С 1973 года в лаборатории ведутся работы по исследованию, разработке и созданию лазеров. Основным направлением лаборатории являются лазеры на основе органических соединений.

В настоящее время исследования ведутся по направлениям

• Поиск новых лазерных красителей УФ, видимого и ИК диапазона;

• Создание твердотельных активных сред на основе органических красителей;

• Исследование возможности перестройки длины волны лазерного излучения;

• Моделирование процессов генерации в органических лазерно-активных средах;

• Исследование лазерной генерации в органических пленках при фотовозбуждении;

• Исследование возможности создания органического инжекционного лазера

Разработка лазеров и поиск новых активных сред лазеров ведется сотрудниками лаборатории с 1973 года. Появление эксимерных лазеров вызвало большой интерес у исследователей, поскольку такие лазеры обладают уникальными характеристиками: высокой энергией излучения (до нескольких джоулей в импульсе), высокой энергией кванта (ультрафиолетовый диапазон), крутым передним фронтом импульса и др. Такие лазеры хорошо подходят для оптической накачки органических красителей и тем самым позволяют расширить диапазон излучения благодаря перестройке длины волны генерации.

С момента получения лазерной генерации на красителях синтезированы и исследованы различные классы органических материалов, обладающих высокими энергетическими и ресурсными характеристиками. До середины 90х годов подавляющее количество работ касались исследованию генерационных характеристик органических красителей в жидких средах. Созданы эффективные красители с поглощением лежащим в разных диапазонах спектра от УФ до ИК, хорошо попадающими в полосы излучения различных лазеров накачки (эксимерные и газоразрядные лазеры, лазеры на парах металлов, твердотельные лазеры на гранатах). Однако, при разработке твердотельных активных сред на основе органических красителей выяснилось, что многие лазерные красители, эффективные в жидких средах, имеют крайне малый КПД и ресурс работы в органических полимерных матрицах. Было установлено, что достаточно эффективные в спиртах красители кумаринового ряда не годятся для внедрения в полиметилметакрилат. Некоторые ксантеновые красители (Родамины) и пирометены удовлетворительно работают в ПММА и гибридных органо-неорганических матрицах. Поэтому задачи поиска эффективных красителей для твердотельных активных сред остаются по-прежнему актуальными.

