Генерационные характеристики оксазиновых красителей в твердых полиуретановых матрицах

Исследованы энергетические и спектральные характеристики излучения цилиндрических полиуретановых матриц, активированных красителями Оксазин 17 и Оксазин 1. Изучено влияние на энергию и спектр излучения наведенных термооптических искажений, возникающих в условиях применения поперечной схемы возбужден...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2009
Hauptverfasser:	Николаев, С.В., Пожар, В.В., Дзюбенко, М.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2009
Schriftenreihe:	Радіофізика та електроніка
Schlagworte:	Вакуумная и твердотельная электроника
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105770
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Генерационные характеристики оксазиновых красителей в твердых полиуретановых матрицах / С.В. Николаев, В.В. Пожар, М.И. Дзюбенко // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 3. — С. 358-365. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-105770
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1057702025-02-10T01:24:18Z Генерационные характеристики оксазиновых красителей в твердых полиуретановых матрицах Генераційні характеристики оксазинових барвників у твердих поліуретанових матрицях Emission characteristics of oxazine dyes incorporated in solid polyurethane matrices Николаев, С.В. Пожар, В.В. Дзюбенко, М.И. Вакуумная и твердотельная электроника Исследованы энергетические и спектральные характеристики излучения цилиндрических полиуретановых матриц, активированных красителями Оксазин 17 и Оксазин 1. Изучено влияние на энергию и спектр излучения наведенных термооптических искажений, возникающих в условиях применения поперечной схемы возбуждения. Наивысшие значения энергии и КПД, полученные на 2-см матрицах, составили соответственно: для Оксазина 17 – 52 мДж и 18 %, а для Оксазина 1 – 120 мДж и 23 %. Сделан вывод о том, что полиуретановые среды, активированные этими красителями, являются перспективным материалом для создания твердотельных лазерных активных элементов, способных работать в условиях мощной микросекундной накачки. Досліджено енергетичні та спектральні характеристики випромінювання циліндричних поліуретанових матриць, активованих барвниками Оксазин 17 та Оксазин 1. Вивчено вплив на енергію та спектр випромінювання наведених термооптичних спотворень, що виникають за умов використання поперечної схеми збудження. Найвищі значення енергії та ККД, що отримані на 2-см матрицях, склали відповідно: для Оксазина 17 – 52 мДж і 18 %, а для Оксазина 1 – 120 мДж і 23 %. Зроблено висновок про те, що поліуретанові середовища, активовані цими барвниками, є перспективним матеріалом для створення твердотільних лазерних елементів, які здатні працювати в умовах потужного мікросекундного накачування. Energy and spectral emission characteristics of cylindrical polyurethane matrices, doped by Oxazine 17 and Oxazine 1 dyes were investigated. The influence of induced thermo-optical distortions arising in the conditions of application of transverse mode pumping on energy and emission spectrum was studied. The highest values of energy and efficiency, obtained of the two-centimeter matrices made up: for Oxazine 17, correspondingly, 52 mJ and 18 %, and for Oxazine 1 an 120 mJ and 23 %. The conclusion is made that the polyurethane media doped by these dyes, are a perspective material for creating solid-state laser active elements capable to work in the conditions of powerful microsecond pumping. 2009 Article Генерационные характеристики оксазиновых красителей в твердых полиуретановых матрицах / С.В. Николаев, В.В. Пожар, М.И. Дзюбенко // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 3. — С. 358-365. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105770 621.373.826.038.825 ru Радіофізика та електроніка application/pdf Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Вакуумная и твердотельная электроника Вакуумная и твердотельная электроника
spellingShingle	Вакуумная и твердотельная электроника Вакуумная и твердотельная электроника Николаев, С.В. Пожар, В.В. Дзюбенко, М.И. Генерационные характеристики оксазиновых красителей в твердых полиуретановых матрицах Радіофізика та електроніка
description	Исследованы энергетические и спектральные характеристики излучения цилиндрических полиуретановых матриц, активированных красителями Оксазин 17 и Оксазин 1. Изучено влияние на энергию и спектр излучения наведенных термооптических искажений, возникающих в условиях применения поперечной схемы возбуждения. Наивысшие значения энергии и КПД, полученные на 2-см матрицах, составили соответственно: для Оксазина 17 – 52 мДж и 18 %, а для Оксазина 1 – 120 мДж и 23 %. Сделан вывод о том, что полиуретановые среды, активированные этими красителями, являются перспективным материалом для создания твердотельных лазерных активных элементов, способных работать в условиях мощной микросекундной накачки.
format	Article
author	Николаев, С.В. Пожар, В.В. Дзюбенко, М.И.
author_facet	Николаев, С.В. Пожар, В.В. Дзюбенко, М.И.
author_sort	Николаев, С.В.
