固体激光器简介.pptx

5.3 固体激光器固体激光器 Solid state laser1960年年7月，美国休斯公司实验室月，美国休斯公司实验室梅曼梅曼制成制成世界第一台世界第一台红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生。红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生。波长为波长为694.3nm的激光。的激光。1961 长春光机所长春光机所Ruby Laser 1964 上海光机所成立上海光机所成立1987年年6月，月，1012W的大功率脉冲激光系统神光装的大功率脉冲激光系统神光装置，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功。置，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功。主要介绍主要介绍固体工作物质固体工作物质、光泵浦系统、工作物质的热效应光泵浦系统、工作物质的热效应等等5.3.1 5.3.1 固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质一、固体激光器结构：一、固体激光器结构：基本上都是由基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔工作物质、泵浦系统、谐振腔和和冷却、滤冷却、滤光系统光系统构成的。下图是长脉冲固体激光器的基本结构示意图构成的。下图是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出冷却、滤光系统未画出)。固体激光器的基本结构示意图固体激光器的基本结构示意图二、固体工作物质二、固体工作物质固体工作物质固体工作物质基质材料基质材料掺杂离子掺杂离子物理、化学性能物理、化学性能光谱特性光谱特性基质材料基质材料玻璃玻璃晶体晶体硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃氧化物晶体氧化物晶体氟化物晶体氟化物晶体各自又分为各自又分为单一和混合单一和混合两类两类激活粒子可分为四类激活粒子可分为四类（1）三价稀土金属离子（）三价稀土金属离子（2）二价稀土）二价稀土金属离子（金属离子（3）过渡金属离子（）过渡金属离子（4）锕系金属离子）锕系金属离子固体工作物质达固体工作物质达数百数百种，已获得种，已获得数千条激光光谱线数千条激光光谱线掺杂离子浓度掺杂离子浓度10251026m-3,比气体工作物质高比气体工作物质高34个数量级，个数量级，且固体工作物质激光上能级寿命也比较长，易于获得大能量且固体工作物质激光上能级寿命也比较长，易于获得大能量输出，适合调输出，适合调Q1 1、红宝石、红宝石红宝石晶体红宝石晶体 红宝石的化学表示式为红宝石的化学表示式为Cr3+:Al203,其激活离子是三价铬离子其激活离子是三价铬离子Cr3+,基基质是刚玉晶体质是刚玉晶体(化学成分是化学成分是A12O3)。红宝石属六方晶系。红宝石属六方晶系,是无色透明的负单是无色透明的负单轴晶体。轴晶体。红宝石是在红宝石是在Al2O3中掺入适量的中掺入适量的Cr3+,使使Cr3+部分地取代部分地取代Al3+而成。掺而成。掺入入Cr2O3的最佳量一般在的最佳量一般在0.05%(重量比重量比)左右左右,相应的相应的Cr3+密度为密度为ntot=1.58x1019cm-3。红宝石的光谱特性主要取决于红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子。原子Cr的外层电子组态为的外层电子组态为3d54s1,掺入掺入Al2O3后失去外层后失去外层三个电子成为三价铬离子三个电子成为三价铬离子Cr3+,Cr3+的最外层电的最外层电子组态为子组态为3d3。红。红宝宝石的光谱特性就是石的光谱特性就是Cr3+的的3d壳层上三个电子发生跃迁的结果。这三个壳层上三个电子发生跃迁的结果。这三个d电子电子完全暴露在最外层完全暴露在最外层,受基质晶格场的影响很大。受基质晶格场的影响很大。Cr3+在很强的晶格场作用下在很强的晶格场作用下,其能级发生很大的其能级发生很大的变化变化,呈现出极为复杂的能级分裂和重新组成的呈现出极为复杂的能级分裂和重新组成的情况。