9染料激光器讲解

1、浙江工贸职业技术学院单元教学设计20 20 学年第 学期课程名称： 激光原理与技术授课班级：光机电1301任课教师： 张玄禾口所在院（系）：_ 材料工程系单元序号及单元标题：4.染料激光器授 课 班 级上上周月日第节课课时地周月日第节间占八、能力（技能）目标 染料激光器的泵浦染料激光器的调谐重点讲述染料激光器的激发机理学习染料激光器原理及染料激光器的激发机理，掌握染料激光器的泵浦及染料激光器的调谐方法 教 学 目 的知识目标染料激光器原理染料激光器的激发机理教 学 目 标重 占 八、 难 占 八、 及 解 决 方 法 参 考 资 料单元教学设计基本框架第一部分：组织教学和复习上次课主要内容（时

2、间：分钟）第二部分：学习新内容【步骤一】染料激光器（时间： 分钟）1966年，人们第一次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，获得了受激辐射。此后，染料激光器得到了迅速的发展。染料激光器受到人们重视的原因是：输出激光波长可调谐，某些染料激光波长可调宽度达上百毫微米；激光脉冲宽度可以很窄，目前，由染料激光器产生的超短脉冲宽度可压缩至飞秒（1015秒）量级；染料激光器的输出功率大，可与固体激光器比拟，并且价格便宜；染料激光器工作物质具有均匀性好等优良的光学质量。因此，它在光化学、光生物学、光谱学、化学动力学、同位素分离、全息照相和光通信中，正获得日益广泛的重要应用。【步骤二

3、】染料激光器的激发机理（时间： 分钟）1 染料分子能级染料激光器的工作物质是有机染料溶液。每个染料分子都由许多原子组成，其能级结构十分复杂。由于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，所以在染料分子的能级中，对应每个电子能级都有一组振动一转动能级，并且由于分子碰撞和静电扰动，振动一转动能级被展宽。因此，染料分子能级图是如图（5 -17）所示的准连续态能级结构。 在电子能级中，有单态和三重态两类，三重态较相应的单态能级略低。染料分子能级中，每一个单态（So、S1、S2）都对应有一个三重态（、T2）。 So是基态，其它能级均为激发态。$S+C04 5U500

4、550 too浪良业pi一理嘲ft早图（5- 17）染料分子能级图图（5 18）染料的吸收一荧光光谱图2 染料分子的光辐射过程如图（5 18）所示，在泵浦光的照射下，大部分染料分子从基态So激发到激发态Si、S2上，其中Si态有稍长一些的寿命，因此，其它激发态的分子很快跃迁到Si态的最低振动能级上，这些分子跃迁到So态上较高的振动能级时，即发出荧光，同时很快地弛豫到最低的振动能级上。如果分子在Si和So之间产生了粒子数反转，就可能产生激光。由上述激光辐射过程可见：染料分子是一种四能级系统，由于So的较高振动能级在室温时粒子数几乎为零， 所以很容易实现粒子数反转，使得染料分子激光器的阈值很低；由

5、于染料分子从 Si的较高振动能级跃迁到最低振动能级时，要放出部分能量，所以发射的 荧光波长较吸收的泵浦光波长，向长波长方向移动（如图（5 i8）所示）：由于染料分子能级的准连续宽带结构， 其荧光谱范围也是准连续宽带结构，这既使得染料激光器在大范围内可调谐，又可获得几十毫微微秒宽度的超短脉冲。3染料分子的三重态“陷阱”染料分子与其它工作物质相比，有一个重要的特殊问题一一三重态“陷阱”效应。如前所述，染料分子的荧光辐射相应于Si So的跃迁。由于三重态 Ti较单态Si略低，所以处在Si中的分子很容易无辐射跃迁到 Ti上。并且因为Ti与So之间不允许产生辐射跃 迁，Ti的寿命较长，约为io- = i

6、o3秒，所以Ti态对于激发分子来说， 相当是一个“陷阱”。 一方面，Ti占有了 Si上的部分分子，减少了 Si对So的反转粒子数，另一方面，集累在 Ti 中的大量分子又会吸收光能，由Ti跃迁到T2,更严重的是Ti 一 T2吸收带与Si 一 So的荧光带有某些重迭，因此，这种吸收将降低Si 一 So的实际荧光效率，甚至导致荧光猝灭。由此可见，三重态的“陷阱”作用，对于染料激光器的工作来说，极为不利，必须设法消除。通 常采用的方法是在染料中加入三重态猝灭剂，缩短Ti的寿命；或者是使染料分子在 Ti上积聚之前，就已完成激光振荡，以使三重态的“陷阱”来不及起作用。后面这种方式要求激光 器采用短脉冲泵浦

7、光源。【步骤三】染料激光器的泵浦（时间：分钟）根据上述染料分子光辐射的特殊性，染料激光器应采用光泵浦。按照运转方式区分，有脉冲泵浦和连续泵浦；按照泵浦光源区分，有闪光灯泵浦和激光泵浦。这里只介绍脉冲泵浦。脉冲泵浦以泵浦光的足够高的功率和足够快的上升时间，克服三重态的影响，实现激光器工作。这类器件的特点是输出激光的峰值功率高，器件的转换效率高以及结构简单、操作方便。1闪光灯脉冲泵浦泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。直管式闪光灯泵浦染料激光器的结构形式类似于固体激光器。闪光灯泵浦方式的结构简单，价格便宜，但因泵浦光脉冲较宽（一般为104、106秒），三重态的影响不能完全消除，还须在染料中

8、添加猝灭剂。2.激光脉冲泵浦能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器（0.337m）,红宝石激光器（0.6943 m）,钕玻璃激光器（1.06m），铜蒸气激光器（0. 5106m、0. 5782m）,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。选用泵浦激光的原则是：泵 浦光谱应与染料吸收光谱匹配；泵浦光功率、能量应满足要求；泵浦光脉冲宽度应短， 足以消除三重态的猝灭作用。图（519）是目前经常采用的三镜腔式染料激光器结构示意图。泵浦激光穿过激光器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。图（519

9、）三镜腔染料激光器【步骤四】染料激光器的调谐（时间： 分钟）染料激光器与其它激光器相比较的突出特点是激光波长可调谐。为了实现精确的调谐和获得较窄的线宽，需要有一个带有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。下面介绍几种典型的 调谐系统。1 光栅调谐一种光栅图（5-20）是一反射镜调谐腔，放在腔中的光栅 G1具有扩束和色散作用。G1的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，该波长光便能低损耗地返回谐振腔，形成振荡。因此，旋转R2便起到了调谐作用。图（5 -20）光

10、栅一反射镜调谐腔2.棱镜调谐图（5-21）是一种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Mi使其与某一波长的光垂直时，该波长光便能返回谐振腔，形成振荡。因此，旋转Mi便实现了调谐作用。为了获得更窄的带宽或精调谐，也可在长支路的平行光束中插入一个或多个FP标准具。图（521）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。 这是一种单纵模环行腔染料激光器， 工作物质是以喷 流方式循环工作的染料喷膜，泵浦光源是 Ar +激光器；谐振腔是8字形环行腔，可实现单向行波振荡，消除了空间烧孔效应，提高了振荡效率。双折射滤光片是调谐元件，标准具用以压缩线宽。这个激光器的典型参数是：环行腔L = 1.5米，用若丹明6G作激活介质，染料喷膜厚20m，输出镜Mi的透过率T= 6%，用4瓦Ar +激光泵浦时，可获得 50