Молекулярные лазеры на эксимерах и органических красителях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ имени Б.И. СТЕПАНОВА

УДК. 621.375.826;8

РГБ ОД

АНУФРЖ СЛАВАМИ? СТЕПАНОВИЧ

1 7 ДПР 2300

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЛАЗЕРЫ НА ЭКСИМЕРАХ И ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЯХ

01.04.21 - Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Минск, 2000

Работа выполнена в Гродненском государственном университете имени Я. Купалы.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Орлович Валентин Антонович

доктор физико-математических наук, профессор Толсторожее Георгий Борисович

доктор физико-математических наук, профессор Шкадаревич Алексей Петрович

Оппонирующая организация- Международный лазерный центр при

Белорусской государственной политехнической академии

Защита состоится "//" CV/ip^.cJ— 2000 г. в 4? на заседании совета по защите диссертации Д01.05.01 в Институте физики HAH Беларуси (220072, г. Минск, пр. Ф. Скоршш, 68, тел. 284-0958).

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Института физики HAH Беларуси.

Автореферат разослан ■¿¿¿¿-Р'ЪЧ^Ш г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций доктор физ.-мат. наук, профессор

A.A. Афанасьев

■S36C

п

f. fr

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. За два с лишним десятилетия с момента создания эксимерных лазеров наибольшее развитие получили лазеры на моногалогенидах инертных газов, в частности ХеС1-лазер, активная среда которого наименее агрессивна, имеет больший ресурс работы и обладает наименьшим собственным поглощением по сравнению с другими типами га-логеноносителей. Высокие генерационные характеристики эксимерных лазеров объясняются удачным сочетанием ряда физических факторов, благоприятствующих, с одной стороны, эффективному образованию в активной среде возбужденных эксимерных молекул, а с другой — эффективному преобразованию запасенной энергии в мощное УФ-лазерное излучение.

Важным достоинством эксимерных лазеров является также электроразрядный способ возбуждения, что ставит их вне конкуренции по сравнению с лазерами, возбуждаемыми электронным пучком. Все это стимулировало интерес исследователей к разработке и созданию простых и надежных электроразрядных ХеС1-лазеров с параметрами, отвечающими потребностям разнообразных практических применений. Несмотря на большое число публикаций, посвященных изучению и улучшению генерационных характеристик электроразрядных лазеров, к моменту начала выполнения данной работы энергия генерации ХеС1-лазеров не превышала 100 мДж. При этом было неясно, какое парциальное соотношение компонент активной среды ХеС1-лазера является оптимальным, каким условиям должна удовлетворять система возбуждения лазера, какие параметры активной среды обеспечивают максимальную энергию генерации и КПД, как обеспечить максимальный энерговклад в газоразрядную плазму, сохраняя при этом однородность разряда в течение нескольких сотен ис, как получить гладкий временной профиль импульса генерации. Центральной проблемой, решение которой обеспечивало бы широкое практическое использование электроразрядных эксимерных лазеров, являлась задача получения энергий генерации ~ 1-3 Дж в импульсе при относительной простоте конструкции и высокой надёжности лазера. Необходимость проведения исследования и разработки электроразрядных эксимерных лазеров была обусловлена также тем, что их серийный выпуск в Беларуси и странах СНГ не производился. Для достижения таких параметров были необходимы сравнительные исследования генерационных характеристик эксимерных лазеров с различными составами рабочей смеси, системами возбуждения и предыопизации и различным энерговкладом. Решению данных задач посвящена первая часть диссертации.

Проблема совершенствования параметров и создания высокоэнерге-тичных эксимерных лазеров естественным образом связана с вопросами разработки лазеров на красителях нового поколения, поскольку эксимерные лазеры, и прежде всего ХеС1-лазер (длина волны которого 308 нм попадает в коротковолновую полосу поглощения большинства красителей), позволяют возбуждать практически все известные красители, генерирующие в видимой и УФ- и даже ИК-областях спектра. Уникальные свойства лазеров на краси-

телях наиболее полно раскрываются при возбуждении их эксимерпыми лазе рами. Это позволяет существенно расширить спектральный диапазон их ра боты и, соответственно, возможности практических применений. Услови ультрафиолетового возбуждения позволяют: более глубоко понять механиз мы и физические принципы преобразования энергии возбуждения сложным] органическими соединениями, получать генерацию на новых классах моле кул, установить причины, влияющие на внутри- и межмолекулярные взаимо действия в новых классах лазерных сред - бифлуорофорах и др. Именно npi использовании "эксимерной" накачки в системах многокаскадных лазеров н красителях достигнуты наиболее высокие значения эффективности генера ции при непрерывной перестройке в спектральном диапазоне 320-1036 нм.

Всё сказанное определило актуальность выбора эксимерных лазеро] для накачки и исследования красителей. Несмотря на то, что лазеры на кра сителях достаточно хорошо изучены, современные условия их использовать в лазерной физике, технике и спектроскопии требуют решения ряда новы; задач. В частности: улучшения энергетической эффективности и КПД, суще ственного повышения фотостабильности красителей, равномерного и одно родного заполнения генерируемым излучением оптического диапазона спек тра, дальнейшего расширения спектральной области генерации новыми да зерными средами с более совершенными параметрами. На момент постанов ки данного исследования разработка высокоэффективных лазеров на краси телях как с "эксимерной", так и ламповой накачкой с параметрами, удовлетворяющими современных потребителей, представляла собой весьма актуальную проблему, имеющую большое значение как с научной, так и с практической точки зрения.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Ре зультаты диссертации получены при выполнении следующих государственных Программ: Республиканская программа фундаментальных исследовали? на 1996-2000 годы. "Физические основы лазерной техники и использование оптического излучения" (Квант). Головная организация - Институт физики им. Б.И. Степанова HAH Беларуси, научный координатор - академик НАБ Апанасевич П.А. Задание "Квант 08" "Исследование активных лазерных ере; на молекулах эксимеров и красителей и взаимодействие их излучения с атомными системами". Срок выполнения 1.01.96г.-31.12.2000 г. Задание "Квант 49" "Исследование механизмов воздействия мощного лазерного излучения различной протяженности спектра на структуру и динамику возникновения плазменного факела на поверхности различных веществ". Срок выполнения 1.01.96-31.12.2000 гг. Республиканская межвузовская протрамма "Фундаментальные основы новых лазерных систем и технологии". 1996-2000 г.г. Головной координатор - Международный лазерный центр при МО РБ, г. Минск. Задание "Исследование активных сред лазеров на эксимерах и красителях и использование их излучения для современных технологий". Номер гос. per. №19962772. Срок выполнения 1.01.96-31.12.2000г. Республиканская комплексная программа фундаментальных НИР "Лазеры", 1991-1995 гг. Координатор — Институт физики HAH Беларуси г. Минск. Задание 3.28 "Разра-

ботка и исследование эксимерных и перестраиваемых лазеров на красителях". Номер roc. per. №0190.0011641. Координатор-Международный лазерный центр при МО РБ. Задание "Исследование механизмов воздействия мощного лазерного излучения короткой длительности на поверхности металлов и других веществ". Номер roc. per. №19961895. Срок выполн. 1.01.91г.-31.12.95г. Программа гособразования СССР "Лазерные системы" 1990-1994 гг. Координационный совет МГУ г.Москва. Задание 01.16. Раздел "Разработка и исследование эксимерных и перестраиваемых лазеров на красителях". Срок выполн. 1.01.90г.-31.12.94г. Республиканская государст. программа "Оптика 2-3 7Б", 1986-90 гг. Головная организация - Институт физики им. Б.И. Степанова НАНБ. Раздел "Разработка и исследование перестраиваемых лазеров видимого и УФ-диапазонов для атомно-флуоресцентного анализа и внутрирезонаторной спектроскопии". Срок выполн. 1.01.86г.-31.12.1990г. А также при выполнении ряда госбюджетных и хоздоговорных НИР: "Исследование систем накачки электроразрядных эксимерных лазеров". Заказчик - Министерство образования РБ. Срок выполнения 1.08.9631.12.98. Номер гос. per. №19983255. "Исследование, разработка и создание ряда эксимерных лазеров для передатчиков лидарных систем, новых технологий, медицины". Заказчик - Министерство образования РБ. Срок выполнения 1.01.94-31.12.96. Номер гос. per. №19941787. "Малогабаритный эксимер-ный лазер". Заказчик - Центральная аэрологическая лаборатория Госкомгид-ромета СССР г. Москва, 1990 г. "Лазер на красителях с эксимерной накачкой". Заказчик Институт физики АН УССР г. Киев, 1989 г. "Разработка и исследование перестраиваемых ОКГ на красителях с накачкой эксимерным лазером". НПО "Энергия", г. Калининград, Московской обл. 1988 г. Разработка перестраиваемого лазера на красителях с микросекундной длительностью и малой угловой расходимостью. Институт физики АН БССР. 1987-88 гг. "Разработка и исследование перестраиваемого ОКГ на красителях с ламповой накачкой". Военная Академия им. Ф.Э.Дзержинского, г.Москва, 1985 г. и ДР-

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являлось установление и изучение фундаментальных физических процессов, управляющих эффективностью генерации электроразрядтшх эксимерных лазеров и лазеров на красителях; а также создание на этой основе эксимерных лазеров и лазеров на красителях с более совершенными параметрами. Для достижения этой цели было необходимо: выявить закономерности изменения энергетических и временных характеристик излучения электроразрядных ХеС1-лазеров в зависимости от состава и давления компонент активной среды и параметров используемых систем возбуждения и предыонизации; создать ряд экспериментальных образцов эксимерных лазеров, отличающихся широким диапазоном выходных энергий генерации (от 0,015 до 3 Дж), мало-габаритностыо и возможностью управления временными параметрами генерируемого излучения; определить влияние молекулярных факторов и структурной организации молекул родаминовых и кумариновых красителей на их спектральные, генерационные и фотохимические свойства; установить меха-

низмы фотодеструкции растворов красителей и разработать методы повыше ния их энергетической эффективности и ресурса работы; исследовать влш ние и роль термооптических искажений активной среды лазера на яростраь ственно-угловые и временные характеристики генерации; разработать и соз дать различные приборные варианты и макеты лазеров на красителях "эксимерной" и ламповой накачкой, обеспечивающие широкий спекграль ный диапазон, высокую эффективность и большую среднюю мощность гене рации.

Объект и предмет исследования. Объектами исследования являлись электроразрядные эксимерные ХеС1- и КгР-лазеры и их системы возбужде ния; лазеры на красителях с "эксимерной" и ламповой накачкой, растворь сложных органических соединений — производных родаминовых и кумари новых красителей. Всего изучено ~100 соединений, причем половина данньп соединений была синтезирована впервые.

Предметом исследований являлись: установление механизмов и уело вий накачки и генерации эксимерных лазеров, обеспечивающие их махеи мальную эффективность; выявление закономерных связей между структур ными факторами родаминовых и кумариновых красителей и их спектрально-люминесцентными и лазерными свойствами; поиск новых высокоэффективных генерирующих красителей; процессы, происходящие в активных среда* лазеров на красителях; разработка методов и устройств, обеспечивающих существенное улучшение параметров генерации лазеров на красителях с эксимерной и ламповой накачкой.

Методологии и методы исследования. Для исследования активных сред лазеров и происходящих в них процессов использовались спектральные, люминесцентные и генерационные методы, методы физико-химического анализа, протонного магнитного резонанса, хроматографического контроля. Для анализа работы лазеров и систем накачки применялись методы численного и компьютерного моделирования.

Научная новизна и значимость полученных результатов заключается в том, что: Впервые установлено существование универсального соотношения между парциальными давлениями компонент активной среды НС1 и Хе, при котором энергия генерации ХеС1-лазера достигает максимального значения и которое выполняется во всем диапазоне рабочих давлений и не зависит от вида буферного газа и системы возбуждения лазера. Предложены и экспериментально реализованы различные режимы электрического возбуждения ХеС1 и ЮР-лазеров с использованием ЬС-контура и ЬС-инвертора, обеспечивающие максимальную эффективность и выходную энергию генерации. Впервые систематически изучена роль и установлено влияние замети-телей различной электронной природы в структуре молекул производных кумарина на их спектрально-люминесцентные и генерационные свойства. В частности показано, что вариация заместителей в 3-м и 7-м положении кумарина позволяет в широких пределах изменять спектральное положение полос поглощения и люминесценции и получать соединения, обладающие высокой генерационной эффективностью и фотоустойчивостью. При этом стабилиза-

ция атома азота в аминокумаринах ядром юлолидина N(0112)6 обеспечивает повышение степени копланарности молекул и, как следствие, значительное возрастание фотостабильности и энергии генерации. Исследованы спектральные и генерационные свойства производных кумарина со структурой бифлуорофоров. Показано, что наличие в 3-м положении молекулы кумарина акцепторного хромофора на основе солей пирилия позволяет получить достаточно эффективную генерацию в красной и ближней ИК-областях спектра при УФ-возбуждении благодаря внутримолекулярному переносу энергии с донориого на акцепторный хромофор молекулы бифлуорофора. Впервые получена генерация на семнадцати новых бифлуорофорах и детально изучено влияние объёмных гетероциклических радикалов на их спектральные, флуоресцентные и генерационные свойства. Установлено, что самой высокой эффективностью генерации и фотостабильностыо в зеленой области спектра обладают бифлуорофоры, содержащие триазольный и оксадиазольный гете-роцикл. Установлено влияние фенильного радикала и различных ауксохром-ных заместителей в положениях 3,6 ксантенового цикла производных родамина на их спектрально-люминесцентные и генерационные параметры. Методом ПМР-спектроскопии впервые установлено наличие трех пространственных изомеров самого эффективного лазерного красителя родамина Ж, отличающихся спектральными и генерационными свойствами. Установлена роль кислорода и механизм действия тушителей С8Н8 и СюН12 на генерационные свойства лазерных сред, на этой основе выработаны рекомендации по их использованию для повышения эффективности лазеров на родамиповых красителях. Установлен механизм фотодеструкции этанольных растворов родаминовых красителей. В частности показано, что первичным этапом фотодеструкции растворов родашгаов является фоторазложение молекул этанола на уксусную и муравьиную кислоты с выделением атомарного водорода и других продуктов. Эти продукты являются исходными для последующих фотопревращений молекул родаминовых красителей, обуславливающих деградацию их лазерных свойств. Установлена роль молекулярного кислорода как ингибитора фотохимических реакций в этанольных растворах рассмотренных соединений. Показано, что скорость фогораспада активной среды может бьггь значительно уменьшена за счет фильтрации УФ компоненты накачки или ее спектральной трансформации. Предложен и реализован новый эффективный метод восстановления генерационных свойств растворов красителей, основанный на использовании специальных сорбентов. Выявлены характер и степень влияния термооптических искажений на работу лазера на растворах красителей при ламповом возбуждении. Количественно определена величина потерь, обусловленных данным фактором, предложен ряд эффективных методов уменьшения вредного влияния термооптических искажений активной среды на пространственно-угловые, энергетические и временные характеристики генерации.

