Б. Л. Князев, С. В. Лебедев, Е. П. Фокин

 

МОЩНЫЙ   ЛАЗЕР   НА   РОДАМИНЕ   6Ж  С   ПОВЫШЕННЫМ  РЕСУРСОМ   РАБОТЫ

 

 

Описан лазер на растворе родамина 6Ж в изопропиловом спирте с накачкой коаксиальной импульсной лампой с энергией генерации до 8 Дж. Приводятся результаты исследования фотохимической устойчивости растворов родамина 6Ж в зависимости от спектрального состава излучения накачки. Благодаря оптимальному выбору растворителя, фильтра для излучения накачки, а также использованию в конструкции лазера ранее экспериментально апробированных узлов, достигнут практический ресурс работы, превышающий ресурс известных аналогичных лазеров (практически не требуется обслуживания при эксплуатации). Приведены рабочие характеристики лазера и динамика их изменения в течение трехлетнего периода его использования в прикладных целях. В режиме работы с энергией генерации ~ 5 Дж за импульс ресурс работы лазера без разборки и замены активной среды превышает 1500 импульсов, что соответствует интегральному освечиванию активной среды свыше 2 кДж/см³.

 

 

1. Введение

 

Мощные лазеры на красителях с ламповой накачкой описаны в [1-12]. Наиболее характерными параметрами таких лазеров, определяющимися электрическими и излучательными свойствами импульсных ламп и особенностями фотофизических процессов в растворах красителей, являются: энергия генерации Е~ 1—10 Дж (при КПД ~ 0,1—1 %) и длительность импульса t ~ 1—10 мкс.
Указанные параметры с учетом возможности перестройки длины волны генерации, казалось бы, должны были обеспечить широкое применение лазеров этого типа в самых различных областях. Тем не менее в отличие от маломощных (непрерывных или импульсных) лазеров на красителях, мощные лазеры не получили широкого распространения.
Причина этого очевидна — всякое устройство может быть практически использовано для каких-либо приложений (т. е. в качестве «прибора») лишь в том случае, если, во-первых, его обслуживание не требует слишком большого рабочего времени и высокой квалификации обслуживающего персонала и, во-вторых, его выходные параметры стабильны в течение длительного времени.
Существующие лазеры на красителях с энергией генерации ~ 5 Дж не удовлетворяют этим требованиям, главным образом, вследствие быстрого фотохимического распада активной среды (практически за один импульс), что приводит к непрерывному снижению энергии генерации и к необходимости частой замены дорогостоящей активной среды [13—16]. Поэтому основной проблемой является проблема фотохимической устойчивости, решению которой мы уделили особое внимание.
В процессе многолетней эксплуатации были испытаны несколько различных лазеров [17—19], позволившие конструктивно отработать различные узлы в виде, наиболее удобном для практического применения. Результатом этой работы, а также работы по повышению фотохимической устойчивости активной среды является описываемый в настоящей работе коаксиальный лазер (далее именуемый Л1), который практически является прибором в упомянутом выше смысле и обладает более высоким (по сравнению с аналогами) ресурсом работы. В наши цели не входило получение предельных параметров или рекордных КПД. Основное достоинство лазера — возможность длительной работы без изменения его характеристик.

 

 

2. Исследование  фотохимической  устойчивости  растворов родамина 6Ж

 

