《激光器件》課件第13章

13.1有機染料分子的光吸收和光發(fā)射13.2脈沖染料激光器

13.3連續(xù)染料激光器

13.4無機液體激光器

13.1.1染料分子的能級結(jié)構(gòu)

1.有機染料分子的結(jié)構(gòu)和種類

有機染料分子是一種含有共軛雙鍵的復(fù)雜大分子系統(tǒng)，通常由數(shù)十個原子組成。若丹明6G和香豆素2的分子結(jié)構(gòu)式如圖13.1所示。圖中的六角形中角頂未標元素符號者均為碳原子C。13.1有機染料分子的光吸收和光發(fā)射

圖13.1若丹明6G和香豆素2的分子結(jié)構(gòu)式表13-1重要的各種染料及其產(chǎn)生的激光波長范圍

2.有機染料分子的能級結(jié)構(gòu)

有機染料分子是由很多個原子組成的復(fù)雜大分子系統(tǒng)，對有機染料分子發(fā)射的熒光，很難歸結(jié)為是哪一些原子組成的系統(tǒng)所發(fā)射的，要精確地計算能級非常困難。目前采用一種模仿簡單的雙原子分子模型得出的能級結(jié)構(gòu)如圖13.2所示。圖13.2染料分子的能級結(jié)構(gòu)

3.染料的溶劑

染料激光器的工作物質(zhì)是有機染料溶液，溶劑決定著激活粒子的環(huán)境，對染料分子的吸收和發(fā)光譜、熒光壽命、量子效率、弛豫特性，以及染料分子的溫度猝滅、濃度猝滅等都有影響，因此，對一定的染料必須選擇合適的溶劑。表13-2列出了若干種主要的染料、溶劑濃度及輸出的激光波長調(diào)諧范圍。表13-2激光染料、溶劑及輸出的激光波長13.1.2染料分子的光吸收和光發(fā)射

由于有機染料在紫外和可見光范圍有較強的吸收帶，當采用光泵浦時，染料分子受激吸收光子，由基態(tài)S0躍遷到激發(fā)態(tài)S1、S2的某個振動-轉(zhuǎn)動能級b、b′上，分子在能級b、b′上的壽命很短，僅為10-12~10-11s。產(chǎn)生熒光的過程經(jīng)歷了兩次無輻射躍遷，使發(fā)射波長較吸收波長向長波方向移動，稱為斯托克斯位移。Rh-B的吸收光譜和熒光光譜如圖13.3所示。圖13.3Rh-B的熒光和吸收光譜13.2.1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的建立

采用窄的光脈沖泵浦染料時，染料分子的第一激發(fā)單態(tài)S1粒子數(shù)N1、第一激發(fā)三重態(tài)T1粒子數(shù)NT、受激發(fā)射光子密度IL的速率方程分別為

(13-1)13.2脈沖染料激光器

(13-2)

(13-3)

N0+N1+NT=N

(13-4)為使受三重態(tài)T1的影響盡可能小，要求泵浦光脈沖上升時間足夠地快，即要求泵浦光脈沖的上升時間tR滿足以下要求：

(13-5)

對于通常的KST≈107s-1,σE/σAL≈10的激光染料，要求tR<10-6s。而一般脈沖染料激光器的泵浦光脈沖寬度僅為5~20ns，因此，通?？梢院雎匀貞B(tài)的作用，并且在這種條件下，把染料分子的能級系統(tǒng)進一步簡化看做是由S0和S1組成的寬帶二能級系統(tǒng)，如圖13.4所示，結(jié)合速率方程可以推導(dǎo)出激光器的受激放大條件。圖13.4簡并化二能級系統(tǒng)由激光原理知，對二能級系統(tǒng)增益系數(shù)的定義為

G(υ)=N1σE(υ)-N0σA(υ)

(13-6)

式中σE(υ)是從S1→S0的受激輻射截面，σA(υ)從是S0→S1的吸收躍遷截面，分別為

(13-7)

