專利名稱:用于染料激光器的固體染料激光介質(zhì)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明是一種用于染料激光器的固體染料激光介質(zhì)及其制備方法。
染料激光器具有波長可調(diào)諧范圍寬,輸出功率較高,吸收和增益容易控制(因染料濃度容易控制),可產(chǎn)生連續(xù)波長輸出、脈沖輸出、Q開關(guān)及超短脈沖等等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。將通常在液體狀態(tài)下工作的激光染料摻入到固態(tài)基質(zhì)中,制成固體染料激光介質(zhì),可以實(shí)現(xiàn)染料激光器的固態(tài)化和小型化,使用方便。省去了一套龐大的循環(huán)、噴流設(shè)備,減少了因使用有機(jī)溶劑帶來的污染。染料分子在固體介質(zhì)中因熱振動(dòng)引發(fā)的能量損耗較少,其穩(wěn)定性高于在液體介質(zhì)中的穩(wěn)定性,染料分子的聚合現(xiàn)象也大大降低。
已有技術(shù)中用于染料激光器的固體染料激光介質(zhì)及制備方法有(一)將有機(jī)染料溶于塑性有機(jī)高分子單體中,后經(jīng)聚合合成摻雜有染料的有機(jī)聚合物固體材料,(已有技術(shù)1William J.Kessler,Steven J.Davls,Daniel H.Fergnson.US5610932A,1997,3,11),這一方法制備的固體染料激光介質(zhì)存在的主要缺點(diǎn)是染料摻雜的高分子聚合物熱學(xué)性能及光化學(xué)穩(wěn)定性差,容易老化,有機(jī)聚合物表面激光損傷閾值較低,其次高分子聚合物在紫外波段有較強(qiáng)吸收,不宜用于制備紫外波段的固體染料激光介質(zhì)。(二)采用溶膠凝膠方法,將染料摻入半剛性的有機(jī)硅烷(乙烯基三乙氧基硅烷VTEOS)及聚乙烯醇中等,(已有技術(shù)2Robert E.Hermes.US5136005A,1992,8,4),這類固體染料激光介質(zhì)材料一般具有較多的殘余水份、殘余氣孔等,不易得到較大尺寸塊體材料,且光色散強(qiáng),加工性能差,激光使用壽命較短,轉(zhuǎn)換效率較低。(三)采用改性的溶膠凝膠方法制備的摻雜染料的固體染料激光介質(zhì),(已有技術(shù)3姜中宏,葉輝,胡文濤.CN1035534C,1997,7,30.H01S3/16),存在的主要問題是(1)它是采用傳統(tǒng)的一步水解法,這種方法不易獲得透明均勻的光學(xué)凝膠;(2)它是以有機(jī)改性硅酸鹽(TiO2-Ormosil)作為基質(zhì)材料,這類材料是透明有色的,其在500-700納米范圍內(nèi)透過率較低,在550納米波段以下有較強(qiáng)吸收,即有較大的損耗泵浦激光能量,也不宜用于制備激光波長在550納米以下的固體染料激光介質(zhì);(3)它是在有機(jī)改性硅酸鹽(TiO2-Ormosil)基質(zhì)中摻雜4-二氰基甲烯基-2-甲基-6對(duì)二甲基氨基苯乙烯基吡喃(簡稱DCM)的固體染料激光介質(zhì),它所制成的固體激光器激光可調(diào)諧波段為590-650納米范圍,激光輸出斜率效率一般小于20%,使用壽命約20000次(激光輸出能量衰減10%所承受的激光脈沖數(shù)),激光輸出閾值較大(大于10μJ),表面激光損傷閾值較低(小于2.5GW/cm2)。
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述方法和所制備的固體染料激光介質(zhì)均勻性差、機(jī)械加工及光化學(xué)穩(wěn)定性能差、激光使用壽命短、激光轉(zhuǎn)換效率低等缺點(diǎn)和不足,提出一種新的制備方法及新的固體染料激光介質(zhì),以獲取轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長、波長可調(diào)諧范圍寬,具有實(shí)用意義的小型、方便化的固體染料激光器。
本發(fā)明的固體染料激光介質(zhì),其基質(zhì)材料為含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃或含鈦的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃,摻雜的激光染料為吡咯甲川氟硼酸鹽絡(luò)合物(英文名稱為Pyrromethene-BF2)(以下簡稱吡咯甲川),染料摻雜濃度為10-6~10-2mol/L(摩爾/升)?;|(zhì)材料在制備時(shí)含有的原料配比為(按摩爾百分比mol.%)正硅酸乙酯(TEOS)或正鈦酸丁酯[Ti(Obu)4] 5~15 mol.%γ-(2,3環(huán)氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(GPTMS) 5~20 mol.%甲基三乙氧基硅烷(MTEOS) 0~10 mol.%甲基丙烯酸甲酯單體(MMA) 5~25 mol.%聚苯乙烯單體(PS)0~5 mol.%無水乙醇(EtOH) 15~30 mol.%去離子水(H2O) 20~60 mol.%鹽酸(HCl)或醋酸(HAc)0.1~2 mol.