СОЗДАНИЕ ОКГ НА КРАСИТЕЛЯХ В ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ПОЛИМЕРНОЙ МАТРИЦЕ
|
Реферат 3
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. Генерация в сложных органических соединениях (красителях) 8
Глава 2. Допанты 11
2.1 Красители 11
2.1.1 Пиррометен 11
2.1.2 Хромен-3 13
2.2 Органические полупроводники 13
2.2.1 Ограничения создания инжекционных органических полупроводниковых лазеров 15
Глава 3. Среды допирования 16
3.1 Блочные матрицы и золь-гели 16
3.2 Тонкие и толстые пленки 17
3.2.1 Красители в тонких и толстых пленках 17
Глава 4. Виды резонаторов лазеров на красителях 17
4.1 По способу селекции длин волн: дисперсионные резонаторы лазеров на красителях 18
4.1.1 Дисперсионный резонатор с гауссовой диафрагмой 19
4.1.2 Типичные схемы дисперсионных резонаторов 20
4.2 По направлению излучения генерации относительно излучения накачки 24
4.2.1 С продольной генерацией 24
4.2.2 С поперечной генерацией 25
Глава 5. Создание лазера 27
5.1 Создание ЛАЭ 27
5.2 Создание действующего макета 27
Глава 6. Спектрально-генерационные характеристики ЛАЭ в созданном макете 31
6.1 Диапазон перестройки ЛАЭ с Хр-3 и PM-567 31
6.2 КПД генерации ЛАЭ в созданном макете 35
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 38
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 39
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. Генерация в сложных органических соединениях (красителях) 8
Глава 2. Допанты 11
2.1 Красители 11
2.1.1 Пиррометен 11
2.1.2 Хромен-3 13
2.2 Органические полупроводники 13
2.2.1 Ограничения создания инжекционных органических полупроводниковых лазеров 15
Глава 3. Среды допирования 16
3.1 Блочные матрицы и золь-гели 16
3.2 Тонкие и толстые пленки 17
3.2.1 Красители в тонких и толстых пленках 17
Глава 4. Виды резонаторов лазеров на красителях 17
4.1 По способу селекции длин волн: дисперсионные резонаторы лазеров на красителях 18
4.1.1 Дисперсионный резонатор с гауссовой диафрагмой 19
4.1.2 Типичные схемы дисперсионных резонаторов 20
4.2 По направлению излучения генерации относительно излучения накачки 24
4.2.1 С продольной генерацией 24
4.2.2 С поперечной генерацией 25
Глава 5. Создание лазера 27
5.1 Создание ЛАЭ 27
5.2 Создание действующего макета 27
Глава 6. Спектрально-генерационные характеристики ЛАЭ в созданном макете 31
6.1 Диапазон перестройки ЛАЭ с Хр-3 и PM-567 31
6.2 КПД генерации ЛАЭ в созданном макете 35
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 38
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 39
В настоящее время в различных областях науки и техники уделяется большое внимание использованию лазеров. Особенный интерес представляют лазеры на красителях, в силу дешевизны своего изготовления, возможности перестройки линии генерации в широких пределах, высоких генерационных характеристик. Решаются задачи разработки твердотельных лазерноактивныз сред на красителях как альтернативы жидким растворам, т.к. работа с последними сопряжена не только с проблемами в эксплуатации и некомпактностью таких лазеров, но также с имманентной склонностью этих растворов к ухудшению КПД их генерации с ростом плотности мощности накачки ввиду образования термолинз. Однако создание лазеров на органических твердотельных средах связано с определёнными трудностями - недостаточная фотостабильность самих красителей и фотостойкость твердотельной матрицы делают их неконкурентоспособными относительно жидкостных.
В связи с этим целью работы является создание перестраиваемого импульсного лазера на основе твердотельных органических лазерноактивных сред, объектом исследования - твердотельные матрицы из полиметилметакрилата, допированные красителем Хромен-3 или красителем пиррометен-567.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
а) Отполировать твердотельные лазерно-активные элементы из полиметилметакрилата, допированные красителем Хромен-3 или красителем пиррометен-567 используя методику, описанную в [1];
б) сравнив существующие селективные схемы лазерных резонаторов, выбрать оптимальный с точки зрения КПД и размеров [2, 3];
в) собрать действующий макет перестраиваемого лазера на основе твердотельных органических лазерноактивных сред;
г) получить спектр перестройки, спектр генерации, энергию лазерного излучения, пространственное распределение энергии в пучке, ширину спектральной линии с помощью расчета интерферограммы;
Для реализации этих задач уместны следующие методы исследования:
а) анализ качества поверхности в отражённом свете;
б) синтез селективного резонатора;
в) спектрофлуорометрии, прямое измерение энергии лазерного излучения, интерферометрии.
