ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ЛАЗЕР НА КРАСИТЕЛЯХ НА ОСНОВЕ РММА МАТРИЦЫ
|
ВВЕДЕНИЕ 2
1. Состояние работ по теме диссертации 5
1.1. Физический Принцип Лазеров на красителях 5
1.1.1. Лазеры на органических красителях 5
1.1.2. Схема уровней и основные переходы 6
1.2.Оптическая накачка лазеров на красителях 9
1.3. Перестройка длины волны генерации и селективные резонаторы 11
1.4. Расширение диапазона перестройки длины волны генерации 14
1.5. Твердотельные лазерные активные среды на основе полимеров 14
1.5.1 Пиррометен 16
1.5.2 Хромен-3 16
1.6. Органические полимеры в качестве оптических сред 18
1.6.1. Преимущества и недостатки 18
2. Современные исследование по теме твердотельных лазеров 22
2.1. Выводы по рассмотренным работам 30
3.Экспериментальная установка и методики эксперимента 32
3.1. Экспериментальные Исследования в неселективном резонаторе: 32
3.1.1. PM567 в жидком состоянии 32
3.1.2. Твердотельный образец на основе PMMA, допированного Хроменом 3: 35
3.1.3. Твердотельный образец на основе PMMA, допированного PM597: 39
3.2. Экспериментальные исследования в селективном резонаторе 44
3.2.1. Твердотельный образец на основе PMMA, допированного Хроменом 3: 45
3.2.2. Твердотельный образец на основе PMMA, допированного PM597: 46
Заключение 47
Список литературы 48
Приложение 1 50
Приложение 2 58
1. Состояние работ по теме диссертации 5
1.1. Физический Принцип Лазеров на красителях 5
1.1.1. Лазеры на органических красителях 5
1.1.2. Схема уровней и основные переходы 6
1.2.Оптическая накачка лазеров на красителях 9
1.3. Перестройка длины волны генерации и селективные резонаторы 11
1.4. Расширение диапазона перестройки длины волны генерации 14
1.5. Твердотельные лазерные активные среды на основе полимеров 14
1.5.1 Пиррометен 16
1.5.2 Хромен-3 16
1.6. Органические полимеры в качестве оптических сред 18
1.6.1. Преимущества и недостатки 18
2. Современные исследование по теме твердотельных лазеров 22
2.1. Выводы по рассмотренным работам 30
3.Экспериментальная установка и методики эксперимента 32
3.1. Экспериментальные Исследования в неселективном резонаторе: 32
3.1.1. PM567 в жидком состоянии 32
3.1.2. Твердотельный образец на основе PMMA, допированного Хроменом 3: 35
3.1.3. Твердотельный образец на основе PMMA, допированного PM597: 39
3.2. Экспериментальные исследования в селективном резонаторе 44
3.2.1. Твердотельный образец на основе PMMA, допированного Хроменом 3: 45
3.2.2. Твердотельный образец на основе PMMA, допированного PM597: 46
Заключение 47
Список литературы 48
Приложение 1 50
Приложение 2 58
Лазеры на красителях появились в то время, когда уже было найдено несколько сотен активных лазерных материалов. Эти лазеры, которые легко перестраивать в широком диапазоне длин волн были большой добавкой в мире лазеров.
Жидкостные лазеры используются в целом реже, чем газовые либо твердотельные лазеры, но используется в жидкие среды токсичные растворители, и для работы с такими средами в таком состоянии не обходимо насосы и специальные гермотичные кюветы это выходит очень дорого и неудобно работать поэтому создание твеодотельных активных сред где нет этого токсичного расстворителя не нужны насосы является удобнее работать с ними существенно, они существенно дешевле чем жидкие и т.д.[1]
В настоящее время перекрыт весь видимый диапазон длин волн излучения, однако, недостаточно представлен класс мощных импульсных перестраиваемых источников когерентного излучения в видимом диапазоне. Ранее такими источниками выступали лазеры на красителях с возбуждением излучением эксимерных лазеров или различных гармоник твердотельных лазеров.
Перестраиваемый источник узкополосного излучения оптического. диапазона при высокой когерентности этого излучения желательно иметь во многих приложениях, таких, как спектроскопия, изучение молекулярной диссоциации и химических реакций, а также разделение изотопов.
Преимуществами твердотельных лазеров являются Высокая удельная мощность, Высокое качество при большой мощности (TEMoo), Высокий кпд (с диодной накачкой) 85% [14], большая энергия, широкий диапазон длин волн, широкий диапазон длительностей импульсов (от 10-2 до 10-14 с), возможность генерации ультракоротких импульсов - рекордное значение составляет около 4 фемтосекунд, Совместимость длин волн с оптическим волокном - возможность доставки излучения по оптоволокну.[2]
B 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-597.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Обзор работ по созданию лазера на Красителе.
2. Выбор активной среды.
3. Выбор схемы возбуждения.
