Разработка высокоэффективных лазерных систем на основе растворов красителей микросекундной длительности с малой расходимостью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ям. Б.И. СТЕПАНОВА________________________

ТАРКОВСКИЙ ВИКЙГГИЙ ВШШПЪШЧ

РАЗРАБОТКА ВЫСОИОЭМЕКТИВШХ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ РАСТВОРОВ КРАСИТЕЛЕЙ МИКРОСЕНУНДНОИ ДЛИТЕЛЬНОСТИ С МАЛОЙ РАСХОДИМОСТЬЮ

01.04.21- лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

УДК 621.375.8

Р Г Б ОД

" 2 ОКУ ¡395

Минск - 1995

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики им. В.И, Степанова Академии наук Беларуси

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Мостовников В.А.

кандидат физико-математических наук Ватшца O.A. .

доктор физико-математических наук Асимов М.М.

доктор физико-математических наук Дикулик Л.Г,

оппонирующая организация г кафедра 'физики Белорусского госу- ■

: дарственного университета

Защита состоится "ЗД" О^-Т^Ь^ 19э5г. в "Щ часов на заседании Совета по защите диссертадай Д01,05.01. на соискание ученой степени кандидата наук в .Институте физики им. Б.И-Степанова АЙВ (220072» Минок, ГСП, пр. Ф, Скорины, 70 ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иннститута физики АНБ.

Автореферат разослан " вЭ 1995 г.

Ученый секретарь Совета доктор физ.-мат. наук

АФАНАСЬЕВ A.A.

- I -

ОВЩАЯ ХАРАКТЕРИОТШ РАБОТЫ

Актуальность темы

Прела получения генэрации на сложных органических соединениях лазеры на красителях претерпели бурное развитие и к настоящему времени в этой.Области тущ у техникидостигнуты значительные успехи. Здеоь оаобое место занкмаот лазеры на красителях с ламповой накачкой. Они способны генерировать , импульсы с энергией до 400 Дж, отличаются Простотой ' конструкции и относительно высоким к.п.д. генерации {до Путем подбора актирных лазерных сред на основе красителей генерация получена в спектральном диапазона 340+860 йм, а. при использоватга йздаа&яЦого преобразования - 220+2000 нм. Кроме тегб, Лазеры' на красят в лях с ламповой накачкой способны работать, с частотой.повторенйя импульсов до 1200 Гц, ширина лйнии излучения моют достигать .0,001 нм( а расходимость менее I «рад, благодаря вше указ анкнМ свойствам лазера на красителях о ламповой накачкойперопективкы Для рваёния многих задач фотохимии 4 спектроскопии! на ах основе могут . создаваться Ьцстемн худблеотрбнной голографии, а также' медика-Оиологические установки различного назначениям Однако;существует ряд Недостатков, присущих ДайэраМ талого тип&, которые препятствуют успешному их использованию в различных областях науки и техники. Прежде всего следует отметить, что все рекордкнз значения получены, как правило, при использовании одного ив самнх эффективных лазерных красителей родамина й в режима одиночных импульсов. Кроме того, эти рекордные параметры обычно не сочетаются з одном и том не лазере в связи с тем, что улучшение одного параметра часто приводит к определенному ухудшению других. Например, в литературе описан лазер на родамине 6$, накачиваемый лампой фйрма РЬазе-п ЙЬ-13 Вр. При атом з иопольэавашам несэлективного резонатора достигнут Максимальней кльдм раЬпмЙ 1,361' , а минимальный к.п.д. генерации (~23) получен только при добавлении в'раствор родемица Я цик-лооктатотрабйй» ке?орИЙ в соответствии авэГДяДалм ТОГО времени являлся тушителем трийлетиого состояния. Однако расходимооть излучения как в первом» так й .во втором случав остается на уровйе характерном для лазеров ка красителях с ламповой накачкой (~Ю-2 рад). При увеличении частоты импульсов до 850 Гц к,ц,д, лазера не превышает 0,1-0,22, Есть описание.лазёра на красителях с неустой-

чивым резонатором с расходимостью генерируемого излучения менее 1мрад. Однако такой показатель достигнут при энергии генерации ~0,15 Ди, а к.п.д. генерации не превышал р,4Я. Также имеется сообщение о узкополосном лазерном усилителе с чрезвычайно узкой линией излучения (~0,005 нм). Однако этот рекордный показатель достигнут за счет значительного снижения к.ц.д. лазерной системы, который в данном случае не превышал 0,0036«.

Одной из наиболее перспективных областей использования лазеров на красителях с ламповой накачкой является получение цветных голограмм нестационарных объектов, например, портретов .рдей, съемке кинофильмов. Однако применение лазеров этого типа для го-лографических целей предъявляет повышенные требования к их параметрам. К ним можно отнести! малую расходимость генерируемого излучения, высокую временную и пространственную когерентность, что обеспечивается узкой спектральной линией излучения, высокой однородностью накачки раствора красителя, д. также отсутствием термооптичеоких искажений в активной среде. Обеспечение этих требований в лазерах на красителях с ламповой накачкой представляет большую трудность и, как показывает анализ литературных источников, требует своего разрешения. Перспективность применения тщаа лазеров в этой области связана также о требованиями, налагаемыми на длительность импульса генерации, которая, в свою очередь , определяется, с одной стороны, характеристиками фотоматериалов, а с другой стороны характерными скоростями изменения поверхностной структуры фотографируемых объектов, которые приводят к снижению контраста регистрируемых голограмм, накладывают ограничение на возможность применения длинных импульсов излучения. В частности, для целей портретной голографии наиболее быстрым движением является непроизвольное дрожание век й мускул лица, что, как показывают оценки, требует применения импульсов излучения длительностью мкс. Вследствие применения сенсибилизированных фотоматериалов максимальная чувствительность реализуется при длительностях импульса излучения >1 мкс. В атой связи применение здесь лазеров на красителях с ламповой накачкой микросекундной длительности является наиболее перспективным. Применение лааеров на красителях с ламповой накачкой микросекундной длительности, обладающих малой расходимостью генерируемого излучения, далеко не исчерпывается областью голографии нестационарных объектов. Перестраиваемые в

