Исследование и создание перестраиваемого лазера на красителе для разделения изотопов АВЛИС-методом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

На правах рукописи УДК 681.17.069.24

МИХАЙЛОВ Игорь Валерьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО ЛАЗЕРА НА КРАСИТЕЛЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ АВЛИС-МЕТОДОМ

01.04.01 — экспериментальная физика

А в то ре ф е р а т диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва—1995

Работа выполнена в Институте молекулярной'физики РНЦ "Курчатовский институт"

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

ГРИГОРЬЕВ Игорь Сергеевич Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

начальник лаборатории ЛОМОНОСОВ Валерий Викторович кандидат физико-математических наук ведущий научный сотрудник МИШИН Вячеслав Иванович Ведущая организация: Московский инженерно-физический

институт

Защита диссертации состоится "_"_1995 г. в_час._мин.

на заседании диссертационного совета Д 034.04.04. при Институте молекулярной физики РНЦ "Курчатовский институт" по адресу: Москва, 123182, пл. И.В.Курчатова, тел. 196-76-60. Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Автореферат разослан "_"_1995 года.

Учёный секретарь специализированного совега

А.В.Мерзляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

а

Актуальность темы. Интенсивное развитие квантовой электроники привело к широкому использованию лазерной техники в научных и практических целях, в том числе и для разделения изотопов. Так, лазерное разделение изотопов в атсчном паре • АВЛИС-метод (от амер. atomic vapour laser isotope separation) базируется на селективном возбуждении и ионизации излучением выбранного изотопа, с последующим выделением его из потока исходных изотопов элехтричеосим полем. Основой метода является различие в длинах волн поглощения у различных изотопов данного атома. Универсальность АВЛИС делает весьма перспективными исследования, связанные с возможностью получения этим способом макросхопичеасих количеств труднодоступных для других разделительных методов изотопов, потребность в которых велика в медицине, атомной энергетике, электронике и фундаментальной физике. И хотя физическая демонстрация АВЛИС была осуществлена для большого числа элементов периодичесхой системы, в настоящее время нет данных о создании мобильной, в смысле производства изотопов, установки. Связано это ках со сложностями в р<is-piOOTve адекватных по мощности и производительности исгэ';-

ников возбуждающего излучения, испарения и экстракции, так и с проведением исследований соответствующей физики процесса.

В настоящее время в качестве источника возбуждающего излучения наиболее перспективными для АВЛИС считаются перестраиваемые импульсные лазеры на красителях (Л К) с накачкой излучением лазера на парах меди (ЛПМ). Однако современные коммерческие ЛК, предназначенные в основном для спектроскопии, по своим параметрам, главным образом по средней мощности излучения, не соответствуют требованиям АВЛИС.

Поэтому цгль работы - исследование и создание на отечественной элементной базе эффективного перестраиваемого лазера на красителе, предназначенного для решения комплексных задач по спектроскопии и экспериментальным наработкам макроскопических количеств изотопов АВЛИС-методом.

Задачами работы являлись:

1. Выбор, исследование и оптимизация оптической схемы генерач тора перестраиваемого излучения.

2. Обеспечение условий высокоэффективного усиления излучения генератора в усилителях.

3. Исследование влиякия поляризации излучения накачки на эффективность генерации импульсных ЛК.

4. Определение эксплуатационных параметров созданного комплекса перестраиваемых ЛК в экспериментах по селективной фотоионизации неодима.

Научная новизна. 1. Исследованы зависимости мощности излучения генератора ЛК от коэффициента отражения выходного зеркала и скорости прокачки раствора красителя. Проведена оптимизация оптической схемы генератора в соответствии с поставленной задачей.

2. Экспериментально определены условия наиболее эффективного усиления излучения генератора в усилителях Л К (УЛК) с сохранением его пространственного и спектрального качества. Достигнуто значение суммарного к.п.д. ЛК, накачиваемого излучением ЛПМ, превышающее 25 %, при средней выходной мощности генерации 25 Вт.

