Активная среда для волоконных лазеров и способ ее изготовления

Изобретение относится к лазерной технике. Активная среда для волоконных лазеров содержит структурно-активированный эпоксидный олигомер молекулами органических красителей и отвердитель. При этом в качестве отвердителя используется мелкодисперсное стекло с химически активированной реакционно-способными группами поверхностью при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.: органический краситель 0.0075-0.1; эпоксидный олигомер 8.0-31.5; мелкодисперсное стекло с химически активированной поверхностью 68.4925-91.9. Технический результат заключается в обеспечении возможности регулирования величины показателя преломления сердцевины активного волокна. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к лазерным активным средам, предназначенным для получения широкополосного перестраиваемого лазерного излучения в частности в волоконных лазерах в случае, если сердцевина активного волокна изготовлена из полимерной матрицы, активированной молекулами органических красителей. Известны лазерные среды в волоконных лазерах, в которых сердцевина оптоволокна изготовлена из кварцевого стекла легированного, как правило, редкоземельными элементами группы лантаноидов. Одним из распространенных типов волокон являются волокна легированные ионами Er3+(эрбий), Yb3+(иттербий), Nd3+(неодим) и др. Рабочий диапазон, например, в эрбиевом волокне лежит в интервале 1530-1565 нм (ИК-область). Большинство волокон в лазерной оптике имеет сердцевину с показателем преломления несколько большим, чем у внешнего слоя (оболочки). Свет, заведенный в волокно, распространяется главным образом в области сердцевины и удерживается в волокне за счет полного внутреннего отражения на границе областей с разными показателями преломления [Курков А.С., Дианов Е.М., Непрерывные волоконные лазеры средней мощности. Квантовая электроника 2004. - т. 34. - №2. - с. 881-900]. Изготовление активного волокна производиться с использованием преформ в башне для вытяжки волокна. Преформа - это стеклянный стержень диаметром от 1 до 10 сантиметров и длиной примерно метр. Вдоль оси преформы расположена область с увеличенным показателем преломления. Из нее формируется сердцевина волокна, когда заготовка нагреется до температуры близкой к температуре плавления в печи башни волокнообразования. Тонкое волокно выводят из нижней части заготовки перед выходом волокна из башни его покрывают полимерным покрытием. Типичные материалы для покрытия - это акрилат, силикон и полиимид. В процессе создания волокна в них формируют брэгговские решетки, используя импульсный наносекундный ультрафиолетовый лазер, освещающий волокно через некоторую фазовую маску. Волоконные лазеры обладают множеством преимуществ:

- значительное отношение площади резонатора к его объему, что обеспечивает качественное охлаждение;

- излучение имеет высокое оптическое качество, так как генерация происходит прямо в волокне;

- во многих случаях не требуется юстировка резонатора.

Вместе с тем к недостаткам такого типа лазеров следует отнести опасность возникновения нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения в волокне и сравнительно небольшая выходная энергия в импульсе, обусловленная малым объемом активного вещества. Возникают технологические сложности при выборе показателей преломления сердцевины и оболочки волокна.

