染料激光器的激发机理

1．染料分子能级

染料激光器的工作物质是有机染料溶液。每个染料分子都由许多原子组成，其能级结构十分复杂。由于染料分子的运动包括电子运动、组成染料分子的原子间的相对振动和整个染料分子的转动，所以在染料分子的能级中，对应每个电子能级都有一组振动一转动能级，并且由于分子碰撞和静电扰动，振动—转动能级被展宽。因此，染料分子能级图是如图（1）所示的准连续态能级结构。在电子能级中，有单态和三重态两类，三重态较相应的单态能级略低。染料分子能级中，每一个单态(S₀、S₁、S₂……)都对应有一个三重态(T₁、T₂……)。S₀是基态，其它能级均为激发态。

图（1） 染料分子能级图                 图（2） 染料的吸收─荧光光谱图

2．染料分子的光辐射过程

如图（2）所示，在泵浦光的照射下，大部分染料分子从基态S₀激发到激发态S₁、S₂……上，其中S₁态有稍长一些的寿命，因此，其它激发态的分子很快跃迁到S₁态的最低振动能级上，这些分子跃迁到S₀态上较高的振动能级时，即发出荧光，同时很快地弛豫到最低的振动能级上。如果分子在S₁和S₀之间产生了粒子数反转，就可能产生激光。

由上述激光辐射过程可见：①染料分子是一种四能级系统，由于S₀的较高振动能级在室温时粒子数几乎为零，所以很容易实现粒子数反转，使得染料分子激光器的阈值很低；②由于染料分子从S₁的较高振动能级跃迁到最低振动能级时，要放出部分能量，所以发射的荧光波长较吸收的泵浦光波长，向长波长方向移动（如图（2）所示）；③由于染料分子能级的准连续宽带结构，其荧光谱范围也是准连续宽带结构，这既使得染料激光器在大范围内可调谐，又可获得几十毫微微秒宽度的超短脉冲。

3．染料分子的三重态“陷阱”

染料分子与其它工作物质相比，有一个重要的特殊问题——三重态“陷阱”效应。

如前所述，染料分子的荧光辐射相应于S₁#p#分页标题#e#®S₀的跃迁。由于三重态T₁较单态S₁略低，所以处在S₁中的分子很容易无辐射跃迁到T₁上。并且因为T₁与S₀之间不允许产生辐射跃迁，T₁的寿命较长，约为10^－4~10^－3秒，所以T₁态对于激发分子来说，相当是一个“陷阱”。一方面，T₁占有了S₁上的部分分子，减少了S₁对S₀的反转粒子数，另一方面，集累在T₁中的大量分子又会吸收光能，由T₁跃迁到T₂，更严重的是T₁一T₂吸收带与S₁一S₀的荧光带有某些重迭，因此，这种吸收将降低S₁一S₀的实际荧光效率，甚至导致荧光猝灭。由此可见，三重态的“陷阱”作用，对于染料激光器的工作来说，极为不利，必须设法消除。通常采用的方法是在染料中加入三重态猝灭剂，缩短T₁的寿命；或者是使染料分子在T₁上积聚之前，就已完成激光振荡，以使三重态的“陷阱”来不及起作用。后面这种方式要求激光器采用短脉冲泵浦光源。