Одним из основных недостатков мощных лазеров на красителях, ограничивающим их применение, является низкая фотохимическая устойчивость активных сред. И хотя благодаря целому ряду работ [14, 20—27 и др.], в которых исследовались кинетика и механизмы фотохимических процессов, определенный уровень понимания уже достигнут, тем не менее, он еще далек от полноты.
Особый интерес представляет фотохимическая устойчивость растворов родаминов 6Ж (6G) и Ж (G), до сих пор являющихся наиболее часто используемыми красителями. В работе [18] нами было показано, что растворы родамина 6G фирмы «Вауеr», в изопропаноле обладают существенно более высокой фотохимической устойчивостью, чем обычно используемые этанольные растворы. При дальнейших исследованиях оказалось, что этот краситель был недостаточно чист, поэтому последующие более подробные исследования были выполнены с растворами очищенного (способ очистки описан в [19]) родамина 6Ж марки КДМ, энергия генерации которого при идентичных условиях была в 5 раз больше. Специальные контрольные опыты показали, что генерационные характеристики растворов этого красителя, как минимум, не уступают генерационным характеристикам растворов красителя родамин 6G фирмы Eastman Kodak.
Для того чтобы выбрать оптимальный жидкостный фильтр для коаксиального лазера, нами были проведены специальные исследования на менее мощном лазере с ламповой накачкой, далее именуемом Л2, позволяющем работать с малым объемом активной среды.
Были исследованы зависимости энергии генерации от номера импульса при разных жидкостных фильтрах, окружающих кювету. Накачка растворов осуществлялась двумя лампами ИФП-1200. Длительности импульсов накачки и генерации равны соответственно 10 и 7 мкс; энергия накачки Е_н = 500 Дж. Рабочий объем кварцевой кюветы с красителем V_к = 4,6 см³. После каждого импульса краситель перемешивался (в контакте с атмосферой) с красителем из небольшого резервуара. Полный объем раствора красителя составлял 18 см³. В качестве растворителя использовался изопропиловый спирт марок Х.Ч. или Ч.Д.А. Жидкостный фильтр (толщина 2 мм) общим объемом 1000 см³ прокачивался после каждого импульса в замкнутом контуре. Каждый последующий импульс производился только после полного восстановления оптической однородности активной среды, что контролировалось с помощью Не—Nе- лазера по восстановлению картины кон­центрических колец при интерференции его излучения, отраженного от обоих зеркал резонатора. В эксперименте одновременно регистрировались энергия генерации E, форма импульса генерации и спектр генерации.
Зависимости энергии генерации от номера импульса N приведены на рис. 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Зависимость энергии генерации Е раствора родамина 6Ж в изопропаноле (1,8* 10^-4 моль/л) в кварцевой кювете от номера импульса N при пропускании накачивающего излучения через различные фильтры (1 — вода; 2 — изопропиловый спирт; 3 — NaN0₃; 4 — CuS0₄; 5 — стекло). Освечивание за импульс составляло 110 Дж/см³ (по энергии, запасенной в конденсаторе). Справа схематически показаны спектры поглощения фильтров и спектр поглощения родамина 6Ж в изопропаноле до (6) и после (7) облучения.

 

Видно, что если излучение накачки проходит через водяной фильтр, то энергия генерации от импульса к импульсу экспоненциально спадает и к 8-му импульсу генерации прекращается. Если в качестве фильтра использовать изопропанол, энергия генерации уменьшается гораздо медленнее, что указывает на важную роль поглощения УФ излучения накачки самим растворителем. Если фильтрами служат CuS0₄ или NaN0₃, исключается поглощение излучения накачки третьим синглетом S₃ родамина 6Ж, а стеклянный фильтр ограничивает поглощение света вторым синглетом S₂. Фотоустойчивость раствора в этих случаях все больше возрастает, тогда как начальная энергия генерации практически одинакова при всех фильтрах. На рис. 2 показано интегральное освечивание, отнесенное к полному объему красителя, при котором Е падает вдвое, в зависимости от границы пропускания фильтра λ_ф.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Интегральное освечивание соответствующее падению энергии генерации вдвое, в зависимости от коротковолновой границы пропускания фильтров излучения накачки

 

       