Перечисленные выше результаты в значительной степени проясняют требования к активным средам и системам возбуждения эксимерных лазеров и лазеров на красителях, раскрывают механизмы фундаментальных процес-

сов происходящих в молекулах красителей при лазерной и ламповой накач ках, а также позволяют создавать новые соединения с высокими генерацион ными характеристиками и высокоэффективные электроразрядные лазеры ] лазеры на красителях.

Практическая значимость полученных результатов состоит:

1. В разработке принципов построения электроразрядных эксимерньс лазеров с параметрами, удовлетворяющими современных потребителей, в ус тановлении критериев выбора и получения новых лазерных сред на ociiobi кумариновых и родаминовых красителей, обеспечивающих существенно! повышение эффективности, фотостабильности и расширение спектральной диапазона генерации.

2. В создании ряда экспериментальных образцов эксимерных XeCl \ RrF-лазеров, отличающихся малогабаритностью и автономностью (лазе]: "Пульсар"); возможностью генерации гладких временных импульсов разное длительности с энергией 0,5; 1,0; 1,5 Дж при относительной простоте конструкции и высокой надёжности (лазеры "Сайгак"); малой угловой расходимостью ("ХеС1-0,5"); большой мощностью и выходной энергией ~3 Дж ("Мощный широкоапертурный ХеС1-лазер").

3. В разработке и создании серии лазеров на красителях: а) с возбуждением эксимерным ХеС1-лазером ("ЛК-1","ЛК-2"), отличающихся от аналогоь высоким КПД преобразования (~20%) и широкой областью перестройки; б) с ламповой накачкой, отличающихся высокой энергией генерации (5-7 Дж) при возможности перестройки узкой линии генерации (лазеры "Самоцвет" и "Самоцвет-5М"); рекордной средней мощностью (-150 Вт) и эффективностью генерации ("Мощный частотный лазер на красителях"); автономностью питания и малогабаритностью (лазер "Квант-003"); возможностью измерения малых концентраций поглощающих атомов и параметров переходов с высокой чувствительностью ("лазерный спектрометр").

4. В предложении ряда новых методов повышения ресурса и фотостабильности активных сред лазеров на красителях, обеспечивающих их долговременное использование в мощных частотных лазерах и усилителях.

Решение данных проблем позволило значительно расширить сферу практического использования указанных лазеров в спектроскопии, нелинейной оптике, фотохимии, лазерных технологиях, медицине и биологии, метеорологии и контроле окружающей среды. Большинство созданных лазеров защищены авторскими свидетельствами на изобретения и прошли апробацию в различных организациях и НИИ, и в том числе РБ. Среди них: Военная Академия им. Ф.Э.Дзержинского, г. Москва (лазер на красителях "Самоцвет-5М"), Центр экологического приборостроения "БЕЛКА", г. Киев (лазер на красителях "ЛК-1"), Харьковский институт радиоэлектроники АН Украины (эксимерный лазер "ХеС1-0,5"), Центральная аэрологическая обсерватория Госкомгидромета СССР, г. Москва (лазер на красителях "Квант", эксимерный лазер "Сайгак"), Государственное предприятие ЛЭМТ, г. Минск (лазер на красителях "Квант-003"), НИИ "Зенит", г. Зеленоград Московской области (частотный лазер на красителях с ламповой накачкой), Институт биохи-

мии HAH РБ, г. Гродно (эксимерный лазер "Пульсар"), Гродненский государственный университет им. Я.Купалы.

Лазеры "Квант-003", "Пульсар", "Самоцвет", "ЛК-1" демонстрировались на Международных (г. Варшава), Республиканских (г. Минск) и областных (г. Гродно) выставках и были отмечены Дипломами и Грамотами.

Экономическая значимость результатов работы заключается в том, что созданные лазеры являются оригинальными, соответствуют мировому уровню, но по стоимости гораздо дешевле. По параметрам генерации лазеры на красителях с ламповой накачкой значительно превосходят свои аналоги (типоряд лазеров ЛЖИ 401-407, г. Зеленоград), лазер на красителях с экси-мерным возбуждением "ЛК-2" по эффективности и КПД генерации соответствуют ВИЛ-10 (г. Тарту, Эстония), FL-2000, SCAN МАТЕ2 (фирма Lambda Physik). Электроразрядные XeCl-лазеры с энергией 0,5-1.5 Дж разработаны при содействии лаборатории Томского Института сильноточной электроники во главе с В.Тарасенко и по эффективности превосходят западные аналоги, но уступают им по частоте следования импульсов и средней мощности. Следует отметить, что лазеры данных типов в республике Беларусь не выпускаются, но как уже отмечалось, их потребность для научных и практических применений исключительно высока.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Универсальное соотношение между парциальными давлениями компонент активной среды НСГ.Хе и режим электроразрядного двухимпульсно-го возбуждения, использование которых позволяет значительно увеличить к.п.д. и энергию генерации XeCl-лазера.

2. Установление факторов молекулярного строения, обеспечивающих управление спектральными, генерационными и фотохимическими свойствами производных кумарина и родамина и позволяющих получать новые высокоэффективные лазерные соединения с наперед заданными свойствами.

3. Новые кумариновые красители, включая бифлуорофоры с внутримолекулярным переносом энергии электронного возбуждения, отличающиеся повышенной фотостабильностью и позволяющие, при использовании их в качестве активной среды лазеров, значительно увеличить эффективность генерации излучения в сине-зеленой области спектра при лазерном и ламповом возбуждении.

4. Действие циклооктатетраена и других добавок, используемых для улучшения генерационных свойств красителей при ламповой накачке, обусловлено не только тушением триплетного состояния, но и увеличением вероятности интерконверсии PSi_x и может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от длительности накачки.

5. Механизм фото деструкции этанольных растворов родаминовых красителей в условиях ламповой накачки состоит в том, что первичным актом фотораспада является фотолиз молекул этанола, продукты, которого затем участвуют в фотореакциях с молекулами красителя; при этом кислород играет роль ингибитора этого процесса.

6. Новые методы увеличения ресурса работы активной среды и улучшения пространственно-угловых характеристик генерации лазеров на красителях с ламповой накачкой, основанные на применении специальных сорбентов и хладоагентов-светотрансформаторов, использовании вакуумной оболочки, окружающей кювету с красителем, статических и динамических методов компенсации искажений волнового фронта.

7. Созданный типоряд макетов эксимерных лазеров и лазеров на красителях с "эксимерной" и ламповой накачкой, в том числе с автономным питанием, обеспечивающих широкий диапазон вариации параметров лазерного излучения и габаритов с учетом современных требований для различных практических применений.

Личный вклад соискателя.

В диссертацию вошли результаты исследований, выполненные автором за время его научной работы по данной теме. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают личный вклад автора в опубликованных материалах. Автору принадлежит идея и выбор направления исследования, разработка методик экспериментов и аппаратуры, включая проведение экспериментальных и теоретических исследований в их основной части, а также обработка и анализ приведенных в диссертации результатов.

На разных этапах работы эксперименты проводились совместно с Ги-невич Г.Р., Абрамовым А.Ф., Шалимо A.JI., Русецким А.П., Никигченко В.М., Зноско К.Ф., Тарковским В.В., Володенковым А.П., Загребой Ю.Н., Картазаевой С.А., Микитчуком Ю.Д, Ивановым Е.Е., Зейликовичем И.С., Пулькиным С.А., Курганским А.Д., Панченко А.Н., Ломаевым М.И., Тара-сенко В.Ф., Шевцовым A.C. Расчеты с Кукушкиным В.Г. и Бояркиной Г.Г. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит постановка задачи и основная часть экспериментальных и теоретических исследований. Новые кумариновые соединения и бифлуорофоры были синтезированы и любезно предоставлены Никитченко В.М. (доц. каф. органической химии, Харьковский госуниверситет).

Апробация результатов диссертации.

Результаты диссертации представлялись в 40 докладах, на следующих научных конференциях, симпозиумах и семинарах: XVII Всесоюзный съезд по спектроскопии, (Минск, 1971), Международная конференция по люминесценции (Ленинград, 1972); VI Всесоюзная конференция по нелинейной оптике (Минск, 1972); Всесоюзная научно-техническая конференция "Газоразрядные источники оптического излучения для накачки лазеров" (Москва, 1974); XXII Всесоюзное совещание по люминесценции (Киев, 1975); I, П, III Всесоюзные конференции "Лазеры на основе сложных органических соединений и их применение" (Минск 1975, Душанбе 1977, Ужгород 1980); XI Всесоюзная конференция по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982); Научно-практическая конференция "Лазеры в когерентной оптике и спектроскопии" (Гродно, 1983); VII Белорусско-литовский семинар "Лазеры и оптическая нелинейность" (Минск, 1987); Прейла, Литва 1999 г.; ХШ Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (Минск,

1988); II Всесоюзный семинар "Физика быстропротекакмцих плазменных процессов" (Гродно, 1989); III Symposium techniki Laserowej (Щецин-Свиноусхье, Польша, 1990); International Conference "High performance optical spectrometry" (Варшава, Польша, 1992); Международная конференция "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии" (Гродно, 1993); V International Conference "Laser Applications in Life Sciences" (Минск, 1994); П, III и IV Международные конференции "Лазерная физика и спектроскопия" (Гродно, 1995, Гродно-Минск 1997, Гродно-1999); П Межгосударственная научно-техническая конференция "Квантовая электроника" (Минск, 1998); International Biomedical Optics SymposiumBIOS'98 (Калифорния, США); VI Int. SPIE-PL conf. in the NACMO (Warsaw, Poland, 1999).

Опубликованность результатов.

Основные результаты диссертации опубликованы в 48 статьях (в т.ч. 1 монография (в соавторстве), 26 статей в научных журналах, 18 статей в сбор-пиках научных трудов, 3 препринтах), 15 описаниях изобретений к авторским свидетельствам, 20 тезисах докладов указанных выше конференций. Общий объем опубликованных по теме диссертации материалов составляет 490 страниц.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, восьми глав, заключения, списка используемых источников.

Объем диссертации составляет 375 страниц, в том числе 125 рисунков на 117 стр., 16 таблиц на 28 стр., 30 страниц списка цитируемой литературы (433 наименования).

Во введении дается общая оценка современного состояния лазеров на эксимерных молекулах и растворах красителей, определяются перспективы их развития и применения, обосновывается актуальность и значимость темы, а также направление диссертационной работы.

Основное содержание

Первая глава посвящена описанию электроразрядных эксимерных лазеров на галогенидах инертных газов. В разделе 1.1 дана общая характеристика эксимерных лазеров, рассмотрена схема энергетических состояний эк-симерной молекулы, основные процессы, протекающие в активной смеси при возбуждении. Описаны основные плазмо-химические реакции, протекающие при двух- и трехчастичных столкновениях реагентов в газовой смеси, приводящие к образованию возбужденных молекул ХеС1. Анализируется кинетика и константы скоростей диссоциативного прилипания электронов к галогено-носителю и ион-ионной рекомбинации Хе+ и СГ, а также процессы тушения возбужденных молекул ХеС1. Сформулированы условия, обеспечивающие достижение максимальной эффективности возбуждения эксимерных молекул и соответственно коэффициента усиления.

В разделе 1.2 на основе литературных данных рассмотрено развитие электроразрядных ХеС1-лазеров и достигнутые параметры генерации. Анализируются схемы возбуждения эксимерных лазеров, конструкции формирую-

хцих линий и систем предыонизации. Показано, что использование водяных накопительных линий с рентгеновской предыонизацией и цепи магнитного сжатия позволяет достигать высоких (-100 Дж) энергий генерации. Описаны перспективные схемы импульсно-периодических лазеров с использованием двойных разрядных LC-контуров или LC-инверторов и магнитных "компрессоров" на насыщающихся ферритах, обеспечивающих среднюю мощность генерации >1 кВт при частоте следования импульсов ~100Гц. Обосновывается перспективность разработки систем возбуждения эксимерных лазеров на основе емкостных накопителей с обычным LC-контуром или LC-инвертором и предыонизацией.

В разделе 1.3 описана конструкция разработанного излучателя электроразрядного эксимерного лазера, приведены схемы возбуждения на основе LC-контура и LC-инвертора, схема универсальной экспериментальной установки и ее основных элементов, а также методика проведения исследований.

Вторая глава посвящена оптимизации компонентного состава активной среды ХеС1-лазера. В разделе 2.1 исследовано влияние состава и давления активной среды на энергетические характеристики генерации ХеС1-лазера при возбуждении LC-инветором. В качестве буферного газа в экспериментах использовался гелий, аргон и неон. Исследовалась зависимость выходной энергии генерации от давления HCl при различных парциальных давлениях Хе. На рис.1 представлены диаграммы и объемные поверхности, характеризующие совместное влияние концентраций HCl и Хе на энергию генерации ХеС1-лазера в условиях смены буферного газа. Как видно из рисунка, выходная энергия генерации неоднозначно зависит от парциальных давлений Рнс) и Рхе- Контурные линии на диаграммах отражают уровни одинаковой энергии генерации. На диаграммах пунктиром проведены линии оптимальных соотношений давлений HCl и Хе в активной смеси. Видно, что при использовании различных буферных газов оптимальное соотношение давлений НС1:Хе сохраняется и равно 1:17. Это позволяет заключить, что данное соотношение является универсальным. При таком соотношении активных компонент энергия генерации достигает максимального значения во всём исследованном диапазоне давлений Хе и HCl. Наличие оптимального соотношения активных компонент среды вытекает из следующего. Возрастание концентрации Хе приводит к росту скорости образования возбуждённого Хе* и его накоплению в разрядном объеме. Это приводит к возникновению ступенчатой ионизации, лавинообразному нарастанию концентрации электронов и, как следствие, нарушению однородности разряда и падению энергии генерации. При увеличении давления Хе снижение энергии генерации связано также с ростом константы тушения возбужденных молекул ХеС1. В случае одновременного увеличения концентрации HCl происходит рост диссоциативного прилипания электронов, что уменьшает их концентрацию и влияние ступенчатой ионизации. Это стабилизирует разряд, способствует сохранению его однородности и приводит к возрастанию энергии генерации лазера. Показано, что отношение концентраций HCl и Хе определяется соотношением констант скоростей возбуждения Хе и диссоциативного прилипания электро-

Рис.1 Диаграммы (а) и объемные (б) поверхности, характеризующие совместное влияние концентраций HCl и Хе на энергию генерации XeCl -лазера в условиях смены буферного газа.