3. Исследовано влияние поляризации излучения накачки на эффективность генерации Л К на маловязких (этанольных, мета-нольных) растворах. Предложен метод оценки к.п.д. УЛК при произвольных поляризациях накачки и генерации. Определена оптимальная по поляризации излучений накачки и генерации схема работы Л К.

Практическая ценность. На основании полученных данных разработан и создан комплекс перестраиваемых лазеров на

з

красителях, предназначенный для проведения исследований по спектроскопии и экспериментальным наработкам макроскопических количеств изотопов АВЛИС-методом.

Результаты исследования влияния поляризации возбуждающего излучения на эффективность генерации маловязких растворов органических красителей позволяют оптимизировать работу применяемых импульсных Л К для достижения максимальных к.п.д. преобразования накачки.

Апробация работы и публикации. Часть результатов была представлена в виде тезисов на конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" в Томске в 1992 г. и докладывалась на отраслевых конференциях по разделению изотопов 1991-И993 г.г. в ИМФ.

Основное содержание диссертации отражено в 4-х публикациях, список которых приведён в конце автореферата.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Общин объём диссертации составляет 125 страниц, включая 35 рисунков, 5 таблиц и списка цитируемой литературы из 97 наименовании.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении рассмотрены основные требования к параметрам излучения лазеров, необходимые для успешной реализации АВЛИС-процесса. Дано обоснование актуальности темы диссертации и кратко изложено её содержание по главам, включая литературный обзор.

Глава 1. Генератор.

В первой главе проведён сравнительный анализ достоинств и недостатков двух наиболее распространённых оптических схем импульсных Л К - т.н. схемы Хэнша с автоколлнмнрующей дифракционной решёткой, телескопом и эталоном и схемы с дифракционной решёткой скользящего падения, в которой необходимая спектральная ширина излучения достигается за счёт ои.тьшого числа засвеченных штрихов решетки. Сделан вывод о юм. чти нл исследовательском этапе разработки АВЛ ИС-мегода более предпочтительной является вторая, т.к. диапазон плавной перестройки излучения генератора с такой схемой перекрывает

весь спектр генерации красителя и составляет -200-г +300 А, в то время как в схеме Хэнша диапазон плавной перестройки ограничен интервалом свободной дисперсии используемого эталона, что на три порядка .меньше.

Для обеспечения максимальной эффективности генератора был проведён ряд экспериментов, давших следующие основные результаты:

1) использование в оптической схеме выходного зеркала с коэффициентом отражения г = 10*20 % дало увеличение мощности генерации в 1,5 раза по сравнению с традиционной схемой, когда в качестве выходного зеркала применяется полированный стеклянный клин с г * 4 %. ,

2) мощность генерации достигала своего максимального значения при скорости прокачки раствора красителя через активную зону кюветы выше 5,5 м/с ( при частоте следования импульсов /=10 кГц ), что соответствует как минимум трёхкратной смене

; активного объёма красителя между импульсами генерации.

3) установка 25-ти кратного призменного расширителя перед дифракционной решёткой позволила распологать её под меньшими углами падения, что дало увеличение мощности генерации при сохранении её спектрального качества более, чем в два раза, за счёт увеличения дифракционной эфффективности решётки с 10 % до 20+25 %.

; В конце главы приведены основные параметры излучения * созданного в результате проведённых исследований генератора,

а также его к.п.д. для ряда красителей, перекрывающих диапазон длин волн 530+670 нм.

Глава 2. Усилитель.