Из вышеизложенного, предметом исследования являлись способы описания процессов в твердотельных лазерно-активных средах с помощью представлений лазерной техники, спектроскопии и химии сложных органических соединений.
Таким образом, на защиту выносится положение:
Твердотельная матрица из полиметилметакрилата (PMMA), допированная красителем Хромен-3 (Хр-3) или красителем пиррометен-567 (PM-567), обеспечивает лазерную генерацию на длинах волн 605 и 565 нм соответственно, и перестройку длины волны в пределах 585 - 625 и 545 - 585 нм соответственно. Оптимальный, с точки зрения получаемого в селективной поперечной схеме лазерного излучения (диапазон перестройки, КПД генерации, ширина спектральной линии генерации, пространственное распределение энергии в пучке), диапазон допирования красителем есть 2,5*10-3 Моль/л и 5*10-4 моль/л для PM-567 и 2,5*10-3 Моль/л и 10-4 моль/л для Хр-3.
Достоверность защищаемого положения обеспечивается получением генерации в ЛАЭ на основе Хр-3 и PM-567 (сужение пика люминесценции в 10 и более раз по полувысоте и получение направленного излучения) с помощью селективного резонатора, спектрометра Avantes (см. Таблицу 3) (с точностью до 1 нм) и измерителя энергии Ophir (см. Таблицу 2) (погрешность измерений порядка 8%) и совпадением экспериментально полученной величины ширины контура люминесценции PM-567 с данными A. Costela [4] с точностью не хуже 3%. Границы диапазона плавной перестройки - порядка 20 нм в длинно- и коротковолновую область относительно центральной частоты генерации - получены с погрешностью порядка 8% и использованием спектрометра Avantes. Достоверность второго утверждения защищаемого положения обеспечивается высокими коэффициентами усиления красителей, следующими из больших сечений оптических переходов (~10-16см2 [5]) и экспериментальными данными (глава 9), полученными с использованием селективного резонатора, спектрометра Avantes (см. Таблицу 3) (с точностью до 1 нм) и измерителя энергии Ophir (см. Таблицу 2) (погрешность измерений порядка 8%), профилометра L11059 Ophir Spiricon (см. Таблицу 5) (погрешность измерений порядка 2%).
Научная значимость защищаемого положения состоит в том, что концентрации красителей, оптимальные для исследования ЛАЭ (которое проводится в неселективных резонаторах), не являются таковыми для использования их в селективных схемах. Следовательно, проведённая оптимизация позволит более эффективно проводить исследования таких характеристик твердотельных ЛАЭ как диапазон перестройки и ширина спектральной линии излучения.
Практическая значимость защищаемого положения обусловлена
востребованностью диапазона излучения Хр-3 и PM-567 в медицине, что в совокупности с возможностью перестройки длины волны генерации позволяет персонифицировать процедуры фототерапии для каждого пациента. Ввиду органической природы веществ, из которых создан ЛАЭ, устройства, созданные на базе данного макета, будут существенно (до полутора порядков) дешевле существующих рыночных аналогов, а также отсутствием у этих устройств недостатков лазеров на красителях - токсичности активной среды, громоздкости, склонности к падению КПД генерации с ростом плотности мощности накачки, и, как следствие, большим удобством при решении задач спектроскопии, фотохимии, сенсорики - в задачах последней массогабаритные показатели особенно важны.
В связи с этим целью работы является создание перестраиваемого импульсного лазера на основе твердотельных органических лазерноактивных сред, объектом исследования - твердотельные матрицы из полиметилметакрилата, допированные красителем Хромен-3 или красителем пиррометен-567.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
а) Отполировать твердотельные лазерно-активные элементы из полиметилметакрилата, допированные красителем Хромен-3 или красителем пиррометен-567 используя методику, описанную в [1];
б) сравнив существующие селективные схемы лазерных резонаторов, выбрать оптимальный с точки зрения КПД и размеров [2, 3];
в) собрать действующий макет перестраиваемого лазера на основе твердотельных органических лазерноактивных сред;
г) получить спектр перестройки, спектр генерации, энергию лазерного излучения, пространственное распределение энергии в пучке, ширину спектральной линии с помощью расчета интерферограммы;
Для реализации этих задач уместны следующие методы исследования:
а) анализ качества поверхности в отражённом свете;
б) синтез селективного резонатора;
в) спектрофлуорометрии, прямое измерение энергии лазерного излучения, интерферометрии.
Из вышеизложенного, предметом исследования являлись способы описания процессов в твердотельных лазерно-активных средах с помощью представлений лазерной техники, спектроскопии и химии сложных органических соединений.