4. Выбор общей схемы лазера.
5. Создание твердотельных лазерных активных сред на красителях.
6. Подготовка образцов измерением генерационных характеристик
7. Исследование спектральных и генерационных характеристик твердотельных лазерных активных сред.
Таким образом, на защиту выносятся положения:
1) Использование лазерно-активного элемента на основе твердотельной матрицы из полиметилметакрилата, допированной красителем пиррометен-597 (PM-597) при концентрации с=5.10-4 Моль/л, позволяет получить перестройку в диапазоне 561-586 нм при накачке второй гармоникой (X = 532 нм) Nd3+:YAG-лазера при плотности мощности накачки W =2 МВт/см2.
2) Использование лазерно-активного элемента на основе твердотельной матрицы из полиметилметакрилата, допированной красителем Хромен-3 (Хр-3) при концентрации с=5.10-4 Моль/л, позволяет получить перестройку в диапазоне 571 - 623 нм при накачке второй гармоникой (X = 532 нм) Пй3+^АС-лазера при плотности мощности накачки W=1.9 МВт/см2.
Достоверность первого и второго защищаемого положения обеспечивается получением генерации в ЛАЭ на основе PM-597 и Хр-3 с помощью селективного резонатора, спектрометра Avantes (с точностью до 1 нм) и
измерителя энергии Ophir (погрешность измерений порядка 8 %) и
совпадением экспериментально полученной величины ширины контура люминесценции PM-597 с данными A. Costela. Границы диапазона перестройки - порядка 52 нм в длинно- и коротковолновую область относительно центральной частоты генерации получены с использованием спектрометра Avantes.
Новизна защищаемого положения и соответствующих результатов обусловлена патентом № 2568877. (ИЗ) от 20.11.2015 «Лазерное вещество», а части, касающейся оптимизации концентрации красителя в ОАЭ - в 2016 году было предложено установить зависимость между КПД генерации, шириной спектральной линии и диапазоном перестройки с одной стороны и концентрацией красителя с другой.
Научная значимость защищаемого положения состоит в том, что концентрации красителей, оптимальные следования 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 представляет собой широкий диапазон перестройки для Хр-3 52нм (571 - 623 нм) на 12 нм больше других работ [16] и для PM-597 25нм (561 - 586 нм). Твердотельный лазеры на основе ПММА допированные красителями Хр-3 и PM-597 могут использоваться в биомедицине, спектроскопии и в интегральной оптике
Для исследования спектральных, генерационных, люминесцентных характеристик использовалась установка, включающая в себя Nd3+:YAG-лазер с преобразованием излучения во вторую гармонику, систему неселективных светофильтров, измерители энергии Gentec DUO и Ophir NOVA II, спектрометрометр Avaspec-2048.
Жидкостные лазеры используются в целом реже, чем газовые либо твердотельные лазеры, но используется в жидкие среды токсичные растворители, и для работы с такими средами в таком состоянии не обходимо насосы и специальные гермотичные кюветы это выходит очень дорого и неудобно работать поэтому создание твеодотельных активных сред где нет этого токсичного расстворителя не нужны насосы является удобнее работать с ними существенно, они существенно дешевле чем жидкие и т.д.[1]
В настоящее время перекрыт весь видимый диапазон длин волн излучения, однако, недостаточно представлен класс мощных импульсных перестраиваемых источников когерентного излучения в видимом диапазоне. Ранее такими источниками выступали лазеры на красителях с возбуждением излучением эксимерных лазеров или различных гармоник твердотельных лазеров.
Перестраиваемый источник узкополосного излучения оптического. диапазона при высокой когерентности этого излучения желательно иметь во многих приложениях, таких, как спектроскопия, изучение молекулярной диссоциации и химических реакций, а также разделение изотопов.
Преимуществами твердотельных лазеров являются Высокая удельная мощность, Высокое качество при большой мощности (TEMoo), Высокий кпд (с диодной накачкой) 85% [14], большая энергия, широкий диапазон длин волн, широкий диапазон длительностей импульсов (от 10-2 до 10-14 с), возможность генерации ультракоротких импульсов - рекордное значение составляет около 4 фемтосекунд, Совместимость длин волн с оптическим волокном - возможность доставки излучения по оптоволокну.[2]
B 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-597.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Обзор работ по созданию лазера на Красителе.
2. Выбор активной среды.
3. Выбор схемы возбуждения.
4. Выбор общей схемы лазера.
5. Создание твердотельных лазерных активных сред на красителях.
6. Подготовка образцов измерением генерационных характеристик
7. Исследование спектральных и генерационных характеристик твердотельных лазерных активных сред.
Таким образом, на защиту выносятся положения:
1) Использование лазерно-активного элемента на основе твердотельной матрицы из полиметилметакрилата, допированной красителем пиррометен-597 (PM-597) при концентрации с=5.10-4 Моль/л, позволяет получить перестройку в диапазоне 561-586 нм при накачке второй гармоникой (X = 532 нм) Nd3+:YAG-лазера при плотности мощности накачки W =2 МВт/см2.