Из рис. 1 видно, что в отличие от всех описанных в литературе [14— 16, 28] зависимостей Е(/V) (растворы в этаноле и метаноле с Н₂0) в нашем случае Е спадает не по экспоненте, а в случае стеклянного фильтра вначале даже наблюдается рост Е. Слабое уменьшение энергии генерации в области плато (CuS0₄) в равной мере связано с небольшим уменьшением и амплитуды, и длительности генерации, тогда как дальнейший резкий спад Е обусловлен в основном уменьшением амплитуды, причем длина волны генерации (597 нм) постоянна в течение всей серии. Оптическая плотность облученных растворов в максимуме S₁ уменьшалась к 30-му импульсу не более чем на 3 %, но в области ниже 350 нм появлялись сильные полосы поглощения фотопродуктов. Обнаружено, что в наших условиях при стеклянном светофильтре  энергия генерации раствора родамина 6Ж в абсолютном этаноле спадает в зависимости от N в 1,5 раза быстрее, чем в случае изопропанольного раствора.
Основные практические выводы, вытекающие из проведенных экспериментов, состоят в следующем:
растворы родамина 6Ж в изопропаноле фотохимически более устойчивы, чем растворы в этаноле;
использование фильтров, обрезающих УФ часть излучения накачки, более чем на порядок увеличивает время жизни изопропанольных растворов при сохранении энергии генерации (в первом импульсе) практически той же, что и при возбуждении полным светом ламп.

 

3. Конструкция  и  рабочие  характеристики  коаксиального лазера

 

Конструкция лазера приведена на рис. 3.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Конструкция коаксиального лазера Л2 и электрическая схема:
1 — кювета с красителем
2 — кварцевые трубки, в кольцевом зазоре между которыми зажигается разряд
3 — кольцевые электроды
4 — обратный токопровод (корпус лазера)
5 — изолятор (капролон)
6 — пленочный изолятор (полипропилен)
7 — диэлектрическое зеркало или окно
8 — уплотнение из силиконовой резины, одновременно служащее упругим элементом юстировочного устройства
9 — трубка для прокачки раствора красителя
10 — трубка для прокачки жидкостного фильтра
11 — токоподводящие медные шины

 

 

Раствор родамина 6Ж в изопропиловом спирте находится в стеклянной кювете диаметром 8 мм и длиной 32 см. Вокруг кюветы в трехмиллиметровом зазоре прокачивается дистиллированная вода, охлаждающая систему. Импульсный разряд зажигается после подачи напряжения на коаксиальный разрядный промежуток между двумя кварцевыми трубками. Наружная трубка окружена отражающим излучение накачки спрессованным порошком окиси магния. Коаксиальный разрядный промежуток откачивается через ловушку с жидким азотом до давления 1 Па и заполняется ксеноном до оптимального давления 10 кПа. Конденсаторная батарея емкостью 8 мкФ разряжается на промежуток через управляемый воздушный разрядник тригатронного типа. Вся электрическая цепь — малоиндуктивная.
Резонатор лазера образован плоскими диэлектрическими зеркалами. Максимальная энергия генерации достигается, когда выходным зеркалом служит ненапыленное окно кюветы. Используя выносные зеркала и варьируя их коэффициенты отражения, можно управлять расходимостью лазерного излучения за счет некоторого снижения энергии генерации. Юстировка зеркал резонатора производится за счет упругости уплотнения из силиконовой резины и не нарушается в течение сотен импульсов.
После каждого импульса раствор красителя прокачивается в замкнутой системе, показанной на рис. 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Система прокачки:
1 — сильфонный насос (нержавеющая сталь)
2 — фильтр из пористой нержавеющей стали ФНС-4
3 — обратные клапаны
4 — лазерная кювета или рубашка с жидкостным фильтром
5 — резервуар объемом 1л
6 — электродвигатель

 

 

Объем раствора красителя составляет 1000 см³, оптимальная концентрация 2,5*10^-4 моль/л. Чтобы исключить макроскопические примеси, прокачка раствора осуществляется через фильтр из пористой нержавеющей стали с размером пор 4 мкм. Все элементы, контактирующие с раствором красителя, изготовлены только из нержавеющей стали, стекла, фторопласта и силиконовой резины.
Применение прокачки раствора позволяет стабильно получать максимальную (для заданной энергии накачки) энергию генерации при частоте повторения 1 импульс в 5 мин, но позволяет работать с частотой 1 импульс в 15—20 с за счет некоторого уменьшения энергии генерации и увеличения расходимости.
Форма импульсов излучения накачки и генерации показана на рис. 5, а зависимость энергии генерации от энергии накачки — на рис. 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Вверху — импульс генерации коаксиального лазера, внизу—импульс излучения ламп накачки (в отсутствие красителя).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Энергия генерации Е коаксиального лазера Л1 в зависимости от энергии накачки Е_н при давлении ксенона 5 кПа и концентрации 2* 10^-4 моль/л. Резонатор образован кварцевым окном кюветы и 100 %-зеркалом, расположенным на расстоянии 4 см от второго окна кюветы. При приближении зеркала к этому окну вплотную энергия генерации несколько возрастает (темная точка).

