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无机基复合固态可调谐染料激光介质的制备、激光与光谱学性能及激光器件研究

杨雨  
【摘要】:无机-有机复合固态光功能材料及相关器件研究是当今材料和信息科学研究的一个新领域。全固态可调谐染料激光器具有激光输出能量大、可调谐范围宽、方向性和可靠性好以及结构紧凑和小型化等优点,在科研、医学、信息和军事领域有重要研究意义和应用前景,而引起各国学者、军工和产业界的广泛关注和研究。 本文系统总结、评述了固态染料激光介质及其器件优化等方面的最新研究进展、面临的关键技术与科学问题及其发展前景。应用凝胶色谱(GPC)、等温吸附-脱附研究(BET)、X射线粉末衍射(XRD)、紫外-可见光谱(UV-VIS)、稳态荧光光谱、时间分辨荧光光谱以及综合激光性能和光损伤测试等实验手段,研究了高品质无机基复合固态染料激光介质制备新方法,研究阐明了复合体系中基质与染料的相互作用和不同染料分子间的传能与敏化作用及其对材料的光谱学和激光性能的影响和调控规律,研制了高效、稳定、长寿命无机基固态染料激光器原型器件,取得了一系列有重要结论和创新成果。 应用GPC和BET方法,比较研究了正硅酸乙酯(TEOS)和甲基三乙氧基硅烷(MTES)、乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)以及乙基三乙氧基硅烷(ETES)等有机小分子改性硅醇盐的水解-缩聚行为及所得有机改性SiO_2凝胶玻璃(ORMOSIL)的微结构与性能。确认甲基(-CH_3)、乙烯基(-CH=CH_2)和乙基(-C_2H_5)和乙氧基(-OCH_2-CH_3)等改性基团对硅醇盐水解-缩聚反应速度的影响是取决于有机改性基团的电负性、尺寸和可水解的-OR基团数目等因素综合作用的结果,其水解速度依MTES>TEOS>VTES>ETES的顺序递减。由于Si原子上可聚合的基团数目减少,导致MTES、VTES和ETES的聚合反应速度降低,而与水解速率失配。因此采用传统的酸催化一步合成的sol-gel方法,无法获得光学均匀和不开裂、大尺寸的ORMOSIL材料。 基于对不同先驱体的水解-缩聚反应特点及其催化反应机理的研究发现,通过分步调控体系催化条件,可分别对先驱体的水解和缩聚两个反应动力学过程进行有效调节和匹配,获得微结构可控、致密和光学均匀的大尺寸固态染料激光介质。基此,提出和研究建立了一种分 浙江大学博士学位论文摘要 步合成制备新方法,获国家发明专利,(专利号:ZL01 1 1 7640.7)。成功 制备了一批在紫外一可见波段透过率高(80%)、激光效率高 (57.8一78.8%)、激光寿命长(lO,次脉冲数)和激光破坏阂值高 (4 .3一4.SJ/cmZ)的大尺寸、光学加工性能好的高品质固态染料激光介质, 为研制具有高效、高稳定固态可调谐染料激光器件提供了关健的基质 材料。 应用自行研制的一系列激光谐振腔装置,研究表征了新型染料 p567和p一orange在不同基质以及p一red、e44o在vTEs凝胶玻璃中的 激光性能。实现了从蓝光到红光波段的固态染料激光输出。其中,p一red 在高能量密度下表现出长激光寿命和高光学稳定性,p567和p一orange 在不同基质中的激光性能出现较大差异。P567在MTEs凝胶玻璃中激 光波长最短,其激光效率和激光寿命最高,而p一orange在vTEs凝胶 玻璃中表现出了最高的激光效率和激光寿命。研究表明基质对染料激 光性能的影响主要与染料掺杂的微观化学环境相关。 研究揭示了无机基固态染料激光介质中激光染料光衰减规律和机 制。确认在掺杂P567的MTEs凝胶玻璃基质中,分别引入1,4一重氮双 环辛烷(DABcO)和2,2,6,6一四甲基呱咤(TMp),可显著提高激光介质的 光稳定性,其最适宜掺量分别为:DABco为4xlo一4 mol/l; TMp为 1.5‘10一,mol/l。在适宜的掺量时,P567的光稳定性提高一倍以上,而 且经200小时连续紫外辐照后,仍保持初始的荧光发射强度,未出现 光衰减。这主要是由于DABCO和TMp对单重态氧的淬灭而减弱了 P567的光化学反应。基此,在oRMosIL基质中,P567激光染料光衰 减的主要机理可归结为自敏化光衰减和自由基敏化光衰减。 基于光谱学性能测定和理论计算,研究阐明了无机基共掺染料体 系中,不同染料间的相互作用、传能机理和敏化效应。确认在香豆素 以40、C500分别与p一orange和p一red共掺的固态激光介质中,激发态 的C440、c500以非辐射传能的形式向p一orange和p一red染料分子传能, 是属于长程偶极子一偶极子能量转移机理的F6rster类型的传能,其临界 距离Ro较大,分别为13.83nln和10.97nm,传能效率一50%,荧光强度 提高一80%,在3 55nm激光泵浦下共掺染料的激光介质其激光输出效率 提高了一倍。 研究发现,在5犯nm激光泵浦下,香豆素C44O、C50O染料分别 与p567和p一red染料共掺的无机基固态染料激光介质的激光效率和光 浙江大学博士学位论文摘要 稳定性大幅提高。其中p一red染料的激光效率提高一倍以上,P567的光 稳定性提高了3倍。其机理为P567和p一red的三重态向基态的C44o、 C500染料分子传能,后者被激发后向P567和p一red的能量传递,从而 有效的淬灭了染料的三重态,提高了激光效率和光稳定性。可能发展 一种极富应用前景的共掺染料激光介质。 研究探明了谐振腔长度、输出镜反射率及激光介质厚度对激光输 出闰值、抖坡效率、光斑质量及激光输出寿命的影响和关联规律。证 实腔长会显著影响激光抖坡效率和


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