Таким образом, на защиту выносится положение:
Твердотельная матрица из полиметилметакрилата (PMMA), допированная красителем Хромен-3 (Хр-3) или красителем пиррометен-567 (PM-567), обеспечивает лазерную генерацию на длинах волн 605 и 565 нм соответственно, и перестройку длины волны в пределах 585 - 625 и 545 - 585 нм соответственно. Оптимальный, с точки зрения получаемого в селективной поперечной схеме лазерного излучения (диапазон перестройки, КПД генерации, ширина спектральной линии генерации, пространственное распределение энергии в пучке), диапазон допирования красителем есть 2,5*10-3 Моль/л и 5*10-4 моль/л для PM-567 и 2,5*10-3 Моль/л и 10-4 моль/л для Хр-3.
Достоверность защищаемого положения обеспечивается получением генерации в ЛАЭ на основе Хр-3 и PM-567 (сужение пика люминесценции в 10 и более раз по полувысоте и получение направленного излучения) с помощью селективного резонатора, спектрометра Avantes (см. Таблицу 3) (с точностью до 1 нм) и измерителя энергии Ophir (см. Таблицу 2) (погрешность измерений порядка 8%) и совпадением экспериментально полученной величины ширины контура люминесценции PM-567 с данными A. Costela [4] с точностью не хуже 3%. Границы диапазона плавной перестройки - порядка 20 нм в длинно- и коротковолновую область относительно центральной частоты генерации - получены с погрешностью порядка 8% и использованием спектрометра Avantes. Достоверность второго утверждения защищаемого положения обеспечивается высокими коэффициентами усиления красителей, следующими из больших сечений оптических переходов (~10-16см2 [5]) и экспериментальными данными (глава 9), полученными с использованием селективного резонатора, спектрометра Avantes (см. Таблицу 3) (с точностью до 1 нм) и измерителя энергии Ophir (см. Таблицу 2) (погрешность измерений порядка 8%), профилометра L11059 Ophir Spiricon (см. Таблицу 5) (погрешность измерений порядка 2%).
Научная значимость защищаемого положения состоит в том, что концентрации красителей, оптимальные для исследования ЛАЭ (которое проводится в неселективных резонаторах), не являются таковыми для использования их в селективных схемах. Следовательно, проведённая оптимизация позволит более эффективно проводить исследования таких характеристик твердотельных ЛАЭ как диапазон перестройки и ширина спектральной линии излучения.
Практическая значимость защищаемого положения обусловлена
востребованностью диапазона излучения Хр-3 и PM-567 в медицине, что в совокупности с возможностью перестройки длины волны генерации позволяет персонифицировать процедуры фототерапии для каждого пациента. Ввиду органической природы веществ, из которых создан ЛАЭ, устройства, созданные на базе данного макета, будут существенно (до полутора порядков) дешевле существующих рыночных аналогов, а также отсутствием у этих устройств недостатков лазеров на красителях - токсичности активной среды, громоздкости, склонности к падению КПД генерации с ростом плотности мощности накачки, и, как следствие, большим удобством при решении задач спектроскопии, фотохимии, сенсорики - в задачах последней массогабаритные показатели особенно важны.
В результате выполнения НИР был проведен литературный обзор по существующим конструкциям лазеров, видам активных сред и сред допирования. Проанализированы и оценены с точки зрения решения задачи создания перестраиваемого твердотельного лазера на красителях различные схемы резонаторов перестраиваемых лазеров, выбраны объекты исследования, разработаны экспериментальные методики, собран экспериментальный макет, проведены экспериментальные исследования спектрально-генерационных свойств выбранных объектов в собранной установке.
Изучена генерация лазерного излучения изготовленных ЛАЭ в селективном резонаторе и измерен КПД их генерации - до 28% при ширине спектральной линии порядка 0,04 нм. Построены и проанализированы спектральные характеристики ЛАЭ содержащих Хромен-3 и PM-567 в качестве активных центров. Изучены вопросы оптимизации по концентрациям красителя в ЛАЭ, определен оптимальный диапазон не выше 2,5*103 Моль/л для обоих красителей и не ниже 104 Моль/л для Хр-3 и 5*104 Моль/л для PM-567. Проведённые исследования показывают возможность использования твердотельных лазерно-активных сред PMMA + краситель для создания коммерческих перестраиваемых
Изучена генерация лазерного излучения изготовленных ЛАЭ в селективном резонаторе и измерен КПД их генерации - до 28% при ширине спектральной линии порядка 0,04 нм. Построены и проанализированы спектральные характеристики ЛАЭ содержащих Хромен-3 и PM-567 в качестве активных центров. Изучены вопросы оптимизации по концентрациям красителя в ЛАЭ, определен оптимальный диапазон не выше 2,5*103 Моль/л для обоих красителей и не ниже 104 Моль/л для Хр-3 и 5*104 Моль/л для PM-567. Проведённые исследования показывают возможность использования твердотельных лазерно-активных сред PMMA + краситель для создания коммерческих перестраиваемых
