Введение к работе
Актуальность темы диссертации. За два с лишним десятилетия с момента создания эксимерных лазеров наибольшее развитие получшш лазеры на моногалогенидах инертных газов, в частности ХеСІ-лазер, активная среда которого наименее агрессивна, имеет больший ресурс работы и обладает наименьшим собственным поглощением по сравнению с другими типами га-логеноносителей. Высокие генерационные характеристики эксимерных лазеров объясняются удачным сочетанием ряда физических факторов, благоприятствующих, с одной стороны, эффективному образованию в активной среде возбужденных эксимерных молекул, а с другой — эффективному преобразованию запасенной энергии в мощное УФ-лазерное излучение.
Важным достоинством эксимерных лазеров является также электроразрядный способ возбуждения, что ставит их вне конкуренции по сравнению с лазерами, возбуждаемыми электронным пучком. Все это стимулировало интерес исследователей к разработке и созданию простых и надежных электроразрядных XeCl-лазеров с параметрами, отвечающими потребностям разнообразных практических применений. Несмотря на большое число публикаций, посвященных изучению и улучшению генерационных характеристик электроразрядных лазеров, к моменту начала выполнения данной работы энергия генерации XeCl-лазеров не превышала 100 мДж. При этом было неясно, какое парциальное соотношение компонент активной среды ХеС1-лазера является оптимальным, каким условиям должна удовлетворять система возбуждения лазера, какие параметры активной среды обеспечивают максимальную энергию генерации и КПД, как обеспечить максимальный энерговклад в газоразрядную плазму, сохраняя при этом однородность разряда в течение нескольких сотен не, как получить гладкий временной профиль импульса генерации. Центральной проблемой, решение которой обеспечивало бы широкое практическое использование электроразрядных эксимерных лазеров, являлась задача получения энергий генерации ~ 1-3 Дж в импульсе при относительной простоте конструкции и высокой надёжности лазера. Необходимость проведения исследования и разработки электроразрядных эксимерных лазеров была обусловлена также тем, что их серийный выпуск в Беларуси и странах СНГ не производился. Для достижения таких параметров были необходимы сравнительные исследования генерационных характеристик эксимерных лазеров с различными составами рабочей смеси, системами возбуждения и предыопизации и различным энерговкладом. Решению данных задач посвящена первая часть диссертации.
Проблема совершенствования параметров и создания высокоэнерге-тичных эксимерных лазеров естественным образом связана с вопросами разработки лазеров на красителях нового поколения, поскольку эксимерные лазеры, и прежде всего ХеСІ-лазер (длина волны которого 308 нм попадает в коротковолновую полосу поглощения большинства красителей), позволяют возбуждать практически все известные красители, генерирующие в видимой и УФ- и даже ИК-областях спектра. Уникальные свойства лазеров на краси-
телях наиболее полно раскрываются при возбуждении их эксимерпыми лазе рами. Это позволяет существенно расширить спектральный диапазон их ра боты и, соответственно, возможности практических применений. Услови ультрафиолетового возбуждения позволяют: более глубоко понять механиз мы и физические принципы преобразования энергии возбуждения СЛОЖНЫМ] органическими соединениями, получать генерацию на новых классах моле кул, установить причины, влияющие на внутри- и межмолекулярные взаимо действия в новых классах лазерных сред - бифлуорофорах и др. Именно прі использовании "эксимерной" накачки в системах многокаскадных лазеров н красителях достигнуты наиболее высокие значения эффективности гелера ции при непрерывной перестройке в спектральном диапазоне 320-1036 нм.