нов к галогену, которые зависят от функции распределения электронов. Изменение давления буферного газа в исследованном диапазоне, на оптимальное соотношение активных компонент влияния практически не оказывает.

Исследована зависимость эффективности генерации лазера от вида и давления буферного газа. Буферный газ (Не, Аг, Ие) обеспечивает режим ввода электрической энергии в активную среду. Основным параметром, определяющим режим разряда является отношение напряженности электрического поля Е к плотности частиц активной среды N. При малых давлениях буферного газа, когда ЕЛЧ велико, имеет место эффективное возбуждение, а также ионизация атомов инертного газа, что ведет к ступенчато-ионизационной неустойчивости, падению сопротивления разрядной плазмы, уменьшению коэффициента передачи энергии возбуждения в активную среду, и соответственно - энергии генерации. При больших давлениях, когда Е/И мало, мала скорость возбуждения и ионизации атомов инертного газа электронами. Это нарушает однородность предыонизации и объемного разряда, что сопровождается уменьшением выходной энергии лазера. Показано, что конкуренция этих процессов, приводит к оптимальной величине давления буферного газа, соответствующей определешюму значению Е/1Ч, при котором энергия генерации лазера максимальна. Для условий, представленных на рис. 1, оптимальное давление Не составило ~3 атм, Аг - 1 агм., N6-4 атм. Изучены зависимости энергии генерации и КПД лазера от зарядного напряжения при оптимальных значениях концентраций компонент активной среды. Показано, что с увеличением напряжения энергия генерации вначале нарастает интенсивно, но затем имеет тенденцию к насыщению для всех исследованных смесей. Наибольшее значение энергии генерации (1,4 Дж) и КПД было получено на смеси НС1 :Хе:Ые = 2:35:3040. Снижение КПД с ростом зарядного напряжения связано с тем, что возрастание энергозапаса в накопителях не дает пропорционального роста энерговклада и поэтому значительная часть энергии вкладывается в разряд после развития неустойчивости.

В разделе 2.2 представлены результаты исследования компонентного состава активной среды и ее давления на генерационные параметры ХеС1-лазера при возбуждении ЬС-контуром. Показано, что максимальная энергия генерации достигается при соотношении давлений Рна'-Рхе=1-17 и не зависит от вида буферного газа. Этот результат еще раз подтверждает универсальность полученного соотношения. Показано, что максимальная энергия генерации достигается при значительно меньших (по сравнению с ЬС-инвертором) оптимальных давлениях Рцс~2 атм. и Рце~3.5 атм. Это объясняется тем, что в случае равенства накопительной (СО и обострительной (С0) емкостей не происходит увеличения напряжения на С0, т.е. для достижения пробойного напряжения и поддержания оптимального значения Е/Ы необходимо меньшее давление буферного газа. Кроме того, оптимальное давление буферного газа определяется коэффициентом рекомбинации в трехчастичной реакции образования возбужденных молекул ХеС1, который сильно зависит от давления и типа буферного газа. Ход зависимости энергии генерации от зарядного напряжения с использованием буферных газов Не и N0 показыва-

ют, что в обоих случаях наблюдается практически линейный рост энергии генерации, причем ее значение в 3 раза выше с №. Возрастание зарядного напряжения приводит к росту Е/И, приближает его к оптимальному значению (~10"16 В см2) и, соответственно, увеличивает энергию генерации.

В разделе 2.3 исследовано влияние типа предыонизации активной среды на генерационные характеристики ХеС1-лазера. Проведен анализ работы систем емкостной и искровой предыонизации с точки зрения формирования однородного объемного разряда. Описана конструкция и особенности емкостной и искровой предыонизации разрядом, ограниченным поверхностью диэлектрика. Установлено, что максимальная энергия генерации ХеС1-лазера достигается при величине задержки начала основного разряда относительно начала разряда емкостной предыонизации 100-150 не, а исковой - 150250 не. Показано, что емкостная предыонизация активной среды при оптимальных величинах Ьпр и С^, позволяет вдвое увеличить энергию генерации лазера по сравнению с искровой и обеспечивает большую эффективность генерации при меньших энергозатратах.

Третья глава посвящена исследованию систем возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров. В разделе 3.1 изучено влияние параметров ЬС-контура на энергию генерации ХеС1-лазера. Показано, что энерговклад в разряд и соответственно энергия генерации лазера определяется совокупностью параметров разрядного контура: величиной и соотношением накопительной (СО и обострительной (Со) емкостей, индуктивностью (Ь)) в цепи их перезарядки и сопротивлением коммутатора. Так, папример, уменьшение коммутационных потерь за счет использования шести параллельно включенных разрядников (вместо одного) позволило вдвое увеличить энергию генерации лазера. Зависимости энергии генерации от величин Ьь С0 и С! носят более сложный характер, вид которых представлен объемными поверхностя-

Рис. 2. Объёмные поверхности, иллюстрирующие зависимость энергии генерации от изменения индуктивности Ь[ и обострительной ёмкости С0 при С^ЗОО нФ (а) и 75 нФ (б).

Установлен эффективный режим возбуждения лазера. Показано, что уменьшение обострительной емкости Со до значений (0,01-0,02) Сь при од-

довременном уменьшении индуктивности в цепи зарядки С0 от С] до минимально возможной величины, позволяет сформировать для возбуждения активной среды лазера сдвоенный импульс: короткий высоковольтный (~211о), для формирования разряда и длинный (~и0), для энерговклада в него; получать с применением емкостной предыонизации однородный объемный разряд длительностью ~200 не и увеличить энергию генерации лазера в 1,5-2 раза. Полученные результаты имеют практическую реализацию в мощных электроразрядных эксимерных лазерах, где энергии генерации >10 Дж и КПД ~ 4% достигаются при возбуждении лазера сдвоенным разрядом.

В разделе 3.2 представлен расчет параметров системы возбуждения ХеС1-лазера. Описана методика определения параметров связанных ЬСЯ-контуров. На основе численного решения соответствующей системы уравнений с учетом изменения плотности электронов во времени

= (а -Т1^епе, где - дрейфовая скорость электронов, а и г| -коэф-

&

фициенты ударной ионизации и прилипания электронов соответственно, получены выражения, описывающие поведение сопротивления разряда, тока и напряжения на различных стадиях пробоя межэлектродного промежутка, а также энерговклад в активную среду лазера. Используя точные значения величины (а-г|)/Р как функции Е/Р, получено хорошее соответствие с экспериментальными результатами. Показано, что существует два эффективных режима возбуждения лазера. Первый — при возбуждении разряда от накопительной емкости (описан в разд. 3.1) и второй - при полной перезарядке накопительной емкости С\ на обостригельную С0. Установлено, что структура импульса генерации, сокращение его длительности и ранний срыв генерации обусловлены неравномерным во времени энерговкладом и колебательным характером разрядного тока в межэлектродном промежутке.

На основе проведенных расчетов в разделе 3.3 описана двухконтурная схема возбуждения широкоапертурного эксимерного лазера с УФ предыони-зацией, работающая в условиях полной перезарядки накопительной и обост-рительой емкостей. Установлены условия оптимальной передачи энергии при перезарядке, при которых время задержки разряда в межэлекгродном промежутке т = Тц-Тр/2 и максимальный энерговклад в разряд достигается при Тп/Тр>2,5, где Тп- полупериод перезарядки накопительной емкости на обострительную, а Тр— полупериод разряда Со на межэлектродный промежуток. Показано, что с помощью накопительной и обострительной емкости и индуктивности в контуре их перезарядки можно управлять длительностью и формой импульса генерации в течение времени существования объемной стадии разряда. Получены импульсы генерации с гладким временным профилем, длительностью до 170 нс. Исследована зависимость КПД лазера от величины накопительной емкости.

В разделе 3.4 изучены энергетические характеристики ХеС1-лазера при возбуждении ЬС-инвертором. Показано, что определяющее значение на энергию генерации лазера оказывают параметры контура инверсии, в частно-

сти, величина емкости Сг и индуктивности LПолучены условия оптимального согласования параметров накопительного (C)L|) и инверсируемого (C2L2) контуров

т = 0,75 njЦСГ ; nJ(L0 + L, <f л/LÄ.

при выполнении которых энергия генерации максимальна. Существенное влияние на энергетические параметры разряда и генерации оказывает не только величина накопительных емкостей в основном и инверсируемом контурах, но их отношение С2/С1 и величина обострительной емкости. Эти результаты представлены соответствующими поверхностями на рис. 3.

а) б)

Рис. 3. Поверхности, характеризующие зависимость энергии генерации ХеС1-лазера от величины обострительной емкости Со и емкостей С1=С2 при Ь2~17 нГн (а), от величины С1 и отношения С2/С) при С0=Ю нФ (б).

Как видно из рисунков, максимальная энергия генерации достигается при С1=Сг=200 нФ, величине обострительной емкости Со=30 нФ и отношении С2/С,~1. Показано, что с точки зрения КПД генерации оптимальным является диапазон отношения С2/С1=0,4-0,5, при котором энергозапас системы возбуждения достаточно высок, а зависимость БгеН от С2/С1 практически выходит на насыщение.

В четвертой главе представлен разработанный в результате проведенных исследований ряд экспериментальных образцов эксимерпых лазеров. В разделе 4.1 описана конструкция, генерационные характеристики и области применения малогабаритного автономного эксимерного лазера "Пульсар". Данный лазер может работать на эксимерных молекулах ХеС1 и КгБ* в частотном режиме и обеспечивает энергию генерации ~15 мДж. Лазер "Пульсар" демонстрировался на Международной (г. Варшава, 1995 г.) и Республиканской (г. Минск) выставках. В разделе 4.2 описаны особенности конструкции разрядной камеры и резонатора, генерационные параметры и области применения эксимерного лазера "ХеС1-0,5" с малой угловой расходимостью. В предложенной конструкции лазера используется одна активная среда для задающего генератора и регенеративного усилителя, представляющего собой

неустойчивый резонатор с большим коэффициентом увеличения. Лазер обеспечивает энергию генерации ~0,5 Дж, расходимость излучения — (2x4)-10"4 рад при длительности импульсов -50 не.

В разделе 4.3 представлен электроразрядный ХеС1-лазер "Сайгак" с оригинальной системой возбуждения, защищенной авторским свидетельством. Предыонизация активной среды осуществляется разрядом, ограниченным поверхностью диэлектрика через сетчатый катод. Лазер обеспечивает выходную энергию генерации 1,5 Дж при длительности импульса -160 не. Лазер "Сайгак" использовался в составе лвдаряого комплекса для исследования озонного слоя Земли и технологических применений.

В разделе 4.4 описана конструкция макета мощного широкоапертурно-го эксимерного ХеС1-лазера. Система возбуждения лазера состоит из двух последовательно соединенных ЬС-контуров питаемых от двухполярного источника, с предыонизацией осуществляемой емкостным разрядом из под каждого основного электрода. Защищена авторским свидетельством. Энергия генерации лазера равна 3 Дж, что соответствует пиковой мощности 60 МВт. Сечение пучка генерации составляет 6x3 см2. Лазер может работать как в режиме одиночных, так и повторяющихся с частотой до 0,3 Гц импульсов.

Пятая глава посвящена установлению взаимосвязи структуры молекул кумариновых и родаминовых красителей с их спектральными и генерационными характеристиками. Всего исследовано —100 соединений: -80 производных 7-гидрокси-(ацетокси-), 7-диэтиламино- и юлолидинкумаринов и -14 родаминов, отличающихся типом и положением заместителей и функциональных групп в основной структуре молекулы.

В разделе 5.1 дается анализ требований к эффективным лазерным соединениям на основе молекул красителей, рассмотрены процессы, определяющие вероятности переходов, внутреннюю и интеркомбинационную конверсию в молекулах сложных органических соединений. Анализируются условия получения усиления и генерации, а также процессы, 01раничнвающие лазерную эффективность красителей. Рассмотрена роль наведенных накачкой потерь и фотодеструкции лазерных сред.

В разделе 5.2 описаны направления поиска новых молекулярных структур с эффективными параметрами генерации. Анализируется роль химических добавок (тушителей) и механизмы внутримолекулярного переноса энергии в бифлуорофорах различного строения.

В разделах 5.3 и 5.4 изучено влияние структурно-молекулярных факторов производных 7-гидрокси-(ацетокси-) и 7-диэтиламинокумарина на их спектральные и Генерационные характеристики. Поскольку эффективность генерации красителей, кинетика наведенного поглощения и потерь в значительной степени определяются длительностью возбуждающего импульса, исследование генерационных параметров проводилось в условиях "эксимер-ной" и ламповой накачки. Результаты представлены в таблицах, где указаны названия красителей, их структурные формулы, длины волн, соответствующие максимумам спектров поглощения и флуоресценции, квантовый выход флуоресценции, энергия генерации (ламповая) и КПД генерации (лазерная

накачка), а также спектральный диапазон генерации. В таблицах красители расположены в порядке возрастания батохромного влияния различных заместителей в структуре молекулы. Общая структурная формула кумарина и типы исследованных заместителей (в различных положениях и сочетаниях) представлены на рис.4.

где 11.7 - Н, ОН, ОСОНз, №12) 7 7 ШСЙ, М(С2Н5)2, К(СН2)б;

К« -^Ж^А^Яз «6- Н, СД1„, С6Н6(0Н)40; Т Т 1 Я3-Н, СН3;

Л, - Н, СН3;

Из - Н, СН3; С3Н7; С2Н3; СООН; СО-№Ш=СНР11; -СбН3, -а, -СОСНз, -СООС2Н5, -СОСН2СООС2Н5, -сош2, -сн,

I ^ I

оХР=Т-О^' XXX ^-о.™.

Рис.4. Структурная формула кумарина и типы исследованных заместителей.