Известна активная среда для широкополосных лазеров, содержащая в качестве матрицы полиметилметакрилат (ПММА), активированный представителями ксантеновых, оксазиновых и кумариновых красителей. [Константинов Б.А., Климашин А.Г., Мнускин В.Е., Перестраиваемые лазеры на красителях в твердой полимерной матрице ЛКИ 301 и ЛКИ 301-1. В кн. Инверсная населенность и генерация на переходах в атомах и молекулах. -Томск. 1986. - 24 с.] Путем модификации ПММА авторам удалось улучшить оптические характеристики по показателям сравнимыми со стеклами. Технология изготовления такой среды для лазеров состояла из введения молекул органических красителей в ПММА в расплавленном состоянии с последующим отверждением путем охлаждения (термопласт). Известен опыт использования ПММА, полистирола и поликарбоната при изготовлении пластикового волокна и активного волокна, которое может иметь акриловую сердцевину, окруженную фторированной оболочкой, имеющей более низкий коэффициент преломления. Пластиковое волокно может быть получено из заготовок путем простого процесса, который часто применяется и для стекла, но только с меньшей температурой (200°С). Заготовку изготавливают из полой трубки материала оболочки, которая заполняется жидкой смесью мономеров и некоторых реагентов для сердцевины. Пластиковое волокно имеет минимум потерь в видимом диапазоне длин волн, обычно многомодовое с большим диаметром сердцевины и высокой числовой апертурой. Пластиковые волокна производятся с диаметром сердцевины 50, 62.5, 120 и 980 мкм при диаметре оболочки 490 и 1000 мкм [Плетнев С.В., Потапов А.И., Марков А.П., Волоконно-оптические методы и средства дефектоскопии: Научно-методическое справочное пособие / С.В. Плетнев. А.И. Потапов, А.П. Марков - СП-б.: ЛИТА, 2001. - 312 с.] Недостатком такой активной среды является то, что термопласты имеют более низкий показатель преломления по сравнению со стеклами, из которых практически всегда изготавливают волновод для транспортировки света накачки, что вызывает трудности в обеспечении более высокого показателя преломления в сердцевине оптоволокна. Для термопластов низкие значения имеет коэффициент плавления. Так для ПММА температура плавления составляет 75°С.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой активной среде для волоконных лазеров является активная среда, содержащая органический краситель и полимерную матрицу, в качестве полимерной матрицы содержит эпоксидиановый или циклоалифатический реакционноспособный олигомер и отвердитель [А.В. Борткевич, С.А. Гейдур, О.О. Карапетян, А.Р. Кузнецов и др.. / Твердотельные активные среды на основе эпоксиполимерных матриц, активированных красителями. Журнал Прикладной Спектроскопии. Том 50, №2, 1989. - с. 210-216].

В качестве органического красителя используют органические красители: родамин - 6Ж, родамин - С, оксазин - 17, кумарин - 120 и др. В качестве отвердителя используют: ДЭТА-диэтаноламин, ГГФА-гексогидрофталевый ангидрит, ФА-фталиевый ангидрит и др.

В качестве реакционно-способного олигомера используют: эпоксидный олигомер ЭД-24, циклоалифатический олигомер СУ-175, УП-612 и др. Активную среду изготовляют следующим образом: определяют условия химического взаимодействия молекул красителя с молекулами олигомера, а затем химически подшивают структурно-активированный компонент композиции к формирующейся полимерной сетке трехмерного полимера путем введения отвердителя. Структурное активирование приводит к квазирегулярному распределению молекул органических красителей в олигомере. Характерным для синтезируемых активных сред является высокая степень концентрации молекул красителя, которую определяют расчетным путем, равная С=3.75.10-2 г. красителя/г. олигомера. (Массы эпоксиолигомера и красителя являются известными). Для приготовления лазерной концентрации необходимо рассчитать навеску концентрата А=Н×Слаз/С, где Н - количество композиции, которое необходимо приготовить (в граммах); С - концентрация концентрата; А - навеска концентрата. Количество не активированного олигомера В определяют как В=Н-А в граммах. Активную среду приготовляют путем введения рассчитанной навески концентрата в не активированный олигомер. Обычная лазерная концентрация красителей в эпоксиолигомерных матрицах составляет величину Слаз.=10-6-10-2 г/см3. Для полимеризации активированной красителями олигомерной матрицы используют отвердитель, количество которого рассчитывают с использованием стехиометрических коэффициентов. Например при полимеризации активированного красителем эпоксиолигомера марки ЭД-24 количество отвердителя определяют следующим образом: 1 стех.=23,5×3,86=90,71=э.ч.×3.86. Отсюда для обеспечения полимеризации необходимо взять на 100 в.ч. олигомера 72,67 в.ч. отвердителя (ИЗО-МТГФА). Важным обстоятельством при синтезе активных эпоксиполимерных сред является выбор отвердителя. Так использование в качестве отвердителей аминов, обладающих большей основностью чем красители, происходит полное разрушение солевой формы. Использование ангидридов поликарбоновых кислот для отверждения эпоксиолигомеров позволяет сохранять солевую форму красителя. Отсюда, структурно-активированные олигомеры, содержащие в своем составе красители не в солевой форме, целесообразно отверждать отвердителями аминного типа, а олигомеры, содержащие красители в солевой форме-ангидридами поликарбоновых кислот.