Всё сказанное определило актуальность выбора эксимерных лазерої для накачки и исследования красителей. Несмотря на то, что лазеры на кра сителях достаточно хорошо изучены, современные условия их использовать в лазерной физике, технике и спектроскопии требуют решения ряда новьп задач. В частности: улучшения энергетической эффективности и КПД, суще ственного повышения фотостабильности красителей, равномерного и одно родного заполнения генерируемым излучением оптического диапазона спек тра, дальнейшего расширения спектральной области генерации новыми па зерными средами с более совершенными параметрами. На момент постанов ки данного исследования разработка высокоэффективных лазеров на краси телях как с "эксимерной", так и ламповой накачкой с параметрами, удовлетворяющими современных потребителей, представляла собой весьма актуальную проблему, имеющую большое значение как с научной, так и с практической точки зрения.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Ре зультаты диссертации получены при выполнении следующих государственных Программ: Республиканская программа фундаментальных исследовали* на 1996-2000 годы. "Физические основы лазерной техники и использование оптического излучения" (Квант). Головная организация - Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, научный координатор - академик НАН Апанасевич П.А. Задание "Квант 08" "Исследование активных лазерных сре,я на молекулах эксимеров и красителей и взаимодействие их излучения с атомными системами". Срок выполнения 1.01.96г.-31.12.2000 г. Задание "Квант 49" "Исследование механизмов воздействия мощного лазерного излучения различной протяженности спектра на структуру и динамику возникновения плазменного факела на поверхности различных веществ". Срок выполнения 1.01.96-31.12.2000 гг. Республиканская межвузовская программа "Фундаментальные основы новых лазерных систем и технологии". 1996-2000 г.г. Головной координатор - Международный лазерный центр при МО РБ, г. Минск. Задание "Исследование активных сред лазеров на эксимерах и красителях и использование их излучения для современных технологий". Номер гос. per. №19962772. Срок выполнения 1.01.96-31.12,2000г. Республиканская комплексная программа фундаментальных НИР "Лазеры", 1991-1995 гг. Координатор — Институт физики НАН Беларуси г. Минск. Задание 3.28 "Разра-
ботка и исследование эксимерпых и перестраиваемых лазеров на красителях". Номер гос. per. №0190.0011641. Координатор-Международный лазерный центр при МО РБ. Задание "Исследование механизмов воздействия мощного лазерного излучения короткой длительности на поверхности металлов и других веществ". Номер roc. per. №19961895. Срок выполн. 1.01.91г.-31.12.95г. Программа гособразования СССР "Лазерные системы" 1990-1994 гг. Координационный совет МГУ г.Москва. Задание 01.16. Раздел "Разработка и исследование эксимерных и перестраиваемых лазеров на красителях". Срок выполн. 1.01.90г.-31.12.94г. Республиканская государст. программа "Оптика 2-3 7Б", 1986-90 гг. Головная организация - Институт физики им. Б.И. Степанова НАНБ. Раздел "Разработка и исследование перестраиваемых лазеров видимого и УФ-диапазонов для атомно-флуоресцентного анализа и внутрирезонаторной спектроскопии". Срок выполн. 1.01.86г.-31.12.1990г. А также при выполнении ряда госбюджетных и хоздоговорных НИР: "Исследование систем накачки электроразрядных эксимерных лазеров". Заказчик - Министерство образования РБ. Срок выполнения 1.08.96-31.12.98. Номер гос. per. №19983255. "Исследование, разработка и создание ряда эксимерных лазеров для передатчиков лидарных систем, новых технологий, медицины". Заказчик - Министерство образования РБ. Срок выполнения 1.01.94-31.12.96. Номер гос. per. №19941787. "Малогабаритный эксимер-ный лазер". Заказчик - Центральная аэрологическая лаборатория Госкомгид-ромета СССР г. Москва, 1990 г. "Лазер на красителях с эксимерной накачкой". Заказчик Институт физики АН УССР г. Киев, 1989 г. "Разработка и исследование перестраиваемых ОКГ на красителях с накачкой эксимерньш лазером". НПО "Энергия", г. Калининград, Московской обл. 1988 г. Разработка перестраиваемого лазера на красителях с микросекундной длительностью и малой угловой расходимостью. Институт физики АН БССР. 1987-88 гг. "Разработка и исследование перестраиваемого ОКГ на красителях с ламповой накачкой". Военная Академия им. Ф.Э.Дзержинского, г.Москва, 1985 г. и
Др.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являлось установление и изучение фундаментальных физических процессов, управляющих эффективностью генерации электроразрядных эксимерных лазеров и лазеров на красителях; а также создание на этой основе эксимерных лазеров и лазеров на красителях с более совершенными параметрами. Для достижения этой цели было необходимо: выявить закономерности изменения энергетических и временных характеристик излучения электроразрядных ХеС1-лазеров в зависимости от состава и давления компонент активной среды и параметров используемых систем возбуждения и предыонизации; создать ряд экспериментальных образцов эксимерных лазеров, отличающихся широким диапазоном выходных энергий генерации (от 0,015 до 3 Дж), мало-габаритностью и возможностью управления временными параметрами генерируемого излучения; определить влияние молекулярных факторов и структурной организации молекул родаминовых и кумариновых красителей на их спектральные, генерационные и фотохимические свойства; установить меха-
низмы фотодеструкции растворов красителей и разработать методы повыше ния их энергетической эффективности и ресурса работы; исследовать влш ние и роль термооптических искажений активной среды лазера на прострав ственно-угловые и временные характеристики генерации; разработать и соз дать различные приборные варианты и макеты лазеров на красителях "эксимерной" и ламповой накачкой, обеспечивающие широкий спектраль ный диапазон, высокую эффективность и большую среднюю мощность гене рации.