%(1)本發(fā)明的固體染料激光介質(zhì),采用溶膠凝膠兩步水解法制備,具體工藝流程如圖1所示。第一步水解先將按上述配比含量的硅烷偶聯(lián)劑[γ-(2,3環(huán)氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)或甲基三乙氧基硅烷(MTEOS)或GPTMS和MTEOS]與上述配比含量的乙醇混合均勻,加入上述配比含量的酸(鹽酸或醋酸)和上述配比含量一半用量的去離子水,在20~70℃溫度下,充分?jǐn)嚢?.5~2小時(shí);第二步水解于上述液體混合物中加入上述配比含量的凝膠玻璃網(wǎng)絡(luò)形成體{正硅酸乙酯(TEOS)或正鈦酸丁酯[Ti(Obu)4]}及有機(jī)玻璃單體[甲基丙烯酸甲酯單體(MMA)或聚苯乙烯單體(PS)]等,再逐滴加入上述配比含量剩余一半量的去離子水,在20~60℃溫度下,磁力攪拌器攪拌0.5□1.5小時(shí),然后,在20□40℃溫度下,加入上述配比的吡咯甲川染料的乙醇溶液,攪拌0.5~2小時(shí),混合均勻;最后,將得到的透明均勻的溶膠液盛于聚脂器皿中,置于30~65℃溫度的烘箱內(nèi),放置5~10天,獲得的固體染料激光介質(zhì)經(jīng)切割、拋光加工待用。
(2)溶膠凝膠前驅(qū)體正硅酸乙酯(TEOS)或正鈦酸丁酯[Ti(Obu)4]是含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃或含鈦的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃的網(wǎng)絡(luò)形成體,其原料占5~15mol.%。
(3)硅烷偶聯(lián)劑(GPTMS和MTEOS)在溶膠凝膠過程中,參加水解聚合反應(yīng),起到參與形成凝膠網(wǎng)絡(luò)的作用。
(4)有機(jī)玻璃單體(MMA和PS)主要作用是充填凝膠網(wǎng)絡(luò)孔隙,以改善凝膠材料的柔韌性,提高機(jī)械加工等性能。
(5)摻雜的激光染料為吡咯甲川氟硼酸鹽絡(luò)合物(英文名稱為Pyrromethene-BF2),染料摻雜的摩爾濃度為10-6~10-2mol/L(摩爾/升)。吡咯甲川氟硼酸鹽絡(luò)合物化學(xué)結(jié)構(gòu)式為
上述染料化學(xué)結(jié)構(gòu)通式中R1、R2及R3為取代基團(tuán),其中R1是H,或是CH3,或是C2H5等;R2是H,或是CH3,或是C2H5等;R3是H,或是CH3,或是C2H5等。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明的固體染料激光介質(zhì)光化學(xué)穩(wěn)定性好、激光轉(zhuǎn)換效率高(激光輸出斜率效率大于60%,是已有技術(shù)3的20%的3倍)、使用壽命長(激光輸出能量衰減10%所承受的激光脈沖數(shù)大于3.0×104次,是已有技術(shù)3的1.5倍)、波長可調(diào)諧范圍大于50納米(550-600納米范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)諧),激光輸出閾值小(小于10μJ),表面激光損傷閾值較高(大于3.0GW/cm2),基本上已達(dá)到了實(shí)用的要求。本發(fā)明使得已有技術(shù)在液體狀態(tài)下工作的染料激光器可能實(shí)現(xiàn)向簡便、經(jīng)濟(jì)、小型化的固體染料激光器轉(zhuǎn)換,具有良好的應(yīng)用前景。(2)本發(fā)明的固體染料激光介質(zhì),采用溶膠凝膠兩步水解法制備,具有合成溫度低、工藝簡單、重復(fù)性好等特點(diǎn)。由于本發(fā)明制備的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃基質(zhì)的固體染料激光介質(zhì)中引入了硅烷偶聯(lián)劑(GPTMS和MTEOS)及有機(jī)玻璃單體(MMA和PS),使材料熱學(xué)、力學(xué)及光學(xué)性能得到較大提高,材料致密堅(jiān)硬,具有良好的柔韌性,可以獲得較大的尺寸,易于加工、研磨及拋光,能夠滿足大量生產(chǎn)的要求。
圖1是摻雜的吡咯甲川固體染料激光介質(zhì)的溶膠凝膠兩步水解法制備工藝流程圖。
圖2是實(shí)施例1的吸收光譜曲線圖,圖2-1是基質(zhì)為含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃摻雜吡咯甲川597固體染料激光介質(zhì)的吸收光譜,圖2-2是含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃(曲線b)及含鈦的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃(曲線a)基質(zhì)材料的吸收光譜。
圖3為實(shí)施例的發(fā)射光譜曲線圖,曲線a是基質(zhì)為含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃摻雜吡咯甲川597固體染料激光介質(zhì)的發(fā)射光譜;曲線b是基質(zhì)為含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃摻雜吡咯甲川567固體染料激光介質(zhì)的發(fā)射光譜。