title	Генерационные характеристики оксазиновых красителей в твердых полиуретановых матрицах
title_short	Генерационные характеристики оксазиновых красителей в твердых полиуретановых матрицах
title_full	Генерационные характеристики оксазиновых красителей в твердых полиуретановых матрицах
title_fullStr	Генерационные характеристики оксазиновых красителей в твердых полиуретановых матрицах
title_full_unstemmed	Генерационные характеристики оксазиновых красителей в твердых полиуретановых матрицах
title_sort	генерационные характеристики оксазиновых красителей в твердых полиуретановых матрицах
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Вакуумная и твердотельная электроника
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105770
citation_txt	Генерационные характеристики оксазиновых красителей в твердых полиуретановых матрицах / С.В. Николаев, В.В. Пожар, М.И. Дзюбенко // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 3. — С. 358-365. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT nikolaevsv generacionnyeharakteristikioksazinovyhkrasiteleivtverdyhpoliuretanovyhmatricah AT požarvv generacionnyeharakteristikioksazinovyhkrasiteleivtverdyhpoliuretanovyhmatricah AT dzûbenkomi generacionnyeharakteristikioksazinovyhkrasiteleivtverdyhpoliuretanovyhmatricah AT nikolaevsv generacíiníharakteristikioksazinovihbarvnikívutverdihpolíuretanovihmatricâh AT požarvv generacíiníharakteristikioksazinovihbarvnikívutverdihpolíuretanovihmatricâh AT dzûbenkomi generacíiníharakteristikioksazinovihbarvnikívutverdihpolíuretanovihmatricâh AT nikolaevsv emissioncharacteristicsofoxazinedyesincorporatedinsolidpolyurethanematrices AT požarvv emissioncharacteristicsofoxazinedyesincorporatedinsolidpolyurethanematrices AT dzûbenkomi emissioncharacteristicsofoxazinedyesincorporatedinsolidpolyurethanematrices
first_indexed	2025-12-02T10:49:19Z
last_indexed	2025-12-02T10:49:19Z
_version_	1850393293459816448
fulltext	__________ ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 14, № 3, 2009, с. 358-365 ИРЭ НАН Украины, 2009 ВАКУУМНАЯ И ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА УДК 621.373.826.038.825 ГЕНЕРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОКСАЗИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ В ТВЕРДЫХ ПОЛИУРЕТАНОВЫХ МАТРИЦАХ С. В. Николаев, В. В. Пожар, М. И. Дзюбенко Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: svn@ire.kharkov.ua Исследованы энергетические и спектральные характеристики излучения цилиндрических полиуретановых матриц, акти- вированных красителями Оксазин 17 и Оксазин 1. Изучено влияние на энергию и спектр излучения наведенных термооптических искажений, возникающих в условиях применения поперечной схемы возбуждения. Наивысшие значения энергии и КПД, получен- ные на 2-см матрицах, составили соответственно: для Оксазина 17 – 52 мДж и 18 %, а для Оксазина 1 – 120 мДж и 23 %. Сделан вывод о том, что полиуретановые среды, активированные этими красителями, являются перспективным материалом для создания твердотельных лазерных активных элементов, способных работать в условиях мощной микросекундной накачки. Ил. 9. Табл. 1. Библиогр.: 15 назв. Ключевые слова: твердотельный лазер на красителях, полиуретановая матрица, оксазиновые красители. В последнее время значительно возрос интерес к исследованиям, направленным на соз- дание эффективных твердотельных лазеров на красителях (ТЛК). Это обусловлено тем, что ТЛК рассматриваются как удачная альтернатива тра- диционным жидкостным лазерам на красителях (ЖЛК) с точки зрения компактности конструкций и, самое главное, экологической и пожарной безопасности [1–3]. Энергетические и спектральные характе- ристики ТЛК зависят прежде всего от свойств активной среды, из которой изготовлен его ак- тивный элемент. В свою очередь, свойства актив- ной среды определяются характеристиками двух основных составляющих: материала матрицы и внедряемых в нее красителей. В качестве материалов для изготовления твердых активных элементов ТЛК, как правило, используются вещества, отверждение которых происходит при невысоких температурах [4–6]. Это связано с тем, что большинство органических красителей, которые должны внедряться в мате- риал матрицы, разлагаются при температуре свыше 60 °С. Кроме того, активная среда должна обладать хорошей оптической однородностью и высокой лучевой стойкостью. Этим требованиям в той или иной мере отвечают оптически про- зрачные полимеры различной химической приро- ды. Поэтому именно полимеры чаще всего ис- пользуются для создания твердых активных сред на красителях. При этом активные элементы ТЛК могут представлять собой как целиком полимер- ные матрицы, так и матрицы, изготовленные из нанопористых материалов с внедренным в них полимером [7–10]. Одним из видов полимеров, который мо- жет быть использован в лазерной технике, явля- ется полиуретан и его производные [11–13]. По- лиуретан относится к классу эластомеров, поэто- му обладает значительной пластичностью и тер- моупругостью. Эти свойства определяют его стойкость к интенсивному облучению импульса- ми значительной длительности, в частности, мик- росекундной. К достоинствам полиуретана можно отнести также мягкие условия полимеризации, что позволяет не только успешно внедрять в него красители различных классов, но и обеспечить их фотостойкость в процессе облучения. По сравнению с другими видами поли- мерных сред полиуретановые среды исследованы гораздо меньше. В частности, это относится к проблеме поиска наиболее эффективно генери- рующих в данной среде красителей. На сего- дняшний день перечень красителей, использо- вавшихся для активации полиуретановых актив- ных элементов, невелик. Так, при наносекундном возбуждении исследованы генерационные харак- теристики красителей Родамин 6G, Астрафлоксин и Пирометен 597 [11, 13], Тиоперилотрикарбо- цианин [12], а при микросекундной накачке нами испытаны Родамин 6G, Оксазин 17 [14] и Окса- зин 1 [15]. В этих работах продемонстрирована принципиальная возможность получения мощно- го лазерного излучения микросекундной дли- тельности на цилиндрических полиуретановых матрицах, активированных красителями. Для бо- лее полного выявления лазерных свойств таких активных элементов необходимы дальнейшие исследования. При этом главное внимание долж- но быть уделено трем основным задачам: – систематический поиск красителей, способ- ных эффективно генерировать в полиуретане; – совершенствование технологии изготовле- ния протяженных цилиндрических матриц; С. В. Николаев и др. / Генерационные характеристики оксазиновых… _________________________________________________________________________________________________________________ 359 – оптимизация элементов ТЛК с учетом осо- бенностей поперечного способа возбуждения ак- тивного элемента. Решению этих задач и посвящена данная статья. 1. Характеристики полиуретановых матриц и методика эксперимента. В качестве активных веществ, внедряемых в полиуретановые матрицы, был выбран ряд красителей оксазиново- го класса. Первоначально в этот перечень мы включили Оксазин 17, Крезилвиолет, Нильский синий и Оксазин 1. Необходимым условием при- годности красителя является его химическая сов- местимость с полимером как при внедрении, так и на этапе полимеризации. Оказалось, что этому условию не отвечают Крезилвиолет и Нильский синий. Крезилвиолет обесцвечивался сразу же при растворении в полиуретане, а Нильский си- ний разлагался в процессе полимеризации среды. Поэтому дальнейшие эксперименты проводились лишь с двумя красителями – Оксазином 17 и Ок- сазином 1, которые хорошо внедрялись в поли- уретан, не обесцвечиваясь в процессе полимери- зации. Спектральные характеристики полученных активных сред показаны на рис. 1, где приведены нормированные спектры поглощения D17, D1, и флуоресценции F17, F1 для Оксазина 17 и Оксази- на 1 соответственно. Рис. 1. Спектры поглощения D17, D1, и флуоресценции F17, F1 для Оксазина 17 и Оксазина 1 в полиуретане соответственно Для изготовления полиуретановых матриц использовалась методика, аналогичная описанной в работе [26]. Матрицы представляли собой кварцевые цилиндры длиной 1 и 2 см и ра- диусом 1 см с плоскопараллельными торцами, заполненные полиуретаном с внедренным краси- телем. Отметим, что соотношение продольных и поперечных размеров кварцевой кюветы в значи- тельной степени определяет оптическое качество получаемых полиуретановых матриц. Это связано со свойствами полиуретана, который при поли- меризации в закрытом объеме не только дает «усадку», но и проявляет тенденцию к возникно- вению внутренних напряжений. Опытным путем мы установили, что возникающие напряжения наименьшим образом сказываются на оптиче- ском качестве активной среды, если матрицы имеют цилиндрическую форму и указанные вы- ше размеры. Помимо оптического качества су- щественное влияние на эффективность генера- ции оказывает концентрация красителя в актив- ном элементе. Поэтому для определения опти- мальной концентрации был изготовлен набор матриц с различным содержанием красителей: от 10-4 до 10-3 моль/л. Исследование генерационных характери- стик полиуретановых матриц проводилось на ус- тановке, схема которой показана на рис. 2. Рис. 2. Блок-схема экспериментальной установки: 1 – лазер накачки; 2 – цилиндрическая линза; 3 – полиуретановая мат- рица; 4 – интерференционно-поляризационный фильтр; R1 и R2 – зеркала резонатора; 5 – камера УФ-90; 6 – измеритель энергии В ней применялся вариант поперечной накачки матрицы с красителем. Излучение лазера накачки 1 фокусировалось при помощи цилинд- рической линзы 2 на матрицу с красителем 3. Ре- зонатор лазера на красителе был образован глу- хим зеркалом R1 с коэффициентом отраже- ния ~0,99 и выходным зеркалом R2, коэффици- ент отражения которого варьировался. Кроме