(13-8)式中B01和B10分別是受激吸收和受激發(fā)射的愛因斯坦系數(shù)，c是真空中的光速，ν是染料溶液中的光速。設(shè)S1→S0之間的能級間隔為hυ。泵浦光的頻率為υp，發(fā)射光的頻率為υR，并且在S0和S1態(tài)內(nèi)的熱平衡時間遠短于S1態(tài)的壽命，因此，S0和S1態(tài)的各子能級上粒子分布遵守玻耳茲曼分布律，即

(13-9)式中，Ci為歸一化因子，gi(Δεi)為能級簡并度，i表示S0或S1中子能級序數(shù)，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為染料溶液溫度。利用愛因斯坦公式g1B10=g0B01得

σE（υ）·g1(Δε1)=σA（υ）·g0(Δε0)

(13-10)式中,Δε0為S0能級帶寬的能量，Δε1為S1能級

帶寬的能量，并有：

hυ0+Δε1=hυ+Δε0

(13-11)式中,hυ0為激發(fā)態(tài)S1和基態(tài)S0最低能級的能量間隔，hυ為發(fā)射光子能量，如圖13-4所示。因此有Δε1=Δε0+h（

υ-υ0）。由式（13-6）可知，當G（υ）≥0時，才可能獲得受激放大。由此可得出實現(xiàn)受激放大條件為

(13-12)設(shè)歸一化因子C1=C0,由式（13-9）、式（13-10）、式（13-11）得

(13-13)

(13-14)13.2.2脈沖激光泵浦染料激光器

脈沖染料激光器的基本結(jié)構(gòu)由泵浦源、工作物質(zhì)和諧振腔組成。縱向泵浦又分為軸向泵浦和離軸縱向泵浦形式，如圖13.5所示。圖13.5三種典型的泵浦方式在采用橫向泵浦方式時，根據(jù)泵浦激光束的截面形狀不同，又可分為兩種不同的結(jié)構(gòu)形式，如圖13.6所示。圖13.6泵浦光斑及其光學(xué)變換

1.N2分子激光泵浦可調(diào)諧染料激光器

圖13.7是N2分子激光泵浦可調(diào)諧染料激光器裝置示意圖。圖13.7氮分子激光泵浦可調(diào)諧染料激光器裝置示意圖

2.YAG晶體倍頻激光泵浦脈沖染料激光器

圖13.8為YAG晶體倍頻激光泵浦的染料激光器系統(tǒng)原理圖，波長為532nm的YAG晶體倍頻光通過擴束望遠鏡擴束后，經(jīng)分束器1分光，一部分直接去泵浦振蕩級染料池，另

一部分經(jīng)反射鏡1反射，又經(jīng)分束器2，將光束分別作為預(yù)放級和放大級的泵浦源。圖13.8YAG晶體倍頻激光泵浦染料激光器原理圖

3.染料激光器的調(diào)諧原理與調(diào)試方式

脈沖染料激光器的腔內(nèi)調(diào)諧、擴束和元器件的性能密切相關(guān)。

染料激光器的激光波長調(diào)諧原理是基于染料分子中存在的自吸收現(xiàn)象。光柵調(diào)諧諧振腔由一塊衍射光柵和一塊反射鏡組成，利用光柵的色散特點，使諧振腔依次對不同的波長有不同的Q值，激光振蕩發(fā)生在Q值最大時對應(yīng)的波長值，激光波

長與光柵入射角有λ=2dsini關(guān)系。光柵諧振腔輸出的激光譜線寬度為

（13-15）13.3.1染料激光器連續(xù)工作條件

在染料分子的單態(tài)和三重態(tài)兩套不同性質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)中，只有在單態(tài)的受激發(fā)射大于三重態(tài)T1的吸收時，才有可能產(chǎn)生激光，即必須符合