圖4為實(shí)施例中本發(fā)明的固體染料激光介質(zhì)應(yīng)用在固體染料激光器上所獲得的激光波長可調(diào)諧范圍曲線圖。曲線a是基質(zhì)為含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃摻雜吡咯甲川597固體染料激光介質(zhì)的激光輸出波長可調(diào)諧范圍;曲線b是基質(zhì)為含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃摻雜吡咯甲川567固體染料激光介質(zhì)的激光輸出波長可調(diào)諧范圍。
圖5為實(shí)施例中本發(fā)明的固體染料激光介質(zhì)應(yīng)用在固體染料激光器上所獲得的激光輸出能量與泵浦能量的關(guān)系曲線圖。曲線a是基質(zhì)為含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃摻雜吡咯甲川597固體染料激光介質(zhì)的激光輸出能量與泵浦能量的關(guān)系曲線;曲線b是基質(zhì)為含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃摻雜吡咯甲川567固體染料激光介質(zhì)的激光輸出能量與泵浦能量的關(guān)系曲線。
實(shí)施例1表1中配比1是基質(zhì)為含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃的原料配比,摻雜的激光染料是吡咯甲川597,摻雜染料的摩爾濃度為1.0×10-4mol/L(摩爾/升)。其中的激光染料吡咯甲川597的化學(xué)結(jié)構(gòu)式中R1=R2=H,R3=CH3。
表1有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃基質(zhì)的原料配比配比1 TEOS GPTMS MTEOS MMA EtOHH2OHCl摩爾百分比(mol%) 8.3 5.82.58.3 25 50 0.1摩爾數(shù) 0.05 0.035 0.015 0.050.150.3 0.0005毫升 11.2 7.82.85.338.755.410.3配比2 Ti(OBu)4GPTMS MTEOS MMA EtOHH2OHAc(36%)摩爾數(shù) 0.025 0.035 0.015 0.050.050.050.0025摩爾百分比(mol%) 10.99 15.37 6.621.98 21.98 21.98 1.1毫升 8.51 7.82.85.332.920.9 0.42配比3 TEOS GPTMS MMA PSEtOHH2OHCl摩爾數(shù) 0.05 0.05 0.05 0.01 0.150.3 0.0005摩爾百分比(mol%) 8.2 8.2 8.2 1.6 24.649.10.1毫升 11.2 11.12 5.33 1.0 8.755.410.3表2 有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃基質(zhì)的物性分析結(jié)果比表面積 氣孔體積 平均氣孔大小 密度 折光率 表面激光損傷閾值(m2/g) (ml/g) (nm) g/cm3(GW/cm2)已有技術(shù)的硅干凝膠0.3730.0114 122.01.3951.467.0含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃0.1560.0025 5.9 1.4081.453.0含鈦的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃0.0635 0.001527.3 1.4611.671 2.5本實(shí)施例的固體染料激光介質(zhì)按圖1所示的材料制備工藝流程合成。表2給出了有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃基質(zhì)的物性分析結(jié)果,用物理吸附儀(ASAP 2000)氮?dú)馕?脫法測試表明含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃比表面積為0.156m2/g、氣孔體積0.0025ml/g、平均氣孔大小5.9nm,密度1.408g/cm3、折光率1.45、材料表面激光損傷閾值3.0GW/cm2,所得數(shù)據(jù)證明比已有技術(shù)的好。
基質(zhì)為含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃摻雜有吡咯甲川597的固體染料激光介質(zhì)的室溫吸收光譜如圖2所示,樣品在530nm附近有較強(qiáng)吸收,表明這類固體染料激光介質(zhì)適合于用NdYAG激光器倍頻光(532nm)泵浦。圖3為基質(zhì)是含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃摻雜有吡咯甲川激光染料的固體染料激光介質(zhì)的室溫?zé)晒夤庾V,由于溶膠凝膠工藝低溫制備等特點(diǎn)固體染料激光介質(zhì)較好地保持了染料活性,在激發(fā)波長為530nm時(shí),摻雜有吡咯甲川597及吡咯甲川567的固體染料激光介質(zhì)樣品發(fā)射峰值分別位于564nm及546nm,半高寬(FWHM)約59nm及42nm。與已有技術(shù)中的液體染料激光器相比,本發(fā)明的激光染料在含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃基質(zhì)中的發(fā)射光譜峰位有所紅移,半高寬略有展寬,意味著在含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃基質(zhì)中吡咯甲川等激光染料的激光波長可調(diào)諧范圍稍有展寬。