Установлено, что введение в положение 7 кумаринового цикла элек-тронодонорных заместителей: -ОН, -ОСОСНз, -ЫН2, -МНС2Н5, -К(С2Н5)2, с неподеленной парой п-электронов кислорода или азота приводит к смещению электронной плотности к атому кислорода и резкой поляризации молекулы. Это сопровождается длинноволновым смещением полос поглощения и флуоресценции на 50-70 нм. Возникновение отрицательного заряда значительно усиливает электронодонорность ауксохромного заместителя и облегчает взаимодействие по цепи сопряжения с карбонильной группой. При этом квантовый выход флуоресценции возрастает практически до единицы и молекула приобретает генерационную способность. Это связано с тем, что введение электронодонорных заместителей в положение 7 сопровождается изменением относительного расположения термов: оба низших возбужденных уровня 81 и Т1 становятся состояниями ш" типа, в отличие от незамещенного кумарина, у которого отсутствие флуоресцентной и генерационной способности обусловлено тем, что уровень Т] является состоянием гос*-типа.

Положение максимума спектра флуоресценции определяется разностью энергий уровней 81 и 8о*(80*-характеризует неравновесную сольватную оболочку состояния Бо). Независимость спектра флуоресценции от вводимых в молекулу кумарина алкильных заместителей объясняется тем, что увеличение разности дипольных моментов ЛР3^5() сопровождается увеличением

степени ориентационного уширения состояний 81*и Бо*. Действительно, соединения содержащие в положениях 3 и 6 алкильные заместители: метил, пропил, изопропил, гексил, глюкозид, влияющие на положение спектра по-

глощения, имеют примерно одинаковое положение спектров флуоресценции и характеризуются достаточно высокой эффективностью генерации как при ламповой (1,5-2,0 Дж), так и лазерной (КПД 25-5-30%) накачках. Их квантовый выход флуореценции составляет ^,¡>„=90%. Причем предложенный нами эскулин по генерационной эффективности лишь незначительно уступает родамину 6Ж. Спектры генерации данных соединений расположены в диапазоне 445-480 нм. Все возрастающий сдвиг спектра поглощения в длинноволновую область происходит при введении в положение 3 молекулы 7-гидрокси(ацетокси)кумарина электроноакцепторных заместителей, усиливающих свои электроноакцепторные свойства в последовательности:

-соон<-РЬ<-СК-<°< -с^2Н<Ар<ЛрО<Н'Лгф.

н Н

Спектры флуоресценции при этом практически смещения не испытывала и совпадают со спектром люминесценции 7-гидроксикумарина. Аналогичное положение наблюдается для алкилзамещенных 7-гидрокси-(ацетокси)кумаринов. Указанный факт свидетельствует о том, что алкильные группы в положении 3,4 и 5, а также карбэтокси- и ацетильная группы в положении 3 не оказывают существенного влияния на величину дипольного момента молекулы в возбужденном состоянии. Наблюдаемое увеличение или уменьшение перекрытия спектров поглощения и флуоресценции определяется соответственно уменьшением или увеличением разности дипольных моментов молекулы в возбужденном (БО и основном (Бо) состояниях (за счет изменения дипольного момента молекулы в основном состоянии) и соответственно изменением степени сольватации молекул красителя молекулами растворителя. Об уменьшении разности дипольных моментов молекул 7-гидрокси(ацетокси)-3-ацетил- и 7-гидрокси-З-карбэтоксикумаринов в основном и возбужденном состояниях свидетельствует также увеличение коэффициента Эйнштейна В5о_5Ду) в 2-3 раза по сравнению с 7-

гидроксикумаршюм. Установлено, что электроноакцепторные заместители, введенные в положение 3 молекулы 7-гадрокси (диэтиламино) кумарина, вызывают падение т]флу от 90% до 75-50%. Причем, на эффективность генерации это не оказывает существенного влияния. Падение квантового выхода флуоресценции в данном случае можно объяснить подвижностью заместителей, состоящих в сопряжении с тс-электронной системой кумарина. Особенно благоприятное воздействие на рост генерационной эффективности и фотостабильности оказывает замена карбонильной группы на иминогруппу во втором положении молекулы. При этом спектры поглощения и флуоресценции сдвигаются на 24 нм и 10 нм соответственно в длинноволновую область, а квантовый выход флуоресценции практически не изменяется. Возрастающее перекрытие спектров приводит к смещению генерации в зеленую область (490-510 нм). Такое воздействие иминогруппы может быть связано с ее большими (по сравнению с карбоксигруппой) электронодонорными свойствами, что вызывает усиление степени сопряжения п-электронов азота с %-

электронной системой хромофора кумарина и приводит к возрастанию ди-полыюго момента молекулы в основном состоянии.

Дальнейший сдвиг спектра поглощения в длинноволновую область (до 80 нм) наблюдается при введении в положение 3 молекулы 7-диэтилами-но(гидрокси)кумарина сильных акцепторов электронов - гетероциклических радикалов бензимидазолила, бензтиазолила, имидазопиридила. Спектр флуоресценции при этом сместился в длинноволновую область значительно меньше (на 40 нм), что привело к увеличению перекрытия полос поглощения и люминесценции. Несмотря на это, данные соединения характеризуются весьма высокой эффективностью генерации в зеленой области спектра (АХГСн= 510-560 нм). Причем наибольшей энергией генерации (1,5-2,2 Дж) при ламповой накачке и КПД (15-30%) при лазерной, характеризуются хлориды и перхлораты 7-дютиламино-3-(2-бензимидазолил), (2-имидазопиридил) и (3-ил-бензимидазолия) кумарина. Следует отметить, что незамещенный родамин, ранее широко используемый для получения генерации в данной спектральной области, по генерационной эффективности па порядок хуже.

Влияние длины цепи сопряжения молекулы можно проследить на примере соединений на основе солей пирилия со структурой бифлуорофоров. Например, присоединение к 7-диэтиламино-хромилию перхлорату во 2-ом положении 7-диэтиламино-З-кумаринила приводит к значительному ~(200нм) сдвигу спектров поглощения и флуоресценции по сравнению с одинарным флуорофором - 7-диэтиламинокумарином. Спектры поглощения представляют собой широкие полосы, содержащие по два максимума, соответствующие поглощению донорного и акцепторного фрагментов. Бифлуо-рофор эффективно генерирует (КПД-13% в ацетонигриле и 6,5 % в этаноле) при эксимерной накачке в диапазоне 724-740 нм. Тот факт, что Г|ф;1 донорного фрагмента составляет 70%, а квантовый выход флуоресценции бифлуорофо-ра 10% указывает на дополнительные каналы дезактивации энергии электронного возбуждения. Показано, что в данных молекулах осуществляется эффективный внутримолекулярный перенос энергии, снижающий г^, и приводящий к возникновению наведенного поглощения с большим временем затухания. Последнее является основной причиной отсутствия генерации при ламповом возбуждении бифлуорофоров. Значительное влияние на генерационную эффективность и фотостабильность оказывает степень копланарности молекулы, которая у ряда производных юлолидинкумарина достигается пространственной стабилизацией атома азота за счет циклизации с кумариновой основой -1\т(СН2)б. Это привело к уменьшению вероятностей внутренней конверсии сЦ и интеркомбинационного перехода Р^-т,, что подтверждается возрастанием т^ до 85% и эффективности генерации в 1,5 раза. В частности показано, что высокая генерационная эффективность З-карбамил-2-имино-юлолидинкумарина, сравнимая с родамином Ж, связана с малой величиной вероятности интерконверсии Т1 и малым наведенным поглощением. Включение в структуру юлолидинкумарина сильных акцепторов: гетероциклических радикалов бензимидазолила, бензимидазопиридила и бензими-

дазолия позволило получить группу соединений, генерирующих в желто-зеленой области спектра при эксимерной (КПД=38-44%) и ламповой накачке с эффективностью, сравнимой с родамином 6Ж и фотостабильности, превышающей известные родамины в 2-3 раза.

В разделе 5.5 исследованы новые лазерные среды на основе бифлуоро-форов молекул кумарина. Отличительной особенностью вновь синтезированных кумариновых соединений является наличие объемного гетероциклического радикала (триазольного, оксадиазольного или тиазольиого гетеро-цикла) в 3-ем положении кумаринового ядра, который выступает в виде связующего звена с арилъным фрагментом молекулы

Установлена следующая степень батохромного влияния заместителей И) в кумариновом ядре: Н < б-н-С^Нп, 7-ОН < 5,6-бензо < 7-Ы(С2Н5)2 <К(СН2)6.

Природа заместителя Иг в арильном фрагменте изученных соединений практически не влияет на положение длиноволновых полос поглощения, но отражается на генерационной способности. На основе квантовохимического расчета, анализа конфигурационного взаимодействия и локализации молекулярных орбиталей показано, что у исследованных соединений ВЗМО и НСМО имеют одинаковое строение и локализованы на кумариновом фрагменте. Это свидетельствует о том, что длинноволновые переходы и соответственно полосы в спектре флуоресценции, обусловлены особенностями строения кумаринового фрагмента, что подтверждается в эксперименте. Числа локализации возбуждения также подтверждает сделанный вывод. Величина степени локализации возбуждения на кумариновом фрагменте ЬКум=65-83%. В то же время для гетероциклического радикала =17-25%, а ариль-ного фрагмента ЬАр =4-8%. Показано, что расчетные значения спектральных параметров хорошо согласуются с экспериментальными данными. Результаты исследования представлены в таблицах, где данные соединения объединены группами, в которых при постоянном кумариновом фрагменте последовательно изменяется и усложняется арильными заместителями гетероциклический радикал и наоборот, при изменяющемся кумариновом хромофоре остается постоянным гетероциклический фрагмент с его заместителями.

Показано, что ряд 7-диэтиламинокумаринов, объединенных в бифлуо-рофор триазольным или оксадиазольным циклами характеризуется самой высокой эффективностью генерации в области 500-530 нм. При ламповой накачке их энергия генерации составляет 2,5 Дж, что в 1,7 раза превосходит широко известный кумарин 334. Данные красители обладают также повышенной фотостабильностью, соответствующей фотостабильности эталона (3-

Гет.

где 1^-7-ОН, 6н-СбН13, 5,6-СбН), 7-№Н,)„ 7-№СШй:

N-N

Кум.

- тиазольныи гетероциклы.

карбамил-2-иминоюлолидинокумарина). Существенно, что присоединение в арильном фрагменте молекулы к фенилу СНз-группы практически не отражается на спектрально-люминесцентных свойствах, но сопровождается резким возрастанием эффективности генерации. Влияние метальной группы связано с ее стабилизирующим действием на фенильный радикал, что способствует установлению определенной плоскостной структуры молекулы. Аналогичное воздействие оказывает стабилизация кумаринового фрагмента ядром юлолидина. При этом происходит закономерное батохромное смещение спектров поглощения и люминесценции, а также значительно возрастает (до 90%) квантовый выход флуоресценции. Установлено, что переход к другой изомерной форме тиазольного гетероцикла приводит к гипсохромному смещению спектров поглощения и люминесценции на 25 и 30 нм соответственно и к значительному росту энергии генерации при ламповой накачке (Егс„=1,5 Дж). Данный краситель в 2,5 раза превышает по фотоустойчивости кумарин 30, а по энергии генерации в идентичных условиях - в 5 раз. При этом замена карбонильной на иминогруппу во 2-ом положении при сохранении структуры молекулы сопровождается дальнейшим ростом генерационной эффективности бифлуорофоров.

В разделе 5.6 изучено влияние строения молекул родаминовых красителей на их спектрально-люминесцентные и генерационные характеристики.

Общая структурная формула исследованных родаминов имеет вид

Степень сопряжения n-электронов атомов азота с тс-электронами ксан-тенового цикла возрастает с усилением электронодонорных свойств заместителей в ряду: амино < алкиламино < диалкиламиногруппа. При этом положение максимумов спектров поглощения и флуоресценции определяется величиной электронодонорного эффекта амино- и диалкиламиногрупп в положениях 3,6 ксантенового ядра молекулы. Максимальное смещение спектров поглощения и флуоресценции в длинноволновую область до 550 и 600 нм соответственно, наблюдается при закреплении аминогрупп в плоскости ксантенового цикла (образование структуры родамина 101). Это достигается за счет большей степени электронодонорности заместителей и копланарного расположения осей облаков неподеленных n-электронов атомов азота и %-электронов ксантенового ядра, что приводит к существенному усилению степени их сопряжения и соответственно росту фотостабильности молекулы. Спектр генерации данного красителя расположен в самой длинноволновой области (630-650 нм). Методом спектроскопии протонного магнитного резонанса (ПМР) показано, что положительный заряд в молекулах родаминов в растворе делокализуется на ксантеновом ядре по цепи сопряжения между

+ СГ

где

двумя аминогруппами, причем сигналы метиленовых и метальных протонов, расположенных при атомах азота, магнитноэквивалентны. Это свидетельствует о том, что плоскость ксантенового ядра перпендикулярна плоскости фе-иильного кольца и потому карбокси- или карбэтоксигруппы оказывают слабое влияние на заместители, расположенные в положениях 3,6-хромофора молекулы. Показано, что введение метальных трупп в положение 2,7 ксантенового цикла приводит к гипсохромному смещению спектров поглощения и флуоресценции, а также возрастанию т^ и энергии генерации родаминов. Так, например, при переходе от родамина 6Ж к родамину Ж (содержащему СНз-группы) наблюдается смещение спектров поглощения и флуоресценции в коротковолновую область на И нм, энергия генерации возрастает в 1,6 раза, а г|флу на 15%. Этот факт вызван тем, что электронодонорные метальные группы в положениях 2,7 препятствуют смещению электронного заряда от алкиламшюгрупп на тс-электронную систему ксантенового ядра. Кроме того, как следует из спектров ПМР родамина Ж, СНз-груяпы оказывают стериче-скую стабилизацию этиламиногрупп, посредством вывода NH-C2H5-rpynn из плоскости молекулы.

Установлено, что самый эффективный лазерный краситель родамин Ж содержит три изомера, отличающихся пространственным расположением этиламиногрупп в структуре молекулы. При этом, изомеру I соответствует

структура с син-анти расположением N^^ ^ -ipynn, изомеру II- анти-

анти и изомеру III- син-син. Показано, что генерационная эффективность соединений I-III в растворе различается. Наименьший КПД генерации наблюдается для син-анти-томера. Квантовый выход флуоресценции которого также минимален. Таким образом, несимметричность пространственного строения оказывает значительное влияние на флуоресцентную и генерационную эффективность молекулы. Син-син и анти-анти изомеры имеют квантовый выход флуоресценции 95 и 98% и по энергии генерации превосходит син-анти изомер примерно в 2 раза.

