染料激光器PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1染料激光器染料激光器 適用作激光工作物質(zhì)的染料是包含共輒雙鍵的有機(jī)化合物。第一節(jié)、 染料的種類和分子能級(jí) 一、染料的種類及輸出第1頁/共11頁 染料分子的能級(jí)如圖所示染料分子的能級(jí)如圖所示, ,染料分子能級(jí)的特征可用染料分子能級(jí)的特征可用“自由電子自由電子”模型說明。復(fù)雜的染料大分子中分布著電子云模型說明。復(fù)雜的染料大分子中分布著電子云, ,電子云中的電子云中的2n2n個(gè)電子與勢(shì)阱中的自由電子相似。當(dāng)分子處于基態(tài)時(shí)個(gè)電子與勢(shì)阱中的自由電子相似。當(dāng)分子處于基態(tài)時(shí),2n,2n個(gè)電子填滿個(gè)電子填滿n n個(gè)最低能級(jí)個(gè)最低能級(jí), ,每個(gè)能級(jí)為兩個(gè)自旋相反的電子所占據(jù)每個(gè)能級(jí)為兩個(gè)自旋相反的電子所

2、占據(jù), ,總自旋量子數(shù)為零總自旋量子數(shù)為零, ,形成單重態(tài)形成單重態(tài)S S0 0。當(dāng)分子處于激發(fā)態(tài)時(shí)。當(dāng)分子處于激發(fā)態(tài)時(shí), ,電子云中有一個(gè)電子處于較高能級(jí)。若此電子自旋方向不變電子云中有一個(gè)電子處于較高能級(jí)。若此電子自旋方向不變, ,則總自旋量子數(shù)仍為零則總自旋量子數(shù)仍為零, ,形成形成S S1 1、S S2 2等單重激發(fā)態(tài)。等單重激發(fā)態(tài)。若此電子自旋反轉(zhuǎn)若此電子自旋反轉(zhuǎn), ,則形成則形成T T1 1、T T2 2等三重態(tài)。等三重態(tài)。由選擇定則可知由選擇定則可知, ,單重態(tài)和三重態(tài)之間的躍單重態(tài)和三重態(tài)之間的躍遷是禁戒的。每一個(gè)電子態(tài)都有一組振動(dòng)遷是禁戒的。每一個(gè)電子態(tài)都有一組振動(dòng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)

3、。電子態(tài)之間的能量間隔為動(dòng)能級(jí)。電子態(tài)之間的能量間隔為10106 6m m-1-1量級(jí)量級(jí), ,同一電子態(tài)相鄰振動(dòng)能級(jí)間的能量間隔為同一電子態(tài)相鄰振動(dòng)能級(jí)間的能量間隔為10105 5m m-1-1, ,而轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)間的能量間隔僅為而轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)間的能量間隔僅為10103 3m m-1-1量級(jí)。實(shí)量級(jí)。實(shí)際上由于染料分子與溶劑分子頻繁碰撞和靜電際上由于染料分子與溶劑分子頻繁碰撞和靜電擾動(dòng)引起的加寬擾動(dòng)引起的加寬, ,使得振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)幾乎相使得振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)幾乎相連。因此每個(gè)電子態(tài)實(shí)際上對(duì)應(yīng)一個(gè)準(zhǔn)連續(xù)連。因此每個(gè)電子態(tài)實(shí)際上對(duì)應(yīng)一個(gè)準(zhǔn)連續(xù)能帶。能帶。染料分子能級(jí)圖染料分子能級(jí)圖二、染料分子能級(jí)第2

