СПОСОБ ОЧИСТКИ АКТИВНОЙ СРЕДЫ ЖИДКОСТНОГО ЛАЗЕРА Российский патент 1995 года по МПК H01S3/213 

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.

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.

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.