Способ получения активного элемента перестраиваемого лазера на красителе

Номер полезной модели: 1709

Опубликовано: 30.09.2016

Авторы: Зейниденов Асылбек Калкенович, Ибраев Ниязбек Хамзаулы

Скачать PDF файл.

Формула / Реферат

Изобретение относится к твердотельным лазерным элементам, содержащим органические красители, внедренные в твердотельные пористые матрицы, и может быть использовано в области квантовой электроники, а именно в качестве твердотельных активных сред для перестраиваемых лазеров на красителях.
В качестве активной среды для перестраиваемых лазеров на красителях используется нанопористая матрица оксида алюминия, полученная методом электрохимического анодирования. Генерация вынужденного излучения получена при допировании пленки оксида алюминия лазерным красителем родамин 6Ж.

Текст

Смотреть все

МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ матрицы, и может быть использовано в области квантовой электроники, а именно в качестве твердотельных активных сред для перестраиваемых лазеров на красителях. В качестве активной среды для перестраиваемых лазеров на красителях используется нанопористая матрица оксида алюминия, полученная методом электрохимического анодирования. Генерация вынужденного излучения получена при допировании пленки оксида алюминия лазерным красителем родамин 6 Ж.(72) Ибраев Ниязбек Хамзаулы Зейниденов Асылбек Калкенович(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО ЛАЗЕРА НА КРАСИТЕЛЕ(57) Полезная модель относится к твердотельным лазерным элементам, содержащим органические красители, внедренные в твердотельные пористые Полезная модель относится к твердотельным лазерным элементам, содержащим органические красители, внедренные в твердотельные пористые матрицы, и может быть использовано в области квантовой электроники, а именно в качестве твердотельных активных сред для перестраиваемых лазеров на красителях. В последнее десятилетие интенсивно развивались исследования, связанные с введением органических красителей в различные матрицы с целью получения твердотельных лазеров на красителях, способных заменить жидкостные лазеры. Твердотельные лазеры на красителях имеют преимущества перед жидкостными лазерами в том,что они не используют раствор, который необходимо прокачивать через резонатор, чтобы поддерживать постоянным усиление и качество излучаемого пучка. Из других преимуществ имеет место компактность активного элемента, простота конструкции и эксплуатации лазера (в частности,легче осуществить переход от одного красителя к другому) - .//. - 2002. . 51. - . 91-138...6//. 1998. - . 148. . 275-280 Известны лазерные твердотельные элементы,содержащие органические полимеры, например полиметилметакрилат(ПММА),и лазерные красители. Недостатками таких элементов являются невысокая термическая, механическая и лазерная прочность, например при плотности мощности накачки нак 50 МВт/см 2 на поверхности и в глубине матриц образуются трещины. Кроме того,для получения твердой ПММА матрицы необходимо введение радикальных инициаторов полимеризации в растворы органических мономеров, содержащих красители. Это приводит к ухудшению излучательных и фотохимических свойств красителей. Патент РФ 2245597, кл. 7 01 3/17. Опубл. 27.01.2005, БИПМ 3 Наиболее близким способом изготовления лазерного твердотельного элемента по отношению к предлагаемому является способ, включающий пропитку микропористого стекла окрашенным тетраэтоксисилановым золь-раствором с последующим золь-гель синтезом окрашенного золя в порах микропористого стекла Патент РФ 2209188, кл. 7 С 03 В 8/02. Опубл. 27.03.2003. БИПМ 21. Недостатками лазерного твердотельного элемента, изготовленного таким способом,является остаточная пористость,увеличивающая рассеяние излучения и уменьшающая КПД, и высокая концентрация гидроксильных ОН-групп в наноразмерных порах тетраэтоксисилановых матриц случаев ведет к образованию менее эффективно излучающих форм красителей, понижающих лазерные качества твердотельных элементов в случае красителей родамина 101 Т и феналемина 512, либо отсутствию генерации в кумариновых красителях Шапошников А.А., Кузнецова Р.Т.,Копылова Т.Н., Майер Г.В., Тельминов Е.