close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY14574

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.06.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 14574
(13) C1
(19)
H 01S 3/00
H 01S 3/213
(2006.01)
(2006.01)
ЛАЗЕР С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
С ОБЪЕМНОЙ СТАЦИОНАРНОЙ РЕШЕТКОЙ
(21) Номер заявки: a 20091059
(22) 2009.07.14
(43) 2011.02.28
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Эфендиев Терлан Шаид
оглы; Катаркевич Василий Михайлович; Рубинов Анатолий Николаевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) ЭФЕНДИЕВ Т.Ш. и др. Материалы XV
Белорусско-Литовского семинара "Лазеры и оптическая нелинейность". Минск, 2002. - С. 150-156.
SU 1528279 A1, 1992.
US 5610932 A, 1997.
РУБИНОВ А.Н. и др. // Квантовая
электроника. - 1995. - Т. 22, № 2. С. 129-133.
BY 14574 C1 2011.06.30
(57)
Лазер с распределенной обратной связью с объемной стационарной решеткой, содержащий кювету с активированным двумя красителями желатиновым гелем, один из которых использован для записи объемной стационарной решетки, а другой - для возбуждения
генерации.
Изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано при
разработке малогабаритных лазеров с узкой линией излучения, предназначенных для
применения в медицине, биологии, экологии и микроэлектронике.
Исследование излучения органических молекул в тонкослойных активных средах
представляет большой интерес в связи с возможностью создания на их основе фотовозбуждаемых микролазеров. В настоящее время в научных центрах ведущих стран мира
широко проводятся работы по созданию малогабаритных лазеров на красителях с распределенной обратной связью (РОС).
Известен лазер на красителях с распределенной обратной связью - РОС-лазер [1].
Такой лазер представляет собой кювету с раствором красителя, в котором создается периодическая пространственная модуляция коэффициента усиления, формируемая интерференционным полем двух сходящихся в растворе красителя лазерных пучков.
Динамическая пространственная решетка коэффициента усиления обеспечивает обратную связь, необходимую для возникновения процесса генерации. Такая решетка создается в растворе красителя излучением того же лазера, который используется для
возбуждения генерации. Недостатком такого лазера является высокая чувствительность
его выходных характеристик к ширине спектра и расходимости излучения накачки. Это
обстоятельство накладывает высокие требования к степени монохроматичности излуче-
BY 14574 C1 2011.06.30
ния лазера накачки, ограничивает возможности получения узких спектральных линий в
излучении РОС-лазера, снижает его спектральную стабильность.
В отличие от лазера с динамической решеткой РОС-лазер со стационарной решеткой
обладает известными преимуществами, так как спектральная ширина линии генерации в
этом случае не зависит от ширины спектра и расходимости излучения источника накачки.
Ближайшим техническим решением к предлагаемому изобретению (прототипом) является РОС-лазер на основе активированного красителем желатинового геля, в котором
используется объемная стационарная решетка, записываемая в активной среде [2].
РОС-лазер представляет собой кювету, заполненную активированным красителем
водно-желатиновым гелем с записанной в нем объемной стационарной решеткой. Стационарная решетка записывается излучением второй гармоники АИГ:Nd3+-лазера (λ = 532
нм).
Возбуждение РОС-лазера осуществлялось излучением второй гармоники АИГ:Nd3+лазера импульсами как наносекундной, так и пикосекундной длительности. При этом переход от одного режима работы к другому связан лишь с заменой источника накачки и не
требует перестройки РОС-лазера. Излучение накачки, сфокусированное в полоску,
направляется на входную грань РОС-лазера. Генерация возбуждается на длине волны:
(1)
λг = 2nd,
где n - показатель преломления геля, d - период стационарной решетки. Излучение генерации выводится в обе стороны кюветы.
В известном РОС-лазере со стационарной решеткой (прототип) для получения генерации используется желатиновый гель, активированный только одним красителем. Запись
пространственной стационарной решетки и генерация излучения обеспечиваются одним и
тем же красителем. При этом для записи стационарной решетки и возбуждения генерации
используется излучение второй гармоники АИГ:Nd3+-лазера (λ = 532 нм).
Недостатком такого РОС-лазера является недостаточно высокий ресурс работы.
Задачей изобретения является повышение ресурса работы РОС-лазера со стационарной решеткой.