Объект и предмет исследования. Объектами исследования являлись электроразрядные эксимерные XeCl- и KrF-лазеры и их системы возбужде ния; лазеры на красителях с "эксимерной" и ламповой накачкой, растворь сложных органических соединений — производных родаминовых и кумари новых красителей. Всего изучено -100 соединений, причем половина данны; соединений была синтезирована впервые.
Предметом исследований являлись: установление механизмов и уело вий накачки и генерации эксимерных лазеров, обеспечивающие их макси мальную эффективность; выявление закономерных связей между структур ными факторами родаминовых и кумариновых красителей и их спектрально-люминесцентными и лазерными свойствами; поиск новых высокоэффективных генерирующих красителей; процессы, происходящие в активных средах лазеров на красителях; разработка методов и устройств, обеспечивающих существенное улучшение параметров генерации лазеров на красителях с эксимерной и ламповой накачкой.
Методологии и методы исследования. Для исследования активных сред лазеров и происходящих в них процессов использовались спектральные, люминесцентные и генерационные методы, методы физико-химического анализа, протонного магнитного резонанса, хроматографического контроля. Для анализа работы лазеров и систем накачки применялись методы численного и компьютерного моделирования.
Научная новизна и значимость полученных результатов заключается в том, что: Впервые установлено существование универсального соотношения между парциальными давлениями компонент активной среды НС1 и Хе, при котором энергия генерации XeCl-лазера достигает максимального значения и которое выполняется во всем диапазоне рабочих давлений и не зависит от вида буферного газа и системы возбуждения лазера. Предложены и экспериментально реализованы различные режимы электрического возбуждения XeCl и KrF-лазеров с использованием LC-контура и LC-инвертора, обеспечивающие максимальную эффективность и выходную энергию генерации. Впервые систематически изучена роль и установлено влияние замети-телей различной электронной природы в структуре молекул производных кумарина на их спектрально-люминесцентные и генерационные свойства. В частности показано, что вариация заместителей в 3-м и 7-м положении кумарина позволяет в широких пределах изменять спектральное положение полос поглощения и люминесценции и получать соединения, обладающие высокой генерационной эффективностью и фотоустойчивостью. При этом стабилиза-
ция атома азота в аминокумаринах ядром юлолидина N(CH2)e обеспечивает повышение степени копланарности молекул и, как следствие, значительное возрастание фотостабилъности и энергии генерации. Исследованы спектральные и генерационные свойства производных кумарина со структурой бифлуорофоров. Показано, что наличие в 3-м положении молекулы кумарина акцепторного хромофора на основе солей пирилия позволяет получить достаточно эффективную генерацию в красной и ближней ИК-областях спектра при УФ-возбуждении благодаря внутримолекулярному переносу энергии с донориого на акцепторный хромофор молекулы бифлуорофора. Впервые получена генерация на семнадцати новых бифлуорофорах и детально изучено влияние объёмных гетероциклических радикалов на их спектральные, флуоресцентные и генерационные свойства. Установлено, что самой высокой эффективностью генерации и фотостабильностыо в зеленой области спектра обладают бифлуорофоры, содержащие триазольный и оксадиазольный гете-роцикл. Установлено влияние фенильного радикала и различных ауксохром-ных заместителей в положениях 3,6 ксангенового цикла производных родамина на их спектрально-люминесцентные и генерационные параметры. Методом ПМР-спектроскопии