染料激光器-光子学设计基础

至此介绍的例子都是气体激光器，还有一些非常重要的、利用液相和固相的激光器。首先，以染料激光器为例讨论液相的情况。与气体激光器相比，液相和固相激光器的优点是介质有较大密度，意味着单位体积内有更多光子；缺点是较密介质的均匀性不好，激光输出不纯，尤其是有较宽的线宽。

然而，（在正常环境下）液体要比固体均匀些，所以根据这样的观点提供了一种很方便的这种方案。

一种很重要的液体类型激光器是染料激光器，其重要性在于输出的波长在相当大的范围内（约100nm）是可调谐的。

图7.3　染料激光器的能级示意图

染料是复杂的有机分子，分子内的原子很容易振动和旋转。因此，若染料溶解在一种液体中，主要的分子量子态被分成大量相关的亚旋转态和亚振动态，溶剂分子的电场不会使亚态能量衰减，其结果是这些态在垂直方向的主量子级附近具有连续性（见图7.3）。如果用光照射该溶液，会在一个很宽的波段范围产生吸收，就像荧光一样，大量地降到较低能级。假如，使S₁附近的许多能级产生有效的受激作用，则降到S₀的较高端能态（见图7.3）相当容易。与S₀的较低能态相比，S₀的较高能态比较难增加粒子数，其难度在于“三重线态”（具有两个平行旋转的电子）。从单线态跃迁到三重线态是很少见的，这就意味着，量子论预计这种现象不会发生，但也不是完全不可能。事实上，从S₁→T₁的跃迁可以出现（分子碰撞就是这种结果）。由于T₁→S₁的跃迁是禁止的，因此分子聚集在T₁。根据量子理论，可以有T₁→T₂的跃迁，对应波长接近受激发射波长，因而被吸收，降低了激光增益。针对该问题的解决办法是使染料溶液通过腔体，将T₁态从受激发射区消除。当染料返回到腔体时，已经使T₁态衰变（正确选择流速），一切都处于非常好的状态。显然，为了不对该系统调谐，需要在腔体内设计一个选波元件，如棱镜或衍射光栅，并根据需要而变化。不同的染料有不同的调谐范围，通过调换染料可以得到非常大的调谐范围（见图7.4）(www.xing528.com)

图7.4　常用激光器染料的调谐范围

图中，DEOTC-P是Diethyl-oxy-tricarbocyanine-perchlorate（二乙基氧基三碳菁高氯酸盐）的缩写；HITC-P是Hexamethyl-indo-tricarbocyanine-perchlorate（六甲基吲哚三碳菁高氯酸盐）的缩写。——译者注

该系统的缺点是不洁净、具有腐蚀性、有时会有含致癌性物质的液体在实验室（或其他地方）连续流动。液体很容易被污染，所以存在着净化问题。

然而，若实际应用中需要大的调谐范围，则所有努力都是值得的。