染料共掺及改性聚合物基质固体染料激光介质研究

摘要

通过染料共掺，利用染料之间的能量转移可以提高固体染料激光介质的激光效率，拓展其输出波长范围。损伤阈值较低和光稳定性较差是制约聚合物基质固体染料激光介质应用的两个重要因素。通过对聚合物基质适当改性，可以大大提高固体染料激光介质的损伤阈值和光稳定性。因此开展染料共掺及改性聚合物基质固体染料激光介质的研究对固体染料激光的实用化具有重要意义。
　　本文首先介绍了染料共掺及改性聚合物基质固体染料激光的研究进展，给出了染料激光器的基本理论；接着介绍了聚合物基质固体染料激光介质的制备；然后在此基础上研制了染料共掺和改性聚合物基质两大系列的固体染料激光介质，并对其特性进行了研究。
　　染料共掺方面，本文研究了给体染料pyrromethene567(PM567)、pyrromethene580(PM580)及rhodamine590(Rh590)与受体染料rhodamine(Rh610)在乙醇溶液和改性聚甲基丙烯酸甲酯（MPMMA）中的能量转移过程。由于给体与受体之间的能量转移，给体的引入均使受体的荧光强度得到了增强。在乙醇溶液中，PM567:Rh610、PM580:Rh610和Rh590:Rh610三个共掺体系受体的荧光强度分别增强34％、100%和60%；在MPMMA中，受体的荧光强度分别增强900%、近500%和近100%。研究了染料共掺固体染料激光介质的激光光谱特性和输出特性。染料共掺使介质的斜率效率得到了不同程度的提高。在PM567:Rh610共掺体系中得到最高的斜率效率70.4%，是受体单掺介质斜率效率的近8倍。利用Stern-Volmer方程、Perrin方程和静态-动态方程对染料共掺体系的能量转移过程进行了动力学研究，得到了辐射和非辐射能量转移速率常数及相应的能量转移效率、能量转移临界距离等能量转移参数。在乙醇溶液和MPMMA基质中，染料共掺体系能量转移临界距离均远大于碰撞距离，且辐射能量转移速率常数均远大于非辐射能量转移速率常数。因此，体系中占主导地位的能量转移是辐射机制的能量转移。
　　采用乙醇改性甲基丙烯酸甲酯（methylmethacrylate，MMA）与甲基丙烯酸-β-羟乙酯（β-hydroxyethylmethacrylate，HEMA）的共聚物P(MMA:HEMA)、丙烯酸-β-羟乙酯（2-hydroxyethylacrylate，HEA）与MMA共聚以及在PMMA中掺杂稳定剂1,4-diazobicyclo[2,2,2]octane(DABCO)三种方法对聚合物基质进行了改性，制备了PM567掺杂的改性聚合物基质固体染料激光介质。利用Nd:YAG的倍频光(532nm，~13ns)作为泵浦源，研究了各个系列改性介质的光谱特性和输出特性。各个系列改性介质均存在一个使该系列介质斜率效率达到最高的最佳组分。在DABCO与PM567浓度比为0.5:1的PMMA为基质的改性介质中得到了最高的斜率效率50.6%。利用干涉法测试了各个系列改性介质的局部光学均匀性。通过合理控制基质组分，可以得到光学均匀性良好的固体染料激光介质。采用10Hz重频，脉冲能量30mJ（能量密度为0.1J/cm2），调QNd:YAG的倍频光(532nm，~13ns)纵向泵浦固体染料激光介质，研究了各个系列改性介质的光稳定性。通过改性，提高了固体染料激光介质的光稳定性。DABCO与PM567浓度比为1:1的PMMA为基质的改性介质经100000个泵浦脉冲后，染料激光输出仅下降到初始输出的92.81%。

目录

染料共掺及改性聚合物基质固体染料激光介质研究

STUDY ON DYE-MIXTURE-DOPED AND MODIFIED-POLYMER-BASED SOLID DYE LASER GAIN MEDIA

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.1.1 固体染料激光的优点及其应用

1.1.2 课题意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 国外研究进展

1.2.2 国内研究进展

1.3 主要研究内容

第2章 染料激光器的基本理论

2.1 染料及其分类

2.2 染料分子的能级结构

2.3 染料激光的工作过程

2.4 宽带二能级系统的激光速率方程

2.5 脉冲染料激光器的阈值与增益

2.6 本章小结

第3章 聚合物基质固体染料激光介质的制备

3.1 制备所用材料

3.1.1 染料

3.1.2 聚合单体

3.1.3 引发剂

3.1.4 小分子量添加剂

3.1.5 稳定剂

3.2 单体和引发剂的精制

3.2.1 聚合单体的精制

3.2.2 引发剂AIBN的精制

3.3 硅烷化处理

3.4 聚合物基质固体染料激光介质的制备

3.5 本章小结

第4章 染料共掺能量转移研究

4.1 引言

4.2 能量转移基本理论

4.2.1 能量转移的相关概念

4.2.2 能量转移的类型

4.2.3 能量转移动力学

4.3 实验方法

4.3.1 吸收谱的测量

4.3.2 荧光谱的测量

4.3.3 荧光寿命测量

4.3.4 激光输出特性研究

4.4 溶液中染料共掺能量转移研究

4.4.1 荧光特性研究

4.4.2 能量转移动力学研究

4.5 染料共掺固体染料激光介质特性研究

4.5.1 荧光特性研究

4.5.2 激光输出特性研究

4.5.3 能量转移动力学研究

4.6 本章小结

第5章 改性聚合物基质固体染料激光介质研究

5.1 聚合物基质固体染料激光介质的破坏机理及其改性

5.1.1 染料的降解

5.1.2 基质的破坏

5.1.3 改性方法

5.1.4 本文采用的改性方案

5.2 改性聚合物基质固体染料激光介质的光谱和输出特性

5.3 改性聚合物基质固体染料激光介质的光学均匀性

5.4 改性聚合物基质固体染料激光介质的光稳定性

5.4.1 光稳定性的影响因素及其评价机制

5.4.2 实验结果

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