激光器件第13章液体激光器.pptx

13.1有机染料分子的光吸收和光发射

13.2脉冲染料激光器口

13.3连续染料激光器口

13.4无机液体激光器

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13.1有机染料分子的光吸收和光发射

13.1.1染料分子的能级结构口

1.有机染料分子的结构和种类口

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。口

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图13.1若丹明6G和香豆素2的分子结构式

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表13-1重要的各种染料及其产生的激光波长范围

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2.有机染料分子的能级结构口

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。

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图13.2染料分子的能级结构

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3.染料的溶剂口

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。

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表13-2激光染料、溶剂及输出的激光波长

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13.1.2染料分子的光吸收和光发射口

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。

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图13.3Rh-B的荧光和吸收光谱

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13.2脉冲染料激光器

13.2.1粒子数反转分布的建立口

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)口

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(13-

(13-

(13-

3)口

4)口口

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N0+N1+NT=N

2)口

对于通常的KST≈107s-1,σE/σAL≈10的激光染料，要求tR10-6s。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。口

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：

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(13-5)口口

图13.4简并化二能级系统

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由激光原理知，对二能级系统增益系数的定义为

口口G(υ)=N1σE(υ)-N0σA(υ)(13-6)

口口式中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)口

(13-8)口

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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

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9)口

(13-

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

口口σE(υ)·g1(Δε1)=σA(υ)·g0(Δε0)(13-10)口口式中,

Δε0为S0能级带宽的能量，Δε1为S1能级

带宽的能量，并有：

口口hυ0+Δε1=hυ+Δε0口(13-11)口口

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式中,h口υ0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