Активный элемент для твердотельного лазера на красителях

Большое значение для спектроскопии имеет создание перестраиваемых лазеров, которые расширяют ее возможности и позволяют реализовать ряд методов контроля, таких как, метод дифференциального поглощения, метод резонансного рассеяния и др. Особое значение среди перестраиваемых лазеров занимают лазеры на органических красителях. Широкий набор красителей, выпускаемых промышленностью, рис.1, позволяет охватить область длин волн от, ближней инфракрасной до ближнего ультрафиолета.

Рисунок 1 - Органические лазерные красители

Основные характеристики наиболее распространенных органических лазерных красителей приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики лазерных красителей.

Краситель	Центр линии люминесценции нм	Рабочая область лазера нм	Область накачки нм	Приемлемая концентрация 10-3 моль/л
Карбостирил 165	445	419-485	350-365	2,5
Кумарин 2	450	435-485	340-365	3
Кумарин 1	470	450-495	350-365	3
Кумарин 102	495	470-515	400-420	1
Кумарин 30	515	495-545	400-420	1
Кумарин 7	535	505-565	400-420	5
Кумарин 6	538	521-551	458-514	12,5
Флюоресцин	552	538-573	458-514	2,7
Родамин 110 (R110)	570	540-600	458-514	12,5
Родамин 6Ж (R6G)	590	570-650	458-514	2
Родамин Б (RB)	630	601-675	458-514	2
R110/(RB)	645	620-690	458-514	1,5R1011,5R6G
Крезил-виолет R6G	695	675-708	458-514	2,4
Нильский голубой	750	710-790	647-672	1
Оксазин 1(4)	750	695-801	647-672	0,6
DEOTC -P(4)	795	765-875	647-672	0,6
HITC - P(4)	775	840-940	647-672	0,74

Твердотельные лазеры на красителях нашли широкое применение в исследовании загрязнения окружающей среды, продуктов питания тяжелыми металлами и прочими вредными веществами. Для них были созданы активные лазерные элементы на основе ряда материалов. Красители внедрялись в различные среды: в полиметилметакрилат, эпоксиполимеры, пористые стекла и т.д.

Матрицы из полиметилметакрилата обладают рядом недостатков: у них низкая теплопроводность (λ=0,18 Вт К-1 м-1) по сравнению с оптическими стеклами (λ=1,0 Вт К-1 м-1); недостаточно высокое значение твердости (по Бринелю 130-160 МПа), что затрудняет механическую обработку; сильно поглощают излучение в ближней УФ - области (коэффициент пропускания τ в диапазоне 210-340 нм при толщине образца l-4 мм не превышает 5 %), что вызывает определенные трудности при накачке от азотного лазера и ксеноновых ламп; низкая фотостойкость и ресурс, что вызывает необходимость сканирования при накачке пучком света по поверхности лазерного элемента, невысокую теплостойкость матрицы из полиметилметакрилата (температура размягчения порядка 65-700С, а температура плавления составляет 165-1700С). При температуре свыше 1350С в полиметилметакрилате начинаются процессы деструкции, сопровождающиеся отщеплением атомарного хлора с последующим образованием хлористого водорода, вызывающего интенсивную деструкцию макро цепей [2,3].

Эпоксиполимеры относятся к реактопластам, поэтому матрицы, на их основе, обладают лучшей теплостойкостью по сравнению с полиметилметакрилатом, что расширяет интервал рабочих температур; большей теплопроводностью (λ=0,23 Вт К-1 м-1); большей твердостью (по Бринелю 140-500 МПа). Эпоксиполимерные матрицы могут быть модифицированы за счет внедрения различных добавок [2,3].

Для увеличения теплопроводности и твердости матриц органические красители внедрялись в пористые стекла. В работах [1,2,4] было показано, что свойства активных лазерных элементов на основе эпоксиполимерной матрицы и матрицы из пористого стекла с внедренными в них одинаковыми красителями схожи. Технология изготовления эпоксиполимерных матриц более проста, чем пористых стекол, поэтому эпоксиполимерные матрицы имеют свои преимущества.

Лазерные элементы на основе эпоксиполимеров выполняются различной формы, например, в виде дисков, рис.2. Очевидно, что оптические поверхности лазерных элементов не должны иметь дефектов и механических повреждений, а так же обладать низкой шероховатостью. Шероховатость оптической поверхности лазерных элементов способствует рассеянию излучения накачки и флюоресценции красителя, внедренного в матрицу, рис.3.

При изготовлении изделий из пластмасс путем прессования при надлежащей отделке матрицы и пуансона (хромирование и полирование) возможно изготовить изделия с шероховатостью поверхности Ra= 0,08-0,16 мкм. При литье под давлением можно получить поверхность с шероховатостью Ra=0,02-0,04 мкм [5].

Однако, эпоксиполимеры обладают высокой адгезией к металлам. Поэтому металлические матрицы и литейные формы при изготовлении изделий из эпоксиполимеров не могут быть использованы. Используются формы из фторопластов.