того, в резонатор мог помещаться дисперсион- ный элемент – интерференционно-поляризацион- ный фильтр 4, который применялся для сужения и перестройки спектра излучения ТЛК. Энергия генерации измерялась калориметрическим изме- рителем ИМО-2М, а спектр излучения регистри- ровался на фотопластинах при помощи спектро- графа УФ-90. В качестве источника возбуждения служил ЖЛК на этанольных растворах красите- лей Родамин незамещенный и Оксазин 17. Рода- мин незамещенный использовался для накачки матриц с Оксазином 17, а Оксазин 17 – для воз- буждения твердых активных элементов на Окса- зине 1. С. В. Николаев и др. / Генерационные характеристики оксазиновых… _________________________________________________________________________________________________________________ 360 Характеристики ЖЛК на каждом из кра- сителей приведены в таблице, в которой даны длина волны излучения λp, максимальная энергия генерации Ер и длительность импульса τp. Положение длин волн излучения накачки относительно спектров поглощения исследуемых сред показаны на рис. 1 вертикальными стрелками. Краситель λp, нм Ер, мДж τp, мкс Родамин незамещенный 560 300 4,5 Оксазин 17 665 750 7 В ходе эксперимента проводились изме- рения энергетических и спектральных характери- стик излучения матриц с различной концентраци- ей красителей при изменении интенсивности на- качки и варьировании коэффициента отражения выходного зеркала резонатора ТЛК. Для сохране- ния неизменной формы импульса накачки возбу- ждающий ЖЛК работал при постоянном напря- жении на емкостном накопителе, а энергия воз- буждения регулировалась отражающей пласти- ной. Кроме того, с целью определения степени влияния термических искажений полиуретановой среды в условиях несимметричной накачки были проведены измерения энергетических параметров ТЛК с разъюстированными резонаторами. 2. Результаты исследования активной среды на Оксазине 17 и их обсуждение. Поиск оптимальных условий генерации матриц длиной 1 см, активированных Оксазином 17, осуществ- лялся при варьировании энергии возбуждения Ер от 10 до 200 мДж. Результаты измерений при R2 = 0,4 приведены на рис. 3 в виде зависимостей энергии Ее и КПД η генерации от энергии накач- ки Ер для матриц с различной концентрацией кра- сителя. Сплошные кривые соответствуют энер- гии, а штриховые – КПД. Данные зависимости показывают, что при увеличении концентрации красителя прирост энергии генерации с увеличе- нием энергии накачки имеет тенденцию к насы- щению. Это приводит к наличию явно выражен- ного максимума в зависимостях КПД генерации от энергии накачки, причем с увеличением кон- центрации максимум смещается в сторону мень- ших интенсивностей возбуждения. Такой характер зависимостей свидетель- ствует о том, что в резонаторе лазера существуют нерезонансные потери, величина которых возрас- тает при увеличении мощности накачки и кон- центрации красителя. Можно утверждать, что эти потери обусловлены термооптическими искаже- ниями (ТОИ) активной среды, вызванными по- глощенным излучением накачки. Рис. 3. Зависимости энергии и КПД генерации матриц длиной 1 см от энергии накачки при различных концентрациях Окса- зина 17: 1, 1′ – C = 10-4 моль/л; 2, 2′ – C = 2,5·10-4 моль/л; 3, 3′ – C = 5·10-4 моль/л; 4, 4′ – C = 7,5·10-4 моль/л Чтобы продемонстрировать это, мы про- вели измерения зависимостей энергии генерации матриц с различной концентрацией красителя при вариации энергии возбуждения от угла разъюсти- ровки глухого зеркала резонатора. Причем мы исходили из того, что в условиях несимметрич- ной поперечной накачки наведенные ТОИ носят характер оптического клина. Частично такие ис- кажения можно компенсировать соответствую- щей разъюстировкой зеркал резонатора (статиче- ская компенсация). Изменение величины угла разъюстировки, при которой энергия генерации будет максимальна, позволит судить о степени влияния наведенных искажений. На рис. 4 пред- ставлены нормированные зависимости энергии генерации Ее от угла разъюстировки зеркала θ для матриц с тремя различными концентрациями при двух величинах энергии возбуждения. Из графи- ков видно, что при малой концентрации увеличе- ние угла разъюстировки вызывает монотонное снижение энергии генерации при обеих интен- сивностях накачки (кривые 1, 1′). С увеличением концентрации разъюстировка резонатора до не- которых определенных значений угла θ приводит к росту энергии генерации, а затем снова наблю- дается ее уменьшение. При этом степень влияния разъюстировки на величину выходной энергии уменьшается с увеличением концентрации. Это, по-видимому, связано с ростом величины превы- шения накачкой порогового значения при увели- чении концентрации красителя. В этом случае изменение потерь должно сказываться меньше, чем при малых концентрациях, когда превыше- ние порога генерации невелико. Ee, мДж , % Ep , мДж С. В. Николаев и др. / Генерационные характеристики