 

 При энергии накачки 2,5—3 кДж изредка происходит разрушение стенок разрядного промежутка, чего никогда не происходит при Е_н ≤ 2 кДж. КПД генерации по отношению к энергии, запасенной в конденсаторах, составляет около 0,3 %.

 

4. Ресурс  работы  лазера

 

Описанный выше коаксиальный лазер в течение трех лет использовался нами для импульсного испарения металлических мишеней в плазменном эксперименте [9]. О степени надежности и ресурсе работы лазера можно судить, например, по типичной серии экспериментов, длившейся с перерывами 10 месяцев (с сентября по июнь), в течение которой лазер работал без разборки и замены активной среды. За это время было сделано более 1500 зарегистрированных импульсов при энергии накачки ~ 1,5 кДж за импульс. Энергия накачки ограничивалась потребностями эксперимента, а не лазером.
Отметим здесь, что подъюстировка резонатора проводилась, в среднем, не чаще одного раза в месяц. К концу серии энергия генерации уменьшилась в 2,2 раза. Это уменьшение, по-видимому, обусловлено в основном образованием непрозрачного белого налета на внутренних стенках ламп накачки, тогда как генерационные характеристики раствора изменялись мало. Действительно, после замены кварцевых трубок энергия генерации поднялась почти до прежнего уровня. Однако такое сравнение условно, так как сразу после переборки, как показывает опыт, уровень энергии генерации красителей может измениться. Поэтому, чтобы избежать переоценки ресурса работы лазера, не будем разделять эффект фотохимической деградации и влияние непрозрачного налета, а примем в соответствии с вышеизложенным, что уменьшение энергии генерации в лазере Л1 вдвое соответствует освечиванию свыше 2 кДж/см³. Это больше, чем для лазера Л2. Разница может объясняться либо неконтролируемыми примесями, различными для этих лазеров, либо образованием в процессе фотолиза макроскопических взвесей, удаляемых фильтром при наличии системы прокачки, отсутствовавшей в лазере Л2, либо разницей в спектрах поглощения стеклянных трубок-кювет.
Представляет интерес сравнить реализованный в настоящей работе практический ресурс работы лазеров (коаксиального и с накачкой лампами ИФП-1200) с немногочисленными литературными данными о фотохимической устойчивости растворов родамина 6Ж и Ж в лазерах с ламповой накачкой (см. таблицу).

 

 

 

 

 

 

В качестве параметров, характеризующих фотоустойчивость растворов, естественно выбрать удельное интегральное освечивание раствора E_HN*IV и интегральную удельную энергию генерации

 

 

 

 Здесь N* — количество импульсов, после которого энергия генерации уменьшается вдвое, V — полный объем раствора.
Из таблицы следует, что коаксиальный лазер Л1 обладает наибольшим ресурсом как по одному, так и по другому параметру. Из остальных работ наилучший результат получен в [28], где также использовался стеклянный фильтр. Однако этот результат получен на маломощном лазере (Е = 0,06 Дж).

 

5. Заключение

 

Созданный и отработанный в условиях реального применения коаксиальный импульсный лазер на растворе родамина 6Ж обладает высоким практическим ресурсом работы и требует минимального обслуживания.
Основными факторами, обеспечивающими это, являются:
1) удачное конструктивное решение отдельных узлов лазера, включая систему прокачки
2) использование в качестве растворителя изопропилового спирта
3) специальная очистка родамина 6Ж
4) использование стеклянной кюветы для обрезания УФ части излучения накачки
5) прокачка раствора с удалением микрочастиц фильтром из пористой нержавеющей стали с диаметром пор 4 мкм
6) использование материалов, не вносящих примеси в раствор.

