Волоконно-оптический лазер на красителе в полимере

 

Использование: в квантовой электронике, в волоконно-оптических лазерах на красителях. Сущность изобретения: лазер содержит источник оптической накачки и лазерный активный элемент, выполненный в виде оптического волокна из полимерного материала, включающего ядро с введенным в него красителем и оболочку, показатель преломления которой меньше показателя преломления ядра. Особенность лазера состоит в том, что в качестве материала оболочки использован фторированный полиметилметакрилат на основе тетрафторакрилата, а в качестве материала ядра - полиметилметакрилат или сополимер метилметакрилата с метакриловой кислотой. Приведены количественные соотношения красителей - родамина 6Ж, родамина С и кумарина 30, введенных в ядро. Накачка осуществляется некогерентным источником. Изобретение позволяет повысить энергетические характеристики лазера и расширить спектральный диапазон генерации при одновременном упрощении конструкции лазера и снижении его массогабаритных характеристик. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к квантовой электронике.

Известен волоконно-оптический лазер [1], в котором в качестве активного элемента используется кварцевый капилляр с расположенным внутри него кварцевым волокном, между которыми введен спиртовой раствор родамина, причем оптическая накачка осуществляется азотным лазером.

Недостатком указанной конструкции является низкий ресурс работы лазера.

Известен также лазер [2, 3], в котором активный элемент выполнен в виде пластмассового оптического волокна, содержащего оболочку и ядро из полистирола, в которое введен краситель, причем материалы оболочки и ядра подобраны таким образом, чтобы показатель преломления оболочки был меньше показателя преломления ядра. За счет указанной разницы в показателях преломления реализуется эффект полного внутреннего отражения в ядре и излучение генерации распространяется вдоль волокна. Накачка осуществляется азотным лазером. Оба торца волокна полированы, и на один из них нанесен слой стекла с алюминиевым покрытием, которое служит выходным зеркалом. Указанная конструкция активного элемента позволяет создать лазерные системы без линз ввода-вывода излучения и монохроматора.

Недостатком конструкции, выбранной в качестве прототипа [3], являются недостаточно высокие энергетические характеристики. Причина недостатка состоит в следующем. В качестве материала ядра оптического волокна, служащего активным элементом, использован полистирол, в котором практически не растворяются красители, являющиеся наиболее эффективными лазерными средами, - родамины и оксазины, а другие имеют ограниченную растворимость, недостаточную для создания концентрации красителя, обеспечивающей максимальный лазерный эффект, что существенно ограничивает диапазон лазерного излучения. Кроме того, полистирол имеет низкую прозрачность в УФ-диапазона спектра, что приводит к потерям излучения накачки, быстрому старению ядра и, как следствие, снижению ресурса лазера. Использование красителей, растворимых в полистироле, допускает применение только когерентной оптической накачки (в данном случае накачки азотным лазером), что накладывает ограничения на длину активного элемента (в данном случае 2 см) и, следовательно, на повышение энергии генерации за счет увеличения длины активного элемента.

Техническая задача - повышение энергетических характеристик лазера, расширение диапазона генерации при одновременном упрощении конструкции и снижении массогабаритных характеристик.

Техническая задача достигается тем, что в качестве материала ядра оптического волокна, служащего активным элементом лазера, использован полиметилметакрилат или его сополимер с метакриловой кислотой в соотношении 90: 10, в который введен краситель, а в качестве материала оболочки - фторированный полиметилметакрилат на основе тетрафторпропилфторакрилата. Диаметр ядра 1 мм, а толщина оболочки не более 0,2 мм. Показатель преломления материала оболочки 1,45, а ядра 1,49.

Применение указанного материала ядра позволит вводить в него с равномерным по объему ядра заполнением следующие красители - кумарин 30, родамин 6Ж и родамин С.

Предлагаемое оптическое волокно обеспечивает генерацию в желто-красном диапазоне спектра - 480-620 нм при накачке некогерентным оптическим источником, что дает возможность использовать более протяженное по сравнению с прототипом волокно и, следовательно, обеспечивает при прочих равных условиях повышение энергии генерации.

Масса лазера уменьшается более чем в 5 раз, а габариты в 6 раз.

Результаты измерений энергии лазерного излучения предлагаемого лазера в зависимости от концентрации красителей приведены в таблице.

Использование в ядре предлагаемого оптического волокна красителя типа кумарина 30 в концентрации, меньшей 0,05 мас.%, недопустимо, так как в этом случае энергия генерации уменьшается более чем на 10%. При увеличении содержания красителя свыше 0,1 мас.% энергия генерации также уменьшается. Оптимальный диапазон концентраций красителей типа родамина 6Ж и родамина С составляет 0,01-0,02 и 0,045-0,06 мас.% соответственно.

Изобретение поясняется следующими примерами.

П р и м е р 1. Волоконно-оптический лазер содержит излучатель, образованный лампой накачки типа ИНП-4-5/75 и оптическим волокном длиной 150 мм, содержащим ядро диаметром 1 мм из окрашенного кумарином 30 полиметилметакрилата с величиной показателя преломления n_D = 1,49 и оболочку из фторированного полиметилметакрилата на основе тетрафторакрилата с n_D = 1,45. Энергия разряда в импульсе лампы накачки 28 Дж. Длина волны генерации 480-500 нм измеряется с помощью монохроматора МДР-23 и ФЭУ-79. При последовательном изменении концентрации красителя от 0,05 до 0,1 мас.% получают энергию генерации 7,3-8 мДж.

П р и м е р 2. Волоконно-оптический лазер по примеру 1, но ядро изготовлено из сополимера метилметакрилата с метакриловой кислотой (90:10), окрашенного родамином 6Ж. Длина волны генерации 570-600 нм. При последовательном измерении концентрации красителя от 0,005 до 0,02 мас.% получают энергию генерации 3,6-4 мДж.

П р и м е р 3. Волоконно-оптический лазер по примеру 2, но ядро изготовлено из сополимера, окрашенного родамином С. Длина волны генерации 610-620 нм. При последовательном изменении концентрации красителя от 0,045 до 0,06 мас.% получают энергию генерации 2,25-2,5 мДж.

Формула изобретения

1. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР НА КРАСИТЕЛЕ В ПОЛИМЕРЕ, содержащий источник оптической накачки и лазерный активный элемент в виде оптического волокна из полимерного материала, включающего в себя ядро с введенным в него красителем и оболочку, показатель преломления которой меньше показателя преломления ядра, отличающийся тем, что в качестве материала оболочки использован фторированный полиметилметакрилат на основе тетрафторакрилата, в качестве материала ядра - полиметилметакрилат или сополимер метилметакрилата с метакриловой кислотой в соотношении 90 : 10, а в качестве источника оптической накачки - некогерентный источник света.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве красителя использован кумарин-30 в количестве 0,05 - 0,1 мас.%.

3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве красителя использован родамин 6Ж в количестве 0,005 - 0,02 мас.%.

4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве красителя использован родамин С в количестве 0,045 - 0,06 мас.%.

РИСУНКИ

Рисунок 1