- а -

широком спектральном диапазоне, обладающие хорошими пространственно-угловыми характеристиками лазеры атага типа можно исполь------ -------------

зовать, например, в флоуресцентноймикроскопии для изучения биофизических и биохимических процессов в отдельной клетке, а также во многих приложениях медицины. Такие лазеры можно • также использовать в лидарных системах для дистанционной спектроскопии микро-' компонентов атмосферы и океана а целью .обнаружения загрязнений. Малая расходимость генерируемого излучения лазеров на красителях обеспечит их успешное использование в лазерной дальнометрии, в системах наведения до оптическому лучу, а также й некоторых друга* областях,

Целью дтссэдуацианной работа являлось определение физических и технических уоЛовйЙ создания высоко эффективных иирокодиалазон-ных лазерных систем на основе растворов красителей о ламповой накачкой, генерирующих излучение микрооекундной длительности, о узкой шириной спектра (~10-3 нм), малой угловой расходимостью (">10~3 рад) и анергией( достаточной для многих практических применений (0,5-1,0 Да) путем иопользования двухступенчатой схемы, возбуждений. ,

Научная новизна работы состоит в следующем;.

1.Показано, что раствори производных 3-(2~ бензимидазолил) кумарина эффективно генерируют при ламповой накачке в спектральном диапазоне Б00*667 нм (к.п.д, до I%) и имеют высокую фотохимическую устойчивость (в 3-5 раз выше таловой для родамина Ж).

2.Установлено, что в лазере о коаксиальной лампой-кюветой применение производных з-(2-б8нзвмядазолял). кумарина в качества трансформатора излучения для эффективна генерирующих в Ш-областа СШкТра красителей ЛК-Й78, Ж-703, ЛК-747, ЛК-790, ЛК-800 позволяет повысить энергетячзскую эффективность в 1,4-2 раза» а ресурс работы - в 3-4 рава.

3.Показано, что применение двухступенчатой схемы возбуждения, при которой излучение с малой расходимостью генерирует ла-зер-преобрааователь Па красителях, накачиваемый импульсами излучения длительность» ~1 мкс лазером на красителях с ламповым возбуждением, позволяет создать лАзерну» систему с плавной перестройкой спектра в широком диапазоне, с расходимостью излучения

близкой к дифракционной (~1СГ3 рад), малой шириной спектральной линии излучения (-»Ю-3 нм), достаточно высоко^ анергией в импульсе (~0,5-1 Дж) и длительностью импульса излучения также "«I мка. Подбор оптимальных пар красителей для первой и второй ступени возбуждения, обеспечивает генерацию излучения в спектральном диапазоне 495+835 нм, с расходимостью ~1СГ3 рад, к.п.д. преобразования во второй ступени до 46%, энергией Излучения до I Ди.

4.Показано, что при возбуждении генерации в лазере 'На кристалле А1г0з:Т13+ излучением лазера на красителях с ламповой накачкой микросекунднай.длительности наблюдается отчетливая спектральная зависимость к.п,д,-от■длины волны возбуждающего излучения, причем максимум указанной зависимости лежит в области 555 нм и не совпадает с максимумом спектра поглощения кристалла. Вероятным механизмом данного явления является образование под действием мощного излучения накачки четырехвалентных ионов которые поглощают в сине-зеленой области спектра и снижают эффективность генерации. Время релаксации возбужденного иона в возбужденный ион Т13+ оценивается й ~3 мко.

5.Показано, что при использовании для накачки лазера на АИГ:Ш3+ излучения лазера на красителях с ламповой накаЧкой или лазера на А1г0з:Т13+ микросекундой длительности возможно получение мощного лазерного импульса микросекундной длйтельности йа Х=Ю64 нм с гладкой временной огибающей,

Практическая значимость работы:

1.Предложены новые эффективно генерерирущие и обладающие высокой фотохимической устойчивостью активные лазерные среды (растворы производных 3-(2-бензимидазолил) кумарина, которые могут использоваться в качестве эффективных трансформаторов излучения накачки в лазерах с ламповым возбуждением на ШО-диапазан спектра.

2.Разработаны физико-технические услоэия создднш? эффективной лазерной системы на основе растворов красителей с импульсами излучения ~1 мкс, угловой расходимость« ~1СГ3 рад, шириной спектральной линии ~ю~3 нм, энергией в импульсе ~0,Б-1 Дж, включающей задающий лазер на красителях с ламповой накачкой и лазер-преобразователь на основе раствора красителя или твердотельной

активной среда,

3.Подобрана оптимальные пары красителей для первой и второй ступени возбуждения лазера-преобразователя, обеспечивающие 'генерации, излучения а-спектральном диапазона 495+835 нм, - с- расходимостью ~ICf3 рад, к.п.д. преобразования во второй ступени до 46$, анергией излучения до I Дж,

4.Определены требования к лазерной системе на красителях для ее использования в уотановках лазерной литотрипсии.

б.Создана установка на основе лазера на красителях о ламповой накачкой для генэтико-оелекционных исследований.

