《激光器件》课件第13章

13.1有机染料分子的光吸收和光发射13.2脉冲染料激光器

13.3连续染料激光器

13.4无机液体激光器

13.1.1染料分子的能级结构

1.有机染料分子的结构和种类

有机染料分子是一种含有共轭双键的复杂大分子系统，通常由数十个原子组成。若丹明6G和香豆素2的分子结构式如图13.1所示。图中的六角形中角顶未标元素符号者均为碳原子C。13.1有机染料分子的光吸收和光发射

图13.1若丹明6G和香豆素2的分子结构式表13-1重要的各种染料及其产生的激光波长范围

2.有机染料分子的能级结构

有机染料分子是由很多个原子组成的复杂大分子系统，对有机染料分子发射的荧光，很难归结为是哪一些原子组成的系统所发射的，要精确地计算能级非常困难。目前采用一种模仿简单的双原子分子模型得出的能级结构如图13.2所示。图13.2染料分子的能级结构

3.染料的溶剂

染料激光器的工作物质是有机染料溶液，溶剂决定着激活粒子的环境，对染料分子的吸收和发光谱、荧光寿命、量子效率、弛豫特性，以及染料分子的温度猝灭、浓度猝灭等都有影响，因此，对一定的染料必须选择合适的溶剂。表13-2列出了若干种主要的染料、溶剂浓度及输出的激光波长调谐范围。表13-2激光染料、溶剂及输出的激光波长13.1.2染料分子的光吸收和光发射

由于有机染料在紫外和可见光范围有较强的吸收带，当采用光泵浦时，染料分子受激吸收光子，由基态S0跃迁到激发态S1、S2的某个振动-转动能级b、b′上，分子在能级b、b′上的寿命很短，仅为10-12~10-11s。产生荧光的过程经历了两次无辐射跃迁，使发射波长较吸收波长向长波方向移动，称为斯托克斯位移。Rh-B的吸收光谱和荧光光谱如图13.3所示。图13.3Rh-B的荧光和吸收光谱13.2.1粒子数反转分布的建立

采用窄的光脉冲泵浦染料时，染料分子的第一激发单态S1粒子数N1、第一激发三重态T1粒子数NT、受激发射光子密度IL的速率方程分别为

(13-1)13.2脉冲染料激光器

(13-2)

(13-3)

N0+N1+NT=N

(13-4)为使受三重态T1的影响尽可能小，要求泵浦光脉冲上升时间足够地快，即要求泵浦光脉冲的上升时间tR满足以下要求：

(13-5)

对于通常的KST≈107s-1,σE/σAL≈10的激光染料，要求tR<10-6s。而一般脉冲染料激光器的泵浦光脉冲宽度仅为5~20ns，因此，通常可以忽略三重态的作用，并且在这种条件下，把染料分子的能级系统进一步简化看做是由S0和S1组成的宽带二能级系统，如图13.4所示，结合速率方程可以推导出激光器的受激放大条件。图13.4简并化二能级系统由激光原理知，对二能级系统增益系数的定义为

G(υ)=N1σE(υ)-N0σA(υ)

(13-6)

式中σE(υ)是从S1→S0的受激辐射截面，σA(υ)从是S0→S1的吸收跃迁截面，分别为

(13-7)

(13-8)式中B01和B10分别是受激吸收和受激发射的爱因斯坦系数，c是真空中的光速，ν是染料溶液中的光速。设S1→S0之间的能级间隔为hυ。泵浦光的频率为υp，发射光的频率为υR，并且在S0和S1态内的热平衡时间远短于S1态的寿命，因此，S0和S1态的各子能级上粒子分布遵守玻耳兹曼分布律，即

(13-9)式中，Ci为归一化因子，gi(Δεi)为能级简并度，i表示S0或S1中子能级序数，k为玻耳兹曼常数，T为染料溶液温度。利用爱因斯坦公式g1B10=g0B01得

σE（υ）·g1(Δε1)=σA（υ）·g0(Δε0)

(13-10)式中,Δε0为S0能级带宽的能量，Δε1为S1能级

带宽的能量，并有：

hυ0+Δε1=hυ+Δε0

(13-11)式中,hυ0为激发态S1和基态S0最低能级的能量间隔，hυ为发射光子能量，如图13-4所示。因此有Δε1=Δε0+h（

υ-υ0）。由式（13-6）可知，当G（υ）≥0时，才可能获得受激放大。由此可得出实现受激放大条件为

(13-12)设归一化因子C1=C0,由式（13-9）、式（13-10）、式（13-11）得

(13-13)

(13-14)13.2.2脉冲激光泵浦染料激光器

脉冲染料激光器的基本结构由泵浦源、工作物质和谐振腔组成。纵向泵浦又分为轴向泵浦和离轴纵向泵浦形式，如图13.5所示。图13.5三种典型的泵浦方式在采用横向泵浦方式时，根据泵浦激光束的截面形状不同，又可分为两种不同的结构形式，如图13.6所示。图13.6泵浦光斑及其光学变换