Поставленная задача решается следующим образом. Лазер с распределенной обратной
связью с объемной стационарной решеткой содержит кювету с активированным двумя
красителями желатиновым гелем, один из которых использован для записи стационарной
решетки, а другой - для возбуждения генерации.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами, где:
на фиг. 1 показан спектр поглощения необлученного (кривая 1) и облученного (кривая 2)
объемов 10 %-ного гелевого раствора родамина 6Ж с концентрацией С ≈ 1,3⋅10-4 моль/л;
на фиг. 2 показаны спектры поглощения необлученного (кривая 1) и облученного (кривая 2) объемов 10 %-ного гелевого раствора кумарина 120 с концентрацией С ≈ 10-3 моль/л;
на фиг. 3 показан спектр поглощения желатинового геля, активированного кумарином
120;
на фиг. 4 показан спектр поглощения желатинового геля, активированного родамином
6Ж;
на фиг. 5 показан спектр поглощения желатинового геля с кумарином 120 и родамином 6Ж;
на фиг. 6 показаны спектры флуоресценции желатинового геля с кумарином 120 и родамином 6Ж при возбуждении на длине волны 354 нм;
на фиг. 7 показан спектр флуоресценции желатинового геля с кумарином 120 и родамином 6Ж при возбуждении на длине волны 530 нм;
на фиг. 8 показаны зависимости пропускания (а) и относительного изменения концентрации молекул красителя (б) от дозы облучения импульсами излучения 2-й гармоники
АИГ:Nd3+-лазера для желатинового геля с родамином 6Ж с концентрацией красителя
С ≈ 2,5·10-4 моль/л (плотность энергии импульсов облучения ε ≈ 20 мДж/см2);
2
BY 14574 C1 2011.06.30
на фиг. 9 показана измеренная зависимость КПД генерации РОС-лазера на стационарной решетке от числа импульсов накачки N (Eн ≈ 0,3 мДж, f = 25 Гц) в случае использования однокомпонентного геля с родамином 6Ж (кривая 1) и геля с бинарной смесью
родамина 6Ж и кумарина 120 (кривая 2).
Активная среда по предлагаемому изобретению приготавливается следующим образом. Готовились растворы красителей в этиловом спирте. Концентрация красителей (кумарин 120 и родамин 6Ж) в растворах составляла 1,5⋅10-3 и 2⋅10-3 моль/л.
Параллельно готовился водно-желатиновый раствор. К одной части желатина добавлялась дистиллированная вода (2,5 объема желатина). Желатин набухал в течение 0,5 часа
при комнатной температуре. Затем водно-желатиновый раствор нагревался до температуры t = 40 °С и выдерживался в течение 0,5 часа при этой температуре.
Приготовленные растворы красителей в этиловом спирте заливались в водножелатиновый раствор (t ≈ 40 °С). Состав тщательно перемешивался, нагревался до температуры t = 50 °С и после тщательного перемешивания выдерживался в течение 1 часа при
этой температуре. Приготовленный таким образом раствор заливался в кювету и студенился при комнатной температуре в течение не менее одних суток.
В отличие от прототипа предложенный РОС-лазер на основе желатинового геля, активированного бинарной смесью красителей, позволяет повысить ресурс работы лазера на
основе стационарной РОС. Увеличение ресурса работы РОС-лазера со стационарной решеткой достигается за счет следующего.
Установлено, что запись стационарной решетки сопровождается необратимым обесцвечиванием определенного количества молекул красителя. На фиг. 1 в качестве примера
представлены спектры поглощения необлученного (кривая 1) и облученного (кривая 2) до
практически полного распада красителя объемов желатинового геля с концентрациями
желатина 10 % и красителя родамин 6Ж С ≈ 1,3·10-4 моль/л. Облучение геля осуществлялось излучением 2-й гармоники АИГ:Nd3+-лазера с плотностью энергии импульсов
∼ 50 мДж/см. Доза облучения составляла ∼ 200 Дж/см2. Из фиг. 1 видно, что наличие продуктов фотораспада приводит к появлению дополнительного поглощения геля в коротковолновой области спектра. Качественно подобная картина трансформации спектра
поглощения наблюдается и при облучении желатинового геля, активированного другими
красителями. В качестве примера на фиг. 2 приведены спектры поглощения необлученного (кривая 1) и облученного (кривая 2) объемов желатинового геля, активированного красителем кумарин 120. Спектр поглощения такой среды лежит в ультрафиолетовой
области. Облучение геля осуществлялось излучением 3-й гармоники (λ = 354 нм)
АИГ:Nd3+-лазера. Доза облучения составляла ∼ 100 Дж/см2. Как видно из приведенных
спектров, в результате облучения молекул кумарина 120 образуются продукты фотораспада этого красителя. Полное обесцвечивание достигается при более высоких дозах облучения.