»

Основные положэния> вынооимые на защиту:

1,Применение двухстуйенчатой схемы возбуждения, при которой излучение ó Малой расходимостью генерирует лааер-праобразователь на краситалях. накачиЬаешй импульсами излучения длительностью ~1 икс лазером На Красителях о ламповым возбуждением, позволяет создать лазерную сиотему с плавной перестройкой спектра в широком диапазоне, с расходимость» излучения близкой к дифракционной (~10-3 рад), маЛоЙ шириной спектральной линии- излучения . (~10-3 нм), достаточно высйКой анергией в импульсе (~0,5-1 Дж) и длительностью импульса излучения также мкс. Подбор оптимальных пар красителей для первой и второй ступени возбуждения, обеспечивает генерацию излучения в спектральном диапазоне 495+835 нм, с расходимостью ~1СГ3 рад, к.п.д. преобразования во второй ступени до 46%, энергией излучения до I Дя.

2. К.п.Д. генерации лазера-преобразователя на А1г0з:Т13+ при возбуждении излучением лазера на красителях с ламповой накачкой микросекундной длительности имеет четко выраженную зависимость от длины волны издучёния накачки с максимумом, который на совпадает с максимумом поглощения кристалла.

3. При накачка лазера-преобразователя на АИГ:№13+ излучением лазера на красителях с ламповой накачкой или лазера на А1г0з:Т13+ микросекундной длительности генерируется мощный кмпульо излуче1шя микросекундной длительности на Х=Ю64 нм с гладкой временной огибающей.

4,Растворы производных 3-(2-бензимидазолил) кумарина являют-

ся высокоэффективными и фотостойкими активными лазерными средами (в лазерах о ламповой 'накачкой обеоцечивают генерацию излучения в спектральном диапазоне 600657 нм, к.п.Д. генерации до 18, фотохимическую устойчивость в 3-Б раа выше таковой для раствора родамина Ж),

5. Использование растворов производных 3- (2-бензимвдазолил) кумарина в качестве трансформатора излучения Накачки в лазерах с коаксиальной лампой-кюветой в случае активных лазерных сред на основе красителей ЛК-678, ЛК-703, ЛК-747, ЛН-790, ЛК-800, еффек-тивно генерирующих в ИН-опектральном дйпазоне, позволяет повысить энергетическую эффективность последних в 1,4-2 раза, а ресурс работы - в 3-4 раза»

Апробация работы

Основные результаты работы опубликованы в ' 6 статьях /1-6/ и 6 ireöncoB докладов /7-12/. Материалы диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

- VII Белоруско-ЛИтовский семинар "Лазеры и оптическая нелинейность", Гродно, 1986.

- VIII Республиканская конференция молодых ученых по физике, Посвященная 40-летию освобождения Белоруссии от немецко-фашистских захватчиков, Минск, 1986,

- VIII Республиканская конференция молодых ученых по спектроскопии и квантовой электронике, Вильнюс, 1987¿

- III Мевдународный семинар "Физика быстропротекающих плазменных процессов", Гродно, 1992.

- Международная конференция "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии", Гродно, 1993.

Получены два авторских свидетельства на изобретения /13,14/.

Личный вклад соискателя:

- непосредственное участие совместно с научными руководителями в постановке задач;

- участие в разработке и реализации методик проведения экспериментов;

- провадание экспериментов и оОработка полученных результатов;

- интерпретация полученных экспериментальных результатов;

- обсуждение и оформление полученных результатов, _____________________

------------Научные руководители"МостовниковВ.А.' и Батище O.A. оказыва-.

ли содействие на всех этапах выполнения данной работы. Никитченко В.М,, Караоев A.A., Новиков А.И. ситеаиройали новые кумаршовые' красители. Другие соавторы принимали участие в проведении отдельных экспериментов. Анализ лазерной обработки хлопчатника и полевые эксперимент« проводились сотрудниками Тадкикского НШ земледелия под руководством доктора сельскохозяйственных наук Джумаэва М.Д. о участием доктора технических наук Маруйова P.M.

ООНОВНОВ СОДЕИШШЕ РАБОТЫ

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения. Она содержит 76 страниц текста, 31 риоунок, в таблиц й список литературы, насчитывающий 166 наименований.

lieaeHgg содержит характеристики Актуальности И состояние проблемы на момент начала выполнения дйойвртациояной работы. Здесь сформулирована основная цель, научная новизна, практическая значимость работы, приведен«, аайщаемые.положения, а также указан личный вклад соискателя.

ШВ®&5_£лава диссертации посвящена определению физико-технических условий и возможностей создания высокоэффективных лазерных систем на красителях микросекундной длительности с малой расходимостью генерируемого излучения, а также рассматриваются перспективы поиска новых эффективных и фотостойких лазерных красителей.

В § I.I дается литературный анализ причин, приводящих к ухудшению пространственно-угловых характеристик лазеров на красителях с ламповой накачкой. На основании данных, представленных ' в различных литературных источниках показано, что основной причиной увеличения расходимости излучения лазеров на красителях о ламповой накачкой является рост термооптических и акуотооптических искажений' активной ср&ды под влиянием мощной немонохроматическсй накачки. Анализируются две основные прйчйнн, приводяюте к появлению оптических искажений. Одна из них связана с неравномерным поглощением излучения ламп накачки. Вторая - связана с проникнове-

- е -

нием в кювету ударных волн, которые образуются в ' результате деформации оболочек ламц накачки в момент электрического разряда, Рассмотрены причины возникновения неоднородноотей облучения растворов красителя, а также анализруются причину появления ударных волн и их влияние на'временные, энергетические . й пространственно-угловые параметры лазеров на красителях о ламповой накачкой. Рассматривается зависимость величины термооптических искажений и время" их релаксации от анергии накачки и концентрации красителя: Также рассмотрено влияние прокачки активной среда на изменения ее оптического качества.