2) Использование лазерно-активного элемента на основе твердотельной матрицы из полиметилметакрилата, допированной красителем Хромен-3 (Хр-3) при концентрации с=5.10-4 Моль/л, позволяет получить перестройку в диапазоне 571 - 623 нм при накачке второй гармоникой (X = 532 нм) Пй3+^АС-лазера при плотности мощности накачки W=1.9 МВт/см2.
Достоверность первого и второго защищаемого положения обеспечивается получением генерации в ЛАЭ на основе PM-597 и Хр-3 с помощью селективного резонатора, спектрометра Avantes (с точностью до 1 нм) и
измерителя энергии Ophir (погрешность измерений порядка 8 %) и
совпадением экспериментально полученной величины ширины контура люминесценции PM-597 с данными A. Costela. Границы диапазона перестройки - порядка 52 нм в длинно- и коротковолновую область относительно центральной частоты генерации получены с использованием спектрометра Avantes.
Новизна защищаемого положения и соответствующих результатов обусловлена патентом № 2568877. (ИЗ) от 20.11.2015 «Лазерное вещество», а части, касающейся оптимизации концентрации красителя в ОАЭ - в 2016 году было предложено установить зависимость между КПД генерации, шириной спектральной линии и диапазоном перестройки с одной стороны и концентрацией красителя с другой.
Научная значимость защищаемого положения состоит в том, что концентрации красителей, оптимальные следования 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 представляет собой широкий диапазон перестройки для Хр-3 52нм (571 - 623 нм) на 12 нм больше других работ [16] и для PM-597 25нм (561 - 586 нм). Твердотельный лазеры на основе ПММА допированные красителями Хр-3 и PM-597 могут использоваться в биомедицине, спектроскопии и в интегральной оптике
Для исследования спектральных, генерационных, люминесцентных характеристик использовалась установка, включающая в себя Nd3+:YAG-лазер с преобразованием излучения во вторую гармонику, систему неселективных светофильтров, измерители энергии Gentec DUO и Ophir NOVA II, спектрометрометр Avaspec-2048.
В результате выполнения магистерской диссертации, был проведен литературный обзор по физическим принципам твердотельных лазеров на красителях, способам накачки, схеме уровней и основным переходам, перестройке длины волны генерации и селективным резонаторам, твердотельным лазерным активным средам и их свойствам, предыдущим работам в этой области, в которых были созданы и исследованы их характеристики.
Из анализа материалов следует, что (PM597/Хромен 3) эффективные активные среды, возможно создание оптических однородных лазерных активных элементов и возможно создание высокой фотостабильности лазерной активной среды на основе PMMA.
Были исследованы два красителя (PM597/ Хромен 3) в первом случае в следующих условиях: в твердотельном состоянии на основе PMMA матрицы и в неселективном резонаторе. Во втором случае в селективном резонаторе с дифракционной решеткой в режиме скользящего падения.
Получена генерация лазерного излучения изготовленных ЛАЭ в неселективном резонаторе и измерен КПД их генерации - до 23% при ширине спектральной линии генерации порядка 6 нм для PM597 и до 53% для Хр-3 при ширине спектральной линии генерации порядка 6 нм.
Получена генерация лазерного излучения ЛАЭ в селективном резонаторе и определен диапазон непрерывной перестройки для Хр-3 - до 52нм и для PM597 - до 25нм при ширине спектральной линии генерации порядка 0,02 нм.
Показана перспективность использования твердотельных лазерноактивных сред на основе PM597 и Хромена 3 для создания перестаиваемого твердотельного лазера на красителе.
Из анализа материалов следует, что (PM597/Хромен 3) эффективные активные среды, возможно создание оптических однородных лазерных активных элементов и возможно создание высокой фотостабильности лазерной активной среды на основе PMMA.
Были исследованы два красителя (PM597/ Хромен 3) в первом случае в следующих условиях: в твердотельном состоянии на основе PMMA матрицы и в неселективном резонаторе. Во втором случае в селективном резонаторе с дифракционной решеткой в режиме скользящего падения.
Получена генерация лазерного излучения изготовленных ЛАЭ в неселективном резонаторе и измерен КПД их генерации - до 23% при ширине спектральной линии генерации порядка 6 нм для PM597 и до 53% для Хр-3 при ширине спектральной линии генерации порядка 6 нм.
Получена генерация лазерного излучения ЛАЭ в селективном резонаторе и определен диапазон непрерывной перестройки для Хр-3 - до 52нм и для PM597 - до 25нм при ширине спектральной линии генерации порядка 0,02 нм.
Показана перспективность использования твердотельных лазерноактивных сред на основе PM597 и Хромена 3 для создания перестаиваемого твердотельного лазера на красителе.
