Лазер с распределенной обратной связью с объемной стационарной решеткой

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЛАЗЕР С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ С ОБЪЕМНОЙ СТАЦИОНАРНОЙ РЕШЕТКОЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Эфендиев Терлан Шаид оглы Катаркевич Василий Михайлович Рубинов Анатолий Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(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 14574 1 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 3-лазера (532 нм). Возбуждение РОС-лазера осуществлялось излучением второй гармоники АИГ 3 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) г 2,где- показатель преломления геля,- 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 3-лазера (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 6 Ж с концентрацией С 1,310-4 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 6 Ж на фиг. 5 показан спектр поглощения желатинового геля с кумарином 120 и родамином 6 Ж на фиг. 6 показаны спектры флуоресценции желатинового геля с кумарином 120 и родамином 6 Ж при возбуждении на длине волны 354 нм на фиг. 7 показан спектр флуоресценции желатинового геля с кумарином 120 и родамином 6 Ж 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 3-лазера для желатинового геля с родамином 6 Ж с концентрацией красителя С 2,510-4 моль/л (плотность энергии импульсов облучения 20 мДж/см 2) 2 14574 1 2011.06.30 на фиг. 9 показана измеренная зависимость КПД генерации РОС-лазера на стационарной решетке от числа импульсов накачки(н 0,3 мДж,25 Гц) в случае использования однокомпонентного геля с родамином 6 Ж (кривая 1) и геля с бинарной смесью родамина 6 Ж 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 6 Ж) в растворах составляла 1,510-3 и 210-3 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 40 С и выдерживался в течение 0,5 часа при этой температуре. Приготовленные растворы красителей в этиловом спирте заливались в водножелатиновый раствор (40 С). Состав тщательно перемешивался, нагревался до температуры 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 6 Ж С 1,310-4 моль/л. Облучение геля осуществлялось излучением 2-й гармоники АИГ 3-лазера с плотностью энергии импульсов 50 мДж/см. Доза облучения составляла 200 Дж/см 2. 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 (354 нм) АИГ 3-лазера. Доза облучения составляла 100 Дж/см 2. 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 120,354 нм), в то время как второй краситель (незамещенный ро 3 14574 1 2011.06.30 дамин, родамин 6 Ж, 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 6 Ж соответственно. Из приведенного на фиг. 4 спектра видно, что поглощение родамина 6 Ж на длине волны 354 нм примерно в 7 раз меньше поглощения на длине волны 532 нм. На фиг. 5 приведен спектр поглощения желатинового геля, активированного бинарной смесью - кумарин 120 и родамин 6 Ж. Спектры флуоресценции геля с бинарной смесью при возбуждении на длинах волн 354 нм и 532 нм приведены на фиг. 6 и 7. Как видно из приведенных спектров, при возбуждении такого геля излучением с длиной волны 532 нм наблюдается флуоресценция только родамина 6 Ж, в то время как при возбуждении излучением с длиной волны 354 нм флуоресцируют оба красителя кумарин 120 и родамин 6 Ж. Факт наличия флуоресценции родамина 6 Ж при возбуждении геля излучением с длиной волны 354 нм объясняется тем, что этот краситель, помимо основной полосы поглощения с максимумом на 532 нм, имеет гораздо более слабую полосу поглощения в области длины волны 354 нм (фиг. 4). Из приведенных спектров видно, что интенсивность флуоресценции геля при возбуждении на длине волны 530 нм примерно в 5 раз превышает величину этой характеристики при использовании излучения на длине волны 354 нм. При возбуждении геля с родамином 6 Ж излучением с длиной волны 354 нм лишь очень небольшая часть молекул родамина 6 Ж 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 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 354 нм, а излучение на длине волны 532 нм использовать для возбуждения генерации красителя родамин 6 Ж. 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 (354 нм) АИГ 3-лазера. Спектральная ширина излучения третьей гармоники составляла 0,5610-3 нм, энергия импульса достигала н 10 мДж,длительность 0,517 нс, частота следования импульсов- до 50 Гц. Измерение энергетических характеристик излучения накачки и генерации осуществлялось калиброванными по спектральной чувствительности фотодиодами ФД-24 К с двухканальным аналого-цифровым преобразователем 20/10-2. Спектральные характеристики измерялись с помощью автоматизированного спектрографа 3804 и интерферометра Фабри-Перо ИТ 51-30. Измерение временных характеристик осуществлялось с помощью электронно-оптической камеры Агат-СФ 3 с временным разрешением до 1,9 пс. Известно, что оптическая плотность средысвязана с ее пропусканиемсоотношением(1/). При использовании геля агрегация молекул красителя не имеет места и коэффициент экстинкции не зависит от концентрации активной среды. В этом случаеС (где- коэффициент пропорциональности). Тогда относительная концентрация молекул красителя в среде определяется следующим выражением(2) С/С 0/0(1/) / (1/0),где 0 и 0 - соответствующие значения концентрации и оптической плотности раствора до его облучения. 4 14574 1 2011.06.30 На фиг. 8 представлены экспериментально измеренная для однокомпонентного геля с родамином 6 Ж зависимость пропусканияна длине волны 532 нм от дозы облученияимпульсами излучения 2-й гармоники ИГ 3-лазера и соответствующее значение функции С/С 0, рассчитанное с помощью выражения (2). Видно, что при фиксированном значении плотности энергии импульсов облученияпропускание гелевого раствора красителяувеличивается с ростом дозы облученияс последующим плавным выходом значенияна некоторый максимальный уровень . При дальнейшем увеличении экспозициипропускание растворов остается неизменным. Согласно проведенным измерениям, максимальная эффективность генерации однокомпонентного геля с родамином 6 Ж достигается при дозе облучения геля при записи решетки 35-40 Дж/см 2. В этом случае, согласно фиг. 8, концентрация нераспавшихся молекул красителя уменьшается примерно в два раза. Обесцветившиеся молекулы родамина 6 Ж не вносят свой вклад в генерацию. На фиг. 9 приведены измеренные зависимости КПД генерации РОС-лазера на стационарной решетке в зависимости от числа импульсов накачкипри частоте повторения импульсов 25 Гц. В качестве активных сред РОС-лазера использовались однокомпонентный гель с родамином 6 Ж (кривая 1) и гель с бинарной смесью родамин 6 Ж - кумарин 120(кривая 2). В случае однокомпонентного геля при энергии импульса накачки 0,3 мДж 50 -ное падение выходной энергии РОС-лазера наблюдалось после 5,5103 импульсов. При использовании РОС-лазера на основе геля с бинарной смесью 50 -ное падение выходной энергии имело место при числе импульсов накачки 7,8103 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(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.,,.-. .. . 18 (1971) 395. 2. Эфендиев Т.Ш., Катаркевич В.М., Рубинов А.Н., Запорожченко В.А. РОС-лазер на основе активированного красителем желатинового геляМатериалыБелоруссколитовского семинара Лазеры и оптическая нелинейность. - Минск, Беларусь, 6-8 июня 2002.- С. 150-156. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7