染料激光器的原理和作用

染料激光器是以某种有机染料溶解于一定溶剂(甲醇、乙醇、水等)中作为激活介质的激光器，适用作激光工作物质的有机染料是包含共轭双键的有机化合物。

染料激光器的原理

染料激光器是一种以染料为工作物质，用激光器为泵浦源的激光器。染料激光器输出激光的波长连续可调。因而人们可以得到所需要波长的激光。染料激光器具有高的输出功率和波长连续可调的特点，故此种激光器应用范围较广。目前使用不同的染料和泵浦源产生的激光波长已可覆盖(3200～12850)×10^-10米的区间。连续染料激光的线宽已可压缩到1千赫以下。而脉冲染料激光的脉冲时间已可压缩到8×10^-15秒。用于染料激光器的染料是有机大分子，分子量一般在几百。

染料激光器按泵浦的方式可分为脉冲和连续运转两类。对于脉冲染料激光的形成过程为：未被泵浦的染料分子处于S0(v=0)能级。在泵浦光作用下，跃迁到S1(v=1，2，…)而后又很快通过振转能级间弛豫而到达S1(v=0)能级。因而被激发的分子都聚集在S1(v=0)能级上。同时S0(v>0)上的分子由于同样的过程而聚集在S0(v=0)能级上，而S0(v>0)的各能级则是空的。这样，就在S1(v=0)和S0(v>0)各能级间形成粒子数反转，提供了高增益。这就使S1(v=0)和S0(v>0)间的光跃迁可能形成激光振荡。在激光腔中加入色散元件就可选择激光波长，实现激光波长连续可调。由于S1有相当的宽度，所以激发谱很宽。当用激光来激发时，一种固定波长的激光也可用以激发多种染料。但是，染料激光器输出的激光波长一定比做为光泵的激光器的波长更长。

染料激光器的发展

染料激光器Z吸引人的特性是它的激光波长在很宽的范围内连续可调。用有机化合物做激活介质的想法差不多是与diyi台激光器产生同时开始的。然而，直到1966年美国BIM公司Soroikn等人才diyi次从有机化合物中获得受激发射。他们用巨脉冲红宝石激光泵浦溶于乙醇的氯化铝酞花青有机物，在0.755微米处获得相干红外辐射。

1967年美国联合碳化物公司的分公司Soffer等人用衍射光栅代替谐振腔的一个反射镜，使激光的线宽从60埃减窄到6埃并在450埃的范围内连续可调，使染料激光器成为可实际使用的器件。1970年美国科达公司PeterSon等人用氢离子激光器泵浦加了退聚合剂的2.5×10^-4克分子若丹明6G的水溶液，首先实现了染料激光器的连续工作。1972年在技术上实现了两项突破，即三镜象散补偿的折迭式光学腔和自由流动的染料喷流，使染料激光器的可靠性和稳定性有了迅速的提高，使其应用得到很大发展。

据报道，1969年出现氮分子激光泵浦脉冲染料激光器;1971年出现Nd:YAG激光泵浦脉冲染料激光器;1972年出现氢离子激光泵浦连续染料激光器;1974年出现闪灯泵浦脉冲染料激光器;1976年出现锁模氢离子激光泵浦脉冲染料激光器;1978年出现氢离子激光泵浦环形染料激光器;1978年再次出现Nd:YAG泵浦脉冲染料激光器。

目前已有350余种染料获得了激光输出。染料激光器较之其它激光器，其主要优点是输出波长连续可调，目前可达到的调谐范围为325~950毫微米。若使用非线性倍频晶体，波长可延伸到215毫微米。近来采用混频技术，用Nd:YAG泵浦脉冲染料激光器，使波长延伸到12微米。另一优点是谱线宽度很窄，使用光栅调谐线宽可以压缩到1埃或0.1埃量级，腔内若再加法一拍标准具可使线宽压缩到10-1~10-3埃量级，甚至可以获得单横模和单纵模激光输出。除液体染料激光器外，还可将染料溶入塑料做成固溶体染料激光器。

染料激光器的作用

染料激光器以连续或脉冲方式运转。脉冲式可调谐染料激光器的脉宽一般为毫微秒量级。如果加锁模系统，脉宽可达微微秒或亚微微秒量级，从而获得高峰值输出功率，这对时间、空间高分辨率的光谱学是十分有利的。

染料激光器是激光光谱学不可缺少的手段之一。高分辨激光光谱用来研究物质的超精细结构;超短脉冲的时间、空间高分辨率光谱用来研究物质的瞬态变化及微观动力学过程。在工业上用激光光谱学可进行微量或超微量的高灵敏度的物质分析。此外，染料激光器在同位素分离、光化学、大气污染监测等方面也有极为重要的应用。