Н.,Павич Т.А.,Арабей С.М. Спектральнолюминесцентные и генерационные характеристики лазерных красителей в силикатных гель-матрицах и тонких гель-пленках // Квантовая электроника. 2004. Т.34. 8. .715- 721. Кроме того, при создании золь-гель методом стеклянных матриц оптического качества, активированных красителями, затруднено из-за склонности к растрескиванию в процессе их приготовления. Причиной этому являются возникающие при высушивании геля механические напряжения.// .-. -1988.-. 100.-. 174-193. Из-за этого в ряде случаев создание таких матриц без растрескивания - весьма трудоемкий процесс чтобы получить прочный образец требуется около месяца непрерывной и равномерной сушки геля - .//. - 2002. - . 51. - . 91-138..-//. 2001. - . 16. - .1-2. - . 1-7.......-.-//. 1997. - . 36. - . 67606763. Задачей предлагаемой полезной модели являлось получения нового типа твердотельных активных элементов для перестраиваемых лазеров на красителях. Новизна предлагаемой композиции заключается в том, что получена генерация вынужденного излучения лазерного органического красителя в матрице нанопористого оксида алюминия (ПОА). Существенным отличием и преимуществом заявляемой активной среды для твердотельного лазера включающей ПОА по сравнению существующими аналогами является химическая и термическая устойчивость, простота изготовления,прозрачность в видимой области спектра,превосходные адсорбционные свойства,обусловленными большим объемом пор с разветвленной поверхностью. Основным отличительным признаком такой среды является то,что в цилиндрических микрорезонаторах таких структур могут поддерживаться моды высокой добротности благодаря эффекту полного внутреннего отражения электромагнитной волны от стенок резонатора. Вследствие эффективной концентрации электромагнитного поля внутри микрорезонатора интенсивности радиационных процессов значительно усиливаются. Если микрорезонаторы заполнить лазерными красителями, то такую систему можно использовать в качестве активной среды для перестраиваемого лазера. Технический результат достигается за счет синтеза матрицы ПОА методом электрохимического анодирования. Синтез оксида алюминия осуществлялся при мягких условиях анодирования,включающих две стадии анодирования в растворе щавелевой кислоты. После синтеза ПОА осуществляется измерение морфологии и удельной площади поверхности образцов. Затем производилось сорбция красителя родамина 6 Ж из этанольного раствора. Измеряются спектральные и люминесцентные свойства пленок анодного оксида алюминия с высокоупорядоченной пористой структурой, допированных молекулами красителя родамин 6 Ж. Определяется плотности мощности источника накачки, при котором наблюдается порог возникновения генерации вынужденного излучения лазерного красителя родамин 6 Ж в матрице ПОА. Получение материала достигается следующим образом. Способ изготовления лазерного твердотельного элемента, включает создание матрицы ПОА методом электрохимического анодирования. В качестве исходного материала были использованы алюминиевые пластины (степень чистоты 99,99) толщиной 0,5 мм и размерами 3,53,5 см. Для увеличения размера кристаллитов алюминия, снятия микронапряжений в образце и последующего достижения лучшей упорядоченности получаемых пор, подложки алюминия отжигали в муфельной печи на воздухе в течении 10 часов при Т 500 С. Для удаления поверхностных дефектов алюминия проводилась электрохимическая полировка в импульсном режиме. Для электрохимического полирования поверхности алюминия использован электролит, который имеет следующий состав СО 3 (185 г/л) и Н 3 РО 4(1480 г/л.). Пластины алюминия погружали в подготовленный раствор,при температуре электролита 80 С и постоянном перемешивании. Проведение электрохимического полирования поверхности пластин алюминия осуществлялось при следующих параметров напряжение - 20 В, ток - 11 А, длительность импульса - 3 сек, интервал между импульсами - 40 сек, количество импульсов - 40 шт. Время полирования поверхности алюминия продолжалось 40 мин. После этого образцы промывали в дистиллированной воде и высушивали на воздухе. Контроль качества электрохимической полировки оценивался по электронномикроскопическим