σEN1>σTNT

(13-16)13.3連續(xù)染料激光器式中σE是從S1→S0的受激輻射截面，N1是S1態(tài)的粒子數(shù)密度，σT是三重態(tài)T1的激發(fā)截面，NT是T1的粒子數(shù)密度。在穩(wěn)態(tài)時，三重態(tài)的弛豫速率NT/τT必須等于能級的系際交叉所增加的速率KSTN1，即

(13-17)

與式（13-16）比較得

(13-18)式中τT是T1的壽命；KST是S1→T1的能級系際交叉速率。對于典型的染料，σE/σT≈10，由上式可以得到染料激光器連續(xù)工作必須滿足的條件：

KSTτT<10

(13-19)13.3.2連續(xù)染料激光器的閾值泵浦功率密度

由激光器原理可知，激光振蕩的閾值條件為

R1(υ)R2(υ)exp［2Gth(υ)l］=1

(13-20)

式中R1(υ)、R2(υ)分別是諧振腔鏡對振蕩頻率υ的反射率；l是染料液層厚度；Gth(υ)是閾值增益系數(shù)。由上式，有

(13-21)考慮式（13-17）則有

σE(υ)N1-σT(υ)NT=［σE(υ)-KSTτTσT(υ)］N1=σef(υ)N1

(13-23)

式中的σef(υ)稱為有效輻射截面。式（13-22）可改寫成

G(υ)=σef(υ)N1-σA(υ)N0

(13-24)染料單位體積內(nèi)的總分子數(shù)N1+N0+NT=N，在閾值條件下令N1=Nth，Nth表示S1態(tài)的閾值粒子數(shù)密度，聯(lián)立式（13-21）和式（13-24），可得

(13-25)

式中，。閾值泵浦功率密度的表達式為

(13-26)13.3.3典型的連續(xù)波染料激光器

1.三鏡折疊腔連續(xù)波染料激光器

圖13.9是典型的三鏡折疊腔構(gòu)型的縱向泵浦染料激光器結(jié)構(gòu)原理圖。圖13.9三鏡折疊腔連續(xù)波染料激光器原理圖折疊腔連續(xù)波激光器采用縱向泵浦方式，即在染料噴流處泵浦光的軸線與染料激光軸線相重合，連續(xù)泵浦光束通過三棱鏡耦合進諧振腔，若R2<2l1在鏡M2和M1之間存在泵浦光的最小光斑，即高斯光束束腰ω0′，在鏡M2離泵浦光源甚遠，當滿足L<<R／2時，其中L是M2與泵浦光束腰ω0的間距，則有：

(13-27)圖13.10棱鏡的耦合與分光三鏡折疊腔連續(xù)波染料激光器諧振腔中的三棱鏡具有耦合泵浦光和調(diào)諧振蕩波長的雙重作用。如圖13.10所示。

根據(jù)圖13.10所示的關(guān)系，激光器輸出的譜線寬度Δλ為

(13-28)

2.連續(xù)波可調(diào)諧環(huán)形染料激光器

環(huán)形腔通常是指能提供多邊形振蕩回路的諧振腔，采用環(huán)形腔形式并在光路中加入單向器，即可實現(xiàn)單向行波振蕩，消除折疊駐波腔中的“空間燒孔”效應(yīng)，從而提高單頻振蕩的效率，并且也提高了模式競爭能力，使整個激活介質(zhì)都可貢獻于單頻振蕩模功率輸出。圖13.11即為典型的由四塊反射鏡（M1、M2、M3、M4）構(gòu)成的“8”字形環(huán)形腔，環(huán)形腔不具有起點和終點，腔內(nèi)的電磁波也不能形成“駐波”而表現(xiàn)為一個“行波”，此時諧振腔的反饋是行波場從一個方向上多次通過工作物質(zhì)而成，環(huán)形腔的光路構(gòu)成一個閉合環(huán)路，因此它必須是一個多元件組成的諧振腔。圖13.11單縱模環(huán)形染料激光器原理圖13.4.1激光機理

無機液體激光器產(chǎn)生激光的機理類似于玻璃激光器。在摻釹的無機液體激光器中