Перестраиваемые лазеры на основе твердотельных активных сред представляют интерес для исследования в областях, требующих селективного возбуждения различных объектов (лазерное зондирование атмосферы, молекулярная сенсорика, химия и фотохимия). Преимущества твердотельных активных сред по сравнению с жидкостными являются: компактность, связанная с отсутствием систем прокачки; более низкий коээфициент термического расширения; низкая пожароопасность; возмность работать в условиях невесомости.
Исследование создания твердотельных активных сред на основе органических красителей описано во многих работах [SM1, SM2, SM3].
Первые попытки создания твердотельных активных сред на красителях в полимерных матрицах полиметилметакрилата не увенчались успехом. Ресурс работы таких материалов оказался очень низким. Как в дальнейшем было установлено [SM4, SM5], причиной быстрого разрушения матриц являлось наличие посторонних примесей в плохо очищенных образцах мономеров, из которых изготавливался полимер с лазерным красителем. Процесс разрушения матрицы происходит на примесных включениях и заключается в сажеобразовании. Появление черной сажи внутри матрицы приводит к сильному поглощению лазерного излучения, в результате чего разрушение усиливается (кумулятивный эффект). В настоящее время известно, что полимер, синтезированный из хорошо очищенного мономера имеет ресур работы на 2-4 порядка выше, по сравнению с неочищенным.
В ходе исследований нами было установлено, что широко применяемая очистка мономера метилметакрилата и инициаторов реакции полимеризации, недостаточна для создания сред с высоким ресурсом работы. Связано это с тем, что для очистки мономера используются гидроксиды натрия или калия, которые сами могут являться источниками загрязнений. Для устранения этого недостатка была усовершенствована процедура очистки реагентов.
Предложена следующая процедура очистки метилметакрилата: ММА осторожно (1 K/мин) нагревался до 60 °С, при барботировании через него воздуха до конверсии ~1 - 3 %, а затем быстро охлаждался до комнатной температуры. Степень конверсии определялась гравиметрическим методом после высаживания полученного полимера. Затем оставшийся мономер перегонялся при пониженном давлении в токе аргона.
Очистка инициатора реакции полимеризации: инициатор азоизобутиронитрил (АИБН) растворяли в очищенном и осушенном метаноле до насыщения при комнатной температуре (20-25 °С) и затем раствор очень медленно охлаждался до 18 °С. Выпавшие кристаллы отфильтровывались, промывались холодным метанолом и высушивались под вакуумом. Полученные кристаллы вновь растворяли в очищенном и осушенном метаноле до насыщения при комнатной температуре, а затем раствор очень быстро охлаждался до минус 30 - минус 40 °С. Выпавшие очень мелкие кристаллы отфильтровывались, промывались холодным метанолом (-40 °С) и сушились под вакуумом. Полученный инициатор использовался для полимеризации в блоке.
Синтез самих твердотельных активных сред проводился по следующей схеме:
были приготовлены смеси из метилметакрилата (ММА), инициатора реакции АИБН и красителей. Растворы в течение нескольких часов находились в вибросмесителях до полной растворимости компонент, далее отфильтровывались на 0,2 мкм фильтрах, заливались в полиэтиленовые контейнеры диаметром 20 мм и продувались аргоном для удаления воздуха. Далее контейнеры помещались в водяной термостат со следующим режимом изменения температуры: первые двое суток поддерживалась температура 40 °С, следующие трое суток 45 °С, затем каждые сутки температура поднималась на 5 ° до тех пор, пока не достигла 75 °С. Затем образцы постепенно остужались с шагом в 5 ° в сутки. После этого материал извлекался из контейнеров и из него изготавливались лазерные элементы. На первом этапе полимерная заготовка зажималась в цанговый держатель и из нее вырезался цилиндр длиной 11 мм.
Эта операция проводилась на токарном станке с помощью дисковой фрезы толщиной 0,5 мм при скорости вращения 100 об/мин. Для обеспечения параллельности граней операция проводилась без изменения крепления образца. Далее полученные заготовки шлифовались на шлифовально- полировальной машине Phoenix 4000 (Buehler). Последовательно использовались шлифовальные круги с размером абразива от 50 до 10 мкм. При этом скорость вращения диска составляла 50 об/мин а сила прижима образцов 1 кг/см². Полировка полученных образцов проводилась на дисках trident polishing cloth алмазной пастой с размерами частиц 3 мкм. Финальная полировка осуществлялась на дисках mastertex с помощью полировальной жидкости c размерами частиц 0,05 мкм. Качество обработки и плоскостность получаемых активных образцов проверялись на микроскопе Centaurus и профилометре Thencor MicroXAM 100. Радиус кривизны плоскостей на рабочих ребрах образцов не превышал 0,5 мкм.


Указанные процедуры очистки реагентов и синтеза из них тврдоетльных активных сред применялись в работах [SM2, SM6]. Ресурсные характеристики лазерных элементов, изготовленных по указанной методике превосходят мировые аналоги, материалы в которых очищались по традиционной методике.

• SM1 - Garcia-Moreno I., Wang L., Costela A., Banuelos J., Lopez Arbeloa I., Xiao Y.. Synthesis and Optical and Redox Properties of Symmetric and Asymmetric BODIPYs // ChemPhysCHem, 2012, № 13, P. 3923-3931.
• SM2 - Копылова Т.Н., Ануфрик С.С., Майер Г.В., Солодова Т.А., Тельминов Е.Н., Дегтяренко К.М., Самсонова Л.Г., Гадиров Р.М., Никонов С.Ю., Понявина Е.Н., Тарковский В.В., Сазонко Г.Г. Исследование характеристик твердотельных активных сред на основе пиррометена 567 // Изв. Вузов. Физика, 2012, Т. 55, № 10, С. 32-37. Перейти по ссылке
• SM3 - T.N. Kopylova, G.V. Mayer et. al. Active media for tunable blue–green lasers based on aminocoumarins in polymethylmethacrylate // Appl. Phys.B. – 2004.-78.-P.183-187. Перейти по ссылке
• SM4 - В.И. Земский, Ю.Л. Колесников, И.К. Мешковский Физика и техника импульсных лазеров на красителях. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005. - 176 с.
• SM5 - Бутелин А.В., Коган Б.Я. Зарождение и развитие термохимической неустойчивости на поглощающем включении в ПММА под действием непрерывного лазерного излучения // Журнал технической физики. - 1979. - №49. - С.870-872.
• SM6 - Minaev B.F., Valiev R.R., Nikonova E.N., Gadirov R.M., Solodova T.A., Kopylova T.N., Tel’minov E.N. Computational and Experimental Investigation of the Optical Properties of the Chromene Dyes // The Journal of Physical Chemistry A. - 2015. - 119(10). - P.1948-1956. Перейти по ссылке