4、頁/共11頁第二節(jié)、第二節(jié)、 染料分子的光輻射過程染料分子的光輻射過程 染料分子能級(jí)圖染料分子能級(jí)圖 染料分子吸收了泵浦光能量由基態(tài)S0躍遷到S1的某一振轉(zhuǎn)能級(jí)后,在和溶劑分子頻繁的碰撞中迅速地將能量傳遞給溶劑分子并躍遷至S1的最低振轉(zhuǎn)能級(jí)。染料分子由此能級(jí)躍遷至S0的各振動(dòng)能級(jí)時(shí)產(chǎn)生熒光。躍遷至S0的較高振轉(zhuǎn)能級(jí)的染料分子迅速通過無輻射躍遷過程返回S0的最低能級(jí)。由以上敘述可知,在S1的最低振轉(zhuǎn)能級(jí)和S0的較高振轉(zhuǎn)能級(jí)間極易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。產(chǎn)生激光。由于S0和S1都是準(zhǔn)連續(xù)帶,吸收譜和熒光發(fā)射譜都是連續(xù)的,所以染料激光器有很寬的調(diào)諧范圍。第3頁/共11頁染料分子的三重態(tài)染料分子的三重

5、態(tài)“陷阱陷阱” 處于處于S S1 1態(tài)的分子還可通過碰撞容易地向態(tài)的分子還可通過碰撞容易地向T T1 1態(tài)躍遷態(tài)躍遷, ,這一過程稱作系際交叉這一過程稱作系際交叉, ,其速率其速率K KSTST一一般為般為1010-2-2nsns-l-l左右左右, ,雖然這一速率較雖然這一速率較S S1 1態(tài)的自發(fā)輻射速率態(tài)的自發(fā)輻射速率(ns(ns-1-1) )小得多小得多, ,但由于但由于T T1 1態(tài)的壽命態(tài)的壽命T T較長(zhǎng)較長(zhǎng)(10(10-4-41010-3-3s),s),分子較易積聚在分子較易積聚在T T1 1態(tài)態(tài), ,所以所以T T1 1態(tài)對(duì)于激發(fā)分子來說，相當(dāng)一個(gè)態(tài)對(duì)于激發(fā)分子來說，相當(dāng)一個(gè)“陷

6、阱陷阱”。一方面，一方面， T T1 1占有占有S S1 1上部分分子，減少了上部分分子，減少了S S1 1對(duì)對(duì)S S0 0的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，另一方面，的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，另一方面， 積累在積累在T T1 1中的大量分子又會(huì)吸收光能，由中的大量分子又會(huì)吸收光能，由T T1 1躍遷到躍遷到T T2 2，并且而，并且而T T1 1TT2 2躍遷的吸收波長(zhǎng)又恰好與躍遷的吸收波長(zhǎng)又恰好與S S1 1SS0 0躍遷熒光波長(zhǎng)重疊躍遷熒光波長(zhǎng)重疊, ,這意味著這意味著T T1 1態(tài)積聚的染料分子可吸收受激輻射光子而向態(tài)積聚的染料分子可吸收受激輻射光子而向T T2 2態(tài)躍遷態(tài)躍遷, ,因此染料分子在因此染料分子在T T

7、1 1態(tài)集聚不利于激光運(yùn)轉(zhuǎn)。顯然態(tài)集聚不利于激光運(yùn)轉(zhuǎn)。顯然, ,只有在只有在S S1 1SS0 0受激輻射產(chǎn)生的增益大于受激輻射產(chǎn)生的增益大于T T1 1TT2 2躍遷造成的吸收損耗時(shí)才能形成激光振蕩。躍遷造成的吸收損耗時(shí)才能形成激光振蕩。染料分子能級(jí)圖染料分子能級(jí)圖第4頁/共11頁 通常采用閃光燈、N2分子激光器、準(zhǔn)分子激光器或倍頻Nd3+:YAG激光器發(fā)射的532nm激光等作脈沖染料激光器的泵浦光源,而連續(xù)染料激光器則常用氬或氪離子激光器作泵浦源。顯然,泵浦光的波長(zhǎng)必須小于染料激光器的輸出激光波長(zhǎng)?？梢圆捎霉鈻?、棱鏡、標(biāo)準(zhǔn)具及雙折射濾光片等波長(zhǎng)選擇元件對(duì)染料激光器進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧。一、閃光燈脈