Вторая глава посвящена вопросам усиления излучения генератора в УЛК с сохранением его пространственного и спектрального качества и максимальной эффективностью. Рассмотрены и обоснованы принципы совмещения излучений накачки и генерации в УЛК первой ступени в пространстве и по времени. Приведены полезные для оценки параметров УЛК расчётные выражения, проиллюстрированные результатами экспериментов. Для ЛК состоящего из генератора, предусилите-ля и усилителя с двухсторонней накачкой реализован устойчивый режим генерации со средней мощностью 25 Вт в пучке с расходимостью 0 < 1 мрад, при суммарном к.п.д. ЛК - 25%. Следует отметить, что по практическим соображениям эксперименты проводились с не самым эффективным красителем -Родамином С. Проанализирована зависимость мощности усиленного сигнала от интенсивности усиливаемого на входе в УЛК при различных уровнях накачки. Сделан вывод о том, что для обеспечения оптимального режима усиления необходимо согласовывать скорости вынужденных переходов молекул красителя по накачке и усиливаемому излучению, и., в случае,

когда сечения этих переходов близки по своим значениям -интенсивности накачки и генерации на входе в УЛК должны быть практически равны. Тахже рассмотрено влияние качества излучения накачки ( расходимость, распределение мощности в сечении пучка ) на эффективность усиления генерации ЛК. Выяснены и устранены основные причины ухудшения пространственного качества излучения ЛПМ. что дало - 30% увеличения к.пл. УЛК и повысило стабильность генерации Л К.

Глава 3. Влияние поляризации излучения накачки на к.пл. лазера на красителе.

В третьей главе описаны экспериментальные результаты исследования влияния поляризации накачки на эффективность генерации мало вязких растворов красителей в импульсных Л К. Проблематика задачи связана с наличием у молекул органических красителей пространственно выделенного дипольного момента. При этом раствор красителя можно представить, как совокупность хаотически ориентированных диполей. Линейно-поляризованное излучение накачки, взаимодействуя, главным образом, с теми диполями, оси которых коллинеарны поляризации накачки, будет наводить анизотропию в распределении возбужденных молекул, приводящую к дихроизму

коэффициента усиления раствора красителя, как по направлению <

распространения, гак и по поляризации генерируемого излучения. Влияние поляризации накачки на характеристики излучения ЛК исследованы достаточно полно, однако рассматривались, как правило, вязкие растворы красителей, для уменьшения раюриентации наводимой анизотропии из-за броуновского вращения молекул .ЬЗМ1) и изотропные по поляризации резонаторы.

В экспериментах з качестве источника накачки испетыо-

валось излучение 2-ой гармоники УАС:КсР+- лазера (Х=532 нм, т=12 не). Резонатор ЛК был образован двумя зеркалами с такими коэффициентами отражения, что его добротность была близка к добротностям резонаторов типичных ЛК. Для того, чтобы смоделировать элементы задающие поляризацию генерации в резонатор был помещён поляризатор Глана. Такая конструкция резонатора давала возможность проводить исследования при произвольных ориентациях поляризации генерации ЛК. Уровень накачки изменялся от пороговых величин £пор~0,15 мДж до значений £н= 15-^-20 Епор. которые определяют диапазон энергий, представляющих практический интерес. Было показано, что энергия излучения генератора максимальна для р-поляризации накачки, лежащей в плоскости распростронения излучений ч

ориентированной вдоль оптической оси Л К, и не зависит от ориентации плоскости поляризации генерации. Следует отметить, что энергия генерации для наиболее выгодной, с точки зрения осцилляторной модели, схемы - Б-поляризаций накачки и генерации, ориентированных ортогонально плоскости распространения излучений, не превышала энергии генерации при накачке излучением с р-поляризацией. Связано это, скорее всего, с эффективной разориентацией начальной анизотропии возбужденных молекул красителя в маловязких растворах из-за БВМ (например, для молекулы Родамина 6Ж в этаноле времявращательной релаксации тв~0,2 не ). Это предположение было подтверждено в эксперименте с изотропным по поляризации резонатором, в котором энергия генерации не зависела от ориентации поляризации накачки.