В § 1.2 рассматриваются и анализируются различные методы уменьшения угловой расходимости лазеров на красителях с ламповой накачкой. Поскольку главной причиной увеличения угловой расходимости являются различные оптические неоднородности, то большое число таких методов основано на использовании мало расширяющихся под действием излучения накачки раотворителей активных сред, охлаждающих жидкостей, фильтров и т.п.. Некоторые методы 'уменьшения влияния ударных волн оонованы на использовании Ьакуумирования промежутков мевду импульсной лампой и кюветой. Существует метод основанный на динамической компенсации оптических искажений за счет начальной угловой расстройки резонаторов. Так как одной из причин, влияющей на увеличение расходимости является генерация неаксиальных типов колебаний, то соответствующий метод основан на селекции этих типов колебаний резонатора. Существует таНже метод уменьшения расходимости, основанный на том, что в активной орэде, находящейся в цилиндрической кювете, за счет накачки изнутри создается отрицательная тепловая линза, которая делает невозможным существование неаксиальных типов колебаний резонатора. Некоторый авторы показывают, что если оптическое качество усиливающей среда хорошее, то расходимость лазерного излучения можно уменьшить..используя неустойчивые резонаторы. • Существует способ • уменьшения расходимости, основанный на ''выравнивании" оптического щгш различных лучей, проходящих через резонатор. Для этого используется призма Дове, могут использоратьсн уголковые отражатели или ретро-рефлекторные зеркала. Один из эффективных методов'.уменьшений угловой расходимости основан на обращении волнового фронта болны, прошедшей через активную среду, Если возможности традиционных методов уменьшения расходимости исчерпаны, то прибегают к использо-

вайию адаптивной оптики, как одному из наиболее сложных'и труднореализуемых.

_________§ 1.3.литературного,обзора,посвящен перспективе поиска новых.

эффективных и фотостойких лазерных красителей. Актуальность такого поиска обусловлена тем, что количество лазерных красителей, генерирующих при ламповой накачка не очень велико и тем, что-спектральный дипазон эффективно генерирующими и фотостойкими красителями перекрыт крайне неравномерно. Одно из направлений поиска связано с повышением эффективности преобразования излучения накачки в излучение генерации. Эта проблема успешно решается путем использования бифдуорных лазерных- Красителей. Большое внимание удаляется "пооиоку новых кумариноьых красителей, как обладающих в сине-аеланой области спектра наилучшими энергетическими характеристиками и фотоотойкостыо. Вдеоь много работ посвящено изучению фотофизических процессов в молекулах кумаринов, изучению влияния молекулярных взаимодействий, типа растворителя на спектрально-люминесцентные и генерационные характеристики, новых красителей. Большой; интэрео представляет получения новых водорастворимых соединений» использование, Которых, при лампййо^ наказа, позволяет уменьшить расходимость лазерного излучения. Изучаются протониро-ванные формы иминокумаринов с закрепленной аминогруппой, которые в стартовых и спиртоводных растворах позволяют существенно увеличить к.п.д. генерации при ламповой накачке. Высокие к.п.д. и фотостойкость кумариповнх красителей позволяли провести исследования, направленные на расширение дипазона генерации соединений данного класса в красную область спектра.

§торая_глава посвящена исследованию систем ламповой накачки с целью создания высокоэффективного широкодиапазонного лазера на красителях микросекундной длительности пригодного для использования в первой ступени лазера-преобразователя в качестве, источника возбуждения.

В § 2,1 пркводятся р-ззультатц кссдедовЕщий по сокращению длительности импульса-генерации лазера на красителях с ламповой накачкой на основ.? применения трубчатых лпмп. Описан разработан-тг!* лааер тта красителях а ламповой накачкой. Проведена оптимизация генерационных характеристик данного лазера. Показало, что при уМ'-'шденяи емкости конлезсатсБНоЯ батярри от 5,7 адр» ДО 1,88 жФ длительность импульса генерации уменьшается практически линейно

от 4 мко до 1,8 мкс. Показано, что путем уменьшения емкости накопителя ниже >»1мкф сократить длительность импульса генерациии до уровня ~1мко без существенного уменьшения анергии и к.п.д. генерации весьма ватруднительно.

Е 8 2.2 приводятся результаты исследований па созданию высокоэффективного лазера на красителях микросекундной длительности на основе коаксиальной лампы-кюветы. Ва основу была взята конструкция лампы-кюветы, описанная в работах Дзюбенко М,й. о соавторами., Испытывалось несколько вариантов ламп-кювет, отличщоищая длиной освечиваемой Части кюветы. Ламвд-кюввты включались в разрядный малоиндуктивный контур, в который могли входить три варианта накопительных конденсаторных батарей: из 6 конденсаторов K75-3Q (0,47 мкФ, 20 кВ), из 8 конденсаторов К76-48 (0,22 мкФ, 25 кВ) или из 2 конденоаторов К7Б-48 (1,0 мкф, 25 кВ), Были проведены эксперименты по оптимизации условий возбуждения. Рассмотрена возможность повышения К.п.д. генерации за счет использования в рубашке лампы-кюветы, переизлучателя, который , преобразует УФ-излучение импульсной лампу в видимое излучение, сцвктр .которого наилучшим образом согласован оо спектром йоглощения генерирующего красителя» Показано, Что используя в качества переизлучателя Кумарин 120 можно увеличить эффективность генерации кумарина 834 Солле чем на 20% и в Несколько раз увеличить его ресурс работы. Показано, что использование в разрядном контуре батареи из двух малоиндуктивных конденсаторов К75-48 (1мкФ, 2БкВ) длина светового импульса на полувысоте составляет 2мкс, а генерации - I,2мко. Испытание ряда наиболее Известных И новых синтезированных красителей позволило получить высокоэффективную генерацию в спектральном диапазоне 437+860 нм с максимальным к.п.Д. Ныше 1%.