1.N2分子激光泵浦可调谐染料激光器

图13.7是N2分子激光泵浦可调谐染料激光器装置示意图。图13.7氮分子激光泵浦可调谐染料激光器装置示意图

2.YAG晶体倍频激光泵浦脉冲染料激光器

图13.8为YAG晶体倍频激光泵浦的染料激光器系统原理图，波长为532nm的YAG晶体倍频光通过扩束望远镜扩束后，经分束器1分光，一部分直接去泵浦振荡级染料池，另

一部分经反射镜1反射，又经分束器2，将光束分别作为预放级和放大级的泵浦源。图13.8YAG晶体倍频激光泵浦染料激光器原理图

3.染料激光器的调谐原理与调试方式

脉冲染料激光器的腔内调谐、扩束和元器件的性能密切相关。

染料激光器的激光波长调谐原理是基于染料分子中存在的自吸收现象。光栅调谐谐振腔由一块衍射光栅和一块反射镜组成，利用光栅的色散特点，使谐振腔依次对不同的波长有不同的Q值，激光振荡发生在Q值最大时对应的波长值，激光波

长与光栅入射角有λ=2dsini关系。光栅谐振腔输出的激光谱线宽度为

（13-15）13.3.1染料激光器连续工作条件

在染料分子的单态和三重态两套不同性质的能级结构中，只有在单态的受激发射大于三重态T1的吸收时，才有可能产生激光，即必须符合

σEN1>σTNT

(13-16)13.3连续染料激光器式中σE是从S1→S0的受激辐射截面，N1是S1态的粒子数密度，σT是三重态T1的激发截面，NT是T1的粒子数密度。在稳态时，三重态的弛豫速率NT/τT必须等于能级的系际交叉所增加的速率KSTN1，即

(13-17)

与式（13-16）比较得

(13-18)式中τT是T1的寿命；KST是S1→T1的能级系际交叉速率。对于典型的染料，σE/σT≈10，由上式可以得到染料激光器连续工作必须满足的条件：

KSTτT<10

(13-19)13.3.2连续染料激光器的阈值泵浦功率密度

由激光器原理可知，激光振荡的阈值条件为

R1(υ)R2(υ)exp［2Gth(υ)l］=1

(13-20)

式中R1(υ)、R2(υ)分别是谐振腔镜对振荡频率υ的反射率；l是染料液层厚度；Gth(υ)是阈值增益系数。由上式，有

(13-21)考虑式（13-17）则有

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

(13-23)

式中的σef(υ)称为有效辐射截面。式（13-22）可改写成

G(υ)=σef(υ)N1-σA(υ)N0

(13-24)染料单位体积内的总分子数N1+N0+NT=N，在阈值条件下令N1=Nth，Nth表示S1态的阈值粒子数密度，联立式（13-21）和式（13-24），可得

(13-25)

式中，。阈值泵浦功率密度的表达式为

(13-26)13.3.3典型的连续波染料激光器

1.三镜折叠腔连续波染料激光器

图13.9是典型的三镜折叠腔构型的纵向泵浦染料激光器结构原理图。图13.9三镜折叠腔连续波染料激光器原理图折叠腔连续波激光器采用纵向泵浦方式，即在染料喷流处泵浦光的轴线与染料激光轴线相重合，连续泵浦光束通过三棱镜耦合进谐振腔，若R2<2l1在镜M2和M1之间存在泵浦光的最小光斑，即高斯光束束腰ω0′，在镜M2离泵浦光源甚远，当满足L<<R／2时，其中L是M2与泵浦光束腰ω0的间距，则有：

(13-27)图13.10棱镜的耦合与分光三镜折叠腔连续波染料激光器谐振腔中的三棱镜具有耦合泵浦光和调谐振荡波长的双重作用。如图13.10所示。

根据图13.10所示的关系，激光器输出的谱线宽度Δλ为

(13-28)

2.连续波可调谐环形染料激光器

环形腔通常是指能提供多边形振荡回路的谐振腔，采用环形腔形式并在光路中加入单向器，即可实现单向行波振荡，消除折叠驻波腔中的“空间烧孔”效应，从而提高单频振荡的效率，并且也提高了模式竞争能力，使整个激活介质都可贡献于单频振荡模功率输出。图13.11即为典型的由四块反射镜（M1、M2、M3、M4）构成的“8”字形环形腔，环形腔不具有起点和终点，腔内的电磁波也不能形成“驻波”而表现为一个“行波”，此时谐振腔的反馈是行波场从一个方向上多次通过工作物质而成，环形腔的光路构成一个闭合环路，因此它必须是一个多元件组成的谐振腔。图13.11单纵模环形染料激光器原理图13.4.1激光机理

无机液体激光器产生激光的机理类似于玻璃激光器。在掺钕的无机液体激光器中