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染料激光器的激發(fā)機理

1．染料分子能級

染料激光器的工作物質(zhì)是有機染料溶液。每個染料分子都由許多原子組成，其能級結(jié)構(gòu)十分復雜。由于染料分子的運動包括電子運動、組成染料分子的原子間的相對振動和整個染料分子的轉(zhuǎn)動，所以在染料分子的能級中，對應每個電子能級都有一組振動一轉(zhuǎn)動能級，并且由于分子碰撞和靜電擾動，振動—轉(zhuǎn)動能級被展寬。因此，染料分子能級圖是如圖（1）所示的準連續(xù)態(tài)能級結(jié)構(gòu)。在電子能級中，有單態(tài)和三重態(tài)兩類，三重態(tài)較相應的單態(tài)能級略低。染料分子能級中，每一個單態(tài)(S₀、S₁、S₂……)都對應有一個三重態(tài)(T₁、T₂……)。S₀是基態(tài)，其它能級均為激發(fā)態(tài)。

圖（1） 染料分子能級圖                 圖（2） 染料的吸收─熒光光譜圖

2．染料分子的光輻射過程

如圖（2）所示，在泵浦光的照射下，大部分染料分子從基態(tài)S₀激發(fā)到激發(fā)態(tài)S₁、S₂……上，其中S₁態(tài)有稍長一些的壽命，因此，其它激發(fā)態(tài)的分子很快躍遷到S₁態(tài)的最低振動能級上，這些分子躍遷到S₀態(tài)上較高的振動能級時，即發(fā)出熒光，同時很快地弛豫到最低的振動能級上。如果分子在S₁和S₀之間產(chǎn)生了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，就可能產(chǎn)生激光。

由上述激光輻射過程可見：①染料分子是一種四能級系統(tǒng)，由于S₀的較高振動能級在室溫時粒子數(shù)幾乎為零，所以很容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使得染料分子激光器的閾值很低；②由于染料分子從S₁的較高振動能級躍遷到最低振動能級時，要放出部分能量，所以發(fā)射的熒光波長較吸收的泵浦光波長，向長波長方向移動（如圖（2）所示）；③由于染料分子能級的準連續(xù)寬帶結(jié)構(gòu)，其熒光譜范圍也是準連續(xù)寬帶結(jié)構(gòu)，這既使得染料激光器在大范圍內(nèi)可調(diào)諧，又可獲得幾十毫微微秒寬度的超短脈沖。

3．染料分子的三重態(tài)“陷阱”

染料分子與其它工作物質(zhì)相比，有一個重要的特殊問題——三重態(tài)“陷阱”效應。

如前所述，染料分子的熒光輻射相應于S₁#p#分頁標題#e#®S₀的躍遷。由于三重態(tài)T₁較單態(tài)S₁略低，所以處在S₁中的分子很容易無輻射躍遷到T₁上。并且因為T₁與S₀之間不允許產(chǎn)生輻射躍遷，T₁的壽命較長，約為10^－4~10^－3秒，所以T₁態(tài)對于激發(fā)分子來說，相當是一個“陷阱”。一方面，T₁占有了S₁上的部分分子，減少了S₁對S₀的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，另一方面，集累在T₁中的大量分子又會吸收光能，由T₁躍遷到T₂，更嚴重的是T₁一T₂吸收帶與S₁一S₀的熒光帶有某些重迭，因此，這種吸收將降低S₁一S₀的實際熒光效率，甚至導致熒光猝滅。由此可見，三重態(tài)的“陷阱”作用，對于染料激光器的工作來說，極為不利，必須設法消除。通常采用的方法是在染料中加入三重態(tài)猝滅劑，縮短T₁的壽命；或者是使染料分子在T₁上積聚之前，就已完成激光振蕩，以使三重態(tài)的“陷阱”來不及起作用。后面這種方式要求激光器采用短脈沖泵浦光源。