впервые установлено наличие трех пространственных изомеров самого эффективного лазерного красителя родамина Ж, отличающихся спектральными и генерационными свойствами. Установлена роль кислорода и механизм действия тушителей С8Н8 и Сі0Ні2 на генерационные свойства лазерных сред, на этой основе выработаны рекомендации по их использованию для повышения эффективности лазеров на родамиповых красителях. Установлен механизм фотодеструкции этанольных растворов родаминовых красителей. В частности показано, что первичным этапом фотодеструкции растворов родаминов является фоторазложение молекул этанола на уксусную и муравьиную кислоты с выделением атомарного водорода и других продуктов. Эти продукты являются исходными для последующих фотопревращений молекул родаминовых красителей, обуславливающих деградацию их лазерных свойств. Установлена роль молекулярного кислорода как ингибитора фотохимических реакций в этанольных растворах рассмотренных соединений. Показано, что скорость фогораспада активной среды может быть значительно уменьшена за счет фильтрации УФ компоненты накачки или ее спектральной трансформации. Предложен и реализован новый эффективный метод восстановления генерационных свойств растворов красителей, основанный на использовании специальных сорбентов. Выявлены характер и степень влияния термооптических искажений на работу лазера на растворах красителей при ламповом возбуждении. Количественно определена величина потерь, обусловленных данным фактором, предложен ряд эффективных методов уменьшения вредного влияния термооптических искажений активной среды на пространственно-угловые, энергетические и временные характеристики генерации.
Перечисленные выше результаты в значительной степени проясняют требования к активным средам и системам возбуждения эксимерных лазеров и лазеров на красителях, раскрывают механизмы фундаментальных процес-
сов происходящих в молекулах красителей при лазерной и ламповой накач ках, а также позволяют создавать новые соединения с высокими генерацион ными характеристиками и высокоэффективные электроразрядные лазеры і лазеры на красителях.
Практическая значимость полученных результатов состоит:
-
В разработке принципов построения электроразрядных эксимерньс лазеров с параметрами, удовлетворяющими современных потребителей, в ус тановлении критериев выбора и получения новых лазерных сред на основі кумаринових и родаминовых красителей, обеспечивающих существенно! повышение эффективности, фотостабильности и расширение спектральной диапазона генерации.
-
В создании ряда экспериментальных образцов эксимерных XeCl \ RrF-лазеров, отличающихся малогабаритностью и автономностью (лазе]: "Пульсар"); возможностью генерации гладких временных импульсов разноі длительности с энергией 0,5; 1,0; 1,5 Дж при относительной простоте конструкции и высокой надёжности (лазеры "Сайгак"); малой угловой расходимостью ("ХеО-0,5"); большой мощностью и выходной энергией ~3 Дж ("Мощный широкоапертурньш ХеО-лазер").
-
В разработке и создании серии лазеров на красителях: а) с возбуждением эксимерным XeCl-лазером ("ЛК-1","ЛК-2"), отличающихся от аналогої высоким КПД преобразования (~20%) и широкой областью перестройки; б) с ламповой накачкой, отличающихся высокой энергией генерации (5-7 Дж) при возможности перестройки узкой линии генерации (лазеры "Самоцвет" и "Самоцвет-5М"); рекордной средней мощностью (~150 Вт) и эффективностью генерации ("Мощный частотный лазер на красителях"); автономностью питания и малогабаритностью (лазер "Квант-003"); возможностью измерения малых концентраций поглощающих атомов и параметров переходов с высокой чувствительностью ("лазерный спектрометр").