оксазиновых… _________________________________________________________________________________________________________________ 361 Рис. 4. Зависимости энергии генерации от угла разъюстировки резонатора для матриц с различной концентрацией Оксази- на 17 при разных энергиях накачки Ер: 1, 1′ – C = 10-4 моль/л; 2, 2′ – C = 2,5·10-4 моль/л; 3, 3′ – C = 7,5·10-4 моль/л; 1–3 – Ер = 200 мДж; 1′–3′ – Ер = 50 мДж Принципиально важно, что величина уг- ла оптимальной разъюстировки, при которой достигается максимально возможная статиче- ская компенсация ТОИ, увеличивается с ростом концентрации красителя и возрастании интен- сивности накачки. Отметим, что если в отъю- стированном резонаторе с R2 = 0,4 при Ер = 200 мДж наибольшая энергия достигалась на матрице с концентрацией 7,5⋅10-4 моль/л (~24 мДж), то при оптимальных углах разъюсти- ровки наибольшую энергию генерации в тех же условиях давала матрица с концентрацией 2,5⋅10-4 моль/л (~28 мДж). Концентрационные зависимости энергии генерации Ее(С) для различных интенсивностей накачки, снятые при оптимальных углах разъю- стировки, представлены на рис. 5. Они демонст- рируют наличие концентрационного максимума для энергии генерации, наиболее отчетливо вы- раженного при интенсивной накачке. Характерно, что с увеличением энергии возбуждения макси- мум смещается в сторону меньших концентра- ций. Такие особенности концентрационных зави- симостей можно объяснить эффектом сокраще- ния генерирующего объема при увеличении кон- центрации активных молекул. Поскольку экспе- рименты проводились на цилиндрических матри- цах большого радиуса, то поперечный размер ин- вертированной области определялся глубиной проникновения излучения накачки. С увеличени- ем концентрации глубина проникновения умень- шается, что и приводит к сокращению генери- рующего объема. Если форма генерирующей об- ласти близка к цилиндрической, то ее объем со- кращается быстрее, чем возрастает концентрация молекул в единице объема и величина генери- руемой энергии падает. Рис. 5. Зависимости энергии генерации от концентрации Оксазина 17 при разных энергиях накачки Ер: 1 – Ер = 50 мДж; 2 – Ер = 100 мДж; 3 – Ер = 200 мДж В ходе работы для тех же матриц регист- рировались и интегральные спектры генерации. При этом для Оксазина 17 наблюдалось обычное для лазеров на красителях с «гладкими» спектра- ми люминесценции длинноволновое смещение длины волны генерации λe при увеличении кон- центрации красителя в активной среде. Это ил- люстрирует рис. 6, где приведена соответствую- щая зависимость, полученная при R2 = 0,4. Рис. 6. Зависимость спектра генерации от концентрации Окса- зина 17 в матрицах длиной 1 см при Ер = 200 мДж и R2 = 0,4 Сплошная кривая показывает положение максимума спектра, а штриховые кривые – его коротковолновую и длинноволновую границы. Следует обратить внимание на большую ширину спектров, причиной которой может быть смеще- ние спектрального контура усиления среды в те- чение импульса генерации. Нестационарность контура усиления при микросекундных длитель- ностях возбуждения вызывается теми же наве- Ee, отн. ед. C⋅104, моль/л 0 10 20 30 Ee, мДж 2 4 6 3 2 1 610 2 4 6 C⋅104, моль/л 620 630 640 650 λс, нм С. В. Николаев и др. / Генерационные характеристики оксазиновых… _________________________________________________________________________________________________________________ 362 денными потерями в резонаторе лазера, имею- щими нестационарный характер. Были также проведены эксперименты по сужению и перестройке спектров генерации поли- уретановых матриц, активированных Оксази- ном 17. Учитывая наличие в полиуретановой среде значительных термических искажений, в качестве дисперсионного элемента использовался интерфе- ренционно-поляризационный фильтр (ИПФ), ко- торый представлял собой три кварцевые пласти- ны толщиной 1 мм. Такой ИПФ обладает фоно- вым пропусканием ~0,57 и обеспечивает полуши- рину линии пропускания резонатора ~1,87 нм при области свободной дисперсии ~40,6 нм. Фильтр размещался под углом Брюстера относительно оси резонатора. При этом длина резонатора со- ставляла 36 см, а выходное зеркало имело коэф- фициент отражения 0,55. В таких условиях уда- лось осуществить перестройку длины волны ге- нерации в диапазоне от 617 до 643 нм при шири- не ~1,2 нм. Чтобы продемонстрировать возможность создания цилиндрических полиуретановых ак- тивных элементов большого объема, были иссле- дованы генерационные характеристики матриц длиной 2 см. Как и следовало ожидать, зависимо- сти выходной энергии от интенсивности накачки, концентрации красителя и угла разъюстировки резонатора для этих матриц принципиально не отличались от тех же характеристик более корот- ких матриц, описанных выше. Главное отличие заключается в том, что на более длинных матри- цах удалось достигнуть значительно больших энергий излучения. Так, на матрице с концентра- цией 2,5⋅10-4 моль/л в резонаторе с разъюстиро- ванным на 2,5′ глухим зеркалом и R2 = 0,3 при энергии возбуждения 300 мДж получена энергия генерации ~52 мДж. Максимальный КПД наблю- дался при накачке ~180 мДж и составлял ~18 %. 