激光光源之激光与染料激光器

激光光源

1、激光

普通光源(如白炽灯、荧光灯和氙弧灯等)发出的光向四面八方发射，相干性很差。如果能量 hv =E2-E1 的外来光子照射到处于 E2 激发态的原子上，它就会诱导该原子从高能级 E2 跃迁到 低能级如基态 E1 ，同时辐射出一个光子，这种辐射称为受激辐射。受激辐射跃迁所产生的光子与该外来光子有着完全相同的特征，它们的频率、位相(甚至偏振方向)、传播方向都是一致的。这种受激辐射的发光机制有两个明显的特点：一是原子系统中各发光中心是相互关联的，二是发生一次受激辐射，光子数目就增加一倍，这就是所谓的受激放大，它是形成激光的重要基础。

假设处于基态的原子数目是 N1，处于较高能态的原子数目是 N2，N1 和 N2 的关系可由玻耳兹曼(Boltzmann)方程来表示：

式中，k 为玻耳兹曼常数；T 为物质热力学温度；g1、g2 为统计权重。在正常情况下，N1》N2，因此光吸收总是远大于受激辐射。如果要使受激辐射占优势，就必须利用某种方法(例如用光束照射工作物质或是用电能、化学能来激励，这种过程称为抽运或泵浦)使原子在高低两个能级上的正常分布倒转过来，也就是使N2》N1，即粒子数反转分布。已处于粒子数反转分布的工作物质称为增益介质。当具备一定特征的光子通过增益介质时，受激辐射占主导地位，从而产生受激放大，即可以得到大量特征相同的光子的受激辐射。如果采用适当的方法和装置形成一种光的受激辐射的振荡器，就能使受激辐射以一定方式持续下去，从而获得激光，而这种装置则称为激光器。

一般激光器都具有三个基本的组成部分：激励能源（或泵浦源）、工作物质（或介质）和光学谐振腔。如下图所示。工作物质可以是固体（如晶体、半导体、玻璃等）、液体（如有机染料的溶液）或气体（如 N2、CO2、He-Ne等）；在工作物质的两端放上一对互相平行的反射镜就构成了光学谐振腔；激励能源的作用是将处于低能级上的粒子泵浦高能级上去，使工作物质实现粒子数反转分布。

激光器的种类很多。到目前为止，已发现数百种材料可以用作激光工作物质，通常根据所用的材料不同，可以把激光器分为四类：气体激光器，如氨氮激光器、二氧化碳激光器等；固体激光 器，如红宝石激光器等；半导体激光器（亦称二极管激光器），如砷化镓二极管激光器；以及染料激光器等。以下将重点介绍三种激光器，即染料激光器、二极管激光器和 OPO 激光器。这三种激光器均为波长可调谐激光器，就是它所发出的激光波长在一定范围内可以连续地改变，因而对激光光谱分析法的研究是十分重要的。此外，根据激光器工作方式的不同，可分为脉冲（Pulsed）激光器和连续或连续 波（CW）激光器。在脉冲激光器中，泵浦和激光输出都是脉冲式全反射镜和部分反射镜组成了光学谐振腔的，而在连续激光器中，二者都是连续不断的。

2、染料激光器

染料激光器（dye laser）是目前应用最普遍的一类可调谐激光器。它的特点是增益高、效率高，输出激光可在较宽的波段范围内连续平稳地调谐，因而被广泛地应用于高分辨率光谱学、激光光谱分析、同位素分离等领域。

染料激光器是以染料作为工作物质的激光器。当前能产生激光的染料已有350种以上。一般将染料溶于乙醇、苯、丙酮、水及其他溶剂中，配成10-5〜10-3 mol/L 量级的浓度，装入染料池中或者使其在管中循环使用，也可采用喷流的方法。

能产生激光的染料都有一个共辗双键构成的生色系统。由于染 料分子的振动-转动能级和电子能级耦合，共轴双键的电子态比原子或离子的电子态的能级范围宽很多，从而使染料激光器可调谐。 目前，染料激光器的波长可调谐范围可达到340nm〜1μm （不同波段使用不同染料，染料的品种对激光输出波长起决定性作用），使 用倍频器可使输出波长进一步扩展到紫外区（即原子光谱分析最常用的波长范围）。下表列举数例说明染料的品种、溶液浓度和溶 剂性质对激光输出波长的影响。

重要染料及其输出激光的可调谐范围弱

除上述因素外，染料溶液的温度、激活区长度、谐振腔损 耗等对激光波长也有影响。.由此可知，要粗略地选择染料激光 的波长可以通过选择不同的染料、溶剂、浓度、酸度、温度等来实现。 

但是，当需要精细地调谐和获得窄的线宽时，就需要用有波长选择装置(即调谐元件)的谐振腔。常用的调谐元件有以下几种： 光栅、棱镜、标准具、双折射滤波片、电控调谐元件等。上图所示为 Hansch 染料激光器设计元件的组成示意图，它使用一个衍射光栅来完成波长的精细调谐。