Проведено сравнение относительных эффективностей преобразования излучения накачки в УЛК при различных взаимных ориентациях поляризаций накачки и генерации. Установлено, что в зависимости от применяемых красителей эффективность УЛК для комбинации Б-поляризаций в 1,3*2 раза превышает эффективности для комбинаций взаимно-ортогональных поляризаций. Этот результат свидетельствует о том, что время жизни возбуждённых состояний молекул

красителя в насыщенном усилителе не превышает времени вращательной релаксации молекул к хаотическому распределению в растворе. На основании полученных данных предложен метод оценки эффективности УЛК при произвольных поляризациях накачки и генерации. Таким образом, было показано, что для генератора Л К предпочтительной является р-поляризация накачки, а для УЛК более эффективна комбинация Б-поляризаций накачки и генерации. В соответствии с полученными результатами проведена оптимизация оптической схемы лазерной установки для АВЛИС.

Глава 4. Селективная фотоионизация неодима.

В четвертой главе приведены результаты экспериментов по селективной фотоионизации и поиску автоионизационных состояний неодима, в которых оценивались функциональные параметры созданного комплехса перестраиваемых ЛК. Долговременная стабильность и контролируемая воспроизводимость настройки Л К на заданную длину волны не превышала 0,5 ГТц. В ходе экспериментов была продемонстрирована высокая надежность разработанных Л К.

В Заключении приведены основные результаты работы: 1. Выбрана, исследована и оптимизирована оптическая схема генератора Л К - генератора с дифракционной решёткой

скользящего падения. Получены к.п.д. генерации до 10% при спектральной ширине £ 2 ГГц и уровне фонового сигнала <1%.

2. Разработана и экспериментально опробована методика усиления излучения генератора в УЛК 1-ой ступени. Предложен способ практической оценки параметров УЛК. Рассмотрено влияние качества излучения накачки (лазера на парал меди) на к.п.д. УЛК. Выяснены основные причины пространственной неоднородности излучения ЛПМ и способы их устранения В Л К состоящем из генератора, предусилителя и усилителя доп ш н%; суммарный к.п.д. генерации - 25°с. Получена средняя мощность генерации ЛК - 25 Ьт. достаточная для иссл ...м^нип пригз- ■< тел ьн ости А Р. Л И г ■ м ~ г с....

3 Проведено исследоЕ^-ие к зияния поляризации излучений ш»:<)Чки и генерации ЛК на к.п д. генератора и уенли геля для 41.» ювязких спиртовых растворов красителей. Выяснено, ч; .1 генератора Л К с внутрирезонаторнымн элементами, формирующими п^ишншшю излучения генерации (дифракционной решёткой, телескопом, поляризатором) энергетически наиболее выгодной нн.тяется поляризация накачки ориентированная вдоль оншческой оси Л К. Для УЛК наиболее эффективной является комбинация ортогональных к плоскости излучений накачки и

генерации поляризаций. На основании полученных экспериментальных данных предложен метод опенки эффективности УЛК для произвольных поляризации излучений накачки и генерации Проведено согласование поляризации излучений лазера на парах медн и Л К. обеспечивающее максимальную эффективность работы лазерной системы. 4. В экспериментах по селективной фотоионизацнн неодима показано, что созданные в результате проведённой работы Л К, являются эффективным, удобным и надёжным источником возбуждающего излучения для поисковых исследований по разделению изотопов АВЛИС-методом.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. И.С.Григорьев, С.М.Миронов, И.В.Михайлов. Перестраиваемый лазер на красителе для лазерного разделения изотопов. Препринт ИАЭ-5860/14. 1995.

2. И.В.Михайлов. Исследование влияния поляризации излучения накачки на эффективность генерации и усиления лазеров на этанольных растворах красителей. Препринт ИЛЭ-5886/1), 1995.

3. U.C.Григорьев, А.Б.Дьячков, В.П.Лабозин, С.М.Миронов, И.В.Михайлов, В.Л.Фирсов." 25 вагтньш импульсный л;иср на

красителе с накачкой излучением лазера на парах меди. Опт. жур., N 9, 1995.

4. И.В.Михайлов. Влияние поляризации излучения накачки н^ эффективность генерации импульсных лазеров на красителях. Кв. эл., N12, 1995.