本發(fā)明實(shí)施例1的固體染料激光介質(zhì)在調(diào)Q NdYAG激光器倍頻光泵浦下(KTP倍頻,泵浦波長532nm,輸出頻率1Hz,脈寬10ns,輸出模式TEM00),激光輸出成功,利用光柵實(shí)現(xiàn)了波長在550-600納米范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)諧,在此波段激光波長可調(diào)諧范圍大于50納米(如圖4所示)。圖5示出了激光輸出能量與泵浦能量的關(guān)系,摻雜的吡咯甲川597(PM597)固體染料激光器激光輸出閾值小于10μJ,斜率效率大于60%(見表3)。在泵浦頻率為1Hz,能量密度為1J/cm2時(shí),用本發(fā)明的固體染料激光介質(zhì)的染料激光器激光輸出能量衰減10%所承受的激光脈沖數(shù)大于3.0×104次。
表3 采用本發(fā)明的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃基質(zhì)摻雜吡咯甲川的固體染料激光介質(zhì)的固體染料激光器激光輸出性能染料 可調(diào)諧范圍 中心波長 調(diào)諧帶寬 斜率效率 激光輸出閾值PM 597(S)*550-600nm571nm 50nm 61% <10μJPM 597(T)558-585nm572nm 27nm 11% >10μJPM 567(S)546-578nm563nm 31nm 52% <10μJ注表3中的PM代表吡咯甲川染料;S代表基質(zhì)為含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃;T代表基質(zhì)為含鈦的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃。
實(shí)施例2表1中配比2是基質(zhì)為含鈦的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃基質(zhì)含有的原料配比,摻雜的激光染料是吡咯甲川597,摻雜染料的濃度為1.0×10-4mol/L(摩爾濃度)。材料制備工藝流程如圖1所示。含鈦的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃基質(zhì)材料性能見表2。采用基質(zhì)為含鈦的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃摻雜吡咯甲川597的固體染料激光介質(zhì)的固體染料激光器激光輸出性能與實(shí)施例1相類似,如表3所示。
實(shí)施例3表1中配比3是基質(zhì)為含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃基質(zhì)含有的原料配比,摻雜的激光染料是吡咯甲川567,摻雜染料的濃度為1.0×10-4mol/L(摩爾濃度)。其中的激光染料吡咯甲川567在上述化學(xué)結(jié)構(gòu)式中R1=C6H5,R2=R3=CH3。用本實(shí)施例所制備的固體染料激光介質(zhì)的固體染料激光器,其激光輸出性能與實(shí)施例1相類似,如表3所示。
上述實(shí)施例充分證明了本發(fā)明的固體染料激光介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種用于染料激光器的固體染料激光介質(zhì),是以有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃為基質(zhì)材料,其特征在于在有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃的基質(zhì)材料中摻雜有激光染料吡咯甲川氟硼酸鹽絡(luò)合物,其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為
