染料激光器ppt课件.ppt

《染料激光器ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《染料激光器ppt课件.ppt（11页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第四章 染料激光器（液体）染料激光器是以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为激活介质的激光器染料激光器优异性能：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，但 价格便宜，同样的输出功率，它只是固体激光器的千 分之一；染料激光器工作物质具有均匀性好等优良的光学质量。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 适用作激光工作物质的染料是包含共辄双键的有机化合物。第一节、染料的种类和分子能级 一、

2、染料的种类及输出 染料分子的能级如图所示染料分子的能级如图所示,染料分子能级的特征可用染料分子能级的特征可用“自由电子自由电子”模型模型说明。复杂的染料大分子中分布着电子云说明。复杂的染料大分子中分布着电子云,电子云中的电子云中的2n2n个电子与势阱中的个电子与势阱中的自由电子相似。当分子处于基态时自由电子相似。当分子处于基态时,2n,2n个电子填满个电子填满n n个最低能级个最低能级,每个能级为每个能级为两个自旋相反的电子所占据两个自旋相反的电子所占据,总自旋量子数为零总自旋量子数为零,形成单重态形成单重态S S0 0。当分子处于。当分子处于激发态时激发态时,电子云中有一个电子处于较高能级。

3、若此电子自旋方向不变电子云中有一个电子处于较高能级。若此电子自旋方向不变,则总则总自旋量子数仍为零自旋量子数仍为零,形成形成S S1 1、S S2 2等单重激发态。等单重激发态。若此电子自旋反转若此电子自旋反转,则形成则形成T T1 1、T T2 2等三重态。等三重态。由选择定则可知由选择定则可知,单重态和三重态之间的跃单重态和三重态之间的跃迁是禁戒的。每一个电子态都有一组振动迁是禁戒的。每一个电子态都有一组振动转转动能级。电子态之间的能量间隔为动能级。电子态之间的能量间隔为10106 6m m-1-1量级量级,同一电子态相邻振动能级间的能量间隔为同一电子态相邻振动能级间的能量间隔为10105

4、 5m m-1-1,而转动子能级间的能量间隔仅为而转动子能级间的能量间隔仅为10103 3m m-1-1量级。实量级。实际上由于染料分子与溶剂分子频繁碰撞和静电际上由于染料分子与溶剂分子频繁碰撞和静电扰动引起的加宽扰动引起的加宽,使得振动、转动能级几乎相使得振动、转动能级几乎相连。因此每个电子态实际上对应一个准连续连。因此每个电子态实际上对应一个准连续能带。能带。染料分子能级图染料分子能级图二、染料分子能级第二节、第二节、染料分子的光辐射过程染料分子的光辐射过程 染料分子能级图染料分子能级图 染料分子吸收了泵浦光能量由基态S0跃迁到S1的某一振转能级后,在和溶剂分子频繁的碰撞中迅速地将能量传递

5、给溶剂分子并跃迁至S1的最低振转能级。染料分子由此能级跃迁至S0的各振动能级时产生荧光。跃迁至S0的较高振转能级的染料分子迅速通过无辐射跃迁过程返回S0的最低能级。由以上叙述可知,在S1的最低振转能级和S0的较高振转能级间极易形成粒子数反转分布状态。产生激光。由于S0和S1都是准连续带,吸收谱和荧光发射谱都是连续的,所以染料激光器有很宽的调谐范围。染料分子的三重态染料分子的三重态“陷阱陷阱”处于处于S S1 1态的分子还可通过碰撞容易地向态的分子还可通过碰撞容易地向T T1 1态跃迁态跃迁,这一过程称作系际交叉这一过程称作系际交叉,其速率其速率K KSTST一一般为般为1010-2-2nsns

6、-l-l左右左右,虽然这一速率较虽然这一速率较S S1 1态的自发态的自发辐射速率辐射速率(ns(ns-1-1)小得多小得多,但由于但由于T T1 1态的寿命态的寿命T T较长较长(10(10-4-41010-3-3s),s),分子较易积聚在分子较易积聚在T T1 1态态,所所以以T T1 1态对于激发分子来说，相当一个态对于激发分子来说，相当一个“陷阱陷阱”。一方面，一方面，T T1 1占有占有S S1 1上部分分子，减少了上部分分子，减少了S S1 1对对S S0 0的反转粒子数，另一方面，的反转粒子数，另一方面，积累在积累在T T1 1中的中的大量分子又会吸收光能，由大量分子又会吸收光能