-
В предложении ряда новых методов повышения ресурса и фотостабильности активных сред лазеров на красителях, обеспечивающих их долговременное использование в мощных частотных лазерах и усилителях.
Решение данных проблем позволило значительно расширить сферу практического использования указанных лазеров в спектроскопии, нелинейной оптике, фотохимии, лазерных технологиях, медицине и биологии, метеорологии и контроле окружающей среды. Большинство созданных лазеров защищены авторскими свидетельствами на изобретения и прошли апробацию в различных организациях и НИИ, и в том числе РБ. Среди них: Военная Академия им. Ф.Э.Дзержинского, г. Москва (лазер на красителях "Самоцвет-5М"), Центр экологического приборостроения "БЕЛКА", г. Киев (лазер на красителях "ЛК-1"), Харьковский институт радиоэлектроники АН Украины (эксимерный лазер "ХеО-0,5"), Центральная аэрологическая обсерватория Госкомгидромета СССР, г. Москва (лазер на красителях "Квант", эксимерный лазер "Сайгак"), Государственное предприятие ЛЭМТ, г. Минск (лазер на красителях "Квант-003"), НИИ "Зенит", г. Зеленоград Московской области (частотный лазер на красителях с ламповой накачкой), Институт биохи-
мий HAH РБ, г. Гродно (эксимерный лазер "Пульсар"), Гродненский государственный университет им. Я.Купалы.
Лазеры "Квант-003", "Пульсар", "Самоцвет", "ЛК-1" демонстрировались на Международных (г. Варшава), Республиканских (г. Минск) и областных (г. Гродно) выставках и были отмечены Дипломами и Грамотами.
Экономическая значимость результатов работы заключается в том, что созданные лазеры являются оригинальными, соответствуют мировому уровню, но по стоимости гораздо дешевле. По параметрам генерации лазеры на красителях с ламповой накачкой значительно превосходят свои аналоги (типоряд лазеров ЛЖИ 401-407, г. Зеленоград), лазер на красителях с экси-мерным возбуждением "ЛК-2" по эффективности и КПД генерации соответствуют ВИЛ-10 (г. Тарту, Эстония), FL-2000, SCAN МАТЕ2 (фирма Lambda Physik). Электроразрядные XeCl-лазеры с энергией 0,5-1.5 Дж разработаны при содействии лаборатории Томского Института сильноточной электроники во главе с В.Тарасенко и по эффективности превосходят западные аналоги, но уступают им по частоте следования импульсов и средней мощности. Следует отметить, что лазеры данных типов в республике Беларусь не выпускаются, но как уже отмечалось, их потребность для научных и практических применений исключительно высока.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Универсальное соотношение между парциальными давлениями компонент активной среды НСГ.Хе и режим электроразрядного двухимпульсно-го возбуждения, использование которых позволяет значительно увеличить к.п.д. и энергию генерации XeCl-лазера.
-
Установление факторов молекулярного строения, обеспечивающих управление спектральными, генерационными и фотохимическими свойствами производных кумарина и родамина и позволяющих получать новые высокоэффективные лазерные соединения с наперед заданными свойствами.
-
Новые кумариновые красители, включая бифлуорофоры с внутримолекулярным переносом энергии электронного возбуждения, отличающиеся повышенной фотостабильностью и позволяющие, при использовании их в качестве активной среды лазеров, значительно увеличить эффективность генерации излучения в сине-зеленой области спектра при лазерном и ламповом возбуждении.
-
Действие циютооктатетраена и других добавок, используемых для улучшения генерационных свойств красителей при ламповой накачке, обусловлено не только тушением триплетного состояния, но и увеличением вероятности интерконверсии Ps _т и может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от длительности накачки.
-
Механизм фото деструкции этанольных растворов родаминовых красителей в условиях ламповой накачки состоит в том, что первичным актом фотораспада является фотолиз молекул этанола, продукты, которого затем участвуют в фотореакциях с молекулами красителя; при этом кислород играет роль ингибитора этого процесса.