Шестая глава посвящена исследованиям, направленным на повышение энергетической эффективности, фотостабильности и ресурса работы лазерных сред на основе родаминовых и кумариновых красителей. В разделе 6.1 описано использование тушителей для повышения генерационной эффективности лазеров на красителях. На основе литературных источников анализируются механизмы действия тушителей Т-состояния, их влияние на генерационные характеристики лазерных сред при ламповом возбуждении. Показано, что благоприятное воздействие химической добавки определяется соотношением между спектроскопическими характеристиками тушителя, красителя и растворителя. По этой причине механизм благоприятного действия даже известных тушителей являлся дискуссионным. Кроме того, оставалось неясным, каковы же истинные возможности увеличения энергии генерации красителей с использованием эффективных тушителей и перспективы их применения в высокоэнергетичных лазерах на красителях.

В разделе 6,2 приведены результаты исследования действия тушителей на эффективность генерации родаминов различного строения в зависимости от типа и концентрации тушителя, длительности, энергии и спектрального состава импульса накачки. Установлен механизм действия тушителей 02, С8Н8 и предложенного Сю-Н12 на эффективность генерации родамшгов, состоящий в том, что, внесение тушителя, наряду с сокращением времени жизни метастабильиого уровня, может также уменьшать или увеличить вероятность шггерконверсии Р32. По этой причине эффективность действия тушителей и их оптимальная концентрация определяется спектроскопическими параметрами молекул красителя и длительностью импульса возбуждения. Фотораспадом тушителей объясняется падение эффективности их действия при увеличении энергии накачки. Так, в случае малых энергий возбуждения (Енак ~ 30 Дж) или использовании фильтров, отсекающих УФ-часть накачки до 390 нм энергетический выигрыш с применением С8Н8 или СцДг составляет -100%. Увеличение энергии накачки до 1800 Дж без светофильтра приводит к отрицательному эффекту, т.е. применение данных тушителей снижает энергию генерации.

Раздел 6.3 посвящен изучению фотохимии этанольных лазерных .сред. Анализируются условия и процессы, приводящие к фотообесцвечиванию растворов красителей. Показано, что первичным процессом фотодеструкции этанольных растворов родамшговых и кумариновых красителей под действием УФ-излучения накачки является фотопревращение молекул растворителя, приводящее к образованию уксусной и муравьиной кислот, атомарного водорода и других фотопродуктов. Об этом свидетельствуют изменения спектра поглощения и рН облученного этанола, а также характерные изменения спектра ПМР в результате возрастания скорости обмена протонов в кислой среде. Установлена важная роль атмосферного кислорода как ингибитора процесса фотодеструкции.

В разделе 6.4 изучена фотодеструкция этанольных растворов родами-новых красителей. Показано, что при многократном облучении падение генерационной эффективности родаминов связано с фото деструкцией молекул растворителя и красителя. Это вызывает изменение спектралыю-люминес-центаых свойств раствора и приводит к появлению значительного поглощения в спектральной области генерации. Более устойчивы к фотодеструкции красители, имеющие в положении 2,7-ксантенового цикла симметричные заместители, обладающие +М-эффектом. Причем, с увеличением электронодо-норных свойств заместителя фотостабильность и ресурс работы родаминов возрастает в последовательности родамин Ж - родамин В - родамин 101. Установлен механизм фотодеструкции этанольных растворов родамшювых красителей, согласно которому образование их продуктов фотопревращения, поглощающих в спектральной области генерации, происходит с участием уксусной и муравьиной кислот и кислорода в реакции фотоацилирования. Реакция фотоацилирования характерна для незамещенных и монозамещенных родаминов. Вероятность ацилирования зависит от электронной плотности у атома азота лейкосоединения красителя. На примере родамина Ж показано,

что полученный ацильный фотопродукт генерационной способностью не обладает и имеет более широкий спектр поглощения и флуоресценции

(Пфлу=20%).

В разделе 6.5 изложены методы повышения ресурса работы лазерных сред на основе кумариновых и родаминовых красителей. Показано, что фильтрация УФ-излучения накачки с длинами волн А,<350 нм приводит к повышению ресурса работы этанольных растворов родаминов более чем на порядок, однако КПД генерации при этом уменьшается в 2-3 раза. Более перспективным является метод увеличения фотостабильности родаминов за счет использования люминесцирующих светотрансформаторов, преобразующих УФ-часть излучения накачки в видимую. Показано, что при оптимальной концентрации и совпадении спектральных областей флуоресценции люминофора и поглощения используемого красителя, фотостабильность родаминов может быть значительно повышена. Предложен новый метод повышения ресурса работы исследуемых лазерных сред, заключающийся в удалении образовавшихся фотопродуктов путем фильтрации облученного раствора через специальный адсорбционный фильтр на основе оксида алюминия марки "Кбтег". Механизм действия фильтра заключается в том, что он адсорбирует как продукты фотопревращения молекул растворителя, так и продукты фотодеструкции красителя, поглощающие в спектральной области генерации. Показано, что при наличии в системе прокачки адсорбционного фильтра и использовании в качестве хладоагента самого этанола (вместо Н20) достигается 100% восстановление генерационной эффективности лазера.

Седьмая глава посвящена изучению влияния термооптических искажений (ТоИ) активной среды на пространственно-угловые и временные характеристики генерации. В разделе 7.1 дано количественное определение потерь, обусловленных ТоИ с учетом фотораспада и Т-Т поглощения молекул красителя при ламповом возбуждении. Показано, что при заданных параметрах разрядного контура величина потерь на ТоИ вдвое превышает начальные потери генератора и составляет большую часть (~2/3) от общей величины наведенных потерь.

В разделе 7.2 исследуется роль искажений в формировании пространственно-угловых и временных характеристик генерации. Установлено, что увеличение концентрации красителя сопровождается существенным изменением диаграммы направленности излучения лазера. Наиболее равномерное распределение излучения по торцу наблюдается при малых концентрациях раствора. Угловая расходимость при этом минимальна и составляет 10'. Увеличение концентрации красителя вплоть до оптимального значения приводит к появлению в ближней и дальней зонах структуры поля в виде кольца и круглого пятна в центре. Показано, что центральное пятно генерации на торце дает излучение с наименьшей угловой расходимостью (~4'). Излучение с большой угловой расходимостью формируется в периферийной кольцевой области раствора, прилегающей к боковым стенкам кюветы. Наблюдаемые закономерности объясняются, исходя из характера поперечного распределения накачки и формы профиля ТоИ. Развитие ТоИ во времени приводит к

модуляции интенсивности генерируемого излучения. Период и амплитуда возникающих пульсаций зависят от концентрации красителя, температуры раствора и условий возбуждения. При малых концентрациях, основной причиной модуляции излучения является возникновение в растворе акустических колебаний. Формирование пульсаций при больших концентрациях раствора обусловлено изменением фокусного расстояния образующейся эффективной линзы, приводящей к модуляции добротности резонатора.

В разделе 7.3 приведен расчет времени охлаждения стенки кюветы лазера при мощном импульсном возбуждении. Оптическая неоднородность активной среды обусловлена наличием в растворе градиентов температур и флуктуаций плотности, релаксация которых происходит по механизму теплопроводности. На основе решения общего уравнения теплопроводности с учетом вынужденного конвективного теплообмена получены зависимости температурного профиля от толщины стенки кюветы и времени ее охлаждения от скорости прокачки хладоагента и физических параметров раствора красителя. Данные результаты позволили определить условия оптимального режима охлаждения лазерной кюветы, при которых ТоИ активной среды минимальны и могут быть использованы при создании мощных частотных жидкостных лазеров с ламповой накачкой.

В разделе 7.4 описаны методы компенсации ТоИ активной среды. Метод статической компенсации ТоИ основан на внесении в резонатор лазера линз с различным фокусным расстоянием или телескопа. Показано, что использование телескопа с увеличением 5х позволяет в два раза повысить энергию генерации лазера (особенно при больших базах резонатора), существенно (в 1,5-2 раза) уменьшить угловую расходимость и сузить спектр генерации. Динамическая компенсация будет иметь место, если в резонатор лазера поместить оптический элемент, поперечное распределение показателя преломления в котором изменялось бы в процессе генерации параллельно с проявлением термических искажений в активной среде, причем таким образом, чтобы компенсировать эти искажения. Компенсатором служила дополнительная кювета с водным раствором тартразина, которая помещалась в резонатор и возбуждалась одновременно с основной кюветой. Варьируя энергию накачки и концентрацию тартразина, можно изменять профиль термооптических неоднородностей в дополнительной кювете и таким образом создавать условия для внутрирезонаторной компенсации искажений волнового фронта. В условиях эксперимента достигнуто увеличение энергии генерации в 1,52 раза при дифракционной величине угловой расходимости.

Существенное повышение КПД и улучшение пространственно-угловых характеристик генерации за счет снижения ТоИ может быть достигнуто в системе суммирования лазерного излучения. Данная идея была реализована в лазере-преобразователе на красителях (сумматоре), возбуждаемом лазером на красителях с ламповой накачкой. В результате оптимизации параметров лазера-преобразователя и возбуждающего лазера на красителях показано, что вариацией длительности импульса накачки можно управлять степенью ТоИ и соответственно энергетическими и угловыми параметрами генерации. На-

пример, при изменении длительности возбуждающего импульса от 30 мкс до 1 мкс и оптимальной плотности энергии накачки (~3 Дж/см2), КПД генерации родамина Ж возрастает от 10 до 40% при этом угловая расходимость уменьшается от 10"2 до 10~3 рад.

Для устранения акустических колебаний, которые ограничивают длительность генерации и приводят к резким колебаниям интенсивности выходящего потока излучения предложена новая конструкция лазерной кюветы, содержащая вакуумную оболочку. Показано, что использование такой кюветы в мощном частотном лазере на красителях позволило увеличить энергию генерации в 1,3-1,5 раза и получить гладкий во времени импульс генерации.

Восьмая глава посвящена разработке и созданию серии лазеров на красителях с "эксимерной" и ламповой накачкой.

В разделе 8.1 описаны лазеры на красителях "ЛК-1" и "ЛК-2", возбуждаемые эксимерным ХеС1-лазером. Приведены их оптические схемы, рассмотрены особенности конструкции и накачки. Генерационные характеристики

В разделе 8.2 описано устройство и генерационные параметры макетов лазеров с ламповой накачкой "Самоцвет" и "Самоцвет-5М". Лазер "Самоцвет" обеспечивает при перестройке спектра в диапазоне 450-700 нм следующие параметры:

Еген ЗОмДж 100 мДж

КПД 15% 20%

Д^тея 260-800 нм 360-800 нм

0,04 нм 0,01 нм

КСГГ(2Ф-П) 0,005 нм 0,002 нм

Ф,(угл.расх.) 1x3 мрад 1x3 мрад

Еген> ДЖ ДЯге„, НМ

0,5-7,0 100-150

0,1-2,0 0,5-0,8

0,1-0,3 0,001-0,002

0,01' 285-300

Лазер может работать также в режиме генерации цуга пикосекундных импульсов (пассивная синхронизация мод). Нелинейное преобразование излучения родамина Ж кристаллом КОР.

Лазер "Самоцвет-5М" имеет блочно-модульное исполнение с оригинальной конструкцией излучателя и системы восстановления активной среды, защищенных авторскими свидетельствами. Эффективность и спектральный диапазон генерации с использованием коммерческих (Г-8') и предложенных новых (1-10) кумариновых и (11-14) родаминовых красителей лазера "Самоцвет-5М" (11-родамин Ж).

Егвм,Дж /и\

/» /в» 1

г-г \

А.нм

В разделе 8.3 приведено описание высокоэффективного лазера на красителях с большой средней мощностью генерации. Описаны особенности электрической схемы управления и питания, выполненной на полупроводниковых элементах и тиристорах, приведены результаты оптимизации параметров излучателей с различными типами осветителей и импульсных ламп. Показано, что с точки зрения КПД и энергии генерации весьма перспективными являются овальный (~КПД=:1,25%) и двойной овальный (Ега=10,5 Дж) осветители. На основе разработанных излучателей, предложенных схем питания, прокачки и охлаждения активной среды создан эффективный частотный, лазер со следующими параметрами генерации:____

№ п/п Название красителя С-104, моль/л Бгеш Дж ^ген, мкс А^-ген, нм Р 4 ген, Вт

1. Кумарин 102 1,0 3,2 22 450-470 50

2. Эскулин 1,1 3,0 20 460-480 40

3. Кумарин 6 1Д 2,5 25 500-550 50

4. Родамин 19А 1Д 5,0 28 530-660 100

5. Родамин 60 (Ж) 1Д5 6,0 30 580-590 150

6. Родамин В 1,14 3,2 20 600-620 60

7. Родамин 101 1,1 3,0 24 630-640 50

8. Крезил-фиолет 1,0 1,0 16 640-660 30

9. Оксазин 17 0,5 1,5 15 660-700 30

В разделе 8.4 описан малогабаритный частотный лазер на красителях с ламповой накачкой "Квант-003". Особенностью лазера является автономность питания, использование малогабаритного источника накачки на основе транзисторного преобразователя напряжения и серийно выпускаемых комплектующих. В лазере применена температурная стабилизация раствора красителя и охлаждающей жидкости, а также система восстановления генерационных свойств активной среды на основе адсорбционного фильтра. Лазер "Квант-003": обеспечивает среднюю мощность генерации -500 мВт в спектральном диапазоне-440-750 нм (перестройка заменой красителя). Максимальная частота импульсов генерации, длительностью 1 мкс равна 40 Гц. Лазер "Квант-003" демонстрировался на ВДНХ БССР и был удостоен диплома I степени.