Рисунок 2 - Твердотельный лазер на красителях с лазерными элементами

ИЗЛУЧЕНИЕ НАКАЧКИ

АКТИВНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ЭЛЕМЕН I

Рисунок 3 - Влияние шероховатости поверхности активного лазерного элемента на рассеяние излучения накачки

Фторопласты обладают высокой термостойкостью и имеют самый низкий коэффициент сухого трения среди пластмасс, а так же низкой адгезией и низкой твердостью (по Бринелю 30-150 МПа) [3].

Фторопласты перерабатываются путем прессования, экструзии и литьем под давлением, поэтому из них можно получить изделия с низкой шероховатостью поверхности.

Однако, при изготовлении эпоксиполимерных лазерных элементов в матрицах из фторопластов возможна частичная адгезия их поверхности. Поэтому, при выемке эпоксиполимерных лазерных элементов из фторопластовых форм возможно частичное повреждение их оптических поверхностей. В этом случае, для устранения дефектов, оптические поверхности необходимо подвергать механической обработке. Из-за низкой твердости эпоксиполимеров добиться малой шероховатости их поверхностей при механической обработке не возможно.

Твердость стекол в значительной степени выше твердости эпоксиполимеров. Стекла имеют различную твердость в зависимости от их химического состава в пределах 4000... 10000 МПа, что находится между твердостью апатита и кварца [6]. Поэтому поверхность стекла можно обработать значительно чище, чем поверхность эпоксиполимера, кроме того, из-за высокой твердости стеклянная поверхность менее подвержена механическим повреждениям, таким как царапины, чем эпоксиполимеры. Царапины и микронеровности оптической поверхности являются источниками ее загрязнения вследствие чего светопропускание оптических деталей, уменьшается. Поэтому потери световой энергии при прохождении через стеклянную поверхность будут ниже, чем через эпоксиполимер.

В работе [7] был представлен активный лазерный элемент из эпоксиполимера, активированного органическими красителями, который расположен между двумя стеклянными пластинами, диаметр которых совпадает с диаметром диска, рис.4. Во избежание потерь световой энергии из-за френелевского отражения на границах раздела сред «стекло-эпоксиполимер» коэффициенты преломления стекла и эпоксиполимера должны быть одинаковы.

Активный лазерный элемент 2 из эпоксиполимера, активированного красителями заключен между двумя тонкими стеклянными пластинами 1, выбранными таким образом, что их коэффициент преломления равен коэффициенту преломления эпоксиполимера, из которого изготовлен активный лазерный элемент 2. Стеклянные пластины 1 укрепляются на активном лазерном элементе 2 с помощь эпоксиполимера путем склеивания.

Коэффициент преломления эпоксиполигомера n=1,501. Стекла следует выбирать следующего состава: Si-B 2 O 5 BaO-Na 2 O-K 2 O-As 2 O 3 ; Si-O₂_Al₂O₃; SiO₂-Li₂O и др. Равенство коэффициентов преломления стеклянных пластин и эпоксиполимера можно достичь путем подбора концентрации ингредиентов стекла [1,2].

Излучение накачки падает на стеклянную пластину 1 и проникает в активный лазерный элемент 2 не претерпевая френелевского отражения на границе раздела сред «стекло- эпоксиполимер», т.к. их коэффициенты преломления равны. Под действием излучения накачки краситель флюоресцируют.

Рисунок 4 - Активный лазерный элемент на эпоксиполимере: 1

- стеклянная пластина; 2 – эпоксиполимер, активированный красителем

Представленный выше лазерный элемент выполнен из составляющих деталей с различными коэффициентами линейного расширения, поэтому во избежание разрушения конструкции от нагрева ее целесообразно помещать в радиатор. В работах [1,8] были представлены различные конструкции радиаторов для лазерных элементов. В работе [1] было так же показано, что снижение температуры активного лазерного элемента увеличивает интенсивность флюоресценции красителя, следовательно, повышает КПД лазера, рис.5.

Рисунок 5 - Спектры флюоресценции красителя родамина С в эпоксиолигомере ЭД-24 при разных температурах: 1 – при 39 0С;

2 – при 57 0С; 3 – при 115 0С

Выводы:

• 1 . Высокая твердость стекол, по сравнению с эпоксиполимерами позволяет путем механической обработки, достичь высокую чистоту их поверхности, что приводит к снижению потерь излучения накачки и флюоресценции красителя, вызванные рассеянием от поверхности.

• 2 .Применение радиатора снизит рабочую температуру активного лазерного элемента и позволит избежать критических значений напряжений, вызванных различными коэффициентами линейного расширения деталей, составляющих его конструкцию и избежать разрушения. Кроме того, снижение температуры лазерного элемента увеличит интенсивность флюоресценции красителя и повысит КПД лазера.

Annotation. Solid-state dye lasers are widely used in many fields of science and technology, so the problem of improving their performance has been widely discussed. This article contains the active laser element in the solid epoxy resin for dye lasers.