上述化學(xué)結(jié)構(gòu)式中R1、R2及R3為取代基團(tuán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的固體染料激光介質(zhì),其特征在于吡咯甲川氟硼酸鹽絡(luò)合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式中取代基團(tuán)R1、R2及R3分別是H,或者是CH3,或者是C2H5。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的固體染料激光介質(zhì),其特征在于在有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃的基質(zhì)中摻雜摩爾濃度為10-6~10-2mol/L的激光染料吡咯甲川氟硼酸鹽絡(luò)合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的固體染料激光介質(zhì),其特征在于作為基質(zhì)材料的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃是含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃,或者是含鈦的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4的固體染料激光介質(zhì),其特征在于含硅的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃在制備時(shí)含有的原料配比為5~15mol.%的正硅酸乙酯,5~20mol.%的γ-(2,3環(huán)氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷,0~10mol.%的甲基三乙氧基硅烷,5~25mol.%的甲基丙烯酸甲酯單體,0~5mol.%的聚苯乙烯單體,15~30mol.%的無水乙醇,20~60mol.%的去離子水,0.1~2mol.%的鹽酸或醋酸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4的固體染料激光介質(zhì),其特征在于含鈦的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃在制備時(shí)含有的原料配比為5~15mol.%的正鈦酸丁酯,5~20mol.%的γ-(2,3環(huán)氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷,0~10mol.%的甲基三乙氧基硅烷,5~25mol.%的甲基丙烯酸甲酯單體,0~5mol.%的聚苯乙烯單體,15~30mol.%的無水乙醇,20~60mol.%的去離子水,0.1~2mol.%的鹽酸或醋酸。
7.一種用于染料激光器的固體染料激光介質(zhì)的制備方法,是溶膠凝膠法,其特征在于是兩步水解的溶膠凝膠方法,具體工藝流程是第一步水解先將按應(yīng)有含量配比的硅烷偶聯(lián)劑與按配比含量的乙醇混合均勻,加入按配比含量的酸和配比含量一半用量的去離子水,在20~70℃溫度下,充分?jǐn)嚢?.5~2小時(shí);第二步水解在上述液體混合物中,按配比含量加入凝膠玻璃網(wǎng)絡(luò)形成體及有機(jī)玻璃單體,再加入剩余一半量的去離子水,在20~60℃溫度下,攪拌0.5~1.5小時(shí),然后,在20~40℃溫度下,加入按配比含量的染料乙醇溶液,攪拌0.5~2小時(shí),混合均勻后,在30~65℃溫度下,放置5~10天。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的固體染料激光介質(zhì)的制備方法,其特征在于凝膠玻璃的網(wǎng)絡(luò)形成體是正硅酸乙酯,或者是正鈦酸丁酯。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的固體染料激光介質(zhì)的制備方法,其特征在于有機(jī)玻璃單體是甲基丙烯酸甲酯單體,或者是聚苯乙烯單體。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的固體染料激光介質(zhì)的制備方法,其特征在于硅烷偶聯(lián)劑是γ-(2,3環(huán)氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷,或者是甲基三乙氧基硅烷,或者是γ-(2,3環(huán)氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷和甲基三乙氧基硅烷。
全文摘要
一種用于染料激光器的固體染料激光介質(zhì)及其制備方法。固體染料激光介質(zhì)含有在含硅的或含鈦的有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠玻璃的基質(zhì)中摻雜作為染料的吡咯甲川氟硼酸鹽絡(luò)合物。采用的制備方法是兩步水解的溶膠凝膠法。本發(fā)明的固體染料激光介質(zhì)光化學(xué)穩(wěn)定性好,用于染料激光器上,激光轉(zhuǎn)換效率高,激光輸出斜率效率大于60%,是已有技術(shù)的3倍。使用壽命長,是已有技術(shù)的1.5倍。激光波長可調(diào)諧范圍大于50納米,激光輸出閾值小,而表面激光損傷閾值較高。
文檔編號(hào)H01S3/02GK1242397SQ98110969
公開日2000年1月26日 申請(qǐng)日期1998年7月20日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月20日
發(fā)明者姜中宏, 張勤遠(yuǎn), 胡麗麗 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所