В § 2.3 содержатся результаты исследований направленных на определение оптимальных путей применения ретрорефЛекторНоЙ оптики для уменьшения расходимости созданного лазера на красителях с ламповой накачкой, используемого в качестве источника возбуждения лазера-преобразователя. Используемое в экспериментах ретрорефлек-торное зеркало (РЗ) было набрано из тршшель-призм с поперечным сечением 6 мм. Приведены результаты исследования различнах вариантов оптических схем лазера на красителях с ламповой накачкой, в которых для уменьшения расходимости используется РЗ. Показано, что применение РЗ позволяет повысить яркость излучения в 2,6 ра-

за. Дальнейшего уменьшения расходимости можно достигнуть путем

внесения в резонатор лазера пространственного., Зилмра. Однако,--------------

______при переходе к расходимости" близкой к дифракционной, происходит

резкое уменьшение энергии излучения.

£В§Ш-£гЗ&§§ посвящена поиску новых эффективно генерирующих красителей пригодных для использования в первой и второй отупении лазера-преобразователя.

§ а.1 содержит результаты исследований генерационных характеристик новых кумариновых красителей, эффективно генерцрувдих и обладающих повышенной фотостойкостью при ламповой накачка. Проведано исследование 24 новых соединений. Показано, что новуе куыа-ряясзые красители позволяют получать генерацию в спектральном диапазоне 420+65? нм. Наибольшую генерационную эффективность показали соединения - производные 3-(2-бензймйдазолил) кумарина, которые при высокой энергетичеокой эффективности (свыше 1%) обладают повышенной фотохимической устойчивостью, которая в 3-5 раз превосходит таковую для' родамийа »•• '

6 5 3.2 приводятся результаты исследований- направленных на повышение генерационной эффективности и ресурса работы красителей, предложенных для генерации излучения в спектральном диапазоне 660-860 нм, путем использования трансформатора излучения импульсной лампы на основе этанольного раствора 2-(юлолидинкумаркн~ 3-ил) бензимидазолий хлорида, описанного в § 3.1. Показано, что в лазера с коаксиальной лампой-кюветой применение данного трансформатора излучения наначки для эффективно генерирующих в ИК-области спектра красителей ЛК-678, М-703, ЛК-747, ЛК-790, ЛК-600 позволяет повысить энергетическую эффективность в 1,4 - 2 раза, а ресурс работы в 3 - 4 раза. ,

Зцвертад_глава посвящена исследованию генерационных характеристик лазеров' на основе растворов красителей микросекундной длительности с малой расходимостью, построенных по двухступенчатой охеме возбуждения.

В 5 4.1 приводятся результаты исследованй, направленных на определение условий, обеспечивающих возможность создания высокоэффективного источника лазерного излучешм с малой расходимостью микросекундного диапазона длительностей по двухступенчатой схеме возбуждения. При такой схеме построения излучение с малой расходимостью генерирует лазер-преобразователь на красителях, накачи-

ваемый излучением лазера на красителях с ламповой - накачкой микросекундной длительности, Показано, что при рассматриваемых длительностях импульса возбуждения к,п;д, генерации вначале возрастает при увеличении плотности энергий возбуждения, а затем начинает уменьшаться. Во всех случаях оптимальная плотность энергии возбуждения составляет ~2-4 Дж/сма, К,р.д. генерации для этанодь-ного раствора родамина Ж при длительности импульоа накачки мкс достигает при увеличениям длительности до мка падает до ~20%. Показано, что за время генерации не появляется дополнительных, зависящих от времени потерь и ето позволяет предположить, что в оптимМьных условиях возбуждения генераций импульсами длительностью мкс в общем баланое энергии потери, связанные с поглощением молекулами в канале возбужденных триплетных уровней и продуктами фотохимических превращений, играют второстепенную роль по сравнению с потерями й канале возбужденных оинглетних уровней. Показано, что возможность хорошего согласования спектра поглощения красителя, используемого в лазере-преобразователе, со опэкт-ром^иалучения Накачки, малая длина активного слоя< оптимизация условий Возбуждения позволяют' значительно уменьшать расходймооть генерируемого излучения. Показано; что при,базе резонатора 30-40 см Б0$ гёнерйруеМого излучения распостраняется в угле 1,0 -1,6-ю-3 рад.

§ 4.2 посвящен расширению спектрального диапазона работы лазера на красителях микросекундной длительности, работавдего по двухступенчатой схеме возбуждения, путем подбора пар красителей для каждой ступени и оптимизацией режимов работы.. Проведены, исследования в одних и тех же условиях зависимости к.п.д. от плотности анергии накачки для каждой пары красителей, определены максимальные р,п.д. и оптимальные плотности анергии накачки, а также спектральные диапазоны работы красителей каждой ступени. Показано, что оптимальная, плотность энергии ракачки, варьируете*? для различных красителей,'используе?ед. в . лазерегпреобразователе, и лекит в пределах 2-6Дщ/см2. Подобрандае красители для лазера-преобразователя перекрывал? спектральный диапазоц 495+835 нм, при этом к.ПтД. генерации достигает 46?, что позволяет при проведении полной оптимизации условий возбуждения получать энергию излучения свыше I Дн р этом диапазоне с длительностью X икс при расходимости ~1 мрад, '

В § 4.3 рассматривается возможность построения перспективных лазеров на красителях с узкой спектральной линией излучения, большой мощностью и малой расходимостью, используя двухступенчатую схему возбуждения. В этом случае лазерная система состоит из задающего лавера-преобразозателя на красителях, генерирующего излучение требуемого для решения конкретной задачи спектрального состава и малой расходимостью, - и . каскадов усилителей-преобразователей на красителях. Показано преимущество такого способа построения по сравнению с обычно используемым, • при котором кал задающий лазер, так и усилительные каскады возбуждаются излучением ймпуяъягп: дама, Покавано,что обцм пнсргейпееШш аЕфек-тивность однспроходавых усилителей-преобразователей на красителях, работающих в микросекундном диапазоне длительностей, составляет 10-15?!, в то время как в режиме генераций эффективность достигает в аналогичных условиях возбуждения 40%. Это различие в зф-фективностях связано, вероятно, с Тем, что плотность мощнооти усиливаемого излучения при микросекундных длительностях работы недостаточна для того, чтобы достичь насыщений усиления и обеспечить полный съем инверсной населенности, создаваемой накачкой, при'однопроходовом усилении. Показа:», что в режиме регенеративного усиления в спектре излучения наряду с линией, определяемой задающим лазером преобразователем, может при превышении оптимальных иптенсивнос-тей возбуждения, присутствовать широкополосный линейчатый фен. Оптимизация условий работы лазерной системы позволяет существенно снизить интенсивность указаиишч) фона. Показана перспективность применения двухпроходового усилителя для создания ковных перестраиваемых лазеров на красителях микросекундной длительности с расходимость» излучения близкой к .дифракционной, спектральной шириной ~1СГЭ нм.

В § 4.4 приводятся результаты исследований стгектраЛько-временных особенностей возбуждения генерации в лазерах на А120з?Т13+ излучением лазеров на красителях с ламповой накачкой Микросекундой длительности. Активный элемент А1г0з:Т13+ возбуждался строго продольно излучением эффективно генерирующих при ламповой накачке красителей в спектральном диапазоне 450^-600 нм . Показано, что к.п.д. генерации лазера на.сапфире С титаном при накачке излучетаам лазера на красителях с ламповой накачкой жк---росекундной длительности имеет четка выраженную спектральную за-

висимость, причем, ее максимум (~ббБ им) не совпадает с максиму-ком спектра поглощения кристалла (490 нм), Данные позволяют предположить, что этот факт объясняется образованием под действием коротковолнового мощного излучения накачки метастабильных четырехвалентных ионов титану Т14+, которые поглощают в сйне-зеленой области спектра,« снижают эффективность генерации. Часть ионов титана Т14+ в возбужденном состоянии релаксирует о постоянной, времени 3 мне в возбужденный ион Т13+ и вследствие этого принимает участие в генерации.

В § 4.5 приводятся результаты исследований, направленных на получение генерации импульсов микросёкундной длительности на ХсЮб4 нм в лазере-преобразователе на АИГ:М , построенного по двухступенчатой схеме возбуждения, Показано, что при непосредственной установке внутрь коаксиальной лампы активного элемента из АЙГ;Ш3+ генерируются импульсы излучения общей длительностью ~25 мке, огибающая которых промодулирована хаотически изменяющимися по интенсивности й длительности пичками (Хг=1С64 нм, Еген до I дМ'при Енак ~250 Дк). Длительность отдельного пичка менялась в ' пределах 0,1-0,5 мке, период меаду пичками - 1-3 мкс. Показано, что при использований для накаЧки лазера на АИГ«Ш3+ излучения лазера на красителях с ламповой Накачкой или лазера на А1а0э:Т1а+ микросекундой длительности генерируется гладкий колоколообразный импульс излучения на Х=1064 нм длительностью ~2 мкс, Егей До 0,1 Дж и энергетической эффективностью до 35%.

Пятая глава посвящена практическому использованию двухступенчатой лазерной системы в установках для лазерной литотрйпсии и гекетйко-селекционных исследованиях.

§ 5.1 посвящен исследованию особенностей разрушения почечных камней при воздействии лазерным излучением микросекундной Длительности различных длин волн, Для этих целей исцользойались лазер на красителях с ламповой накачкой или лазер-Преобразователь на АКТ. Исследовалась зависимость объема удаленной массы камня у от энергии лазерного излучения Е. Показано, что для каждой длины волны излучений имеется участок зависимости, на котором вначале наблюдается'линейный рост удаленного объема камня V с ростом энергии излучения Е, а затем наступает насыщение. Показано, что коэффициент эффективности удаления массы К=йУ/с1Е для линейного участка зависимости зависит от спектрального состава лазерного

излучения. Показано, что при превышении порога насыщения наблюдается сильный гидравлический удар, наличие которого в данных условиях позволяет предположить, что при достижении насыщения и выше излучение поглощается преимущественно высокоионизированной плазмой кавитавдонного пузыря, а не материалом камня, т.е. ниже порога насыщения разрушение камня происходит в результате лазерной абляции, а Выше - начинают оказывать существенное воздействие, ударные гидродинамические волны.

В § Б.2 приводятся результаты исследоваий направленные на изучение стимулирующего воздействия излучения лазера на красителях о ламповой накачкой на семена тонкоодайдасш. сортов хлопчатника. Показало, что предпосевное облучение Лазерным излучением сухих семян хлопчатника существенно влияет на Изменение хозяйственно-ценных признаков в зависимости от сорта хлопка, что во втором поколении растений ати эффекты проявляются достаточно сильно. Наиболее эффективннм оказалось , Комбинированное облучение семян хлопчатника лазерным излучением в синей (лазеры на красителях с ламповой накачкой) и красйой (гелий-Неоновый.лазер) области спектра» К» Наконец» технологические свойства волокна при лазерном обЯучеЙИй семян не снюхается по сравнению с контрольным вариантом.