-
Новые методы увеличения ресурса работы активной среды и улучшения пространственно-угловых характеристик генерации лазеров на красителях с ламповой накачкой, основанные на применении специальных сорбентов и хладоагентов-светотрансформаторов, использовании вакуумной оболочки, окружающей кювету с красителем, статических и динамических методов компенсации искажений волнового фронта.
-
Созданный типоряд макетов эксимерных лазеров и лазеров на красителях с "эксимерной" и ламповой накачкой, в том числе с автономным питанием, обеспечивающих широкий диапазон вариации параметров лазерного излучения и габаритов с учетом современных требований для различных практических применений.
Личный вклад соискателя.
В диссертацию вошли результаты исследований, выполненные автором за время его научной работы по данной теме. Содержание диссертации и основные положения, вьпюсимые на защиту, отражают личный вклад автора в опубликованных материалах. Автору принадлежит идея и выбор направления исследования, разработка методик экспериментов и аппаратуры, включая проведение экспериментальных и теоретических исследований в их основной части, а также обработка и анализ приведенных в диссертации результатов.
На разных этапах работы эксперименты проводились совместно с Ги-невич Г.Р., Абрамовым А.Ф., Шалимо А.Л., Русецким А.П., Никигченко В.М., Зноско К.Ф., Тарковским В.В., Володенковым А.П., Загребой Ю.Н., Картазаевой С.А., Микитчуком Ю.Д, Ивановым Е.Е., Зейликовичем И.С., Пулькиным С.А., Курганским А.Д., Панченко А.Н., Ломаевым М.И., Тара-сенко В.Ф., Шевцовым А.С. Расчеты с Кукушкиным В.Г. и Бояркиной Г.Г. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит постановка задачи и основная часть экспериментальных и теоретических исследований. Новые кумариновые соединения и бифлуорофоры были синтезированы и любезно предоставлены Никитченко В.М. (доц. каф. органической химии, Харьковский госуниверситет).
Апробация результатов диссертации.
Результаты диссертации представлялись в 40 докладах, на следующих научных конференциях, симпозиумах и семинарах: XVII Всесоюзный съезд по спектроскопии, (Минск, 1971), Международная конференция по люминесценции (Ленинград, 1972); VI Всесоюзная конференция по нелинейной оптике (Минск, 1972); Всесоюзная научно-техническая конференция "Газоразрядные источники оптического излучения для накачки лазеров" (Москва, 1974); XXII Всесоюзное совещание по люминесценции (Киев, 1975); І, П, III Всесоюзные конференции "Лазеры на основе сложных органических соединений и их применение" (Минск 1975, Душанбе 1977, Ужгород 1980); XI Всесоюзная конференция по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982); Научно-практическая конференция "Лазеры в когерентной оптике и спектроскопии" (Гродно, 1983); VII Белорусско-литовский семинар "Лазеры и оптическая нелинейность" (Минск, 1987); Прейла, Литва 1999 г.; ХШ Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (Минск,
1988); II Всесоюзный семинар "Физика быстропротекающих плазменных процессов" (Гродно, 1989); III Symposium techniki Laserowej (Щецин-Свиноустье, Польша, 1990); International Conference "High performance optical spectrometry" (Варшава, Польша, 1992); Международная конференция "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии" (Гродно, 1993); V International Conference "Laser Applications in Life Sciences" (Минск, 1994); П, III и IV Международные конференции "Лазерная физика и спектроскопия" (Гродно, 1995, Гродно-Минск 1997, Гродно-1999); П Межгосударственная научно-техническая конференция "Квантовая электроника" (Минск, 1998); International Biomedical Optics SymposiumBIOS'98 (Калифорния, США); VI Int. SPIE-PL conf. in the NACMO (Warsaw, Poland, 1999).
Опубликованность результатов.
Основные результаты диссертации опубликованы в 48 статьях (в т.ч. 1 монография (в соавторстве), 26 статей в научных журналах, 18 статей в сбор-пиках научных трудов, 3 препринтах), 15 описаниях изобретений к авторским свидетельствам, 20 тезисах докладов указанных выше конференций. Общий объем опубликованных по теме диссертации материалов составляет 490 страниц.
Структура и объем диссертации.