3. Результаты экспериментов с матри- цами на Оксазине 1 и их обсуждение. Исследо- вания энергетических характеристик полиурета- новых матриц, активированных Оксазином 1, проводилось по той же методике, что и для Окса- зина 17. При этом измерения удалось провести в более широком диапазоне изменения энергии на- качки благодаря тому, что возбуждающий ЖЛК на Оксазине 17 позволял получать энергию гене- рации до 750 мДж. Эти измерения показали, что на характер зависимостей энергии генерации от энергии накачки и концентрации, как и в случае матриц с Оксазином 17, решающим образом влияют эффекты, связанные с особенностями по- перечного способа возбуждения. Эти эффекты обсуждались выше, и потому мы остановимся на изложении наиболее значимых результатов, по- лученных с учетом их влияния. Главный результат заключается в том, что энергетическая эффективность полиуретано- вых матриц с Оксазином 1 оказалась выше, чем с Оксазином 17. Как для матриц длиной 1 см, так и длиной 2 см при сравнимых энергиях возбужде- ния энергия и КПД генерации Оксазина 1 превы- шали показатели Оксазина 17. Наглядное пред- ставление о возможностях исследуемой среды дает набор энергетических характеристик матриц длиной 2 см с различной концентрацией красите- ля, представленных на рис. 7 в виде зависимостей энергии (сплошные кривые 1–4) КПД генерации (штриховые кривые 1′–4′) от энергии накачки. Рис. 7. Зависимости энергии (1–4) и КПД генерации (1/–4/) от энергии возбуждения при различных концентрациях С Окса- зина 1: 1, 1′ – С = 10-3 моль/л; 2, 2′ – C = 5·10-4 моль/л; 3, 3′ – C = 2,5·10-4 моль/л; 4, 4′ – C = 1,25·10-4 моль/л Зависимости 1, 1′ и 2, 2′ получены в резо- наторе с R = 0,04 на матрицах с концентрациями С = 10-3 моль/л и C = 5⋅10-4 моль/л соответственно. Эти матрицы наиболее эффективно генерировали при использовании стеклянной подложки в ка- честве выходного зеркала резонатора почти во всем диапазоне изменения энергии накачки, кро- ме самых малых величин. Кривые 3, 3′ характери- зуют матрицу с концентрацией C = 2,5⋅10-4 моль/л при R = 0,22. В таком резонаторе на данной мат- рице при энергии накачки 560 мДж была по- лучена наибольшая энергия генерации, рав- ная 127 мДж. Кривые 4, 4′ относятся к матрице с концентрацией С = 1,25⋅10-4 моль/л при R = 0,3. На этой матрице была достигнута наивысшая эф- фективность преобразования, которая состави- ла ~23 %. Следует отметить, что все исследован- ные полиуретановые матрицы выдерживали вы- сокие плотности энергии возбуждения без види- мых следов деструкции. Ee, мДж Eр, мДж С. В. Николаев и др. / Генерационные характеристики оксазиновых… _________________________________________________________________________________________________________________ 363 При регистрации спектров генерации об- наружено, что на одной и той же матрице, в зави- симости от условий эксперимента, возникала ге- нерация либо в одной, либо в двух спектральных полосах. Это демонстрирует рис. 8, на котором схематически показаны полосы интегральных спектров излучения матрицы с концентрацией С = 2,5⋅10-4 моль/л при разных энергиях накачки и изменении коэффициента отражения выходного зеркала резонатора. Рис. 8. Интегральные спектры генерации матрицы на Окса- зине 1 При малой интенсивности накачки на- блюдалась только одна полоса. В низкодоброт- ном резонаторе – коротковолновая (в облас- ти ~700 нм), а в высокодобротном – длинновол- новая (~735 нм). При повышении энергии накач- ки возникала двухполосная генерация при всех коэффициентах отражения выходного зеркала резонатора, кроме самого малого. По нашему мнению, это можно объяснить влиянием на спек- тральный контур усиления активной среды наве- денных термооптических потерь резонатора, ха- рактерных для несимметричной накачки микро- секундной длительности. Оксазин 1 обладает вы- раженной колебательной структурой на длинно- волновом крыле спектра флуоресценции и имеет значительное перекрытие полос поглощения и флуоресценции. Это должно приводить к нали- чию двух максимумов в спектральном контуре коэффициента усиления лазера, относительная величина которых будет изменяться при измене- нии общих потерь резонатора. Покажем это, рас- считав спектральное распределение относитель- ной величины коэффициента усиления К(ν ) ак- тивной среды, реализующегося в режиме устано- вившейся генерации, т. е. при выполнении усло- вия К(ν ) = ρ, где ρ – коэффициент общих потерь резонатора, ν – частота излучения, связанная с длиной волны как ./ λν c= Под общими потеря- ми будем подразумевать сумму полезных потерь на выходном зеркале и вредных, обусловленных термическими искажениями активного элемента. Термооптические потери носят нестационарный