Запись в геле пространственной стационарной решетки, обеспечивающей распределенную обратную связь, осуществляется в результате образования фотосшивок продуктов
фотораспада молекул красителя с желатином в местах максимумов интерференционного
поля, создаваемого в растворе двумя сходящимися пучками излучения накачки. Таким образом, в случае использования геля с одним красителем при записи стационарной решетки
часть молекул красителя обесцвечивается и не вносит свой вклад в генерируемое излучение, тем самым снижается ресурс работы лазера. Это имеет место при использовании однокомпонентного раствора красителя.
Повышение ресурса работы РОС-лазера достигается за счет использования желатинового геля с бинарной смесью красителей. В этом случае стационарная решетка в геле записывается за счет красителя, поглощающего в ближней ультрафиолетовой области
спектра (кумарин 120, λ = 354 нм), в то время как второй краситель (незамещенный ро3
BY 14574 C1 2011.06.30
дамин, родамин 6Ж, родамин В, родамин С), поглощение которого в этой области спектра
гораздо слабее, используется для возбуждения генерации. Это иллюстрируется измеренными спектрами поглощения. На фиг. 3 и 4 приведены спектры поглощения желатинового
геля, содержащего кумарин 120 и родамин 6Ж соответственно. Из приведенного на фиг. 4
спектра видно, что поглощение родамина 6Ж на длине волны λ = 354 нм примерно в 7 раз
меньше поглощения на длине волны λ = 532 нм.
На фиг. 5 приведен спектр поглощения желатинового геля, активированного бинарной
смесью - кумарин 120 и родамин 6Ж.
Спектры флуоресценции геля с бинарной смесью при возбуждении на длинах волн
λ = 354 нм и λ = 532 нм приведены на фиг. 6 и 7. Как видно из приведенных спектров, при
возбуждении такого геля излучением с длиной волны λ = 532 нм наблюдается флуоресценция только родамина 6Ж, в то время как при возбуждении излучением с длиной волны
λ = 354 нм флуоресцируют оба красителя: кумарин 120 и родамин 6Ж. Факт наличия флуоресценции родамина 6Ж при возбуждении геля излучением с длиной волны λ = 354 нм
объясняется тем, что этот краситель, помимо основной полосы поглощения с максимумом
на λ = 532 нм, имеет гораздо более слабую полосу поглощения в области длины волны
λ = 354 нм (фиг. 4). Из приведенных спектров видно, что интенсивность флуоресценции
геля при возбуждении на длине волны λ = 530 нм примерно в 5 раз превышает величину
этой характеристики при использовании излучения на длине волны λ = 354 нм.
При возбуждении геля с родамином 6Ж излучением с длиной волны λ = 354 нм лишь
очень небольшая часть молекул родамина 6Ж обесцветится, большая часть молекул этого
красителя сохранится. Для других красителей, генерирующих в более длинноволновой
области, фотообесцвечивание еще меньше вследствие слабого поглощения этими красителями излучения на длине волны λ = 354 нм.
Таким образом, использование РОС-лазера со стационарной решеткой на основе геля
с бинарной смесью красителей позволяет повысить ресурс работы. Для достижения этой
цели необходимо запись стационарной решетки осуществлять, возбуждая молекулы красителя кумарин 120 излучением на длине волны λ = 354 нм, а излучение на длине волны
λ = 532 нм использовать для возбуждения генерации красителя родамин 6Ж. В результате
ресурс работы такого устройства повышается.
Экспериментальное исследование ресурса работы предложенного устройства проводилось следующим образом.
Запись пространственных решеток осуществлялась двумя сходящимися пучками излучения третьей гармоники (λ = 354 нм) АИГ:Nd3+-лазера. Спектральная ширина излучения третьей гармоники составляла ∆λ0,5 ≈ 6⋅10-3 нм, энергия импульса достигала Eн ∼ 10 мДж,
длительность τ0,5 ≈ 17 нс, частота следования импульсов f - до 50 Гц.
