Активная лазерная среда Советский патент 1978 года по МПК H01S3/20 

Изобретение относится к лазерной технике н может быть использовано для понижения порога генерации жидкостных оптических квантовых генераторов (ОКГ) на основе органических красителей.

Задача снижения порога генерации asf туальна в связи с возможностью исполь зования маломощных источников накачки, например полупроводниковых инжекционных ОКГ, газошлх ОКГ с непрерыкюй г&нерацией, а также некогерентшлх ксточнвков накачки. В такой же степени снижение ворога генерации 5шляется сушестве№ным для повышения КПД генерации.

Известно, что порог генерации для aj&тинных сред на растворах органических красителей зависит от следующих спектральных факторов исследуемых молекул: квантового выхода флуоресценции, величины стоксового сдвига, вероятности синг лет риплетного перехода и поглощения при переходах из возбужденных синглет. ных и триплетных состояний ij.

В настоящее время в качестве акти&ных лазерных сред широко используются

;растворы цианиновых красителей, например цианиновые красители, содерисашие ядра бензопирилня в хромофорной цепи

Однако в таких средах относительно высокий порог генерш1ии лазерного излучения.

Цель изобретения - снижение порога генерации лазера на основе растворов циашгаошлх красителей.

Поставленная цель достигается тем, что за счет изменения структуры молекул цианинеюых красителей - введения гетероциклических или ароматических заместителей у атомов азота гетеропиклов. стошдих на концах иепи напряжения/Ьоздается возможность управления важным спектральным параметром - величиной стоксового сдвига,

В таблице указаны красители, которые могут быть использоваш 1 в качестве ая« тивной лазерной среды.

Влияние структурных особенностей на величину стоксового сдвига изучено для цианиновых красителей с имидазольными, тиазольнымн и хинолиновыми ядрами. Об шая закономерность, обнаруженная для -всех исследованных молекул, позволяет относить ее к. большинству цианиновых красителей. Найдено, что величина стоксового сдвига между максимумами полос поглощения и флуоресценции определяется внутримолекулярными факторами - природой ааместителей и Ц (см. таблицу и прак тически не зависит от температуры (в, исследованном диапазоне ЗОО-77 С) и растворителя (бензол, толуол, этанол, гли церин). Концентрация исследованных красителе 1О-1О моль/л. В процессе записи спект ров флуоресценции осуществлялся контрол за спектрами поглощения. Отсутствие каких- ибо изменений в них исключает возможность фотохимических превращений. Спектры возбуждения всего ряда исследованных красителей хорошо коррелируются со спектрами поглощения. Влияние заместителей Т и R на величину стоксового сдвига удобно проследить на ряде имидакарбоиианинов (красители 1-7,). Как видно из таблицы, наи меньший стоксов сдвиг ( 600 см ) наблюдается, если у атомов азота гетероциклов стоят алкильные заместители (кра ситель № l). Большая величина стоксового сдвига (80О-850 см) наблюдается в случае арильных. заместителей (красители № 2 и № З), достигая у красителя № 4 значений 15ОО . Резкое увеличение стоксовых сдвигов (до 200О22ОО см ) происходит, когда к атомам азота присоединяются гетероароматичес- кие заместители - пиридил или бензотиазолил (красители № 5, 6 и 7). Напротив введение гетероароматических заместителей в другие положения ядер ( R ) (си те Jib № 2/ практически не влияет на величину стоксовых сдвигов. Таким образом, использование заместителей R и Т, обладающих собственной 1Г -электронной системой, позволяет увеличить стоксов сдвиг от бООдо 22ООсм за счет включения It -электронной системы этих заместителей в общую 1C электронную систему полиметиновой цепИ огветственную за флуоресиенцию из первого возбужденного синглетного состояни Ароматические или гетероои1слические заместители обладают собственной 1Г-9лек тронной системой, которая объединяется с 1С-э ектронной системой красителя. Взаимодействие электронных систем в возбужденном состоянии сильнее, чем в основном, что приводит к общему уменьшению энергии электронного перехода. В случае ароматических или гетероциклических заместителей у атомов азота в возбужденном состоянии происходит, кроме того, перестройка равновесных межатомных расстояний, способствующая ;.еще большему усилению сопряжения, что и Bbhражается в увеличении стоксового сдвига. Введение ароматических или гетероциклических заместителей в положение, более удаленное от полиметиновой цепи, не ск зывается в такой степени на величине электронно-колебательного взаимодействия Наличие заместителей или К не сЯижало, как правило, .величины квантового выхода, что, повидимому, объясняется ослаблением взаимодействия с растворителем и приводит к уменьшению вероятноо- тей безызлучательной передачи энергии среде. Для количественных оценок влн5гния величины стоксового сдвига на генерационные параметры исследуемых молекул было проведено сравнение порогов генерации для красителей i имеющих разные величины стоксовых сдвигов. Для накачки активных сред использовались вторая гармоника (ВГ) неодимового ОКГ со следун щими параметрами: Е 2,5 мДж и НС и рубиновый ОКГ в режиме модулированной добротности .(В 430 мДж и f 30 НС. Для сравнения порогов генерации были взяты спиртовые растворы красителей N9 3 и № 6, отличающиеся величинами стоксовых сдвигов (850 и 20ОО см ), но имеющие одинаковый квантовый выход (25%). При равных плотностях растворов на частоте накачки (ВГ неодимового ОКГ) и одинаковой геометрии опыта порог генерации красителя Mb 6 в четыре раза ниже порога генерации красителя № 3. Влияние величины стоксового сдвига на порог генерации (при накачке моноимпульсом рубинового ;ОКГ) было определено также для красителя № 9 в сравнении с известным, широко используемым в лазерной технике красителем 1,3,3-триме- твл-2- (1,3,3-триметил-ин ДОЛИН-2-ИЛН ден)гептатриенил(индоленинйодидом) (стоксов сдвиг 500 ск ), квантоизте выходы кото. 1.1Х практически одинаковы. При равных плотностям растворов на частоте возбуждения краситель N 9 (стоксов сдвиг 1000 скр), порог генерации в 3,7 раза ниже. Тахнм образом, можно рекомендовать вводить в органические красители, применяемые в качестве активных сред пля жидксхзтных ОКГ, -вместо алкильных групп у атомов азота гетероциклов, сто$шшх на

Формула красителей

концах цепи сопряжения, ароматические или гетероциклические заместители для понижения порога генера ши ОКГ.

Формула из обретения Активная лазерная среда на основе рас воров цианиновых красителей, отличающаяся , что, с целью снижения порога генерации, в красители введены ароматическиеили гетероциклические за- местители у атомов азота гетероциклов, стоящих на концах цепи сопряжения, общей структурной формулы: А Zv .iC-lOH-CHln-CH-C. w II RXв где Y- 0,S,C (CHj),2,N-R, где в- арил, гетарил; анион; .П- 1, 2. 3, 4{ где R и к - алкил, арил, гетарил, арил, гетарил, если R - гетарил, то R - алкил, аралкил Источники информации, прин1пые во внимание при экспертизе: 1.Степанов Б. И., Рубинов А. Н. Усп, иа. наук, 95, 1&в8, с. 45. 2.Патент США № 38311О5, кл. 33194.5, 1974.