ВЫВОДЫ

1.Показано, что растворы производных 3-(2- Оензимидазолил) кумарина эффективно генерируют при ламповой накачке в спектральном диапазоне 500+657 нм (к.п.д. до 12) и имеют высокую фотохимическую устойчивость (в 3-5 раз выше таковой для родамина ¡К),

2.Установлено» что в лазере с коаксиальной лампой-кюветой применение производных 3-(2-бевзимидазолил) кумарина в качестве трансформатора излучения для эффективно генерирующих в ИК-области спектра, красителей Ж-678,. ЛК-703, ЛК-747, ЛК-7Э0, ЛК-800, позволяет повысить энергетическую эффективность в 1,4-2 раза, а ресурс работы - в 3-4 раза.

3.Показано, что применение двухступенчатой схемы возбуждения, при которой излучение с малой расходимостью генерирует лазер-преобразователь на красителях, накачиваемый импульсами излучения длительностью «I мкс лазером на красителях с ламповым воз-

буаданием, позволяет создать лазерную систему .о плавной перестройкой спектра в широком диапазоне, о расходимостью излучения • близкой к дифракционной (~I0"S рад), малой шириной спектральной линии излучения нм), достаточно высокой энергией в импуль-

се (~0,Б—I Дк) и длительностью импульсу излучения также , мко.

4.Подобраны оптимальные пары красителей дЛя первой и второй ступени возбуждения лазера-преобразователя, обеспечивающие генерацию Излучения в спектральном диапазоне 496+835 нм, о расходимостью ~10"3 рад, к.п.д. преобразования во второй ступени до 46Ж, энергией излучения до I Дж.

Б »Показано, что пря возбуадеции генерации в, лазере на кристалле А}я0з1!Г13+ излучением лааера на красителях с- ламповой накачкой мйНросекуНДНой длительности наблюдается отчетливая спектральная зависимость к.п.д. от длины волны возбуждающего излучения, причем максимум указанной зависимости лежит в области ббб ям и не совпадает о максимумом спектра поглощений кристалла. Вероятным механизмом данного явления Является образование под действием ^мощного излучения накачки Четырехвалентных, ионов íi4+, которые поглощают в сине-зеленой области спектра й снижают эффективность генерации, Время релаксаций возбужденного иона Т14+ в возбужденный ион Т1Э+ оценивается в ~3 мкс.

6.Показано, что при использовании для накачки лазера на АИГ:Ш3+ излучения лазера на красителях с ламповой накачкой или лазера на Alfe03jTi3+ михросекундаой длительности возможно получение мощного лазерного Импульса микросекундной длительности на Ха1064 нм с гладкой временной огибающей.

ОПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1, Артемьев Н.Ц., Ёатище С.А,, Борткевич A.B., Еременко А,О., Малккин Е,Г,, Мостовников ВД,(, Степанов А,И,, Тарковский В.

, В,, Толстошей A.B. Высокоэффективный лазер-преобразователь на растворах красителей микросекундной длительности // ЖПС. - 1987, - Т,47, ВЗД1,5, - 0,719-723, '

2. Батще 0rA,f Мостовников В,А,, Тарковок$* В.В, Особенности применения ретрорефлекторного зеркала в лазере на красителях с ламповой накачкой // Весц1 ДНЕ, Оер. ф1з.-мат. - 1995. -.42,- 0. 64-87.

3. Багэда O.A., Мостовников В,А,, Никитченко В.М. Тарковский В___________________

В. Использование эффективного трансформатора излучения в лазере на красителях с ламповой накачкой // Весц! AHB. Сер. ф1з.-мат. - 1996. - С.80-83.

4. Батище С.А., Мостовников B.Ä., Тарковский В.В. Исследование усилительных схем лазеров на красителях микросекундной длительности с двухступенчатым возбуждением // ПТЭ. 1995. -Л 4.- С.1-4.

5. Батище O.A., Мостовников В.А,, Тарковский В.В. Широкодиа-ПазсщщЯ лазер на красителях микрооекундной длительности с Двухкаскадным возбуждением // Квант, электроника. - I9S5. -Т.22, Л 7,- С.651-652.

6. Батище С.А., Тарковский В.В. Спектральные особенности разру-

шения почечных камней лазерным -излучением (яшросекундной длительности // Квант, электроника. - 1995. - Т.22, Ä 7.- С. 751-752.

7. Ануфрик O.G., Батище C!.А,, Мостовников В.А., Тарковский В.В. Оптимизация трубчатых ламп ДЛЯ лазера на Красителях с Целью

получения эффективной генерации в сине-зеленой области спектра // III ?Лвжресн. семинар "Физика бистропротекаших пламенных процессов": Тез. докл. - Гродно, 1992. - С.60.

8. Ануфрик С.С., Батище С.А., Мостовников В.А., Никитченко В.М., Тарковский В.В. Норне эффективные красители для ламповой накачки // Не жду нар. конф. "Совремешше проблемы лазерной физики и спектроскопии": Тез. докл. - Гродно, 1993. - С.221-222.

9. Лобазов А.Ф., Тарковский В.В. Разработка лазера на растворах красителей для генетизсо-селекциошшх исследований // VIII Респ. конф. молодых ученых по физика, посвященная 40-летию освобождения Белоруссии от немецко-фашистских захватчиков: Тез. докл. - Минск: Кпд. "Университетское", 1986. - C.I76--177.

10. Батище С,А., Тарковский В.В. Спектрально-временные особенности возбуждения генерации в лазерах на А1г0з:Т13+ излучением лазеров на красителях с ламповой накачкой микросекундной длительности //II Международная конференция по лазерной физике и спектроскопии: Тез. докл. - Гродно, 1995. <3.4243.

11. Батище O.A., Тарковский В.В. Генерация импульсов микросекун-

дной длительности о гладкой временной огибающей на Х=1064 нм в лазере-преобразователе на A4T:Nd3+ // II Международная конференция по лазерной физике и спектроскопии} Tea. докл, -- Гродно, 1996, "0.44-45, .