изображениям поверхности пленок алюминия. При электрохимическом полировании в первую очередь растворяются наиболее высокие выступы шероховатостей, затем поверхность выравнивается и становится гладкой и блестящей. Замечено,что увеличение продолжительности электрополировки приводит к сглаживанию неровностей, но сопровождается значительным растворением алюминия и уменьшением толщины металлической пластины. Полученные результаты показали, что вид используемой полировки оказывает существенное влияние на качество поверхности. Синтез оксида алюминия осуществлялся при мягких условиях, включающих две стадии анодирования при напряжении 40 В в 0,3 М растворе щавелевой кислоты. Анодирование алюминия проводили в двухэлектродной электрохимической ячейке с использованием источника постоянного тока -708. Конструкция используемой ячейки, изготовлена из фторопласта. Вспомогательным электродом служила платиновая пластина, а рабочим электродом отполированная алюминиевая фольга. Анодирование алюминия производилось в холодильной камере при температуре 2 С. Токовые характеристики процесса анодирования алюминия измерялись амперметром 803. После предварительной подготовки поверхности проводилось первое стадия анодного окисления алюминия. Продолжительность первой стадии анодирования составляло 24 ч. Образовавшуюся на поверхности алюминия оксидную пленку селективно растворяли в смеси 20 г/л СО 3 и 35 мл/л Н 3 РО 4 при температуре 70 С, чтобы получить реплику нижней части оксидной пленки, имеющей упорядоченную структуру. После этого проводилось вторая стадия анодного окисления в тех же условиях, что и при первом окислении. Полученные матрицы оксида алюминия отделялись от непрореагировавшего алюминия селективным растворением последнего в растворе 2 в НС. Электролит был получен на основе воды двойной фильтрации и деонизации на водоочистителе 360 . Удельное сопротивление воды составляло 18,2 МОм/см. Удельная поверхность полученных матриц пористого оксида алюминия была определена методом(, , ) по адсорбции азота на измерительном комплексе. Измерительный комплекс состоит из основного измерительного прибора и дополнительного комплекса предподготовки образцов. Удельная площадь поверхности полученных мембран оксида алюминия составила 15,30,2 м 2/г. Морфология поверхности и поперечного скола образцов, полученные на сканирующем электроном микроскопе 3 , , показаны на фиг.1. Измерения проводились при ускоряющем напряжении 7 кВ, рабочем расстоянии 7 мм в высоком вакууме. На поверхности пленки наблюдаются поры одинакового диаметра 50 нм и с расстоянием между порами около 105 нм (фиг.1 а). На поперечном сколе образца (фиг.1) видны параллельные прямые каналы, расположенные перпендикулярно поверхности. Сорбция молекул красителя родамин 6 Ж в поры осуществлялась путем выдерживания пленок оксида алюминия в этанольном растворе люминофора с исходной концентрацией С 10-4 моль/л в течение 5 часов с последующим высушиванием пленок в сушильном шкафу при температуре 100 С в течение 1 часа. Количество сорбированных молекул в поры оксида алюминия составляло 0,31014 моль/м 2. Количество адсорбированных молекул люминофора определяли по изменению оптической плотности раствора до и после сорбции с помощью уравнения где- объм раствора, С - концентрация раствора красителя, 1 и 2 - оптическая плотность раствора до и после сорбции,- удельная поверхность пористого оксида алюминия,число Авогадро (6,0221023 моль-1), М - молярная масса красителя (479 г/моль). Измерения спектров поглощения растворов и флуоресценции молекул красителей в пленке проводились на спектрометре СМ 2203 (,Белоруссия). На фиг.2 показаны спектры поглощения и флуоресценции молекул родамина 6 Ж, внедренных в каналы пористой матрицы. Из рисунка видно, что полоса поглощения красителя в матрице имеет максимум на длине волны 524 нм. Фотовозбуждение флуоресценции красителя осуществлялось в полосе поглощения люминофора на длине волны равной 520 нм. Спектр флуоресценции имеет максимум на длине волны 572 нм. В порах оксида алюминия квантовый выход флуоресценции родамина 6 Ж,определенный методом де Мелло для расчета абсолютного квантового выхода смешанных