Недостатком указанной активной среды при использовании ее в качестве сердцевины в волоконных лазерах является технологическая сложность в изменении показателя преломления сердцевины и показателя преломления оболочки.

Целью данного изобретения является обеспечение возможности регулирования величины показателя преломления сердцевины активного волокна.

Указанная цель достигается за счет того, что активная среда для волоконных лазеров, содержащая структурноактивированный эпоксидный олигомер молекулами органических красителей и отвердитель, в качестве отвердителя она содержит мелкодисперсное стекло с химически активированной реакционно-способными группами поверхностью, при следующем соотношении ингредиентов, в массовых частях:

- органический краситель - 0,0075-0.1;

- эпоксидный олигомер - 8,0-31,5;

- мелкодисперсное стекло с химически активированной поверхностью - 68,4925-91,9.

Способ изготовления активной среды для волоконных лазеров, состоящий в том, что к макромолекуле олигомера в вязко-текучем состоянии химически подшивают молекулу органического красителя, полученный концентрат разбавляют не активированным олигомером для получения нужной лазерной концентрации и смешивают с отвердителем, количество которого рассчитывают с использованием стехиометрических коэффициентов (с учетом эпоксидных групп), а в качестве отвердителя вводят мелкодисперсное стекло, поверхность которого активирована группами -СООН и -OHTiCl4 при активации олигомера органическим красителем в солевой форме и аминогруппами NH2 при активации олигомера органическим красителем в не солевой форме. В качестве отвердителя вводят мелкодисперсное стекло, например, показатель преломления которого равен или больше показателя преломления отвержденного олигомера.

Сущность изобретения поясняется примерами.

ПРИМЕР 1. Для получения активной среды, содержащей 0,1 г родамина 6Ж и 8,0 г эпоксидного олигомера марки УП-612, берут навеску «концентрата» (концентрация С=3,75×10-2 грамм красителя / грамм олигомера), равную 2,7 г и добавляют неокрашенный олигомер УП-612 в количестве 5,4 г. Затем путем подбора состава стеклообразующих окислов выбирают стекло с коэффициентом преломления близким к коэффициенту преломления эпоксидного олигомера УП-612, у которого n=1,501. В данном примере взято стекло с содержанием ингредиентов в (мол. %) SiO2-72,6; В2О3 - 11,7; ВаО - 2,1; Na2O - 8,1; K2O - 5,2; As2O3 - 0,3; или 40 Mg2O и 60 P2O5; 17,6 Al2O3 и 82,4 SiO2; 20,4 Li2O и 79,6 SiO2. Коэффициент преломления стекла n=1,502. Мелкодисперсный порошок получают путем первоначального дробления в ступке, последующего размалывания в шаровой мельнице и просеиванием через сито с размером ячейки 60 мкм. Далее проводят химическую активацию поверхности стекла. Для этого стекло вакуумируют при давлении 0,1 бар и температуре 200 С в течении 3 час. Затем через него пропускают ток азота с парами щавелевой кислоты при температуре 180°С в течении 6-8 часов. После этого порошок стекла охлаждают до 160°С и пропускают через него чистый азот в течении 2-3 часов для удаления физически адсорбированной кислоты. Для отверждения активированного красителем родамином 6Ж эпоксиолигомера марки УП-612 берут 91,9 г полученного стекла, смешивают с олигомером и размещают внутри полой кварцевой трубки в вязко-текучем состоянии, вакуумируют, нагревают полученную композицию до 160°С и проводят отверждение при этой температуре в течении 5 ч. Таким образом формируют сердцевину волокна, которая представляет собой термореактивное высокомолекулярное эпоксиполимерное соединение, образующее по своей структуре статистически пространственную сетку, в которой квазирегулярно размещены молекулы красителя. Внутренний диаметр трубки (заготовки) может иметь традиционные размеры 50, 62,5, 120 и 980 мкм при оболочке диаметром 490 и 1000 мкм. Абсолютный показатель преломления сердцевины можно всегда сделать несколько выше показателя преломления оболочки, изменяя количество и состав окислов мелкодисперсного стекла (отвердителя). В предлагаемом активном оптоволокне резонатор выполняют в виде волоконных брэгговских решеток, а в качестве источника накачки используют полупроводниковый лазер с диодной накачкой с длиной волны излучения 532 нм. Излучение накачки осуществляется через волновод накачки из кварцевого стекла, а внешняя оболочка выполняется из полиметилметакрилата с наименьшим показателем преломления.

