c5.3染料激光器

§5.4半导体激光器§5.3染料激光器§5.5其他激光器第五章典型激光器介绍§5.2气体激光器§5.1固体激光器1§5.3染料激光器工作物质有机染料溶解于一定溶剂(甲醇、乙醇或水)中作为工作物质。染料激光器的发展过程1966年Sorokin和Lankard利用巨脉冲红宝石激光器泵浦氯化铝酞化菁(CAP)和花菁类染料，第一次得到了激光输出(755.5nm)。工作方式脉冲和连续运转。特点:(1)可调谐。从0.3～1.3µm范围内连续可调谐；(2)脉冲宽度可以很窄。超短脉冲宽度10-15s量级；(3)工作物质均匀性好、光学质量优良；(4)输出功率大；(5)价格便宜。其缺点是稳定性较差。应用在光化学、光生物学、光谱学、化学动力学、同位素分离、全息造相和光通信中得到广泛应用。§5.3染料激光器(1)工作物质的特点①染料是一种有机化合物，每个染料分子都有许多原子组成，通常是由数十个原子所组成，其能级结构十分复杂。②染料分子的光谱特性不同于原子和离子，也不同于其他的分子，很难把染料发出的荧光归结为哪一个原子所发射；③目前采用了简单的双原子分子模型模仿染料分子相应的能级图。1.染料分子能级5.3.1染料激光器的激发机理1.染料分子能级5.3.1染料激光器的激发机理(2)能级分布特点①染料分子的运动包括电子运动、组成染料分子的原子间的相对振动和整个染料分子的转动；②能级分布每个电子能级都有一组振动～转动能级。每一个振动能级又因分子转动而分裂为若干个转动次能级，这些转动能级之间的间隔很小，并且由于分子碰撞和静电扰动，更加宽了振动～转动能级，所以每一个电子态可以看出由一个准连续的能带组成。③能级表示方式染料分子的电子态，按电子自旋的状态分成单态和三重态，分别用S和T表示。例如，单态—S0、S1、S2…；三重态—T1、T2…。其中S0为基态，其余的为激发态。三重态较相应的单态能级略低。染料分子能级图(5-17)染料分子能级图染料分子能级图是如图(5-17)所示的准连续态能级结构。5.3.1染料激光器的激发机理2.染料分子的光辐射过程图(5-18)染料的吸收-荧光光谱图(1)泵浦染料分子在紫外和可见光范围内有较强的吸收带(如图所示)，在泵浦光的照射下，大部分染料分子吸收了泵浦光能量由基态S0跃迁到激发态S1、S2……的某个振动—转动能级上。染料分子在S2、S3……这些能级上的寿命很短，仅为10-11～10-12s,把能量传递给周围溶剂后，就无辐射的驰豫到S1态的最低能级上，该能级的寿命稍微长一些，荧光寿命约为10-9s。图(5-17)染料分子能级图(2)激光辐射处在激光上能级S1态的分子跃迁到S0态的各个振动能级上时产生荧光，同时很快的弛豫到S0态的最低能级上。如果染料分子在S1态和S0态之间形成了粒子数反转，就可能产生激光。跃迁到S0态较高能级上的分子能迅速通过无辐射跃迁过程返回到S0态的最低能级，在S1态的最低能级和S0态的较高能级之间极易形成粒子数反转分布，使得染料激光器的阈值很低。染料分子也是一种四能级系统。2.染料分子的光辐射过程图(5-17)染料分子能级图图(5-18)染料的吸收-荧光光谱图若丹明6G吸收光谱、荧光光谱、三重态吸收谱线200250300350400450500550600650700nm吸收谱线荧光谱线吸收谱线三重态相对强度3.染料分子的三重态“陷阱”(1)三重态“陷阱”效应由于三重态T1较单态S1略低，所以处在S1态的分子很容易通过碰撞无辐射跃迁到T1上，并且T1态和S0态之间不允许产生辐射跃迁，5.3.1染料激光器的激发机理由于T1寿命较长，约为10-4～10-3s，在T1态上可以积聚大量的粒子，对激光的形成是十分不利的。一、T1占有了S1上的部分分子，减少了S1对S0的反转粒子数；二、T1上分子会吸收光能由T1跃迁到T2，而T1→T2的吸收波长与S1→S0跃迁的荧光波长重叠，T1态上分子可吸收受激辐射光子而向T2态跃迁，降低了S1→S0的实际荧光效率，甚至导致荧光猝灭。图(5-17)染料分子能级图T1态对于S1态上的激发分子来说相当于“陷阱”。(2)消除三重态“陷阱”效应的方法a.加入少量三重态猝灭剂(如氧)，以缩短T1态的寿命。b.提高泵浦光功率和泵浦速度，使染料分子在T1态积聚之前就完成激光振荡，以使三重态“陷阱”来不及起作用。要求采用短脉冲泵浦光源。5.3.1染料激光器的激发机理3.染料分子的三重态“陷阱”泵浦用闪光灯有两种形式，普通式和同轴式。普通式直管闪光灯泵浦染料激光器如图所示。聚光腔闪光灯全反射镜输出激光染料管5.3.2染料激光器的泵浦1.闪光灯脉冲泵浦2.激光脉冲泵浦能够用来泵浦染料激光器的激光器种类很多，主要有氮分子激光器(337nm)、红宝石激光器(694.3nm)、钕玻璃激光器(1.06m)，铜蒸气激光器(510.6nm、578.2nm)、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。选用泵浦激光器的原则是：①泵浦光谱应与染料的吸收光谱匹配；②泵浦光的功率、能量应满足要求；③泵浦光脉冲宽度应短，足以消除三重态的猝灭作用。5.3.2染料激光器的泵浦如图所示为常用的三镜腔式染料激光器结构示意图。泵浦光通过激光反射镜照射到染料上，该染料实际是由循环泵形成的染料喷膜，所产生的受激辐射光在折叠腔内振荡，形成激光输出。激光脉冲泵浦图(5-19)三镜腔式染料激光器实现精确调谐和获得较窄线宽:波长选择装置的谐振腔经常采用的波长选择装置有:光栅、棱镜、F-P标准具、双折射滤光片、分布反馈装置、电控调谐元件等。5.3.3染料激光器的调谐1.光栅调谐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。图(5-20)光栅-反射镜调谐腔对于G，不同波长的一级衍射光相对反射镜R2来说，有不同的入射角。于是当旋转R2使某一波长的入射角为零时，该波长的光便能低损耗的返回谐振腔，形成振荡。因此，旋转R2便起到了调谐作用。5.3.3染料激光器的调谐2.棱镜调谐如图所示，是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，并与染料流形成同轴泵浦形式。由于棱镜的色散作用，一束来自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，该波长的光便能返回谐振腔，形成振荡。因此，旋转M1便实现了调谐作用。图(5-21)棱镜调谐腔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5.3.3染料激光器的调谐图(5-22)典型染料激光器原理示意图这是一种单纵模环形腔染料激光器，工作物质是以喷流方式循环工作的染料喷膜，谐振腔是8字形环形腔，可实现单向行波振荡，消除了空间烧孔效应，提高振荡效率。双折射滤光片是调谐元件，标准具用以压缩线宽。5.3.3染料激光器的调谐作业：P126:9,10