染料激光器用

染料激光器染料激光器•第一台染料激光器是1966年制成的。染料激光器能够连续调谐，虽然用其他方法也能获得可调谐的激光，但是在光谱的可见区与近紫外区，染料激光器最简单、最方便。染料激光器的能级•染料激光器的工作物质是染料溶液。为了了解其工作原理，首先简单介绍染料分子的能通级图。分子的能级比原子能级要复杂得多，这是因为在分子中，除了电子的能量外，组成分子的各个原子之间还有相对振动。另外，分子作为整体，还要转动。所以分子的能量可以看作由三部分组成，即•E=E电子+E振动+E转动染料激光器的能级•这三部分能量都是量子化的。其中，电子能量E电子的量子化间隔最大，约为几电子伏特；振动能量E振动的量子化间隔约为1/10eV；转动能量E转动的量子化间隔最小，比振动能量的量子化间隔还要小两个数量级。染料激光器的能级•粗略地表示了染料分子能级图，其中，S0是基态，S1、S2是激发态度。S0、S1、S2之间的大间隔就是由于电子能量的量子化形成的。S0、S1、S2本身又是由许多密集的振动转动能级组成的，其中粗实线之间的间隔是由于振动能量的量子化形成的。在原子光谱里，不同电子态（如S1与S0）之间的跃迁将产生由一簇密集的谱线组成的谱带。染料激光器的能级•在热平衡时，分子在各能级上的分布也是遵从玻耳兹曼分布定律的，在室温下，绝大部分分子处在基态的最低的那些振动、转动能级上。吸收了外来光子后，分子就从这些能级跃迁到S1态的较高的那些振动、转动能级上。分子也有可能从基态跃迁到S2态，再很快地落到S1态上。由于频繁的热交换，在S1态各个振动、转动能级上，分子将重新分布，在极短的时间（约10-11S）内达到玻耳兹曼分布。大多数被激发的分子无辐射地衰变到S1态的最低的振动、转动能级上。这样，在B与基态S0的较高的振动、转动能级之间就实现了粒子数反转。当反转达到阈值时，就可以产生激光。染料激光器的能级•能级图中的T1和T2虽然没有直接卷入激光跃迁，但对染料激光器有重要的影响。从S1到T1的跃迁虽然是选择原则所不允许的，但也有一定的概率会发生。因为T1S0的跃迁是禁止的，于是T1态上的分子越积越多。从T1T2的跃迁是允许的，而且这一跃迁所吸收的光子的频率范围恰好与激光跃迁的频率范围相同。当T1态上积累了足够的分子后，T1T2的吸收将很快使激光器的增益下降，以致激光淬灭。由于这个原因，一些染料激光器往往是脉冲运转的，脉冲持续时间短于T1态上的粒子积累时间。为了连续运转，必须让染料溶液迅速而连续地流动。这是为了避免T1T2吸收的干扰，另一方面也是为了避免染料由于强烈吸收光而发热分解。染料激光器的泵浦源•所有染料激光器都是用光泵抽运的，主要要求光泵输出的波段接近染料的吸收峰。能够用于泵浦染料激光器的种类很多，主要有氮分子激光器(0.337m)，红宝石激光器(0.6943m)，钕玻璃激光器(1.06m)，铜蒸气激光器(0.5106m、0.5782m)，准分子激光器(主要在紫外区)等。也可以像固体激光器那样用氙灯抽运。染料激光器的结构图(5-19)三镜腔式染料激光器染料激光器的结构•如上所述，激光跃迁的下能级是S0态的较高的那些振动转动、能级。由于S0态的振动、转动能级有一个分布范围，这样就可以利用插入腔内的调谐元件（光栅、棱镜等）来改变输出激光的频率。下图是用激光抽运的可调谐染料激光器的光路。激发光源是红宝石激光器，它的光束与谐振腔轴成一个小角度（约3度）。谐振腔由反射光栅G与一个镀有介质膜的反射镜M组成。转动光栅就可以改变输出激光的频率。腔内插入一个法布里一珀罗F-P标准具，按图中箭头所示方向摆动标准具可以进一步选择输出激光的频率。不插入标准具时，输出激光的线宽为0.05nm，插入标准具后，可获得线宽约为0.001nm的单模激光。图(5-20)光栅-反射镜调谐腔表1.3一些激光染料的调谐范围染料大致的调谐范围/um染料大致的调谐范围/um甲酚紫0.64～0.7四甲基散形酮0.44～0.54吖啶红0.6～0.63香豆素0.44～0.49若丹明-B0.58～0.69二苯基蒽0.43～0.45若丹明-6G0.56～0.65钠水扬酸盐0.39～0.42钠荧光素0.52～0.57POPOP0.38～0.44