通过实验和理论分析情况。通过实验和理论分析,已确定红宝石中已确定红宝石中Cr3+的工作能级属三能级系统。如图的工作能级属三能级系统。如图5-3所示。所示。4A2是基态又是激光下能级是基态又是激光下能级,其简并度其简并度g1=4,2E是是亚稳态亚稳态,它是由能量差为它是由能量差为29cm的的2A和和E二能级组二能级组成成,其简并度都为其简并度都为2。4F1和和4F2是两个吸收能带。是两个吸收能带。红宝石中铬离子的能级结构红宝石中铬离子的能级结构Cr3+:Al2O3六方晶系，负单轴晶体六方晶系，负单轴晶体,粉红色粉红色 提拉法生长提拉法生长,可以获得大尺寸晶体可以获得大尺寸晶体红宝石的吸收红宝石的吸收光谱如图光谱如图5-2所示。由所示。由4A2向向4F1跃迁吸收紫蓝光跃迁吸收紫蓝光,峰值波长在峰值波长在0.41um附近附近,称为紫带或称为紫带或U带。由带。由4A2向向4F2跃迁吸收黄绿光跃迁吸收黄绿光,峰值波长在峰值波长在0.55m附近附近,称为绿带或称为绿带或Y带。带。这是两个很强很宽的吸收谱带这是两个很强很宽的吸收谱带,吸收带宽均约吸收带宽均约0.1um左右。由于红宝石晶体的各向异性左右。由于红宝石晶体的各向异性,它它的吸收特性与光的偏振状态有关。在入射光的振动方向与晶体光轴的吸收特性与光的偏振状态有关。在入射光的振动方向与晶体光轴C相垂直或平行这两种相垂直或平行这两种情况下情况下,其吸收曲线略有差别其吸收曲线略有差别,见下图。见下图。红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石中铬离子的能级结构红宝石中铬离子的能级结构 红宝石有两条强荧光谱线红宝石有两条强荧光谱线(R1和和R2线线),分别为分别为E和和2A能态向能态向4A2跃迁产生的跃迁产生的,室温下对应室温下对应的中心波长分别为的中心波长分别为0.6943um和和0.6929um。通常红宝石激光器中只有通常红宝石激光器中只有 R1=0.6943m线才能形成激光输出。线才能形成激光输出。应指出应指出,红宝石激光器通常只产生红宝石激光器通常只产生0.6943um的受激辐射。这是因为亚稳态能级的受激辐射。这是因为亚稳态能级2E分裂成分裂成2A和和E两能级两能级,跃迁到跃迁到2E上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于2A和和E上上,2A能级上约占能级上约占47%,E能级上约占能级上约占53%。这就是说。这就是说E能级比能级比2A能级有更多的粒子数。而且能级有更多的粒子数。而且R1线荧光强度线荧光强度比比R2线高线高,使得使得R1线的受激辐射几率比线的受激辐射几率比R2线高。因此线高。因此,R1线容易达到阈值而形成激光振荡。线容易达到阈值而形成激光振荡。同时同时,2A和和E相距很近相距很近,一旦一旦E上的粒子跃迁后上的粒子跃迁后,2A上的粒子便迅速地上的粒子便迅速地(约约10ns)转移到转移到E上去上去,这就加强了这就加强了R1线线,而抑制了儿线。在激光脉冲持续时间远大于而抑制了儿线。在激光脉冲持续时间远大于10-9s时时,亚稳态上的位子均亚稳态上的位子均将通过将通过R1线的受激辐射回到基态线的受激辐射回到基态,因此可把因此可把E,2A合并起来看成一个简并度合并起来看成一个简并度g2=4的能级。的能级。红宝石突出的缺点是阈值高红宝石突出的缺点是阈值高(因是三能级因是三能级)和性能易随和性能易随温度变化。温度变化。但具有很多优点但具有很多优点,如如:机械强度高机械强度高,能承受很高的激光功率密度能承受很高的激光功率密度;容易生长成较大容易生长成较大尺寸尺寸;亚稳态寿命长亚稳态寿命长,储能大储能大,可得到大能量输出可得到大能量输出;荧光谱线荧光谱线较宽较宽,容易获得大能量的单模输出容易获得大能量的单模输出;低温性能良好低温性能良好,可得到连可得到连续输出续输出;红宝石激光器输出的红光红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为不仅能为人眼可见人眼可见,而且很容易被探测接收而且很容易被探测接收(目前大多数光电元件和目前大多数光电元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。因此。