激光原理、技術(shù)與應(yīng)用課件：5_3染料激光器

1、5.3 染料激光器,染料激光器（也被稱作液體激光器）的優(yōu)點： 1 輸出激光波長可調(diào)諧（可調(diào)諧激光器），可調(diào)諧寬度可達幾百納米。 2 激光脈沖可壓窄到fs量級。 3 輸出功率大，可與固體激光器比擬。 4 工作物質(zhì)均勻性好。 5 價格便宜。,由于它的可調(diào)諧和可產(chǎn)生極窄光脈沖的特點,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。,5.3 染料激光器,染料激光器采用溶于適當(dāng)溶劑中的有機染料作激光工作物質(zhì)。,適用作激光工作物質(zhì)的染料是包含共輒雙鍵的有機化合物。,一、 染料分子能級,圖(5-17) 染料分子能級圖,工作物質(zhì)是有機染料，其能級由單重態(tài)(S)和三重態(tài)(T)組成。S和T又分裂成許多振

2、動轉(zhuǎn)動能態(tài)，在溶液中這些能態(tài)還要明顯加寬，因此能發(fā)出很寬的熒光。,染料分子的能級如圖所示,染料分子能級的特征可用“自由電子”模型說明。復(fù)雜的染料大分子中分布著電子云,電子云中的2n個電子與勢阱中的自由電子相似。當(dāng)分子處于基態(tài)時,2n個電子填滿n個最低能級,每個能級為兩個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,電子云中有一個電子處于較高能級。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。每一個電子態(tài)都有一組振動轉(zhuǎn)動能級。電子態(tài)之間的能量間隔為

3、106 cm-1量級,同一電子態(tài)相鄰振動能級間的能量間隔為105 cm-1,而轉(zhuǎn)動子能級間的能量間隔僅為103 cm-1量級。實際上由于染料分子與溶劑分子頻繁碰撞和靜電擾動引起的加寬,使得振動、轉(zhuǎn)動能級幾乎相連。因此每個電子態(tài)實際上對應(yīng)一個準(zhǔn)連續(xù)能帶。,圖(5-17) 染料分子能級圖,二、 染料分子的光輻射過程,圖(5-17) 染料分子能級圖,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。染料分子由此能級躍遷至S0的各振動能級時產(chǎn)生熒光。躍遷至S0的較高振轉(zhuǎn)能級的染料分子迅速通過無輻射躍遷過程返回S0

4、的最低能級。由以上敘述可知,在S1的最低振轉(zhuǎn)能級和S0的較高振轉(zhuǎn)能級間極易形成粒子數(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。,三、 染料分子的三重態(tài)“陷阱”,處于S1態(tài)的分子還可通過碰撞容易地向T1態(tài)躍遷,這一過程稱作系際交叉,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(10-410-3s),分子較易積聚在T1態(tài),所以T1態(tài)對于激發(fā)分子來說，相當(dāng)一個“陷阱”。 一方面， T1占有S1上部分分子，減少了S1對S0的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，另一方面， 積累在T

5、1中的大量分子又會吸收光能，由T1躍遷到T2，并且而T1T2躍遷的吸收波長又恰好與S1S0躍遷熒光波長重疊,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才能形成激光振蕩。,圖(5-17) 染料分子能級圖,5.3.2 染料激光器的泵浦,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,泵浦光的波長必須小于染料激光器的輸出激光波長?？梢圆捎霉鈻拧⒗?/p>

6、鏡、標(biāo)準(zhǔn)具及雙折射濾光片等波長選擇元件對染料激光器進行波長調(diào)諧。,一、閃光燈脈沖泵浦,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,圖(5-19) 三鏡腔式染料激光器,一、閃光燈脈沖泵浦,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。,圖(5-19) 三鏡腔式染料激光器,圖(5-19)是目前經(jīng)常采用的三鏡腔式染料激光器

7、結(jié)構(gòu)示意圖。,在摻鈦藍寶石出現(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,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。,5.3.3 染料激光器的調(diào)諧,1. 光柵調(diào)諧,圖(5-20)是一種光柵-反射鏡調(diào)諧腔，放在腔中的光柵G具有擴束和色散作用。,圖(5-20) 光柵-反射鏡調(diào)諧腔,圖(5-20)是一種光柵-反射鏡調(diào)諧腔，放在腔中的光柵G具有擴束和色散作用。,G的不同波長的一級衍射相對發(fā)射鏡R2來說，有不同的入射角。于是，當(dāng)旋轉(zhuǎn)R2使某一波長光的入射角為0時，該波

8、長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。,2. 棱鏡調(diào)諧,圖(5-21)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。,圖(5-21) 棱鏡調(diào)諧腔,由于棱鏡的色散作用，來自M3 、 M2的不同波長的光，將有不同的折射方向。當(dāng)旋轉(zhuǎn)平面發(fā)射鏡M1使其與某一波長的光垂直時，該波長的光就能返回諧振腔，形成振蕩。,3. 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。圖(522)給出的典型染料激光器就是利用雙折射濾光片進行調(diào)諧的。,圖(5-22) 典型染料激光器原理示意圖,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,因此這個激光器可以單縱模運轉(zhuǎn)。諧振腔中的各種波長選擇器件則保證波長的精細調(diào)諧。,半導(dǎo)體激光器,四、半導(dǎo)體激光器（LD，Laser Diode）,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