12. Батиде O.A., Тарковский В.В. Спектральные особенности разрушения почечных, камней лазерным излучением микросекундой длительности // II Международная конференция по лазерной физике и спектроскопии: Тез. докл. - Гродно, 1995, 0,81-83.

13. А.С.Й1290ЭТ8 ОСОР, Лазер на красителях / НеЧаэв 0,8,, МооТов-ников В.А., СтриГун В.Л., TapKOBOjöffl В,В. - ваявл. 26,03.1985 №873282 // Разрешение на публикации от 12»04.1994,

14. A.c. *1Б33607 ССОР. Активная среда для лазера и способ ее получения / Батиде О¿А., Карасев A.A., Мостовников S.A., Ни-китченко В.М., Новиков А.И.« Тйрковский В.В, - заявл. 14.12. 1987» N4342188 // Разращение на публикацию от 12.04.1994.

РЭЗШЭ . (

Таркоуск! В1кеНЦ1Й В1кбзцьев1ч

Распрацоуха высокаеффектыуных лазерных о1ствМ на асноае растворау фарбавальч1каУ м1красекукДкай прецягдаоц! з малой разоежнаоЬо

Лазер-ператваральн1к, фарбавальн1к, разбекцасць, выпраменьванне, г узбудканне, пампоука, вффектыунасць, внерПя, Каскад, узмацняль-н1к, фотах1м1я, опектрасквп1я, галаграф1я, медыцына, б1адог1я.

Наказана, што прымянеше двухступенчатай схемы узбуджання, при яхоЙ ЬыпраменьВ&йне м1краоекунднай працягласц! з. малой раз-бегаасцю генерыруе лазер-ператваральн1к, як1 пал*пуецца лазерах! на фарбавальн1ках з лампавым узбудаэннем 1 падСор аптымальных пар фарбавальн1кау для 1-й 1 2-й ступен1 забяспечвае генерацию выпра-меньвання у спектральным диапазоне 495+835 нм з разбекнасцю ~1 мрад, эффектыунасщо пераутчарэння да 46%, анерг1яй выпрамень-вання да I Дк 1 спектральная шырыней ~Ю~3 нм.

Прапанованы новыя высокаэф$ектыуння фотах1м1чна устойл1выя кумарынавыя фарбгральнШ, на слектралънн даяпазон 420+657 нм. Вы-

вучаяы асабл1васц1 атрымавдя ц1красекунднага внпраманьвання у ла----------зеры-пвратвара^ьн1ку на А120з;Т13+ 1 А1Г:Ш3+. Выручаны спектральный залежнасц1 драблення ныркавых камянеу лазерным выпрамень-ваннем м1красекунднай працягласц1.

Створаныя лазерныя с1стэмц могуць выкарнстоуваода для выра-шэння мног1х задач фотах1м11, спектраскалИ; на 1х аснове могуць стварацца с1от8мц мастацкай галаграфИ, а таксама медыка-б1яла-г1чныя устаноук1 рознага празначэння.

.РЕЭШВ

Тарковский Викентий Викентьеьнч

Разработка высокоэффективных лазерных систем на основе растворов красителей микросекундной длительности с малой расходимостью

Лазер-преобразователь, расходимость, излучение, возбуждение, накачка, эффективность, энергия, каскад, усилитель, фотохимия, спектроскопия, голография, медицина* биология.

Показано, что применение двухступенчатой схемы возбуждения, при которой излучение микросекундной длительности с малой расходимостью генерирует лазер-преобразователь на красителях накачиваемый лазером на красителях с ламповым возбуздением и подбор оптимальных пар красителей для 1-й и 2-й ступени обеспечивает генерацию излучения в спектральном диапазоне 495+835 нм с расходимостью ~1 мрад, эффективностью преобразования до 46% и энергией излучения до ~1 Дж, и спектральной шириной -10 нм.

Предложены новые высокоэффективные фотохимически устойчивые кутртавие красители на спектральный диапазон 420*657 нм. Изучена особенности получения микросекундного излучения в лазере-преобразователе на А1г0з:Т13+ и , АИГ:М3+. Изучены спектральные зависимости дробления почечных камней лазерным излучением микросекундной длительности.

Созданные лазерные системы могут использоваться для решения многих задач фотохимии, спектроскопии; на их основе могут создаваться систем1.; художественной голографии, а ' также медино-биологические установки различного назначения.

- 20 -SUMMARY

TarKovsky Vlkenty Vlkentlevlch

Development of high-efficient liquid-dye micro-second pulsed laser systems with a low divergence

Keywords: laser-converter, dlyergence, radiation, excitation, pumping, efficiency, energy, cascade, amplifier, photochemistry, spectroscopy, holography, medicine, biology.

It Is shown that the uag , of the tyro-paacade excitation scheme, in which the mici^secpnd low-divergence radiation pulse is produced by tha dye lager-converter pumped by another dye laser with a lamp pumping, and ¿n appropriate choice of optimal pairs pf dyes for the first end eecond caaoadës provides, the radiation over a'495-035 nm speotrai range with à divergence of aboiiï 1 mrad and a line width of about 0.001 nm at a conversion efficiency up to 45*. ,

Ne* high-efficient staple from a photochemical point coumà-rin-baaed dyeg for the, spectral region of 420-657 nm are proposed. The peculiarities of obtaining micro-second pulses in the Ala03:Ti31" and YAGtM3+ laser-converter are studied. Spectral characteristics for tha fragmentation of Kidney stones by laser radiation of micro-second duration are studied.

The laser Systems built can be yàè4 in a great nuwbetp of photochemistry and Êpeciroacopy applications, can serve sa a background for various art holography and bio-medical systems.