Способ очистки активной среды жидкостного лазера

 

Использование: в квантовой электронике, в частности в перестраиваемых лазерах на красителях. Сущность изобретения: активная среда жидкостного лазера на основе кумариновых красителей после облучения прокачивается через слой гранулированного сорбента, предварительно насыщенного исходной активной средой до установления равновесия. В качестве сорбента используют или оксид циркония, содержащий оксид титана, или твердые растворы оксида циркония с одним из оксидов металлов, выбранных из группы: иттрий, редкоземельные элементы, кальций, магний. 2 табл.

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к перестариваемым лазерам на красителях.

В настоящее время жидкостные перестраиваемые лазеры на основе растворов органических соединений уже находят применение в различных областях науки и техники. Однако их применение было бы еще более широким, если бы их ресурс работы (при сохранении высокой эффективности преобразования) был более высоким. Наиболее активные фотостабильные среды сине-зеленого диапазона спектра, например, обеспечивают ресурс работы при падении КПД преобразования в 2 раза 300 Дж/см³ (энергия, вкачанная в 1 см³ раствора). Многокомпонентные смеси на основе этанольных растворов кумарина 102 позволяют повысить ресурс до 1 кДж/см³. Однако с появлением высокоэнергетических (энергия в импульсе > 1 Дж) частотных (частота повторения до 1 кГц) лазеров накачки, в частности на хлориде ксенона, такого ресурса активной среды явно недостаточно для создания мощных лазерных систем. Необходимо повысить его не менее чем на порядок (до 10-50 кДж/см³).

Известно использование как механических фильтров в системе прокачки жидкостных лазеров, предназначенных для очистки раствора красителей от макрочастиц, появляющихся в процессе работы вследствие износа металлических деталей насоса и т.д., так и специальных фильтров, способных очищать активную среду от образовавшихся фотопродуктов [1].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является использование для очистки среды жидкостного лазера оксида алюминия [2]. Недостатком указанного сорбента является его малая эффективность очистки активной среды от продуктов фотолиза, накопление которых снижает ресурс работы жидкостного лазера. Кроме того, в процессе работы лазера вследствие фотораспада происходит падение концентрации активного вещества, это сопровождается уменьшением коэффициента усиления, а следовательно, КПД генерации. Использование оксида алюминия не позволяет стабилизировать концентрацию активного вещества в процессе работы лазера.

Целью изобретения является увеличение ресурса работы активной среды вследствие ее регенерации и очистки.

Цель достигается тем, что активная среда после облучения пропускается через сорбент, предварительно насыщенный раствором исходной активной среды до установления равновесия, а в качестве сорбента используется или оксид циркония, содержащий оксид титана, или твердые растворы оксида циркония с одним из оксидов металлов, выбранных из группы: алюминий, иттрий, редкоземельные элементы, кальций, магний.

Вследствие этого образовавшиеся при обучении активной среды фотопродукты поглощаются сорбентом и концентрация активных молекул восстанавливается, так как сорбент был предварительно насыщен до установления равновесия и он его поддерживает. Это приводит к увеличению ресурса работы лазера.

Сущность изобретения поясняется следующими примерами.

П р и м е р ы 1-3. Спиртовый раствор красителя кумарин 102 с концентрацией С = (1,6-8)х10^-3 моль/л был облучен эксимерным лазером на хлориде ксенона со средней мощностью накачки W_н = 10 МВт/см².

Измерялись КПД генерации и оптическая плотность раствора на длине волны генерации ( λ = 477 нм).

Через колонку с сорбентом, предварительно промытым спиртом, пропускался исходный раствор кумарина 102 до выравнивания концентраций кумарина на входе и выходе из колонки (стадия насыщения сорбента). Диаметр колонки 10 мм, объем загрузки сорбента 2 см³. Затем через колонку с насыщенным красителем со скоростью 60 мл/мин 10 раз пропускался облученный раствор красителя. Характеристики исходного, облученного и регенерированного растворов приведены в табл.1.

Из данных табл.1 следует, что при облучении рабочего раствора вследствие появления фотопродуктов фотолиза происходит увеличение поглощения на длине волны генерации ( λ = 477 нм) и снижение вследствие этого КПД генерации в среднем в два раза. Последующее пропускание облученного раствора через колонку с сорбентом приводит к снижению концентрации продуктов фотолиза (уменьшение Д₄₇₇) и повышению КПД генерации практически до исходного значения.

Проведено испытание сорбентов в системе прокачки.

П р и м е р ы 8-12. В систему прокачки жидкостного лазера объемом V = 20 см³ (этанольный раствор кумарина 102, С = 10^-3 моль/л) включалась колонка с сорбентом Z₂O₂, содержащим различные количества красителя. Для сравнения проводили аналогичный эксперимент без колонки с сорбентом. Полученные данные приведены в табл.2.

Параметры облучения и условия прокачки описаны в предыдущем примере.

Показано, что в активной среде без сорбента (пример 4) за два часа эксперимента произошло падение КПД генерации с 12 до 8,1%. Ресурс лазера (время уменьшения КПД в два раза) составил 3 ч. Кроме того, зафиксировано увеличение поглощения на λ = 477 нм до 0,036 и уменьшение оптической плотности в максимуме полосы поглощения кумарина 102 ( λ = 390 нм) с 1,24 до 1,0, Если в колонку загружен сорбент, не насыщенный красителем, ресурс работы лазера уменьшается за счет поглощения сорбентом самого красителя, хотя и имеет место сорбция фотопродуктов (пример 5). При использовании сорбента, насыщенного красителем, ресурс работы лазера возрастает линейно с ростом концентрации красителя (примеры 6-8). Верхний предел по концентрации красителя определяется емкость сорбента и зависимостью начального КПД генерации от концентрации. При концентрации 1,5 мг/г начальной КПД генерации уменьшился по сравнению с оптимальным на 20%, хотя в то же время ресурс лазера возрос (пример 8).

При содержании красителя в сорбенте 0,1-1 мг/г происходит более медленное падение концентрации активного компонента, уменьшение концентрации фотопродуктов и возрастание ресурса активной среды. Так, при концентрации красителя 1 мг/г (пример 7) за 6 ч. 30 мин. эксперимента КПД генерации упал с 12 до 10,6% , оптическая плотность при λ = 390 нм уменьшилась до 1,12, Д₄₇₇ увеличилась до 0,023.

Ресурс среды возрос в 10 раз и составил 31 ч.

Таким образом, предлагаемый способ очистки существенно позволяет увеличить ресурс активной среды и может быть использован во всех промышленных жидкостных лазерах.

Формула изобретения

СПОСОБ ОЧИСТКИ АКТИВНОЙ СРЕДЫ ЖИДКОСТНОГО ЛАЗЕРА на основе кумариновых красителей путем прокачки через слой гранулированного сорбента, отличающийся тем, что сорбент предварительно насыщают исходной активной средой до установления равновесия, при этом в качестве сорбента используют или оксид циркония, содержащий оксид титана, или твердые растворы оксида циркония с одним из оксидов металлов, выбранных из группы: алюминий, иттрий, редкоземельные элементы, кальций, магний.

РИСУНКИ

Рисунок 1