В разделе 8.5 описан спектрометр на основе лазера на красителях с внутрирезонаторным интерферометром Майкельсона. Приведена оптическая схема спектрометра, рассмотрены особенности формирования спектра генерации и структуры мод в резонаторе Майкельсона, содержащем поглощающую ячейку. Определены критерии, обеспечивающие высокую чувствительность измерений хода дисперсии показателя преломления атомов натрия и неона методами "крюков" Рождественского и сбегания интерференционных полос к линии поглощения. Показано, что использование предложенного метода последовательной перезаписи полученных спектрограмм позволяет достичь увеличения коэффициента чувствительности -103. На основе данной

методики изучен ход восприимчивости атомов неона и явление спектральной концентрации ("захвата") излучения вблизи поглощающей линии. Показано, что спектральная концентрация излучения в лазере на красителе с поглощающей внутрирезонаторной ячейкой имеет нелинейную природу и преобладающим является механизм резонансного самовоздействия лазерного излучения, который формирует в атомной среде нелинейную частотно-зависимую линзу. Такая нелинейная линза приводит к самофокусировке или дефокусировке излучения лазера на красителях и соответственно обуславливает спектральное увеличение или уменьшение интенсивности генерации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты и выводы диссертации состоят в следующем:

1. Дана общая характеристика эксимерных лазеров, указаны наиболее перспективные активные смеси и способы их возбуждения. Проведен анализ основных процессов, происходящих в активной среде ХеС1-лазера, включающих: процессы образования ХеС1 -молекул, их тушения, фотопревращения и релаксации энергии возбуждения. Рассмотрены основные этапы развития электроразрядных эксимерных лазеров, особенности их конструкции, схемы возбуждения и предыонизации, генерационные параметры. Показано, что для создания простых и надежных электроразрядных эксимерных лазеров с энергией генерации 1-3 Дж необходимо использовать схемы возбуждения типа ГХ-контур, ЬС-инвертор с непосредственным накоплением энергии в сосредоточенных емкостях этих контуров и предыонизацией активной среды УФ-излучением. Создана универсальная экспериментальная установка, состоящая из макета электроразрядного эксимерного лазера, вакуумной системы, систем газонаполнения, управления и регистрации, обеспечивающая проведение в идентичных условиях исследование различных активных лазерных смесей, их параметров генерации, систем возбуждения и конструкций излучателей лазера [1].

2. Исследовано влияние состава, парциальных давлений компонент и общего давления активной смеси на энергетические характеристики генерации ХеС1-лазера. Установлено универсальное соотношение между парциальными давлениями компонент активной среды НС1 и Хе, при котором энергия генерации лазера достигает максимального значения во всем диапазоне рабочих давлений и не зависит от вида буферного газа и системы возбуждения. Проведен сравнительный анализ различных типов предыонизации активной среды и оптимизация параметров контуров возбуждения емкостной и искровой предыонизации. Установлено, что максимальная энершя генерации ХеС1-лазера достигается при оптимальной величине задержки начала основного разряда относительно начала разряда предыонизации, которая для емкостной и искровой предыонизации различаются. Снижение концентрации галогеноносителя в пределах исследованного диапазона рабочих давлений смеси приводит к уменьшению величины оптимальной задержки. Показано, что емкостная предыонизация активной среды лазера по сравнению с искро-

вой обеспечивает большую эффективность генерации при меньших энергозатратах [2,3,46,47,49-51,67-70].

3. Предложены и экспериментально реализованы различные режимы возбуждения ХеС1- и КгР-лазеров с использованием ЬС-контура и IX-инвертора. Показано, что подбором параметров обострительной емкости С0 и индуктивности в цепи ее зарядки можно получить эффективный режим возбуждения активной среды двойным импульсом, первый го которых формирует разряд, а второй осуществляет в пего энерговклад, что обеспечивает увеличение длительности и энергии генерации ХеС1-лазера в 1,5-2 раза. Проведен расчет параметров системы возбуждения лазера на основе ЬС-контура. Предложена методика определения величин Ь2> Ы2 и зависимости сопротивления межэлектродного промежутка во времени 112^), позволившая рассчитать мощность энерговклада в активную среду и реализовать широкоапер-турный ХеС1-лазер с выходной энергией 3 Дж. Определены условия максимального энерговклада в разряд при полной перезарядке емкостей накопителя С1 на обостритель С0 в ЬС-контуре. Установлена зависимость КПД лазера от величины С^ Определены условия оптимального согласования параметров цепи возбуждения лазера с ЬС-инвертором, при которых энергия генерации максимальна. Показано, что энергетические характеристики лазера определяются процессами в контуре инверсии и динамикой напряжения на межэлектродном промежутке [4-6,36-41,52-54,66].

4. Изучена взаимосвязь спектральных фотофизических и генерационных свойств молекул производных кумарина и родамина с их структурой. Исследован систематический ряд ~80 производных кумарина, содержащих в различных положениях кумариновго ядра заместители различной электронной природы. Показано, что введение электронодонорных заместителей (гидрокси-, алкиламиногрупп) в положение 7 и электроноакцепторных заместителей (карбокси-, карбэтокси-, ацетильной, фенилыюй групп, гетероа-томов и гетероциклических радикалов: бензимидазолила, бензтиазолила, имидазопиридила в положение 3 молекулы кумарина позволяет в широких пределах (-300 нм) управлять положением спектров поглощения, флуоресценции и генерации. При этом, стабилизация атома азота ядром юлолидина [М(СН2)б] обеспечивает повышение степени копланарности молекул производных кумарина и значительное возрастание их генерационной эффективности и фотостабильности.

Исследованы спектральные и генерационные свойства производных кумарина со структурой бифлуорофоров. Показано, что наличие в положении 3 молекулы кумарина акцепторного хромофора на основе солей пирилия позволяет получить достаточно эффективную генерацию (КПД -13%) в красной и ближней ИК-областях спектра при УФ-возбуждении благодаря внутримолекулярному переносу энергии с донорного па акцепторный хромофор молекулы бифлуорофора. Теоретически и экспериментально показано, что кумариновое ядро определяет спектральные и генерационные свойства молекулы бифлуорофора. Впервые получена генерация на семнадцати новых бифлуорофорах при "эксимерном" и на 11 при ламповом возбуждении, де-

тально изучено влияние объёмных гетероциклических радикалов на их спектральные, флуоресцентные и генерационные свойства. Установлено, что самой высокой эффективностью генерации (Еген=1,7-2,5 Дж) и фотостабильностью в зеленой области спектра обладают бифлуорофоры, содержащие триа-зольный и оксадиазольный гетероцикл. Причем, переход к другой изомерной форме тиазольного гетероцикла приводит к гипсохромному смещению спектров поглощения и флуоресценции и сопровождается значительным ростом энергии генерации и фотостабильности молекулы.

Изучено влияние различных ауксохромных заместителей в положениях 3,6 ксантенового ядра на формирование спектрально-люминесцентных и генерационных свойств 14 производных родамина. Исследовано пространственное строение, симметрия и роль фенильного радикала в структуре молекул родаминов. Методом ПМР-спектроскопии впервые установлено наличие трех пространственных изомеров самого эффективного лазерного красителя родамина Ж, отличающихся спектральными и генерационными свойствами [7-13,56-58,71,79].

5. Исследована эффективность действия различных тушителей на генерационные характеристики родаминов в зависимости от строения, длительности, энергии и спектрального состава накачки. Установлена роль кислорода и механизм воздействия тушителей С8Н8 и С10Н12 на генерационные свойства лазерных сред. Показано, что положительный эффект действия тушителей связан с уменьшением вероятности интерконверсии Р32 и соответственно отношения Рзг/Ргь При оптимальных условиях использование СОТ или ОсРО позволяет вдвое увеличить энергию генерации родаминов.

Показано, что первичным этапом фотодеструкции этанольных растворов родаминов является фотопревращение молекул растворителя (этанола), которое приводит к образованию уксусной и муравьиной кислот, альдегидов, атомарного водорода и других фотопродуктов. Установлен механизм фотодеструкции этанольных растворов родаминов, роль кислорода как ингибитора фотохимических реакций и определены фотопродукты поглощающие излучение генерации. Предложен и исследован ряд методов повышения ресурса работы лазерных сред на основе кумариновых и родаминовых красителей, среди которых: использование светотрансформаторов (люминофоров), различных растворителей, светофильтров накачки и сорбентов. Показано, что оптимальное сочетание эффективного охладителя, предохраняющего фотораспад активной среды, растворителя и специального адсорбционного фильтра обеспечивает 100% восстановление генерационных свойств активной среды лазера [11,14-17,48,59,72].

6. Теоретически и экспериментально изучено влияние термооптических искажений на пространственно-угловые и временные характеристики генерации растворов красителей при ламповом возбуждении. Проведен расчет времени охлаждения и температурного профиля стенки кюветы мощного лазера на красителях. Определены условия оптимального охлаждения, которые зависят от тепяофизических параметров растворителя, коэффициента теплообмена и геометрических размеров кюветы. Развитие термооптических

искажений во времени приводит к существенному изменению пространственной структуры, угловой расходимости и модуляции интенсивности генерации. Показано, что период и амплитуда возникающих пульсаций, пространственное распределение и угловая расходимость генерируемого излучения определяются концентрацией красителя, температурой раствора и условиями возбуждения. Предложены и реализованы различные методы уменьшения термооптических искажений на основе внутрирезонаторной (статической и динамической) компенсации искажения волнового фронта, использования вакуумной оболочки в кювете и лазера-преобразователя. Показано, что каждый из данных методов позволяет существенно снизить влияние термооптических потерь, повысить эффективность генерации в 1,5-2 раза и уменьшить угловую расходимость генерируемого излучения [18-22,32,68].

7. На основе изложенных материалов, а также результатов исследований, опубликованных в [29-31,43,45,64,76,77,80-82] создан типоряд макетов и экспериментальных образцов эксимерных лазеров и лазеров на красителях с "эксимерной" и ламповой накачкой, обеспечивающих широкий диапазон вариации параметров генерируемого излучения и габаритов. Среди них:

- малогабаритный частотный лазер "Пульсар" с возможностью работы на эксимерных молекулах ХеС1 (308 нм) и КгР* (249 им), автономным питанием и средней выходной мощностью до 50 мВт[55,60];

- лазер "ХеС1-0,5" с малой угловой расходимостью и энергией генерации 0,5 Дж [4,73];

- ХеС1-лазер "Сайгак" с оригинальной системой возбуждения, защищенной авторским свидетельством, обеспечивающий выходную энергию 1,5 Дж при длительности импульса 160 не [2,74];

- мощный широкоапертурпый ХеС1-лазер для технологических применений с энергией генерации 3 Дж и пиковой мощностью ~60 мВт [23,61];

~ лазеры с накачкой эксимерным ХеС1-лазером, отличающиеся широким диапазоном перестройки - Д1=260-800 нм ("Ж-1") и максимальным КПД преобразования -20% ("ЛК-2") [24-26,75], малогабаритностыо [80-83];

- лазеры с ламповой накачкой "Самоцвет" и "Самоцвет-5М", характеризующиеся высокой энергией генерации (5-7 Дж) и возможностью плавной перестройки узкой (~0,01 А) линии генерации во всем видимом диапазоне спектра [27-31,42-44,76];

- высокоэффективный частотный лазер на красителях с рекордной средней мощностью генерации (>150 Вт) и возможностью перестройки спектра во всем видимом диапазоне [32,45,62];

- малогабаритный лазер "Кваит-003", отличающийся автономностью питания, частотой следования импульсов до 30 Гц и непрерывной перестройкой спектра в диапазоне 440-750 нм при средней выходной мощности 500 мВт [63];

- высокочувствительный спектрометр на основе лазера "Самоцвет", содержащего внутрирезонаторный интерферометр Майкельсона с поглощающей ячейкой. С использованием данного спектрометра изучен ход дисперсии показателя преломления атомов натрия и неона, а также явление

спектральной концентрации ("захвата") излучения вблизи линии поглощения неона [33-35,77].

Эксимерные лазеры прошли апробацию в научных лабораториях НПО "Энергия" (г. Калининград, Моск. обл.), Харьковском Институте радиофизики и электроники (станция лазерного зондирования атмосферы, г. Туапсе), Институте биохимии HAH РБ (г. Гродно). Лазеры на красителях использовались в Военной Академии им. Ф.Э. Дзержинского (г. Москва), Центре экологического приборостроения "БЕЛКА" (г. Киев), Институте физики НАНБ (г. Минск), ДАО Госкомгидромета России (г. Москва), госпредприятии ЛЭМТ (г. Минск).

Лазеры "Пульсар", "Квант-003", "Самоцвет 5М" представлялись на Международные (г. Варшава), Республиканские (ВДНХ, г. Минск) и Областные (г. Гродно) выставки и были награждены соответствующими дипломами.

***

Автор выражает искреннюю благодарность академику А.Н. Рубинову, В.А. Мостовникову за постоянный интерес и внимание к работе. Он признателен всем соавторам за активную помощь, а также коллективу кафедры лазерной физики и спектроскопии Гродненского Государственного университета за атмосферу творчества и взаимопонимания.

Список опубликованных работ Статьи

¡.Многоцелевая лазерная система на основе эксимерных сред. С.С. Ануфрик, А.П. Володенков, К.Ф. Зноско, А.Д. Курганский // Лазерная физика и спектроскопия: Труды конф. под ред. A.A. Афанасьева.- Минск, Институт физики НАНБ - 1997.-T.1, с.165-168.

2. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Электроразрядный лазер на ХеС1 // Изв. АН БССР Сер. физ.-мат. наук. - 1990. - №3. - С.89-94.

3. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Исследование влияния емкостной и искровой предыонизации на энергию генерации ХеС1 -лазера. // Межвуз. сб. ст. "Лазерная и оптико-электронная техника. - Минск: Университетское, 1989. - С.92-96.

4. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Оптимизация двухкошурной схемы возбуждения ХеС1-лазера. // Межвуз. сб. ст. "Лазерная и оптико-электронная техника. - Минск: Университетское, 1989. - С.87-91.

5. Anufrik S.S., Znosko K.F., Kurgansky A.D. XeCl-laser with LC-circuit excitation research // SPIE. - 1991. - Vol.1391. - P.87-92.

6. Ануфрик C.C., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Влияние параметров контура возбуждения на длительность и форму импульса генерации ХеС1-лазера. // Межвуз. сб. ст. "Лазерная и оптико-электронная техника. - Минск: Университетское, 1992. - С.86-90.

7. Ануфрик С.С., Гиневич Г.Р. Исследование влияния производных кумарина на спектрально-люминесцентные и генерационные характеристики их

растворов // Квантовая и физическая электроника: Материалы III Республиканской конференции молодых ученых по физике.- Академия наук БССР, Институт физики.- Минск, 1975. - С.47-48.

8. Влияние строения молекул производных кумарина на спектрально-люминесцентные и генерационные свойства их растворов. Мостовников В. А., Рубинов А.Н., Ануфрик С.С., Гиневич Г.Р., Никитченко

B.М., Водотыка Г.С. // ЖПС - 1977. -1.21. - Вып.1. - С.59-65.