Измерение энергетических характеристик излучения накачки и генерации осуществлялось калиброванными по спектральной чувствительности фотодиодами ФД-24К с двухканальным аналого-цифровым преобразователем ADC20M/10-2. Спектральные характеристики измерялись с помощью автоматизированного спектрографа S 3804 и интерферометра
Фабри-Перо ИТ 51-30. Измерение временных характеристик осуществлялось с помощью
электронно-оптической камеры "Агат-СФ3" с временным разрешением до 1,9 пс.
Известно, что оптическая плотность среды D связана с ее пропусканием T соотношением D = log(1/T). При использовании геля агрегация молекул красителя не имеет места и
коэффициент экстинкции не зависит от концентрации активной среды. В этом случае
D = αС (где α - коэффициент пропорциональности). Тогда относительная концентрация
молекул красителя в среде определяется следующим выражением:
(2)
С/С0 = D/D0 = log(1/T) / log(1/T0),
где C0 и D0 - соответствующие значения концентрации и оптической плотности раствора
до его облучения.
4
BY 14574 C1 2011.06.30
На фиг. 8 представлены экспериментально измеренная для однокомпонентного геля с
родамином 6Ж зависимость пропускания T на длине волны λ = 532 нм от дозы облучения
E импульсами излучения 2-й гармоники AИГ:Nd 3+-лазера и соответствующее значение
функции С/С0 = f(E), рассчитанное с помощью выражения (2). Видно, что при фиксированном значении плотности энергии импульсов облучения ε пропускание гелевого раствора красителя T увеличивается с ростом дозы облучения E с последующим плавным
выходом значения T на некоторый максимальный уровень Tmax. При дальнейшем увеличении экспозиции E пропускание растворов остается неизменным.
Согласно проведенным измерениям, максимальная эффективность генерации однокомпонентного геля с родамином 6Ж достигается при дозе облучения геля при записи решетки E ∼ 35-40 Дж/см2. В этом случае, согласно фиг. 8, концентрация нераспавшихся
молекул красителя уменьшается примерно в два раза. Обесцветившиеся молекулы родамина 6Ж не вносят свой вклад в генерацию.
На фиг. 9 приведены измеренные зависимости КПД генерации РОС-лазера на стационарной решетке в зависимости от числа импульсов накачки N при частоте повторения импульсов 25 Гц. В качестве активных сред РОС-лазера использовались однокомпонентный
гель с родамином 6Ж (кривая 1) и гель с бинарной смесью родамин 6Ж - кумарин 120
(кривая 2). В случае однокомпонентного геля при энергии импульса накачки Ep ∼ 0,3 мДж
50 %-ное падение выходной энергии РОС-лазера наблюдалось после ∼5,5⋅103 импульсов.
При использовании РОС-лазера на основе геля с бинарной смесью 50 %-ное падение выходной энергии имело место при числе импульсов накачки ∼7,8⋅103 импульсов. Таким образом, ресурс работы РОС-лазера на основе геля с бинарной смесью на 40 % превышает
ресурс работы прототипа.
Созданный РОС-лазер позволяет получать излучение с малой спектральной шириной
(∆λ ≤ 0,1 нм) любой длины волны в видимой и ближней ИК областях спектра при его возбуждении импульсным излучением любого спектрального состава и длительности. Лазер,
возбуждаемый излучением диодного лазера, представляет собой компактный и удобный в
эксплуатации источник когерентного излучения.
Источники информации:
1. Shank C.V., Bjorkholm J.E., Kogelnik H. Tunable distributed - feedback dye laser. Appl.
Phys. Lett. 18 (1971) 395.
2. Эфендиев Т.Ш., Катаркевич В.М., Рубинов А.Н., Запорожченко В.А. РОС-лазер на
основе активированного красителем желатинового геля : Материалы XV Белоруссколитовского семинара "Лазеры и оптическая нелинейность". - Минск, Беларусь, 6-8 июня
2002.- С. 150-156.
Фиг. 1
5
BY 14574 C1 2011.06.30
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
Фиг. 6
Фиг. 7
6
BY 14574 C1 2011.06.30
Фиг. 8
Фиг. 9
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
122 Кб
Теги
by14574, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа