазером на хлориде ксенона // Ред.журн.Известия вузов. Физика. Деп в ВИНИТИ,-№1946-В90,- Томск, 1989,- 10 с.

14. Кузнецова Р.Т., Фофонова P.M., Копылова Т.Н., Беспалова Л.Г., Тельминов-Е.Н; Фотостабильность активных сред на основе кумарина 102 // Квантовая электроника - 1989, Т. 16, №5,- С.993-996.

15. А.с.№1556495 МКИ Н01 S 3/20. Кювета для активной среды лазера. Кравченко В.И., Литвиненко А.Я., Копылова Т.Н., Китрис А.Н., Тельминов E.H.- Бюл. ."Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки",- 1990, №13 (ДСП).

16. А.с.№1702649 МКИ НО 1 S 3/20. Производные 1-н-бугил-(п- -фенил)-5-бифенилилтриазол-1,4,4 в качестве красителей для лазеров, приготовления активной среды для лазеров. Пономарев O.A., Гриф В.Х., Верезубова A.A., Птягина Л.М., Согоконь А.Б., Копылова Т.Н., Тельминов E.H.- Бюл. "Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки",- 1991, №48 ("Т").

17. А.с.№1748597 МКИ Н01 S 3/20. Активная среда лазера на этанольных растворяк производных кумарина. Лобода Л.И., Соколова И.В., Копылова Т.Н., Тельминов E.H., Китрис А.Н., Гриндберг И.И., Гордеева H.A., Кирпиченок М.А. - Бюл. "Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки",- 1992, №26 ("Т").

18. Копылова Т.Н., Майер Г.В., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф., Дегтяренко K.M., Суханов В.Б., Тельминов E.H., Ламаев М.И., Мельченко C.B., Кузнецова Р.Т., Самсонова Л.Г. Мощный узкополосный лазер на красителях с накачкой джоульным лазером на хлориде ксенона // Квантовая электроника.- 1993, Т.20, №7,- С.657-662.

19. А.с.№2029424 МКИ Н01 S 3/213. Способ очистки активной среды жидкостного лазера. Вовк С.М., Галкин В.М., Дегтяренко K.M., Копылова Т.Н., Соколова И.В., Тельминов E.H., Перехожева Т.Н., Полуяхтов А.И., Шарыгин Л.М.- Бюл. "Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки",- 1995, №5 ("Т").

20. Свидетельство на полезную модель №251 Н01 S 3/213. Лазер на красителях с накачкой эксимерным лазером. Копылова Т.Н., Майер Г.В., Дегтяренко K.M., Суханов В.Б., Тельминов E.H.- Зарег. 15.02.95 г.

21. Копылова Т.Н., Дегтяренко K.M., Ефремов А.Н., Майер Г.В., Самсонова Л.Г., Тельминов E.H., Скакун B.C., Суханов В.Б., Тарасенко В.Ф., Фомин Е.А. Преобразование излучения мощного ХеС1-лазера растворами органических соединений // Квантовая электроника,- 1995, Т.22, №5,- С.477-478.

22. Kopylova T.N., Kuzneysova R.T., Samsonova L.G., Degtyarenko K.M.,