8、沖泵浦 泵浦用閃光燈有兩種結(jié)構(gòu)，普通直管式和同軸式。 二、激光脈沖泵浦 能夠用于泵浦染料激光器的激光種類很多，主要有氮分子激光器(0.337m)，紅寶石激光器(0.6943m)，釹玻璃激光器(1.06m)，銅蒸氣激光器(0.5106m、0.5782m)，準(zhǔn)分子激光器(主要在紫外區(qū)) 以及這些激光的二次、三次諧波等。目前經(jīng)常采用的三鏡腔式染料激光器。三鏡腔式染料激光器第三節(jié)、染料激光器的泵浦第5頁/共11頁 在摻鈦藍(lán)寶石出現(xiàn)之前,染料激光器是最理想的可調(diào)諧激光器。目前已在紫外(330mn)到近紅外(1.85um)相當(dāng)寬的范圍內(nèi)獲得了連續(xù)可調(diào)諧輸出。由于它的可調(diào)諧和可產(chǎn)生極窄光脈沖的特點(diǎn),在激光光

9、譜、同位素分離、醫(yī)學(xué)及其他科技領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。第四節(jié)、染料激光器的調(diào)諧一、 光柵調(diào)諧 下圖是一種光柵-反射鏡調(diào)諧腔，放在腔中的光柵G具有擴(kuò)束和色散作用。G的不同波長(zhǎng)的一級(jí)衍射相對(duì)發(fā)射鏡R2來說，有不同的入射角。于是，當(dāng)旋轉(zhuǎn)R2使某一波長(zhǎng)光的入射角為0時(shí)，該波長(zhǎng)的光便能低損耗地返回諧振腔，形成振蕩。因此旋轉(zhuǎn)R2便起到調(diào)諧的作用。 光柵-反射鏡調(diào)諧腔第6頁/共11頁二、 棱鏡調(diào)諧 左圖是一種折疊式縱向泵浦染料激光器原理圖，腔內(nèi)放置的棱鏡是一種色散元件。利用棱鏡的色散特性，將泵浦光偶合到腔內(nèi)，并且與染料流形成同軸泵浦形式。由于棱鏡的色散作用，來自M3、M2的不同波長(zhǎng)的光，將有不同的折射方向。當(dāng)旋

10、轉(zhuǎn)平面發(fā)射鏡M1使其與某一波長(zhǎng)的光垂直時(shí)，該波長(zhǎng)的光就能返回諧振腔，形成振蕩。棱鏡調(diào)諧腔第7頁/共11頁三、 雙折射濾光片調(diào)諧 利用雙折射濾光片調(diào)諧，是目前染料激光器廣泛采用的調(diào)諧方法，國(guó)內(nèi)外的Ar激光、YAG倍頻激光泵浦的染料激光器，都使用這種方法調(diào)諧。下圖給出的典型染料激光器就是利用雙折射濾光片進(jìn)行調(diào)諧的。由于染料屬于均勻加寬工作物質(zhì),插入了隔離器的環(huán)行諧振腔使腔內(nèi)激光成為行波,因此這個(gè)激光器可以單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。諧振腔中的各種波長(zhǎng)選擇器件則保證波長(zhǎng)的精細(xì)調(diào)諧。典型染料激光器原理示意圖總結(jié)：總結(jié)： 由于染料具有較寬的頻帶,所以可從鎖模染料激光器得到很窄的脈沖,以若丹明6G為工作物質(zhì)的碰撞鎖模染料激光器可產(chǎn)生約30fs的超短激光脈沖,這種光脈沖還可壓縮成脈寬僅為6fs的超短光脈沖,這是目前世界上最窄的光脈沖。在摻鈦藍(lán)寶石出現(xiàn)之前,染料激光器是最理想的可調(diào)諧激光器。目前已在紫外(330mn)到近紅外(1.85um)相當(dāng)寬的范圍內(nèi)獲得了連續(xù)可調(diào)諧輸出。由于它的可調(diào)諧和可產(chǎn)生極窄光脈沖的特點(diǎn),在激光光譜、同位素分離、醫(yī)學(xué)及其他科技領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。第8頁/共11頁染料激光器構(gòu)件染料池 過濾器 染料循環(huán)器 第9頁/共11頁典型染料激光器DYE-SF-07