因此,红宝石仍属一红宝石仍属一种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的大尺种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的大尺寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调Q器件很容器件很容易得到几十兆瓦的峰值功率输出易得到几十兆瓦的峰值功率输出(用这类器件已成功地对用这类器件已成功地对载有角反射器的人造卫星进行了测距试验载有角反射器的人造卫星进行了测距试验)。多级放大器。多级放大器件的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石在激件的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石在激光发展上是贡献比较大的一种晶体。光发展上是贡献比较大的一种晶体。红宝石中铬离子的能级结构红宝石中铬离子的能级结构 Nd3+:YAG的激活离子为的激活离子为Nd3+,基质是基质是YAG晶体晶体(钇铝石榴石晶体钇铝石榴石晶体Y3Al5O12的简称的简称)。Nd3+部分取代部分取代YAG中的中的Y3+便成为便成为Nd3+:YAG。一般含。一般含Nd3+量为量为1%原子比原子比,此时此时Nd3+的的密度为密度为1.381020cm-3,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的A1203、Y2O3和和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成。在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶系属立方晶系,是各向同性晶体。是各向同性晶体。2、掺钕钇铝石榴石、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)掺钕钇铝石榴石激光器掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子的激活粒子是钕离子(Nd3)，其吸收光谱如图所示，其吸收光谱如图所示Nd3:YAG 晶体的吸收光谱晶体的吸收光谱Nd3:YAG 的能级结构的能级结构YAG中中Nd3与激光产生有关的能级结构如图所示。与激光产生有关的能级结构如图所示。它它属于四能级系统。属于四能级系统。1.06um比比1.35um的荧光约强四倍的荧光约强四倍,1.06um的谱线先起振的谱线先起振,进而抑制进而抑制1.35um谱线起振谱线起振,所以所以Nd3+:YAG激光器通常只产生激光器通常只产生1.06um激光。只有采取选频措施，激光。只有采取选频措施，才能实现才能实现1.35um波长的激光振荡。波长的激光振荡。3、钕玻璃、钕玻璃 继继1960年第一台红宝石激光器问世后年第一台红宝石激光器问世后,1961年便出现了钕玻璃激光器。钕玻璃是在某年便出现了钕玻璃激光器。钕玻璃是在某种成分的光学玻璃中掺入适量的种成分的光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。最佳掺入制成的。最佳掺入Nd2O3量为量为1%5%重量比。重量比。对应对应3%的掺入量的掺入量,Nd3+的浓度为的浓度为31020/cm3。Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。统用得最多。玻璃的制备工艺比较成熟玻璃的制备工艺比较成熟,易获得良争好的光学均匀性易获得良争好的光学均匀性,玻璃的形状和尺寸也有较大的可玻璃的形状和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达塑性。大的钕玻璃棒长可达12m,直径直径30100mm,可用来制成特大能量的激光器。小可用来制成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几微米的玻璃纤维的可以做成直径仅几微米的玻璃纤维,用于集成光路中的光放大或振荡。用于集成光路中的光放大或振荡。钕玻璃最大的缺点是导热率太低钕玻璃最大的缺点是导热率太低,热胀系数太大热胀系数太大,因此不适于作连续器件和高频运转的因此不适于作连续器件和高频运转的器件器件,且在应用时要特别注意防止自身破坏。且在应用时要特别注意防止自身破坏。