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1、1,5.3 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。,2,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
2、。,一、染料分子能级,3,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。,4,二、 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
3、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。,5,三、 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
4、 较长(10-410-3s),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；,6,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T1T2跃迁的吸收波长又恰好与S1S0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S1S0受激辐射产生的增益大于T1T2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,h,h,7,5.3.2 染料激光器的泵浦,通常采用闪光灯、N2分子激光器、准分子
5、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。,8,
6、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。,9,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
7、，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。,10,2. 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。,11,3. 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(
8、522)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。,12,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。,