систем,составил Ф 0,52. Для измерения характеристик вынужденного излучения пленок была собрана установка, блоксхема которой приведена на фиг. 3. Спектральные характеристики были изучены при возбуждении образцов второй гармоникойлазера (1)(215, ген 532 нм, Еимп 90 мДж,10 нс) в продольном варианте. Резонатор был образован двумя стеклянными пластинами между которыми помещалась пленка (5). Излучение накачки, пройдя диафрагму (3) с помощью линзы(4), фокусировалось на поверхность пленки в виде круга площадью 0,13 см 2. Плотность мощности накачки варьировалась с помощью нейтральных светофильтров (2) и составляла 0,01-1 МВт/см 2. Вынужденное излучение с помощью собирающей линзы (6) фокусировалось на вход оптоволокна спектрометра -2048. Спектры генерации были измерены на спектрометре-2048 (7), подключенному к компьютеру (8). Вынужденное излучение молекул красителя в пленке анодного оксида алюминия получено в максимуме полосы флуоресценции (фиг.4). Как видно из фиг.4 при плотности мощности источника накачки до 0,2 МВт/см 2 наблюдается лишь спектр лазерно- индуцированной флуоресценции красителя(кривые 1,2). При достижения мощности источника накачки порядка 0,4 МВт/см 2 на фоне спектра лазерно-индуцированной флуоресценции появляется узкая полоса вынужденного излучения с максимумом на длине волны 572 нм (кривая 3). Дальнейшее увеличение плотности мощности источника накачки приводит к увеличению интенсивности и сужению полосы вынужденного излучения. При достижении плотности мощности накачки значения 0,8 МВт/см 2 составляющая вынужденного излучения превалирует над составляющей спонтанного излучения (кривая 4),однако полностью исключить составляющую спонтанного излучения не удается. В таблице 1 приведены генерационные характеристики вынужденного излучения родамина 6 Ж в пористой пленке анодного оксида алюминия. Таблица 1 Данные по генерационным характеристикам вынужденного излучения родамина 6 Ж в пористой пленке анодного оксида алюминия Плотность мощности накачки,МВт/см 2 0,04 0,2 0,4 0,8 Из спектров вынужденного излучения были получены зависимости полуширины полосы излучения (1/2) и интенсивности свечения пленки от плотности мощности накачки (фиг.5). При изменении плотности мощности накачки от 0,1 до 0,8 МВт/см 2 интенсивность излучения в максимуме спектра увеличивается почти в 50 раз, а 1/2 уменьшается в 7,4 раза. Сужение полосы излучения с ростом интенсивности возбуждения свидетельствует о преобладании вынужденного излучения над спонтанным. 4 Сущность полезной модели и достигаемый результат поясняются на следующих чертежах. На фиг.1 представлен электронномикроскопическое изображение пористой пленки анодного оксида алюминия, полученной методом двухстадийного анодирования в 0,3 М растворе щавелевой кислоты при напряжении 40 В а) нижняя сторона оксидной пленки после удаления барьерного слоя, ) поперечный скол. На фиг.2 приведены спектры поглощения и флуоресценции родамина 6 Ж в матрице пористого оксида алюминия. На фиг.3 представлена схема установки для исследования характеристик вынужденного излучения тонких пленок. На фиг.4 показаны спектры излучения молекул родамина 6 Ж в оксиде алюминия при разных плотностях мощности накачки (Р). Концентрация красителя в пленке составляет 0,31014 моль/м 2. На фиг.5 представлена зависимость полуширины спектра вынужденного излучения (1) и ее интенсивности (2) от плотности мощности накачки. ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ Способ получения активного элемента перестраиваемого лазера на красителе, включающий создание матрицы нанопористого оксида алюминия методом электрохимического анодирования с последующей сорбцией молекул красителя родамин 6 Ж, отличающийся тем, что цилиндрические микрорезонаторы поддерживают моды высокой добротности.

МПК / Метки

МПК: H01S 3/14

Метки: активного, элемента, перестраиваемого, лазера, способ, получения, красителе

Код ссылки

<a href="http://kzpatents.com/7-u1709-sposob-polucheniya-aktivnogo-elementa-perestraivaemogo-lazera-na-krasitele.html" rel="bookmark" title="База патентов Казахстана">Способ получения активного элемента перестраиваемого лазера на красителе</a>

Похожие патенты