E4:含三个吸收带含三个吸收带(抽运能带抽运能带)*(吸收特定波长的光而跃迁到吸收特定波长的光而跃迁到这三个吸收带这三个吸收带)(中心波长中心波长5900A)(.7500A)(.8000A)E3:三条激光谱线公共的激光三条激光谱线公共的激光上能级上能级 E2:含二条激光谱线的二个激含二条激光谱线的二个激光下能级光下能级(四能级系统四能级系统),即即(,对应对应1.4m 谱线谱线)(,对应对应1.06m谱线谱线)钕玻璃的能级结构和跃迁光谱钕玻璃的能级结构和跃迁光谱 E1:基态基态,一条激光谱线的激光一条激光谱线的激光下能级下能级(三能级系统三能级系统):(对应0.9m谱线)跃迁谱线跃迁谱线:1.06m:四能级系统四能级系统,跃迁几率大跃迁几率大,通常可观通常可观察到察到;1.4m:四能级系统四能级系统,跃迁几率较小跃迁几率较小,不一定不一定可观可观 察到察到;0.9m:三能级系统三能级系统,难实现粒子数反转难实现粒子数反转,一一般不般不 出现出现.5.3.2 5.3.2 固体激光器的泵浦系统固体激光器的泵浦系统 一、固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般采用光泵浦激励。一、固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般采用光泵浦激励。最常用的泵浦光源有最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯惰性气体放电灯(灯内充入氙山、氪等惰性气体灯内充入氙山、氪等惰性气体)、金金属蒸气灯属蒸气灯(灯内充入汞、钠、饵等金属蒸气）、灯内充入汞、钠、饵等金属蒸气）、卤化物灯卤化物灯(碘钨灯、镊钨灯等碘钨灯、镊钨灯等)、半导体激光器半导体激光器、日光泵日光泵(用聚光镜将日光会聚到激光棒中用聚光镜将日光会聚到激光棒中)等。脉冲氙灯的辐等。脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高射强度和辐射效率较其他灯都高,是红宝石钕玻璃和是红宝石钕玻璃和Nd:YAGNd:YAG脉冲激光器中应用脉冲激光器中应用最广泛的一种灯最广泛的一种灯.氪灯在低电流密度下工作时氪灯在低电流密度下工作时,其辐射光谱与其辐射光谱与Nd:YAGNd:YAG泵浦吸收带泵浦吸收带相匹配相匹配,故在连续和小能量脉冲故在连续和小能量脉冲Nd:YAGNd:YAG器件中得到比较多的采用。碘钨灯用器件中得到比较多的采用。碘钨灯用220V220V电压即可电压即可,使用简单、方便使用简单、方便,在功率小于在功率小于1OW1OW的连续的连续Nd:YAGNd:YAG器件中可以应用。器件中可以应用。砷化镓半导体激光器体积小砷化镓半导体激光器体积小,产生的激光又与掺钕工作物质吸收谱相匹配产生的激光又与掺钕工作物质吸收谱相匹配,可用可用于小型掺铁激光器。日光泵适用于空间技术中的激光器。于小型掺铁激光器。日光泵适用于空间技术中的激光器。在各种泵浦光源中在各种泵浦光源中,以惰性气体放电灯应用最普遍。灯泵浦系以惰性气体放电灯应用最普遍。灯泵浦系统包括统包括泵灯和聚光器泵灯和聚光器。二、泵浦光源应当满足两个基本条件。二、泵浦光源应当满足两个基本条件。有很高的发光效率有很高的发光效率辐射的光谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配辐射的光谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配.1 1 惰性气体放电灯的结构惰性气体放电灯的结构一般都是一般都是由由电极、灯管和充入的气体电极、灯管和充入的气体组成。组成。见图见图(a)。电极是用高熔点、高电子发射率电极是用高熔点、高电子发射率,又不易溅又不易溅射的金属材料制成。常用的电极材料有钨，射的金属材料制成。常用的电极材料有钨，钍钨，钡钨和铈钨钍钨，钡钨和铈钨,高功率灯的电极要设计高功率灯的电极要设计成水冷结构成水冷结构,见图见图(b),(b),灯管用机械强度高、灯管用机械强度高、耐高温、透光性能好的石英玻璃制成。灯管耐高温、透光性能好的石英玻璃制成。灯管内充入氙内充入氙(Xe)(Xe)、氪、氪(kr)(kr)气体。气体。