1、第四章 染料激光器（液體）,染料激光器是以某種有機(jī)染料溶解于一定溶劑中作為激活介質(zhì)的激光器,染料激光器優(yōu)異性能： 輸出激光波長(zhǎng)可調(diào)諧，某些染料激光波長(zhǎng)可調(diào)寬度達(dá) 上百毫 微米； 激光脈沖寬度可以很窄，目前，由染料激光器產(chǎn)生的 超短脈沖寬度可壓縮至飛秒(1015秒)量級(jí)； 染料激光器的輸出功率大，可與固體激光器比擬，但 價(jià)格便宜，同樣的輸出功率，它只是固體激光器的千 分之一； 染料激光器工作物質(zhì)具有均勻性好等優(yōu)良的光學(xué)質(zhì)量。 它在光化學(xué)、光生物學(xué)、光譜學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、同位素分離、全息照相和光通信中，正獲得日益廣泛的重要應(yīng)用,適用作激光工作物質(zhì)的染料 是包含共輒雙鍵的有機(jī)化合物。,第一節(jié)、 染料的

2、種類和分子能級(jí),一、染料的種類及輸出,染料分子的能級(jí)如圖所示,染料分子能級(jí)的特征可用“自由電子”模型說(shuō)明。復(fù)雜的染料大分子中分布著電子云,電子云中的2n個(gè)電子與勢(shì)阱中的自由電子相似。當(dāng)分子處于基態(tài)時(shí),2n個(gè)電子填滿n個(gè)最低能級(jí),每個(gè)能級(jí)為兩個(gè)自旋相反的電子所占據(jù),總自旋量子數(shù)為零,形成單重態(tài)S0。當(dāng)分子處于激發(fā)態(tài)時(shí),電子云中有一個(gè)電子處于較高能級(jí)。若此電子自旋方向不變,則總自旋量子數(shù)仍為零,形成S1、S2等單重激發(fā)態(tài)。 若此電子自旋反轉(zhuǎn),則形成T1、T2等三重態(tài)。 由選擇定則可知,單重態(tài)和三重態(tài)之間的躍 遷是禁戒的。每一個(gè)電子態(tài)都有一組振動(dòng)轉(zhuǎn) 動(dòng)能級(jí)。電子態(tài)之間的能量間隔為106m-1量級(jí),

3、同一電子態(tài)相鄰振動(dòng)能級(jí)間的能量間隔為105m-1, 而轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)間的能量間隔僅為103m-1量級(jí)。實(shí) 際上由于染料分子與溶劑分子頻繁碰撞和靜電 擾動(dòng)引起的加寬,使得振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)幾乎相 連。因此每個(gè)電子態(tài)實(shí)際上對(duì)應(yīng)一個(gè)準(zhǔn)連續(xù) 能帶。,染料分子能級(jí)圖,二、染料分子能級(jí),第二節(jié)、 染料分子的光輻射過(guò)程,染料分子能級(jí)圖,染料分子吸收了泵浦光能量由基態(tài)S0躍遷到S1的某一振轉(zhuǎn)能級(jí)后,在和溶劑分子頻繁的碰撞中迅速地將能量傳遞給溶劑分子并躍遷至S1的最低振轉(zhuǎn)能級(jí)。染料分子由此能級(jí)躍遷至S0的各振動(dòng)能級(jí)時(shí)產(chǎn)生熒光。躍遷至S0的較高振轉(zhuǎn)能級(jí)的染料分子迅速通過(guò)無(wú)輻射躍遷過(guò)程返回S0的最低能級(jí)。由以上敘述可知,在

4、S1的最低振轉(zhuǎn)能級(jí)和S0的較高振轉(zhuǎn)能級(jí)間極易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。產(chǎn)生激光。由于S0和S1都是準(zhǔn)連續(xù)帶,吸收譜和熒光發(fā)射譜都是連續(xù)的,所以染料激光器有很寬的調(diào)諧范圍。,染料分子的三重態(tài)“陷阱”,處于S1態(tài)的分子還可通過(guò)碰撞容易地向T1態(tài)躍遷,這一過(guò)程稱作系際交叉,其速率KST一 般為10-2ns-l左右,雖然這一速率較S1態(tài)的自發(fā)輻射速率(ns-1)小得多,但由于T1態(tài)的壽命T較長(zhǎng)(10-410-3s),分子較易積聚在T1態(tài),所以T1態(tài)對(duì)于激發(fā)分子來(lái)說(shuō)，相當(dāng)一個(gè)“陷阱”。 一方面， T1占有S1上部分分子，減少了S1對(duì)S0的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，另一方面， 積累在T1中的大量分子又會(huì)吸收光能，由T1躍

