激光原理5.3染料激光器

5.3染料激光器染料激光器采用溶于适当溶剂中的有机染料作激光工作物质。适用作激光工作物质的染料是包含共轭双键的有机化合物。1激光原理5.3染料激光器

染料分子的能级如图所示,染料分子能级的特征可用“自由电子”模型说明。复杂的染料大分子中分布着电子云，电子云中的2n个电子与势阱中的自由电子相似。图(5-17)染料分子能级图当分子处于基态时，2n个电子填满n个最低能级,每个能级为两个自旋相反的电子所占据，总自旋量子数为零，形成单重态S0。当分子处于激发态时，电子云中有一个电子处于较高能级。若此电子自旋方向不变，则总自旋量子数仍为零，形成S1、S2等单重激发态。若此电子自旋反转,则形成T1、T2等三重态。一、染料分子能级2激光原理5.3染料激光器图(5-17)染料分子能级图由选择定则可知：单重态和三重态之间的跃迁是禁戒的。每一个电子态都有一组振动-转动能级。

电子态之间的能量间隔为106m-1量级;

同一电子态相邻振动能级间的能量间隔为105m-1,

而转动子能级间的能量间隔仅为103m-1量级。实际上由于染料分子与溶剂分子频繁碰撞和静电扰动引起的加宽,使得振动、转动能级几乎相连。因此每个电子态实际上对应一个准连续能带。3激光原理5.3染料激光器二、染料分子的光辐射过程图(5-17)染料分子能级图染料分子吸收了泵浦光能量由基态S0跃迁到S1的某一振转能级后,再和溶剂分子频繁的碰撞中迅速地将能量传递给溶剂分子并跃迁至S1的最低振转能级。染料分子由此能级跃迁至S0的各振动能级时产生荧光。跃迁至S0的较高振转能级的染料分子迅速通过无辐射跃迁过程返回S0的最低能级。由以上叙述可知,在S1的最低振转能级和S0的较高振转能级间极易形成粒子数反转分布状态。产生激光。由于S0和S1都是准连续带,吸收谱和荧光发射谱都是连续的,所以染料激光器有很宽的调谐范围。4激光原理5.3染料激光器三、染料分子的三重态“陷阱”

图(5-17)染料分子能级图处于S1态的分子还可通过碰撞容易地向T1态跃迁,这一过程称作系际交叉,其速率KST一般为10-2ns-l左右；虽然这一速率较S1态的自发辐射速率(≈ns-1)小得多,但由于T1态的寿命T

较长(10-4~10-3s),分子较易积聚在T1态,所以T1态对于激发分子来说，相当一个“陷阱”。一方面，T1占有S1上部分分子，减少了S1对S0的反转粒子数；5激光原理5.3染料激光器另一方面，积累在T1中的大量分子又会吸收光能，由T1跃迁到T2，并且而T1→T2跃迁的吸收波长又恰好与S1→S0跃迁荧光波长重叠,这意味着T1态积聚的染料分子可吸收受激辐射光子而向T2态跃迁,因此染料分子在T1态集聚不利于激光运转。显然，只有在S1→S0受激辐射产生的增益大于T1→T2跃迁造成的吸收损耗时才能形成激光振荡。图(5-17)染料分子能级图hh6激光原理5.3染料激光器5.3.2染料激光器的泵浦通常采用闪光灯、N2分子激光器、准分子激光器或倍频Nd3+:YAG激光器发射的532nm激光等作脉冲染料激光器的泵浦光源,而连续染料激光器则常用氩或氪离子激光器作泵浦源。显然,泵浦光的波长必须小于染料激光器的输出激光波长。可以采用光栅、棱镜、标准具及双折射滤光片等波长选择元件对染料激光器进行波长调谐。一、闪光灯脉冲泵浦泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。二、激光脉冲泵浦能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器(0.337m)，红宝石激光器(0.6943m)，钕玻璃激光器(1.06m)，铜蒸气激光器(0.5106m、0.5782m)，准分子激光器(主要在紫外区)以及这些激光的二次、三次谐波等。7激光原理5.3染料激光器图(5-19)三镜腔式染料激光器图(5-19)是目前经常采用的三镜腔式染料激光器结构示意图。8激光原理5.3染料激光器

在掺钛蓝宝石出现之前,染料激光器是最理想的可调谐激光器。目前已在紫外(330nm)到近红外(1.85m)相当宽的范围内获得了连续可调谐输出。由于它的可调谐和可产生极窄光脉冲的特点,在激光光谱、同位素分离、医学及其他科技领域获得了广泛应用。5.3.3染料激光器的调谐1.光栅调谐图(5-20)光栅-反射镜调谐腔图(5-20)是一种光栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G具有扩束和色散作用。G的不同波长的一级衍射相对反射镜R2来说，有不同的入射角。于是，当旋转R2使某一波长光的入射角为0时，该波长的光便能低损耗地返回谐振腔，形成振荡。因此旋转R2便起到调谐的作用。9激光原理5.3染料激光器2.棱镜调谐图(5-21)是一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，腔内放置的棱镜是一种色散元件。利用棱镜的色散特性，将泵浦光耦合到腔内，并且与染料流形成同轴泵浦形式。图(5-21)棱镜调谐腔由于棱镜的色散作用，来自M3

、M2的不同波长的光，将有不同的折射方向。当旋转平面反射镜M1使其与某一波长的光垂直时，该波长的光就能返回谐振腔，形成振荡。10激光原理5.3染料激光器3.双折射滤光片调谐利用双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采用的调谐方法，国内外的Ar＋激光、YAG倍频激光泵浦的染料激光器，都使用这种方法调谐。图(5－22)给出的典型染料激光器就是利用双折射滤光片进行调谐的。图(5-22)典型染料激光器原理示意图由于染料属于均匀加宽工作物质,插入了隔离器的环行谐振腔使腔内激光成为行波,因此这个激光器可以单纵模运转。谐振腔中的各种波长选择器件则保证波长的精细调谐。11激光原理5.3染料激光器由于染料具有较宽的频带,所以可从锁模染料激光器得到很窄的脉冲,以若丹明6G为工作物质的碰撞锁模染料激光器可产生约30fs的超短激光脉冲,这种光脉冲还可压缩成脉宽仅为6fs的超短光脉冲,这是目前世界上最窄的光脉冲。在掺钛蓝宝石出现之前,染料激光器是