9. Ануфрик С.С., Тарковский В.В., Никитченко В.М. Новые лазерные среды на основе бифлуорофоров молекул кумарина // Квантовая электроника: Материалы II Межгосударственной научн.-техн. конф. / Под ред. И.С. Манака-Минск: Белгосунивеситет, 1998.-С.181.

10.Ануфрик С.С., Тарковский В.В., Никитченко В.М. Новые лазерные среды на основе бифлуорофорных молекул кумарина // ЖПС.-1999.-т.66,№5-

C.675-681.

11.Эффективность генерации ОКГ на растворах органических красителей с ламповой накачкой. С.С. Ануфрик, В.А. Мостовников, А.Н. Рубинов, В.Ф. Воронин, Г.Р. Гиневич // Квант, электрон, и лазерная спектроскопия / Под ред. А.М. Самсона - Мн., Наука и техника, 1974. - С.5-29.

12.Абрамов А.Ф., Ануфрик С.С., Гиневич Г.Р. Конформационные изомеры родамина Ж // Лазеры на основе сложных органических соединений: Материалы Всесоюзной конференции / Институт физики АН БССР, Минск-1975. -С.127-129.

13.Изомеры родамина Ж Абрамов А.Ф., Ануфрик С.С., Гиневич Г.Р. и др. // ЖПС - 1977. - Т.25. -Вып.б. - С.1017-1022.

14.Ануфрик С.С., Мостовников В.А., Рубинов А.Н. Исследование влияния тушителей триплетпого состояния на эффективность генерации родаминовых красителей // Изв. АН СССР, сер. физ. - 1974. - №3. - С.94-98.

15.Механизм фотодеструкции лазерных сред на основе этанольных растворов родаминовых красителей в ОКГ с ламповой накачкой. В.А. Мостовников, Г.Р. Гиневич, С.С. Ануфрик, А.Л. Шалимо // Докл. АН БССР. - 1979. - Т.23, №10. - С.921-924.

16.Ануфрик С.С. Влияние растворителя и спектрального состава накачки на генерационную эффективность родаминовых красителей // Исследование по математике и физике: Сборн. статей. - Гродно, ГрГУ, 1978. - С.236-244.

17.Восстановление генерационных свойств растворов красителей после их фотохимической деструкции. В.А. Мостовников, А.Н. Рубинов, Г.Р. Гиневич, С.С, Ануфрик, А.Ф. Абрамов // Квант, электрон,- 1976 - т.З, №9.- С.2064-2066.

18.Рубинов А.Н., Смольская Т.И., Ануфрик С.С. Влияние термооптических искажений на величину потерь и пространственно-угловые характеристики излучения лазера на родамине 6Ж с ламповой накачкой // ЖПС. - 1972. -Т.16, вып.5. - С.802-809.

19.Ануфрик С.С., Бояркина Г.Г. Расчет времени охлаждения стенки кюветы лазера при импульсном возбуждении // ЖПС. - 1991. - Т.54, №4. - С.594-598.

20.Ануфрик С.С., Рубинов А.Н., Смольская Т.И. Пульсации излучения лазера на растворе родамина 6Ж с ламповой накачкой // Докл. АН БССР.-1971-т.15, №2,- С. 1071-1074.

21.Рубинов А.Н., Ануфрик С.С. О возможности динамической компенсации термооптических искажений в резонаторе жидкостного лазера // ЖПС. -1972. - Т. 17, вып.1. - С.33-37.

22.Ануфрик С.С. Исследование возможности применения растворов органических красителей для суммирования излучения нескольких ОКГ // Изв. АН БССР. Сер. физ.-мат. наук. -1975. - №4. - С.119-122.

23 .Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Володенков А.П. Мощные эксимерные лазеры и их современные применения // Конверсия научных исследований в Беларуси в рамках деятельности МНТЦ: Материалы Международного семинара / Институт физики НАНБ, Минск.-1999.-С.155-158.

24.Ануфрик С.С., Картазаева С.А., Микитчук Ю.Д. Исследование лазера на красителях с возбуждением эксимерпым лазером // Межвуз. сб. науч. тр. Лазерная и оптико-электрон. техника- Минск, БГУ: Университетской, 1989.- С.105-108.

25.Лазер на красителях с накачкой эксимерным ХеС1-лазером. С.С. Ануфрик, С.А. Картазаева, А.Ф. Курлович, Ю.Д. Микитчук //Изв. АН БССР.- 1989.— №6.-СД0-13.

26.Ануфрик С.С., Картазаев В.А., Картазаева С.А. Повышение КПД лазеров на красителях при накачке наносекундными импульсами // Лазерная физика и спектроскопия: Труды III конф. по лаз. физ. и спектр. / Под ред.

A.A. Афанасьева-Минск: Институт физики НАНБ, 1997.-С.42-43. 27.0птический квантовый генератор на растворах органических красителей с

ламповой накачкой "Самоцвет". Ануфрик С.С., Забирко С.П., Моткин

B.C., Русецкий А.М. // "Лазеры на основе органических соединений": Материалы Всесоюзн. конф. / Институт физики АН БССР, г. Минск. -1975.-С.217-219.

28.Эффективный лазер на красителях с ламповой накачкой. С.С. Ануфрик,

C.П. Забирко, И.А. Морозов, В.А. Мостовников, B.C. Моткин, А.Н. Рубинов, А.М. Русецкий // Aeta Phys. et Chem. - 1977. - Vol.23, №2-3.-P.249-257.

29.Блочный интерферометр Фабри-Перо на оптическом контакте. С.С.Ануфрик, A.C.Киреев, И.А.Морозов и др. //ЖПС.- 1976.- Т.25, №3.-С.557

30.Ануфрик С.С., Мостовников В.А., Рубинов А.Н. Получение перестраиваемого по спектру УФ-излучения с помощью нелинейного преобразования частоты генерации лазера на красителях с ламповой накачкой. // ЖПС. - 1976. - Т.24, №3. - С.522-523.

31.Лазер на красителях с ламповой накачкой, работающий в режиме самосинхронизации мод. С.С. Ануфрик, В.А. Мостовников, B.C. Моткин, А.Н. Рубинов // ActaPhys. Acad. Seien.Hungar- 1974 -т.42 -p.221-225.

32.Anufric S.St. Jethwa J., Docchio F. High-efficiency high-energy flashlam-pumped dye laser // Appl. Optics. -1982. - Vol.21, №15. - P.2778-2781.

ЗЗ.Зейликович И.С., Пулькин С.А., Ануфрик С.С. и др. Увеличение чувствительности измерений при обработке внутрирезонаторпых спектрограмм // Опт. и спектр. - 1984. -Т.56, №1. -С.123-127.

34. Апостериорная нелинейная спектроскопия с внутрирезонаторной ячейкой. С.С. Ануфрик, И.С. Зейликович, В.Г. Кукушкин, С.А. Пулькин // Опт. и спектр.- 1984-т.54, №1,- С.91-94.

35.Ануфрик С.С., Зейликович И.С., Кукушкин В.Г., Пулькин С.Н. Концентрация излучения в спектре лазера на красителе с внутрирезонаторной ячейкой // Квант, электрон.- 1983.- Т.10, №10,-С.2053-2060.

36.Расчет параметров системы возбуждения ХеС1-лазера / С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский // Лазерная физика и спектроскопия: Материшш IV Международной конференции по лазерной физике и спектроскопии/под ред. В.К.Кононенко. Ч.2.-Гродно: ГрГУ, 1999-с.186-188.

37.Ануфрик С.С., Володенков А.П., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Исследование генерационных характеристик ХеС1-лазера И Лазерная физика и спектроскопия: Материалы IV Междунар. конф. по лазерной физике и спектроскопии / Под ред. В.К.Кононенко. Ч.2.-Гродно: ГрГУ,1999.-е. 189191.

38.Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Низкоимпендансный генератор высоковольтных импульсов И ПТЭ. - 1990. - №3. - С.99-101.

39.Влияние параметров LC-инвертора на энергию генерации ХеС1-лазера / С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский // Межвуз. сб. "Лазерная и оптико-электронная техника.- Минск: Университетское, 1992. -С.91-96.

40.Влияние параметров LC-инвертора на выходную энергию ХеС1-лазера / С.С. Ануфрик, А.П. Володенков, К.Ф. Зноско, А.Д. Курганский // Лазерная физика и спектроскопия: Труды конференции под ред. A.A. Афанасьева-Минск: Институт физикиНАНБ, 1997-т. 1 ,-С.200-203.

41.АнуфрикС.С., Володенков А.П., Зноско К.Ф. Энергетические характеристики ХеС1-лазера с возбуждением LC-инвертором // ЖПС.-1999-т.66,№5- С.702-707.

42.С.С.Ануфрик, В.В.Тарковский, В.М.Никитченко. Генерационные характеристики гетерил-кумариновых красителей при микро- и наносекундном возбуждении // Лазерная физика и спектроскопия: Материалы IV Междунар. конф. по лазерной физике и спектр. / Под ред. ВХКононенко. Ч.2.-Гродно: ГрГУ, 1999.-C.192-194.

43.Ануфрик С.С., Мостовников В.А., Моткин B.C. Исследование систем ламповой накачки лазеров на красителях // Изв. АН БССР. Сер.физ.-мат.наук. -1978. -Х°3. - С.87-92.

44.Перестраиваемый лазер на красителях с ламповой накачкой. С.С. Ануфрик, С.А. Картазаева, Ю.Д. Микитчук, А.С. Шевцов // Лазеры и оптическая нелинейность: Сб. тр. / Под ред. П.А.Апанасевича. - Минск: Институт физики Акад. Наук БССР, 1987. - С.31-33.

45.Ануфрик С.С., Нечаев C.B., Тарковский В.В. Оптимизация характеристик импульсных ламп для лазеров на красителях // ЖПС.~ 1998. - Т.65, №1. -С.134-137.

Препринты

46.Ануфрик С.С., Верховский B.C., Зноско К.Ф., Курганский А.Д., Панченко А.Н., Тарасенхо В.Ф. Влияние параметров разрядного контура, конструкции системы предыонизации состава и давления рабочей смеси на амплитудно-временные характеристики элекгроразрядного ХеС1-лазера. -Препринт / Томский филиал СО АН СССР. - Томск, 1989. - №12. - 29 с.

47.Ломаев М.И., Мельченко C.B., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф., Ануфрик С.С., Верховский B.C., Загреба Ю.Н., Зноско К.Ф. Электроразрядный зк-сиплексный лазер ЛИДА. - Препринт / Томский филиал СО АН СССР. -Томск, 1988. -№26. -26 с.

48.Восстановление генерационных свойств растворов красителей после их фотохимической деструкции. В.А. Мостовников, АЛ. Рубинов, Г.Р. Гине-вич, С.С. Ануфрик, А.Ф. Абрамов.- Минск, 1975,- 11 е.- (Препринт / Акад. наук БССР Институт физики, №94).

Тезисы докладов

49.Ануфргас С.С., Зноско К.Ф. Влияние состава активной среды ХеС1-лазера на его энергию генерации // Тез.докл. VI Всесоюз. конф. "Оптика лазеров". - Ленинград, 2-7 марта 1990. - С. 109.

50.Ануфрик С .С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Исследование ХеС1-лазера с возбуждением LC-контуром // Тез. докл. VI Всесоюз. конф. "Оптика лазеров". - Ленинград, 2-7 марта 1990. - С. 110.

51.Влияние интенсивности УФ-предыонизации на энергетические характеристики ХеС1-лазера / С.С. Ануфрик, А.П. Володенков, К.Ф. Зноско, А.Д. Курганский // Тезисы докладов П Международной конференции по лазерной физике и спектроскопии,- Гродно: ГрГУ.-1995-С.117-119.

52.Системы возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров. / С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский // Тезисы докладов II Международной конференции по лазерной физике и спектроскопии.-Гродно: ГрГУ .-1995 .-С.110-112; 115-116.

53.Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Управление временным профилем импульса генерации ХеС1-лазера параметрами цепи возбуждения // Тезисы докладов П Всесоюзного семинара "Физика

быстропротекающих плазменных процессов". — Гродно: ГрГУ-1989. -С.35.

54.Измерение напряжения и тока в электроразрядных эксимерных лазерах / С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский // Тезисы докладов Республикансой научно-технической конференции "Электрофизические и прикладные вопросы высоковольтных измерений". -Запорожье, 1990. - С.5-6.

55.Источник когерентного УФ-излучения для оптической диагностики / С.С.Ануфрик, А.С.Балыкин, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско // Тезисы докладов III Межреспубикапского семинара "Физика быстропротекающих плазменных процессов". - Гродно: ГрГУ.-1992. - С.63.

56.Новые эффективные лазерные красители для ламповой накачки / Ануфрик С.С., Никитченко В.М., Тарковский В.В., Батище С.А., Мостовников В.А. // Тезисы докладов Международной конференции "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии - Гродно, 1993. - С.221-222.

57.Ануфрик С.С., Тарковский В.В., Никитченко В.М. Генерационные свойства и фотостабильность новых гетерилкумаринов со структурой бифлуорофоров // Программа и тезисы докладов XIV Литовско-Белорусского семинара "Лазеры и оптическая нелинейность".-Прейла, Литва: Институт физики, Вильнюс.-! 999.-С. 17-18.

58.Гиневич Г.Р., Гурипович H.A., Ануфрик С.С. Синтез и исследование спектрально-люминесцентных и генерационных характеристик новых родами-новых красителей.// Тезисы докладов П Республиканской конференции молодых ученых по физике. - Минск: Институт физики АН БССР. -1972, вып.1. - С.39-40.

59.Апуфрик С.С., Гиневич Г.Р. Механизм фотодеструкции лазерных сред на основе этанольных растворов родаминовых и оксазиновых красителей И Лазеры па основе сложных органических соединений и их применение: Тез. докл. П Всесоюзной конференции.- Душанбе, сентябрь 1977 г. / Академия наук. Институт физики АН БССР. - Минск. - 1977. - С.65-67.

60.Малогабаритный эксимерный лазер / С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский // Тезисы докладов П Международной конференции по лазерной физике и спектроскопии.- Гродно: ГрГУ-1995. - С.104—105.

61.Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Володенков А.П. Мощный эксимерный лазер // Тезисы докладов межгосударственной научно-технической конференции-Минск: БГУ.-1996.-С.57.