 

 

 

1. В.К. Гончаров, Л.Я. Минько, С.А. Михнов, В.С. Стрижнев. Квантовая электроника, № 5, 112 (1971).

2. Дж. Бункенбург . ПНИ, № 11, 55 (1972).

3. С.А. Михнев, В.С. Стрижнев. ЖПС, 17, 38 (1972).

4. P. Anliker, М. Gassman, Н. Weber. Optics Comms, 5, 137 (1972).

5. P. Burlamachi, R. Pratesi. Appl. Phys. Letts, 23, 475 (1973).

6. P. Burlamachi, R. Pratesi. Optics Comms, 11, 109 (1974).

7. M.И. Дзюбенко, И.Г. Науменко, В.П. Пилипенко, С.Е. Солдатенко. Письма в ЖЭТФ, 18, 43 (1973).

8. С.С. Ануфрик, В.А. Мостовников, А.Н. Рубинов, В.Ф. Воронин, Г.Р. Гиневич. В кн.: Квантовая электроника и лазерная спектроскопия.—Минск; Наука и техника, 1974, с. 5.

9. Ю.Г. Аникеев, Р.Г. Вдовченко, С.Н. Теленин. Квантовая электроника, 2, 7. (1975).

10. B.C . Стрижнев. Квантовая электроника, 2, 191 (1975).

11. М. Maeda, О. Uchino, Т. Okada, Y. Miyazoe. Japan. J. Appl. Phys.,14, 1975 (1975).

12. M. Maeda. Appl. Phys., 15, 191 (1978).

13. F.P. Schafer. In: Tunable lasers and applications. Berlin — Heidelberg — N.-Y., Springer-Verlag, 1976, p . 50.

14. В.А. Мостовников, A.H. Рубинов, Г.P. Гиневич, С.С. Ануфрик, А.Ф. Абрамов. Квантовая электроника, 3, 2064 (1976).

15. D. Basting, D. Ouw, F.P. Schafer. Optics Comms, 18, 260 (1976). 16. В.И. Атрощенко и др. ЖПС, 27, 226 (1977).

17. B.C . Бурмасов, Г.Г. Долгов-Савельев, Б.А. Князев, Е.П. Фокин. ЖПС, 19, 545 (1973).

18. Б.А. Князев, С.В. Лебедев, Е.П. Фокин. Квантовая электроника, 6, 2028 (1979).

19. Б.А. Князев, Б.И. Куликов, С.В. Лебедев, Е.П. Фокин. Препринт № 80-208, И ЯФ СО АН СССР, Новосибирск, 1980.

20. В.Е. Коробов, А.К. Чибисов. Химия высоких энергий, 10, 177 (1976).

21. В.Е. Коробов, Т.Д . Славнова, А.К. Чибисов. ЖПС, 26, 841 (1977).

22. Г.Р. Гиневич, С.С. Ануфрик. Труды II Всесоюз. конф. «Лазеры на основе сложн. органич. соед. и их прим.», Душанбе, 1977, с. 65.

23. Л.М. Груджиян, О.Л. Калия, Н.С. Лебедева, О.Л. Лебедев,Т.Н . Фесенко. Там же , с. 68.

24. В.В. Рыльков. Там же , с. 70.

25. В.Е. Коробов, А.К. Чибисов. Там же , с. 186.

26. Л.М. Груджиян, Н.С. Лебедев, О.Л. Калия, О.Л. Лебедев, Е.А. Лукьянец. ЖПС, 31, 665 (1979).

27. В.С. Шевалдин, А.В. Аристов. Оптика и спектроскопия, 48, 62  (1980).

28. S. Chu, R.W. Smith. Optics Comms, 28, 21 (1979).

29. В.A. Knyazev, S.V. Lebedev. Proc. XV Intern. Conf. Phen. in Ionized Gases, Minsk, 1981, p. 807. Институт ядерной физики