характер, а их величина возрастает при увеличе- нии интенсивности возбуждающего излучения. Для упрощения примем, что молекула красителя описывается системой двух уширен- ных синглетных электронных уровней: основного и первого возбужденного. Если населенности этих уровней обозначить N0 для основного и N1 для возбужденного, а процессы поглощения и излучения в системе этих уровней характеризо- вать при помощи эффективных сечений погло- щения σab(ν ) и излучения σem(ν ), то К(ν ) можно представить в виде ( ) ( ) ( ).01 νσνσν abem NNK −= (1) Чтобы иметь представление о спектраль- ном распределении коэффициента усиления, дос- таточно рассчитать относительную величину ( ) ( )∗νν KK / , где ∗ν – какая-либо заданная часто- та. В нашем случае в качестве ∗ν удобно выбрать частоту, соответствующую длине волны ∗λ вто- рого (длинноволнового) максимума в спектре флуоресценции Оксазина 1. Допустим также, что эффективные сечения поглощения σab(ν ) и излу- чения σem(ν ) связаны вытекающим из принципа детального равновесия соотношением ( ) ( ) ( ) ,exp ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ −= elemab kT h νννσνσ где elν – частота чисто электронного перехода. Обозначив ( ) ( )⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ −≡ elkT hf ννν exp и введя в ка- честве параметра пороговую степень инверсии ,/ 01 NN=δ для отношения ( ) ( )∗νν KK / получа- ем простое выражение ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ./ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − = ∗∗ ∗ νδ νδ νσ νσ νν f f KK em em (2) Входящее в формулу (2) отношение эффективных сечений излучения )(/)( ∗νσνσ emem можно опре- делить из экспериментально измеренной кривой интенсивности флуоресценции F(λ), полагая, что между сечением излучения и интенсивностью флуоресценции существует прямая зависимость. Результаты расчетов спектральных кон- туров коэффициента усиления =)(λgK )(/)( ∗= λλ KK при различной степени пороговой инверсии δ, выполненных при помощи формулы (2), представлены на рис. 9. Значения частот ∗ν и С. В. Николаев и др. / Генерационные характеристики оксазиновых… _________________________________________________________________________________________________________________ 364 elν задавались соответствующими =∗λ 730 нм и =elλ 625 нм. Для наглядности приведена экспе- риментальная кривая спектра флуоресценции, нормированная на величину интенсивности при =∗λ 730 нм (кривая 6). Хорошо видно, что спек- тральные зависимости коэффициента усиления имеют два максимума различной величины. Если потери в резонаторе невелики, то генерация про- исходит при малой степени инверсии и максимум коэффициента усиления находится в длинновол- новой полосе (кривая 1). Рис. 9. Спектральные зависимости коэффициента усиления при различной степени инверсии δ: 1 – δ = 0,005; 2 – δ = 0,009; 3 – δ = 0,012; 4 – δ = 0,017; 5 – δ = 0,020; 6 – спектр флуорес- ценции Увеличение потерь, в том числе и термо- оптических, ведет к росту пороговой степени ин- версии. В этом случае происходит возрастание величины коротковолнового максимума и спад длинноволнового (кривые 2–5). Заметим, что при некоторых величинах δ в спектре коэффициента усиления могут существовать два максимума с равной интенсивностью. При таких условиях, в зависимости от коэффициента отражения зеркал резонатора и интенсивности накачки, генерация может происходить либо на длине волны одного из максимумов коэффициента усиления, либо поочередно на каждой из них. Выводы. Таким образом, исследованы генерационные характеристики полиуретановых активных элементов ТЛК, активированных окса- зиновыми красителями. Изучено влияние на энергию и спектр излучения наведенных термо- оптических искажений, возникающих в условиях применения поперечной схемы возбуждения им- пульсами микросекундной длительности. Получена эффективная генерация на кра- сителях Оксазин 17 и Оксазин 1. Наивысшие зна- чения энергии и КПД, полученные на 2-см мат- рицах с Оксазином 17, составили соответственно 52 мДж и 18 %. Матрицы такой же длины, акти- вированные Оксазином 1, позволили получить энергию свыше 120 мДж и максимальный КПД ~23 %. Продемонстрирована высокая луче- вая стойкость полиуретановых матриц. Обнаружено, что в зависимости от ин- тенсивности накачки и плотности зеркал резона- тора в интегральном спектре генерации матриц с Оксазином 1 может наблюдаться как одна, так и две полосы. Результаты работы позволяют сделать вывод о том, что активные среды на основе поли- уретана, активированного красителями Окса- зин 17 и Оксазин 1, являются перспективным ма- териалом для создания активных элементов твер- дотельных лазеров на красителях, работающих в условиях мощной микросекундной накачки. 1. Kranzeilbinder G., Leising G. Organic solid-state dye lasers // Rep. Prog. Phys. – 2000. – 63. – P. 729–762. 