c5.3染料激光器课件.ppt

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1、§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§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

2、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

3、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.

4、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

5、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

6、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

7、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、57