2 2 惰性气体放电灯的辐射特性惰性气体放电灯的辐射特性 氙灯在低电流密度放电氙灯在低电流密度放电(如连续灯放电和小能量脉冲灯放电如连续灯放电和小能量脉冲灯放电)时时,辐射的特征辐射的特征谱线的峰值波伏在谱线的峰值波伏在0.840.84、0.90.9和和1 1um附近。氪灯在低电流密度放电时附近。氪灯在低电流密度放电时,辐射的特征辐射的特征谱线的峰值波长在谱线的峰值波长在0.760.76、0.820.82和和0.90.9um附近。可见附近。可见,氪灯的特征谱线与氪灯的特征谱线与Nd:YAG的的主要泵浦吸收带相匹配主要泵浦吸收带相匹配,因此连续和小能量因此连续和小能量(10J)(104h，脉冲，脉冲109次次波长波长630680nm AlGaInP770990nm GaAlAs9001000nm InGaAs模块化模块化2、泵浦方式、泵浦方式A端面泵浦端面泵浦2、泵浦方式、泵浦方式B侧面泵浦侧面泵浦2、泵浦方式、泵浦方式C基于内反射的泵浦基于内反射的泵浦Image from:http:/an.hitchcock.org/repairfaq/sam/l54-101.gif Diode-pumped solid state(DPSS)5.3.3 5.3.3 固体激光器的输出特性固体激光器的输出特性1.1.固体激光器的激光脉冲特性固体激光器的激光脉冲特性 2.2.转换效率转换效率 总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器(用功率描述用功率描述)和脉冲激光器和脉冲激光器(用能量描述用能量描述)分别表示为：分别表示为：一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲(或称尖峰或称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.1 1)m，各短脉冲之间的，各短脉冲之间的间隔约为间隔约为(5 10)s。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。固体激光器运转时，转换效率太低。红宝石激光器的总体效率为固体激光器运转时，转换效率太低。红宝石激光器的总体效率为0.5%0.5%0.1%0.1%左右左右,YAG,YAG激光的总体效率为激光的总体效率为0.1%0.1%0.2%0.2%左右左右.这是因为放电灯的发射光这是因为放电灯的发射光谱由连续谱和线状谱组成谱由连续谱和线状谱组成,覆盖很宽的波长范围覆盖很宽的波长范围,其中只有与工作物质吸收波其中只有与工作物质吸收波长相匹配的波段的光可有效地用于激励长相匹配的波段的光可有效地用于激励.采用波长与激光工作物质吸收波长相匹配的激光作激励光源大大提高激采用波长与激光工作物质吸收波长相匹配的激光作激励光源大大提高激光器效率光器效率.例如例如,Nd:YAG,Nd:YAG中宽约中宽约30nm的的810nm泵浦吸收带中含有多条吸收泵浦吸收带中含有多条吸收谱线谱线,若用波长为若用波长为810nm的半导体激光二极管输出光的半导体激光二极管输出光泵浦可以准确对准泵浦可以准确对准2nm的的810nm吸收谱线吸收谱线,半导体激光二极管激励的固体半导体激光二极管激励的固体激光器的总体效率可以做激光器的总体效率可以做到到20%20%50%50%左右左右.5.4 染料激光器染料激光器 染料激光器采用溶于适当溶剂中的有机染料作激光工作物质。染料激光器采用溶于适当溶剂中的有机染料作激光工作物质。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。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。一、一、染料分子能级染料分子能级 染料分子能级图染料分子能级图 染料分子的能级如图所示染料分子的能级如图所示,染料分子能级的特染料分子能级的特征可用征可用“自由电子自由电子”模型说明。复杂的染料大分模型说明。复杂的染料大分子中分布着电子云子中分布着电子云,电子云中的电子云中的2n个电子与势阱个电子与势阱中的自由电子相似。当分子处于基态时中的自由电子相似。当分子处于基态时,2n个电个电子填满子填满n个最低能级个最低能级,每个能级为两个自旋相反的每个能级为两个自旋相反的电子所占据电子所占据,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S0。