2. Costela A., García-Moreno R., Sastre R. et al. Polyimeric solid-state dye lasers: recent developments // Phys. Chem. – 2003. – 5. – P. 4745–4763. 3. Sunita Singh, Kanetkarb V. R., Sridhara G. et al. Solid-state polymeric dye lasers // Journ. of Luminescence. – 2003. – 101. – P. 285–291. 4. Costela A., García-Moreno I., del Agua D. et al. Solid state dye lasers: new materials based on silicon // Optics Journ. – 2007. – 1. – P. 1–6. 5. Kopylova T. N., Mayer G. V., Reznichenko A. V. et al. Solid- state active media of tunable organic-compound lasers pumped with a laser. I. An XeCl laser // Applied Physics B (Lasers and Optics). – 2001. – B73, No. 1. – P. 25–29. 6. Kopylova T. N., Sukhanov V. B., Mayer G. V. et al. Solid-state active media of tunable organic-compound lasers pumped with a laser. II. A copper vapor laser // Applied Physics B (Lasers and Optics). – 2002. – B74, No. 6. – P. 545–547. 7. Costel A., Garcia-Moreno I., del Agua D. et al. Highly pho- tostable solid-state dye lasers based on silicon-modified or- ganic matrices // Journ. of Applied Physics. – 2007. – 101, No. 7. – P. 731–742. 8. Russell J. A, Pacheco D. P., Russell W. H. et al. Laser thre- shold and efficiency measurements of solid-state due lasers operation in the near-infrared under microsecond pumping // Proc. SPIE Solid State Lasers XI. – 2002. – 4630. – P. 24–33. 9. Беличенко А. С., Матюшин Г. А., Матюши, В. С. и др. Медицинский полимерный лазер на красителях с высокой энергией излучения и меняющейся длиной волны // Ла- зерная медицина. – 2000. – 4, № 1. – С. 25–29. 10. Алдэг Г. Р., Долотов С. В., Колдунов Н. Ф. и др. Композит микропористое стекло-полимер: новый материал для твердотельных лазеров на красителях. II Лазерные харак- теристики // Квантовая электроника. – 2000. – 30, № 12. – С. 1055–1059. 11. Безродный В. И., Ищенко А. А. Активные лазерные среды на основе окрашенного полиуретана // Квантовая элек- троника. – 2000. – 30, № 12. – С. 1043–1048. 12. Bezrodnyi V. I., Ishchenko A. A. High efficiency lasing of a dye- doped polymer laser with 1.06 μm pumping // Applied Physics B (Lasers and Optics). – 2001. – B73, No. 3. – P. 283–285. 13. Безродный В. И., Деревянко Н. А., Ищенко А. А. и др. Ла- зер на красителях на основе полиуретановой матрицы // Журн. техн. физики. – 2001. – 71, вып. 7. – С. 72–78. 14. Николаев С. В., Пожар В. В., Дзюбенко М. И. Лазерная генерация микросекундных импульсов на полиуретано- вых матрицах, активированных красителями // Квантовая электроника. – 2006. – 36, № 8. – С. 758–762. Kg, отн. ед. σem, отн. ед. С. В. Николаев и др. / Генерационные характеристики оксазиновых… _________________________________________________________________________________________________________________ 365 15. Николаев С. В., Пожар В. В., Дзюбенко М. И. Эффективная генерация красителя Оксазин 1 в твердой полимерной мат- рице // Радиотехника. – 2006. – Втып. 147. – С. 376–380. EMISSION CHARACTERISTICS OF OXAZINE DYES INCORPORATED IN SOLID POLYURETHANE MATRICES S. V. Nikolaev, V. V. Pozhar, M. I. Dzyubenko Energy and spectral emission characteristics of cylindric- al polyurethane matrices, doped by Oxazine 17 and Oxazine 1 dyes were investigated. The influence of induced thermo-optical distor- tions arising in the conditions of application of transverse mode pumping on energy and emission spectrum was studied. The highest values of energy and efficiency, obtained of the two-centimeter ma- trices made up: for Oxazine 17, correspondingly, 52 mJ and 18 %, and for Oxazine 1 an 120 mJ and 23 %. The conclusion is made that the polyurethane media doped by these dyes, are a perspective ma- terial for creating solid-state laser active elements capable to work in the conditions of powerful microsecond pumping. Key words: solid-state dye laser, polyurethane matrix, oxazine dyes. ГЕНЕРАЦІЙНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОКСАЗИНОВИХ БАРВНИКІВ У ТВЕРДИХ ПОЛІУРЕТАНОВИХ МАТРИЦЯХ С. В. Ніколаєв, В. В. Пожар, М. І. Дзюбенко Досліджено енергетичні та спектральні характерис- тики випромінювання циліндричних поліуретанових матриць, активованих барвниками Оксазин 17 та Оксазин 1. Вивчено вплив на енергію та спектр випромінювання наведених тер- мооптичних спотворень, що виникають за умов використання поперечної схеми збудження. Найвищі значення енергії та ККД, що отримані на 2-см матрицях, склали відповідно: для Оксазина 17 – 52 мДж і 18 %, а для Оксазина 1 – 120 мДж і 23 %. Зроблено висновок про те, що поліуретанові середови- ща, активовані цими барвниками, є перспективним матеріалом для створення твердотільних лазерних елементів, які здатні працювати в умовах потужного мікросекундного накачування. Ключові слова: твердотільний лазер на барвниках, поліуретанова матриця, оксазинові барвники. Рукопись поступила 26 мая 2009 г.

Генерационные характеристики оксазиновых красителей в твердых полиуретановых матрицах

Institution

Ähnliche Einträge