7、，由T T1 1跃迁到跃迁到T T2 2，并且，并且而而T T1 1TT2 2跃迁的吸收波长又恰好与跃迁的吸收波长又恰好与S S1 1SS0 0跃迁跃迁荧光波长重叠荧光波长重叠,这意味着这意味着T T1 1态积聚的染料分子态积聚的染料分子可吸收受激辐射光子而向可吸收受激辐射光子而向T T2 2态跃迁态跃迁,因此染料因此染料分子在分子在T T1 1态集聚不利于激光运转。显然态集聚不利于激光运转。显然,只有只有在在S S1 1SS0 0受激辐射产生的增益大于受激辐射产生的增益大于T T1 1TT2 2跃迁跃迁造成的吸收损耗时才能形成激光振荡。造成的吸收损耗时才能形成激光振荡。染料分子能级图染料分子

8、能级图 通常采用闪光灯、N2分子激光器、准分子激光器或倍频Nd3+:YAG激光器发射的532nm激光等作脉冲染料激光器的泵浦光源,而连续染料激光器则常用氩或氪离子激光器作泵浦源。显然,泵浦光的波长必须小于染料激光器的输出激光波长。可以采用光栅、棱镜、标准具及双折射滤光片等波长选择元件对染料激光器进行波长调谐。一、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。二、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(0.6943m)，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

9、)以及这些激光的二次、三次谐波等。目前经常采用的三镜腔式染料激光器。三镜腔式染料激光器第三节、染料激光器的泵浦 在掺钛蓝宝石出现之前,染料激光器是最理想的可调谐激光器。目前已在紫外(330mn)到近红外(1.85um)相当宽的范围内获得了连续可调谐输出。由于它的可调谐和可产生极窄光脉冲的特点,在激光光谱、同位素分离、医学及其他科技领域获得了广泛应用。第四节、染料激光器的调谐一、光栅调谐 下图是一种光栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G具有扩束和色散作用。G的不同波长的一级衍射相对发射镜R2来说，有不同的入射角。于是，当旋转R2使某一波长光的入射角为0时，该波长的光便能低损耗地返回谐振腔，形成振荡

10、。因此旋转R2便起到调谐的作用。光栅-反射镜调谐腔二、棱镜调谐 左图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，将泵浦光偶合到腔内，并且与染料流形成同轴泵浦形式。由于棱镜的色散作用，来自M3、M2的不同波长的光，将有不同的折射方向。当旋转平面发射镜M1使其与某一波长的光垂直时，该波长的光就能返回谐振腔，形成振荡。棱镜调谐腔三、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。下图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。由于染料属于均匀加宽工作物

11、质,插入了隔离器的环行谐振腔使腔内激光成为行波,因此这个激光器可以单纵模运转。谐振腔中的各种波长选择器件则保证波长的精细调谐。典型染料激光器原理示意图总结：总结：由于染料具有较宽的频带,所以可从锁模染料激光器得到很窄的脉冲,以若丹明6G为工作物质的碰撞锁模染料激光器可产生约30fs的超短激光脉冲,这种光脉冲还可压缩成脉宽仅为6fs的超短光脉冲,这是目前世界上最窄的光脉冲。在掺钛蓝宝石出现之前,染料激光器是最理想的可调谐激光器。目前已在紫外(330mn)到近红外(1.85um)相当宽的范围内获得了连续可调谐输出。由于它的可调谐和可产生极窄光脉冲的特点,在激光光谱、同位素分离、医学及其他科技领域获得了广泛应用。染料激光器构件染料池 过滤器 染料循环器 典型染料激光器DYE-SF-077稳频型单频CW环形染料激光器 DYE-SF-077 新一代单频CW环形染料激光器操作简便，可以与固体可调激光器媲美。DYE-SF-077可输出小于100kHz窄线宽的高功率激光，建立了窄线宽染料激光器的新标准，在此之前市场上染料激光器最窄线宽为500 kHz 1 MHz。特别适合原子冷却与超精细结构高分辨率光谱学实验。