62.Ануфрик С.С. Высокоэффективный лазер на красителях с большой средней мощностью генерации // Лазеры в когерентной оптике и спектроскопии: Тез. докл. научно-практ. конф. / Гродненский обл. совет НТО, Гродненский госуниверситет. - Гродно, 1983. - С.58-61.

63.Ануфрик С.С., Недолугов В.И., Шевцов A.C. Малогабаритный частотный лазер на красителях с ламповой накачкой // Связь науки с практикой -важ1гый фактор повышения эффект, общест. производства: Тез. докл.

науч. - практ.ич. конф. / Гродн. обл. совет НТО, Гродн. госу1шверситет. -Гродно, 1982. - С.56-61.

64.Измерение аномальной дисперсии с помощью внутрирезонаторпого интерферометра Майкельсона в лазере на красителе. С.С. Ануфрик, С.А. Пулышн, В.Г. Кукушкин, A.M. Ляликов // Связь науки с практикой — важный фактор повышения эффективности общест. производства: Тез. докл. научн.-практ. конф. / Гродн. обл. совет НТО, Гродн. госуниверситет. - Гродно, 1982. - Ч. 1. - С.49-51.

65.Anufrik S.S., Znosko K.F., Kurgansky A.D. XeCl-laser with LC-circuit excitation research // Abstracts Ш-rd Symposium on Laser Technology. Szcecin-Swinoujscie, 24-27 September 1990. -P.47-48.

66.Ануфрик C.C., Зноско К.Ф., Володенков А.П., Исследование энергетических и временных характеристик генерации ХеС1-лазера // Программа и тезисы докладов XIV Литовско-Белорусского семинара - Прейла: Литва-1999.-c.16.

67.Исследование люминесценции активной среды XeCl-лазера / С.С. Ануфрик, А.П. Володенков, К.Ф. Зноско, А.Д. Курганский // Тезисы докладов II Международной конференции по лазерной физике и спектроскопии - Гродно: ГрГУ.-1995.- С. 120-121.

68.Ануфрик С.С., Тарковский В.В. Многоцелевая универсальная лазерная система на основе растворов красителей // Лазерная физика и спектр.: Труды конф. под ред. А.А. Афанасьева - Минск, Институт физики НАНБ. 1997 - т. 1.- с. 196-199.

Авторские свидетельства

69-А.с. 1538844 СССР МКИ5 H 01 S 3/097. Газовый импульсный лазер / С.С.Ануфрик, Ю.Н.Загреба, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский (СССР). -№4387444/31-25; Заявлено 25.01.88; ДСП.

70.А.С. 1302972 СССР МКИ4 H 01 S 3/097. Мощный эксимерный лазер / К.Ф.Зноско, С.САнуфрик, Е.Е.Иванов, А.П.Володенков (СССР). -№3887899/31-25; Заявлено 24.04.85; ДСП.

71.А.С. 392876 СССР, МКИ H 01S 3/20. Оптический квантовый генератор / С.С. Ануфрик, Г.Р. Гиневич, В.А. Мостовников, А.Н. Рубинов (СССР).-№1763849/26-25; Заявлено 27.03.72; ДСП.

72.А.С. 621268 СССР, МКИ2 H 01S 3/20. Оптический квантовый генератор на растворах органических красителей. С.С. Ануфрик, Г.Р. Гиневич, В.А. Мостовников, А.Н. Рубинов (СССР).- №2156557/18-25: Заявлено 15.07.75; ДСП.

73.А.С. 1336893 СССР МК4 H 01 S 3/22. Эксимерный лазер. Е.Е.Иванов, А.П.Володенков, С.С.Ануфрик, К.Ф.Зноско (СССР).- №3871818/31-25; Заявлено 09.01.85; ДСП.

74.А.С. 1464859, H 01 S 3/22. Эксимерный лазер / С.САнуфрик, Ю.Н.Загреба, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский (СССР). - 4249091/31-25; заявлено 20.05.87.

75.А.с. 1662311 СССР, МКИ5 Н 01 Б 3/02. Лазер с когерентной накачкой. С.С. Ануфрик, К.Ф. Зноско, С.А. Картазаева, Ю.Д. Микитчук (СССР).-№4367161/25; Заявлено 25.01.88; ДСП.

76.А.С. 1468347 СССР, МКИ4 Н 01 Б 3/02. Жидкостный лазер с ламповой накачкой / С.С.Ануфрик, С.А.Картазаева, Ю.Д.Микитчук, Л.В.Ворошок (СССР).-№4194102/31-25; Заявлено 16.02.1987; ДСП.

77.А.с. 1034570 СССР, МКИ Н 01 8 3/20. Многоцветный лазер на растворах органических соединений. И.С. Зейликович, Е.М. Платонов, С.С. Ануфрик и др. (СССР).- №3325500/18-25; Заявлено 21.07.81; ДСП.

78.А.с. 1811342 СССР МКИ5 Н 01 8 3/0977. Электроразрядный лазер с предыонизацией активной среды излучением скользящего разряда I С.С.Ануфрик, К.Ф.Зноско (СССР).- №4845012/25; Заявлено 17.04.90; ДСП.

79.А.с. 501644 СССР МКИ2 Н 01 8 3/20. Лазер на растворе органических красителей, генерирующий излучение в спектральном диапазоне 480-500 нм. С.С. Ануфрик, Г.Р. Гиневич, В.А. Мостовников, А.Н. Рубинов (СССР).-№2072311/26-25; Заявлено 04.11.74; ДСП.

80.А.с. 1485982 СССР, МКИ4 Н 01 8/02. Осветитель лазера. С.С. Ануфрик, Ю.Н. Загреба, К.Ф.Зноско, А. Д. Курганский (СССР).- №4231923/31-25: Заявлено 20.04.87; ДСП.

81.А.с. 1547647 СССР, МКИ5 Н 01 в 3/02. Кювета для активной среды лазера с восьмисторонней накачкой. С.С. Ануфрик, К.Ф. Зноско (СССР).-№4499113/31-25: Заявлено 11.07.88; ДСП.

82.А.с. 1672895 СССР, МКИ5 Н 01 8 3/02. Моноблочная кювета для активной среды лазера с восьмисторонней накачкой. С.С. Ануфрик, К.Ф. Зноско (СССР).- №4690504/25: Заявлено 4.04.89; ДСП.

83.А.с. 1771363 СССР, МКИ5 Н 01 Б 3/094. Лазер. С.С. Ануфрик, К.Ф. Зноско (СССР).-№4845011/25: Заявлено 17.04.91; ДСП.

РЕЗЮМЕ

Ануфрик Славамир Степанович. Молекулярные лазеры на эксимерах и органических красителях

Ключевые слова: лазер, эксимер, возбуждение, активная среда, контур, инвертор, предыонизация, молекула, краситель, тушитель, накачка, фотораспад, кумарины, родамины, излучение, генерация, спектр, перестройка, поглощение, флуоресценция, термооптические искажения.

В работе представлены результаты исследования электроразрядных эк-симерных лазеров на ХеС1 и лазеров на красителях с лазерной и ламповой накачкой. Целью исследования являлось установление и изучение фундаментальных физических процессов, управляющих эффективностью генерации эксимерных лазеров и лазеров на красителях, а также создание на этой основе лазеров с более совершенными параметрами.

Впервые установлено существование универсального соотношения между парциальными давлениями компонент активной среды НС1 и Хе, при котором энергия генерации ХеС1-лазера достигает максимального значения Предложены и экспериментально реализованы различные режимы электрического возбуждения ХеС1 и ЮР-лазеров, обеспечивающие максимальную эффективность и выходную энергию генерации.

Впервые систематически изучена роль и установлено влияние замети-телей различной электронной природы в структуре молекул производных кумарина и родамина на их спектрально-люминесцентные и генерационные свойства. Получена генерация на семнадцати новых бифлуорофорах и детально изучено влияние объёмных гетероциклических радикалов на их спектральные, флуоресцентные и генерационные свойства.

Методом ПМР-спекгроскопии впервые установлено наличие трех пространственных изомеров самого эффективного лазерного красителя родамина Ж, отличающихся спектральными и генерационными свойствами. Установлена роль кислорода и механизм действия тушителей СаН« и С10Н12 на генерационные свойства лазерных сред. Установлен механизм фотодеструкции этанольных растворов родаминовых красителей. Предложен и реализован новый эффективный метод, обеспечивающий 100% восстановление генерационных свойств растворов красителей. Выявлены характер и степень влияния термооптических искажений на работу лазера на растворах красителей при ламповом возбуждении. Количественно определена величина потерь, предложен ряд эффективных методов уменьшения вредного влияния термооптических искажений активной среды лазера На основе полученных результатов создан типоряд (11) макетов и экспериментальных образцов эксимерных лазеров и лазеров на красителях с "эксимерной" и ламповой накачкой, обеспечивающих широкий диапазон вариации параметров генерируемого излучения и габаритов с учетом требований современных потребителей.

РЭЗЮМЭ

Ануфрык Славам1р Сцяпанавхч. Малекулярныя лазеры на экамерах 1 аргашчных фарабавальшках.

Ключавыя словы: лазер, эксшер, узбуджэнне, актыунае асяродцзе, контур, гавертар, прадыашзацыя, выпраменьванне, малекула, фараба-валыпк, тушыцель, пампаванне, фотараспад, кумарыны, paдaмiпы, ге-нерацыя, спектр, перастройка, паглынанне, флуарэсцэгщыя, термаап-тычныя скажэшп.

У рабоце прадстаулены вынш даследавання электраразрадНьк экамерных лазерау 1 лазерау на фарбавальшках з лазернай 1 лампавай пам-поукай. Мэтай даследавання з'яуляецца устанауленне i вывучэнне фундаментальных ф1з1чных працэсау, уплываючых на эфектыунасць генерацьн экамерных лазерау 1 лазерау на фарбавальшках, а таксама стварэнне на гэтай падставе лазерау з больш удасканальным! параметрам!.

Упершыюо устаноулена наяунасць ушверсальнага значэшм суадносш щеку актыуных кампанент НС1 : Хе, пры яком энэрпя генерацьн йайболь-шая. Прапанаваны i эксперыментальна рэатзаваны розныя ражымы элек-трычнага узбуджання ХеС1 1 КгР-лазерау, пры яих дасягаецца макимальная эфектыунасць I энерпя генерацьн. Упершьппо сютэматычна высвятлена роля 1 уплыу замяшчалынкау рознай электроннай прыроды у структуры малекул вытворных кумарына 1 радамша на ¡х спектральна-люмшесцэнтныя \ генера-цыйпыя якасць Атрымана генерацыя на 17 новых б^флуарафорах [ рэчывах i дэталева высвятлен уплыу аб'ёмных гетэрацыюнчных радзкалау на ¡х спек-тральныя, флуорасцэнтныя 1 генерацыйныя якасц!. Метадам ПМР-спектраскапн упершыню устаноулена наяунасць трох прасторавых Ьамерау самага эфектыунага лазернага фарбавальшка радамшу Ж ямя адрозшвазоцца спектральным! \ генерацыйным1 якасцямь Высвятлена роля юсларода Гме-хашзм уздзеяння тушылыпкау С8Н8 и СщНп на генерацыйныя характэры-стьта лазерных асяродцзяу.

Установлены мехашзм фотадэструкцьп этанольных растворау ра-дамшавых фарбавальшкау. Прапанаваны 1 рэал1заваны новы эфекгыуны ме-тад, ям забяспечвае 100% аднауленне генерацыйных якасцей растворау фар-бавальнжау. Высвятлеп характар 1 ступень уплыву тэрмааптычных скажэн-няу актыунага раствору на работу лазера на фарбавальшках з лампавым уз-буджаннем. Колькасна знайдзена вел1чыня страт, прапанаваны рад эфек-тыуных метадау змяньшэння тэрмааптычных скажэнняу актыунага асяроддзя лазера.

На аснове атрыманых вышкау створан тыпарад (11) макетау (экспериментальных узорау экамерных лазерау 1 лазерау на фарбавальшках з экамернай 1 лампавай пампоукай, як! забяспечваюць шырок! дылпазон ва-рыяцьп параметрау генерацыйнага выпраменьвання 1 габарытау з улкам су-часных патрабаванняу.

Summary

Anufrik Slavamir. Molecular lasers on exemeres and dye stuffs

Keywords: laser, exemere, excitement, active ambience, sidebar, reverser, ionization, molecule, dye stuff, put out-device, dressing-down, photo decay, cumarines, rodamines, radiation, generation, spectrum, reconstruction, absorption, fluorescence, thermooptical distortion.

In the work results of explorating electroclass exemere lasers on XeCl and lasers on dye stuffs with laser and valve/tube dressing down are presented. The aim of the research was determination and study of fundamental physical processes, controlling efficiency of generations of exemere lasers and lasers on dye stuffs, as well as creation on this basis lasers with more perfect parameters.

For the first time the existance of universal correlation between partial pressures, component of active ambience HC1 and Xe, under which generation energy XeCl-laser reaches its maximum has been determined. Different regimes of electric excitement of XeCl- and KrF-lasers, ensuring maximum efficiency and outlet energy of generation have been offered and experimentally released.

For the first time role and influence of substitutes of different electronic nature in structure of cumarine and rodamine derived molecules on their spectral-luminiscent and generation characteristics nave been systematically studied. Generation on 17 new bifluorofores was archieved and influence of three-dementional heterocyclic radicals on their spectral, fluorescent and generation characteristics has been studied in details.

Using PMP-spectroscopy method, for the first time presence of three spatial isomers of the most effective laser dye stuff of rodamine G with different sprectral and generation characteristics has been determined. Role of oxygen and mechanism of action of put out-devices C8Hg and C10H12 on generation characteristics of laser mediums has been determined. Photo-destruction mechanism of ethanole solutions of rodamine dye stuffs has been ascertained. A new effective method, ensuring 100% reconstruction of dye stuffs solutions generation characteristics has been offered and realized. Nature and degree of influence thermooptical distortions on functioning a laser on dye stuffs solutions at valve/tube excitation have been ascertained. Value of losses have been quantitatively determined, a whole series of effective methods of reducing a bad influence of thermooptical distortion of laser's active ambience has been offered. On the basis of results obtained (11) of models and experimental samples of exemere lasers and lasers on dye stuffs with exemere and valve/tube dressing-down, ensuring wide range of parameters varieties of generating radiations and overall dimensions, have been created taking into account requirements of modern consumers.