ПРИМЕРЫ 2, 3. Активную среду для оптоволокна, содержащую родамин 6Ж, приготовляют по методике, аналогичной примеру 1, при различных соотношениях ингредиентов.

ПРИМЕР 4. Для получения активной среды, содержащей 0,0075 г родамина 110 и 31,5 г эпоксидного олигомера марки ЭД-24, берут навеску концентрата (С=3,75×10-2 грамм красителя/грамм олигомера), равную 0,21 г, добавляют неокрашенный эпоксидный олигомер ЭД-24 в количестве 31,2976 г. Затем подбирают стекло с коэффициентом преломления, близким к коэффициенту преломления эпоксидного олигомера. В данном примере вводят мелкодисперсное стекло, содержащее компоненты: SiO2, В2О3, Ba2O, Na2O, K2O, As2O3. Поверхность стекла химически активируют группами -СООН способом, описанным в примере 1. Отверждение производят аналогично как в примере 1.

ПРИМЕРЫ 5, 6. Активную среду для оптоволокна, содержащую родамин 110, приготавливают по методике, изложенной в примере 4, при различных соотношениях ингредиентов.

ПРИМЕР 7. Для получения активной среды, содержащей 0,05 г родамина С и 19,75 г эпоксидного олигомера марки ЭД-24 берут навеску концентрата (С=3,75×10-2 грамм красителя/грамм олигомера), равную 1,44 г и прибавляют неокрашенный эпоксиолигомер ЭД-24 в количестве 18,36 г. Затем вводят мелкодисперсное стекло состава SiO2, В2О3, Ba2O, Na2O, K2O, As2O3, поверхность которого активирована группами OHTiCl4. Активацию поверхности проводят следующим образом. Порошок стекла вакуумируют при температуре 2000С в течение 3 часов и затем обрабатывают хлористым титаном и в токе азота при температуре 180°С и атмосферном давлении в течении 8 часов. После этого снимают избыток сорбированного хлористого титана пропусканием чистого азота в течение 2-3 часов при температуре 80°С. После ввода стекла смесь тщательно перемешивают, вакуумируют и отверждают при температуре 100°С в течение 8 часов.

ПРИМЕРЫ 8, 9. Активную среду для волоконных лазеров, содержащую родамин С, приготавливают по методике примера 7 при различных соотношениях ингредиентов.

ПРИМЕР 10. Для получения активной среды, содержащей 0,1 г, кумарина 120 г и 8 г эпоксидного олигомера марки УП-612, берут навеску концентрата (С=3,75×10-2 грамм красителя/грамм олигомера), равную 2,7 г и добавляют эпоксидный олигомер УП-612 в количестве 5,5 г. Затем добавляют мелкодисперсное стекло, содержащее компоненты: SiO2, В2О3, Ba2O, Na2O, K2O, As2O3, поверхность которого активирована группами -NH2 следующим способом. Порошок стекла вакуумируют при температуре 450°С и давлении 0,1 бар в течении 3 часов. Затем обрабатывают газообразным аммиаком при температуре 450° и атмосферном давлении в течение 8 часов. После этого снимают физически сорбированный на поверхности аммиак пропусканием чистого азота при температуре 100°С в течение 2-3 ч. Композицию интенсивно перемешивают, вакуумируют и отверждают при температуре 100°С в течение 8 часов.

ПРИМЕРЫ 11, 12. Лазерные среды, содержащие кумарин 120 приготовляют по методике примера 10 при различных соотношениях ингредиентов, а для накачки активного волокна активированного кумарином 120 используют полупроводниковый лазер с диодной накачкой с длиной волны излучения (266-375) нм. В таблице приведены активные среды с различным содержанием ингредиентов и коэффициенты преломления мелкодисперсных стекол равные по величине коэффициентам преломления отвержденных эпоксиполимерных матриц

1. Активная среда для волоконных лазеров, содержащая структурно-активированный эпоксидный олигомер молекулами органических красителей и отвердитель, отличающаяся тем, что с целью регулирования величины показателя преломления сердцевины активного волокна она содержит в качестве отвердителя мелкодисперсное стекло с химически активированной реакционно-способными группами поверхностью при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.:

- органический краситель 0.0075-0.1;

- эпоксидный олигомер 8.0-31.5;

- мелкодисперсное стекло с химически активированной поверхностью 68.4925-91.9.