当分子处于激发态时当分子处于激发态时,电子云中有一个电子处于较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高能级。若此电子自旋方向不变,则总自旋量子数则总自旋量子数仍为零仍为零,形成形成S1、S2等单重激发态。若此电子自旋等单重激发态。若此电子自旋反转反转,则形成则形成T1、T2等三重态。由选择定则可知等三重态。由选择定则可知,单重态和三重态之间的跃迁是禁戒的。每一个电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子态都有一组振动转动能级。电子态之间的转动能级。电子态之间的能量间隔为能量间隔为106m-1量级量级,同一电子态相邻振动能同一电子态相邻振动能级间的能量间隔为级间的能量间隔为105m-1,而转动子能级间的能而转动子能级间的能量间隔仅为量间隔仅为103m-1量级。实际上由于染料分子与量级。实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溶剂分子频繁碰撞和静电扰动引起的加宽,使得振使得振动、转动能级几乎相连。因此每个电子态实际上动、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能带。对应一个准连续能带。染料分子能级图染料分子能级图二、二、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染料分子吸收了泵浦光能量由基态S0跃迁到跃迁到S1的某一振转能级后的某一振转能级后,在和溶剂在和溶剂分子频繁的碰撞中迅速地将能量传递给分子频繁的碰撞中迅速地将能量传递给溶剂分子并跃迁至溶剂分子并跃迁至S1的最低振转能级。的最低振转能级。染料分子由此能级跃迁至染料分子由此能级跃迁至S0的各振动能的各振动能级时产生荧光。跃迁至级时产生荧光。跃迁至S0的较高振转能的较高振转能级的染料分子迅速通过无辐射跃迁过程级的染料分子迅速通过无辐射跃迁过程返回返回S0的最低能级。由以上叙述可知的最低能级。由以上叙述可知,在在S1的最低振转能级和的最低振转能级和S0的较高振转能级的较高振转能级间极易形成粒子数反转分布状态。产生间极易形成粒子数反转分布状态。产生激光。由于激光。由于S0和和S1都是准连续带都是准连续带,吸收谱吸收谱和荧光发射谱都是连续的和荧光发射谱都是连续的,所以染料激光所以染料激光器有很宽的调谐范围。器有很宽的调谐范围。三、三、染料分子的三重态染料分子的三重态“陷阱陷阱”处于处于S1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T1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KST一一般为般为10-2ns-l左右左右,虽然这一速率较虽然这一速率较S1态的自态的自发辐射速率发辐射速率(ns-1)小得多小得多,但由于但由于T1态的寿态的寿命命T较长较长(10-410-3s),分子较易积聚在分子较易积聚在T1态态,所以所以T1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“陷陷阱阱”。一方面，一方面，T1占有占有S1上部分分子，减少了上部分分子，减少了S1对对S0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T1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，由T1跃迁到跃迁到T2，并，并且而且而T1T2跃迁的吸收波长又恰好与跃迁的吸收波长又恰好与S1S0跃迁荧光波长重叠跃迁荧光波长重叠,这意味着这意味着T1态积聚的染料态积聚的染料分子可吸收受激辐射光子而向分子可吸收受激辐射光子而向T2态跃迁态跃迁,因此因此染料分子在染料分子在T1态集聚不利于激光运转。显然态集聚不利于激光运转。显然,只有在只有在S1S0受激辐射产生的增益大于受激辐射产生的增益大于T1T2跃迁造成的吸收损耗时才能形成激光跃迁造成的吸收损耗时才能形成激光振荡。振荡。染料分子能级图染料分子能级图5.4.2 5.4.2 染料激光器的泵浦染料激光器的泵浦 通常采用闪光灯、通常采用闪光灯、N2分子激光器、准分子激光器或倍频分子激光器、准分子激光器或倍频Nd3+:YAG激光器发射的激光器发射的532nm激光等作脉冲染料激光器的泵浦光源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。