5、遷到T2，并且而T1T2躍遷的吸收波長(zhǎng)又恰好與S1S0躍遷熒光波長(zhǎng)重疊,這意味著T1態(tài)積聚的染料分子可吸收受激輻射光子而向T2態(tài)躍遷,因此染料分子在T1態(tài)集聚不利于激光運(yùn)轉(zhuǎn)。顯然,只有在S1S0受激輻射產(chǎn)生的增益大于T1T2躍遷造成的吸收損耗時(shí)才能形成激光振蕩。,染料分子能級(jí)圖,通常采用閃光燈、N2分子激光器、準(zhǔn)分子激光器或倍頻Nd3+:YAG激光器發(fā)射的532nm激光等作脈沖染料激光器的泵浦光源,而連續(xù)染料激光器則常用氬或氪離子激光器作泵浦源。顯然,泵浦光的波長(zhǎng)必須小于染料激光器的輸出激光波長(zhǎng)。可以采用光柵、棱鏡、標(biāo)準(zhǔn)具及雙折射濾光片等波長(zhǎng)選擇元件對(duì)染料激光器進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧。,一、閃光燈脈沖泵

6、浦,泵浦用閃光燈有兩種結(jié)構(gòu)，普通直管式和同軸式。,二、激光脈沖泵浦,能夠用于泵浦染料激光器的激光種類很多，主要有氮分子激光器(0.337m)，紅寶石激光器(0.6943m)，釹玻璃激光器(1.06m)，銅蒸氣激光器(0.5106m、0.5782m)，準(zhǔn)分子激光器(主要在紫外區(qū)) 以及這些激光的二次、三次諧波等。目前 經(jīng)常采用的三鏡腔式染料激光器。,三鏡腔式染料激光器,第三節(jié)、染料激光器的泵浦,在摻鈦藍(lán)寶石出現(xiàn)之前,染料激光器是最理想的可調(diào)諧激光器。目前已在紫外(330mn)到近紅外(1.85um)相當(dāng)寬的范圍內(nèi)獲得了連續(xù)可調(diào)諧輸出。由于它的可調(diào)諧和可產(chǎn)生極窄光脈沖的特點(diǎn),在激光光譜、同位素分離

7、、醫(yī)學(xué)及其他科技領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。,第四節(jié)、染料激光器的調(diào)諧,一、 光柵調(diào)諧,下圖是一種光柵-反射鏡調(diào)諧腔，放在腔中的光柵G具有擴(kuò)束和色散作用。G的不同波長(zhǎng)的一級(jí)衍射相對(duì)發(fā)射鏡R2來(lái)說(shuō)，有不同的入射角。于是，當(dāng)旋 轉(zhuǎn)R2使某一波長(zhǎng)光的入射角 為0時(shí)，該波長(zhǎng)的光便能低 損耗地返回諧振腔，形成振 蕩。因此旋轉(zhuǎn)R2便起到調(diào)諧 的作用。,光柵-反射鏡調(diào)諧腔,二、 棱鏡調(diào)諧,左圖是一種折疊式縱向泵浦染料激光器原理圖，腔內(nèi)放置的棱鏡是一種色散元件。利用棱鏡的色散特性，將泵浦光偶合到腔內(nèi)，并 且與染料流形成同軸 泵浦形式。由于棱鏡 的色散作用，來(lái)自M3 、M2的不同波長(zhǎng)的光， 將有不同的折射方向。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)

8、平面發(fā)射鏡M1 使其與某一波長(zhǎng)的光 垂直時(shí)，該波長(zhǎng)的光 就能返回諧振腔，形 成振蕩。,棱鏡調(diào)諧腔,三、 雙折射濾光片調(diào)諧,利用雙折射濾光片調(diào)諧，是目前染料激光器廣泛采用的調(diào)諧方法，國(guó)內(nèi)外的Ar激光、YAG倍頻激光泵浦的染料激光器，都使用這種方法調(diào)諧。下圖給出的典型染料激光器就是利用雙折射濾光片進(jìn)行調(diào)諧的。由于染料屬于均勻加寬工作物質(zhì),插入了隔離器的環(huán)行諧振腔使腔內(nèi)激光成為行波,因此這個(gè)激光器可以單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。諧振腔中的各種波長(zhǎng)選擇器件則保證波長(zhǎng)的精細(xì)調(diào)諧。,典型染料激光器原理示意圖,總結(jié)： 由于染料具有較寬的頻帶,所以 可從鎖模染料激光器得到很窄的脈沖, 以若丹明6G為工作物質(zhì)的碰撞鎖模染 料激光器可產(chǎn)生約30fs的超短激光脈 沖,這種光脈沖還可壓縮成脈寬僅為 6fs的超短光脈沖,這是目前世界上最 窄的光脈沖。在摻鈦藍(lán)寶石出現(xiàn)之前 ,染料激光器是最理想的可調(diào)諧激光器 。目前已在紫外(330mn)到近紅外 (1.85um)相當(dāng)寬的范圍內(nèi)獲得了連續(xù) 可調(diào)諧輸出。由于它的可調(diào)諧和可產(chǎn)生極窄光脈沖的特點(diǎn),在激光光譜、同位素分離、醫(yī)學(xué)及其他科技領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。,染料激光器構(gòu)件,染料池,過(guò)濾器,染料循環(huán)器,典型染料激光器,DYE-SF-077穩(wěn)頻型單頻CW環(huán)形染料激光器,DYE-SF-077