2. Способ изготовления активной среды для волоконных лазеров, состоящий в том, что к макромолекуле олигомера в вязко-текучем состоянии химически подшивают молекулу органического красителя, полученный концентрат разбавляют неактивированным олигомером для получения нужной концентрации и смешивают с отвердителем, количество которого рассчитывают с использованием стехиометрических коэффициентов (с учетом числа эпоксидных групп), отличающийся тем, что вводят в качестве отвердителя мелкодисперсное стекло, поверхность которого активирована группами СООН и OHTiCl4 при активации олигомера органическими красителями в солевой форме и аминогруппами NH2 при активации олигомера органическими красителями в несолевой форме.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве отвердителя вводят мелкодисперсное стекло, показатель преломления которого равен или больше показателя преломления отвержденного олигомера.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к стеклам для твердотельных лазеров. А именно, изобретение раскрывает фосфатное лазерное стекло, допированное Nd, или Yb, или Er и имеющее указанный химический состав, способ снижения длины волны пика излучения указанного выше фосфатного лазерного стекла, включающего лантан и допированного Nd, или Yb, или Er, в котором до 100% La2O3 заменяют на CeO2, чтобы изменить длину волны пика излучения, а также изобретение раскрывает лазерную систему с использованием смешанного стекла, в которой одно стекло из системы смешанного стекла является указанным фосфатным лазерным стеклом, и способ генерации импульса лазерного луча с использованием такой лазерной системы.

Изобретение относится к стеклам, предназначенным для применения в твердотельных лазерах, в частности в короткоимпульсных лазерах с высокой пиковой мощностью. Технический результат – увеличение ширины полосы излучения редкоземельных ионов, используемых в качестве генерирующих ионов в активных средах твердотельных лазеров на стекле, особенно в композициях стекол на фосфатной основе.

Изобретение относится к волоконным световодам и может быть использовано в широкополосных волоконно-оптических системах связи, при разработке перестраиваемых непрерывных импульсных лазеров.

Изобретение относится к лазерным веществам на основе органических красителей и может найти применение в лазерной технике при изготовлении твердотельных активных элементов.

Изобретение относится к материалам для активных элементов лазеров. Лазерное фосфатное стекло включает P2O5, AlO3, В2О3, SiO2, К2O, Na2O, СаО, SrO, BaO, СеО2 и Nd2O2 при следующем соотношении компонентов: (в мас.%) P2O5 60-66, Al2O3 4-8,5, В2О3 0,2-3, SiO2 0,5-3, К2О 4,5-11,5, Na2O3 0,5-3,5, СаО 0,1-3, SrO 2-17, BaO 0,8-12, CeO2 0,1-1, Na2O3 0,5-5, при этом соотношение количества атомов кислорода и фосфора находится в пределах 3-3,1.
Изобретение относится к лазерным веществам на основе органических красителей и полимеров и может найти применение в лазерной технике для изготовления активных элементов лазеров.
Изобретение относится к материалам для лазеров, в частности к составам лазерных фосфатных стекол. .
Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для изготовления активных элементов лазеров на основе органических красителей и полимеров. .

Изобретение относится к квантовой электронике. .

Изобретение относится к лазерной технике, в частности, к твердотельным лазерам. Активный элемент твердотельного лазера представляет собой легированный активирующей примесью оптический стержень, на внешней поверхности стержня вдоль всей его длины выполнена канавка с минимально возможной шириной w и глубиной h, достаточной для подавления поперечных мод, в которую введен запуск в виде состава с показателем поглощения α на рабочей длине волны лазера где τ - заданный коэффициент поглощения поперечных мод на рабочей длине волны лазера.