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。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，主要有氮分子激光光种类很多，主要有氮分子激光器器(0 0.337337 m m)，红宝石激光器，红宝石激光器(0 0.69436943 m m)，钕玻璃激光器，钕玻璃激光器(1 1.0606 m m)，铜蒸气激光器，铜蒸气激光器(0 0.51065106 m m、0 0.57825782 m m)，准分，准分子激光器子激光器(主要在紫外区主要在紫外区)以及这以及这些激光的二次、三次谐波等。些激光的二次、三次谐波等。三镜腔式染料激光器是目前经常采用的三镜腔式染料激光是目前经常采用的三镜腔式染料激光器结构示意图。器结构示意图。在掺钛蓝宝石出现之前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。用。5.4.3 5.4.3 染料激光器的调谐染料激光器的调谐1.光栅调谐光栅调谐 下图是一种光下图是一种光栅栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光栅反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G G具有扩束和色散作用。具有扩束和色散作用。光栅光栅-反射镜调谐腔反射镜调谐腔是一种光是一种光栅栅-反射镜调谐腔，放反射镜调谐腔，放在腔中的光栅在腔中的光栅G G具有扩束和色散具有扩束和色散作用。作用。G G的不同波长的一级衍射相对发的不同波长的一级衍射相对发射镜射镜R R2 2来说，有不同的入射角。来说，有不同的入射角。于是，当旋转于是，当旋转R R2 2使某一波长光的使某一波长光的入射角为入射角为0 0时，该波长的光便能时，该波长的光便能低损耗地返回谐振腔，形成振低损耗地返回谐振腔，形成振荡。因此旋转荡。因此旋转R R2 2便起到调谐的作便起到调谐的作用。用。2.棱镜调谐棱镜调谐 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。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泵浦光偶合到腔内，并且与染料流形成同轴泵浦形式。式。棱镜调谐腔由于棱镜的色散作用，来自由于棱镜的色散作用，来自M3 、M2的不同波长的光，的不同波长的光，将有不同的折射方向。当旋将有不同的折射方向。当旋转平面发射镜转平面发射镜M1使其与某一使其与某一波长的光垂直时，该波长的波长的光垂直时，该波长的光就能返回谐振腔，形成振光就能返回谐振腔，形成振荡。荡。3.双折射滤光片调谐双折射滤光片调谐 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ArAr激光、激光、YAGYAG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。典型染料激光器就是利用双折射滤光片进行调谐的。典型染料激光器原理示意图典型染料激光器原理示意图 由于染料属于均匀加宽由于染料属于均匀加宽工作物质工作物质,插入了隔离器的插入了隔离器的环行谐振腔使腔内激光成环行谐振腔使腔内激光成为行波为行波,因此这个激光器可因此这个激光器可以单纵模运转。谐振腔中以单纵模运转。谐振腔中的各种波长选择器件则保的各种波长选择器件则保证波长的精细调谐。证波长的精细调谐。由于染料具有较宽的频带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所以可从锁模染料激光器得到很窄的脉冲,以若丹明以若丹明6G为工为工作物质的碰撞锁模染料激光器可产生约作物质的碰撞锁模染料激光器可产生约30fs的超短激光脉冲的超短激光脉冲,这种光脉冲还可压缩成脉宽这种光脉冲还可压缩成脉宽仅为仅为6fs的超短光脉冲的超短光脉冲,这是目前世界上最窄的光脉冲。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。用。