Изобретение относится к радиотехнике, а конкретно к средствам формирования стабильных по частоте радиотехнических сигналов. Технический результат заключается в создании более простого стандарта частоты, характеризующегося сниженным фактором внутренней нестабильности.

Изобретение относится к лазерной технике. Кольцевой дисковый лазерный неустойчивый резонатор состоит из системы формирования изображения, образованной усилительным узлом и телескопом для увеличения диаметра пучка лазерного излучения, расположенного между усилительным узлом и телескопом зеркала обратной связи, а также невзаимного оптического элемента и поворотных зеркал.

Изобретение относится к квантовой электронике, конкретно к способам формирования световых пятен от излучения концентрических излучателей, и может быть использовано при создании технологических устройств, в частности, интегрированных в конструкцию газотурбинного двигателя, для адаптивного управления размерами световых пятен на динамическом объекте.

Согласно настоящему изобретению предложена эксимер-лазерная система. Камера задающего генератора может генерировать лазерные импульсы с суженной шириной линии и малой энергией посредством модуля сужения ширины линии в качестве затравочного света.

Изобретение относится к лазерной технике. Твердотельный лазерный усилитель включает основанный на лазерных диодах источник излучения накачки, выступающий в роли волновода для излучения накачки твердотельный активный элемент продолговатой аксиально-симметричной формы с переменным по площади поперечным сечением с двумя круговыми торцевыми гранями, служащими для ввода излучения в твердотельный активный элемент и вывода излучения из твердотельного активного элемента, который контактирует боковой поверхностью со слоем материала, обеспечивающим волноводное распространение излучения накачки.

Изобретение относится к аппарату и способу лазерного аддитивного производства. Лазер обеспечивает функциональный лазерный пучок с длиной волны в диапазоне 405-475 нм.

Изобретение относится к оптическим элементам для волоконных лазеров, в частности к насыщающимся поглотителям. Сутью изобретения является устройство для переключения режимов работы оптоволоконного лазера на основе управляемого насыщающегося поглотителя из углеродных нанотрубок, состоящее из подложки, на которой размещены электрод, противоэлектрод, отполированная до сердцевины часть оптоволокна, соединенная прямым контактом с электродом, выполненным в виде пленки из углеродных нанотрубок, при этом отполированная часть волокна, пленка и противоэлектрод соединены электрически между собой через ионную жидкость, и указанная пленка выполнена с возможностью изменения нелинейного поглощения на длине волны лазера при приложении разности потенциалов на электрод и противоэлектрод.

Изобретение относится к лазерной и волоконной технике. Волоконно-оптический усилитель содержит оптический мультиплексор и оптическое волокно, оптически соединенное с оптическим мультиплексором, при этом селективные отражатели первой и второй длин волн сформированы на оптическом волокне, причем селективный отражатель первой длины волны выполнен с возможностью отражать излучение с первой длиной волны, а селективный отражатель второй длины волны выполнен с возможностью отражать излучение со второй длиной волны, которая больше первой длины волны.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в приборостроении, медицине и других областях науки и техники, где возникает необходимость непрерывного и плавного изменения положения перетяжки лазерного гауссова пучка при обеспечении постоянства ее диаметра.

Изобретение относится к лазерной и волоконной технике. Волоконно-оптический усилитель содержит оптический мультиплексор и оптическое волокно, оптически соединенное с оптическим мультиплексором, при этом селективные отражатели первой и второй длин волн сформированы на оптическом волокне, причем селективный отражатель первой длины волны выполнен с возможностью отражать излучение с первой длиной волны, а селективный отражатель второй длины волны выполнен с возможностью отражать излучение со второй длиной волны, которая больше первой длины волны.

Изобретение относится к лазерной технике. Активная среда для волоконных лазеров содержит структурно-активированный эпоксидный олигомер молекулами органических красителей и отвердитель. При этом в качестве отвердителя используется мелкодисперсное стекло с химически активированной реакционно-способными группами поверхностью при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.: органический краситель 0.0075-0.1; эпоксидный олигомер 8.0-31.5; мелкодисперсное стекло с химически активированной поверхностью 68.4925-91.9. Технический результат заключается в обеспечении возможности регулирования величины показателя преломления сердцевины активного волокна. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Наверх