激光光源之激光與染料激光器

激光光源

1、激光

普通光源(如白熾燈、熒光燈和氙弧燈等)發(fā)出的光向四面八方發(fā)射，相干性很差。如果能量 hv =E2-E1 的外來光子照射到處于 E2 激發(fā)態(tài)的原子上，它就會誘導(dǎo)該原子從高能級 E2 躍遷到 低能級如基態(tài) E1 ，同時輻射出一個光子，這種輻射稱為受激輻射。受激輻射躍遷所產(chǎn)生的光子與該外來光子有著完全相同的特征，它們的頻率、位相(甚至偏振方向)、傳播方向都是一致的。這種受激輻射的發(fā)光機(jī)制有兩個明顯的特點：一是原子系統(tǒng)中各發(fā)光中心是相互關(guān)聯(lián)的，二是發(fā)生一次受激輻射，光子數(shù)目就增加一倍，這就是所謂的受激放大，它是形成激光的重要基礎(chǔ)。

假設(shè)處于基態(tài)的原子數(shù)目是 N1，處于較高能態(tài)的原子數(shù)目是 N2，N1 和 N2 的關(guān)系可由玻耳茲曼(Boltzmann)方程來表示：

式中，k 為玻耳茲曼常數(shù)；T 為物質(zhì)熱力學(xué)溫度；g1、g2 為統(tǒng)計權(quán)重。在正常情況下，N1》N2，因此光吸收總是遠(yuǎn)大于受激輻射。如果要使受激輻射占優(yōu)勢，就必須利用某種方法(例如用光束照射工作物質(zhì)或是用電能、化學(xué)能來激勵，這種過程稱為抽運(yùn)或泵浦)使原子在高低兩個能級上的正常分布倒轉(zhuǎn)過來，也就是使N2》N1，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。已處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì)稱為增益介質(zhì)。當(dāng)具備一定特征的光子通過增益介質(zhì)時，受激輻射占主導(dǎo)地位，從而產(chǎn)生受激放大，即可以得到大量特征相同的光子的受激輻射。如果采用適當(dāng)?shù)姆椒ê脱b置形成一種光的受激輻射的振蕩器，就能使受激輻射以一定方式持續(xù)下去，從而獲得激光，而這種裝置則稱為激光器。

一般激光器都具有三個基本的組成部分：激勵能源（或泵浦源）、工作物質(zhì)（或介質(zhì)）和光學(xué)諧振腔。如下圖所示。工作物質(zhì)可以是固體（如晶體、半導(dǎo)體、玻璃等）、液體（如有機(jī)染料的溶液）或氣體（如 N2、CO2、He-Ne等）；在工作物質(zhì)的兩端放上一對互相平行的反射鏡就構(gòu)成了光學(xué)諧振腔；激勵能源的作用是將處于低能級上的粒子泵浦高能級上去，使工作物質(zhì)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

激光器的種類很多。到目前為止，已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種材料可以用作激光工作物質(zhì)，通常根據(jù)所用的材料不同，可以把激光器分為四類：氣體激光器，如氨氮激光器、二氧化碳激光器等；固體激光 器，如紅寶石激光器等；半導(dǎo)體激光器（亦稱二極管激光器），如砷化鎵二極管激光器；以及染料激光器等。以下將重點介紹三種激光器，即染料激光器、二極管激光器和 OPO 激光器。這三種激光器均為波長可調(diào)諧激光器，就是它所發(fā)出的激光波長在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)地改變，因而對激光光譜分析法的研究是十分重要的。此外，根據(jù)激光器工作方式的不同，可分為脈沖（Pulsed）激光器和連續(xù)或連續(xù) 波（CW）激光器。在脈沖激光器中，泵浦和激光輸出都是脈沖式全反射鏡和部分反射鏡組成了光學(xué)諧振腔的，而在連續(xù)激光器中，二者都是連續(xù)不斷的。

2、染料激光器

染料激光器（dye laser）是目前應(yīng)用最普遍的一類可調(diào)諧激光器。它的特點是增益高、效率高，輸出激光可在較寬的波段范圍內(nèi)連續(xù)平穩(wěn)地調(diào)諧，因而被廣泛地應(yīng)用于高分辨率光譜學(xué)、激光光譜分析、同位素分離等領(lǐng)域。

染料激光器是以染料作為工作物質(zhì)的激光器。當(dāng)前能產(chǎn)生激光的染料已有350種以上。一般將染料溶于乙醇、苯、丙酮、水及其他溶劑中，配成10-5?10-3 mol/L 量級的濃度，裝入染料池中或者使其在管中循環(huán)使用，也可采用噴流的方法。

能產(chǎn)生激光的染料都有一個共輾雙鍵構(gòu)成的生色系統(tǒng)。由于染 料分子的振動-轉(zhuǎn)動能級和電子能級耦合，共軸雙鍵的電子態(tài)比原子或離子的電子態(tài)的能級范圍寬很多，從而使染料激光器可調(diào)諧。 目前，染料激光器的波長可調(diào)諧范圍可達(dá)到340nm?1μm （不同波段使用不同染料，染料的品種對激光輸出波長起決定性作用），使 用倍頻器可使輸出波長進(jìn)一步擴(kuò)展到紫外區(qū)（即原子光譜分析最常用的波長范圍）。下表列舉數(shù)例說明染料的品種、溶液濃度和溶 劑性質(zhì)對激光輸出波長的影響。

重要染料及其輸出激光的可調(diào)諧范圍弱

除上述因素外，染料溶液的溫度、激活區(qū)長度、諧振腔損 耗等對激光波長也有影響。.由此可知，要粗略地選擇染料激光 的波長可以通過選擇不同的染料、溶劑、濃度、酸度、溫度等來實現(xiàn)。 

但是，當(dāng)需要精細(xì)地調(diào)諧和獲得窄的線寬時，就需要用有波長選擇裝置(即調(diào)諧元件)的諧振腔。常用的調(diào)諧元件有以下幾種： 光柵、棱鏡、標(biāo)準(zhǔn)具、雙折射濾波片、電控調(diào)諧元件等。上圖所示為 Hansch 染料激光器設(shè)計元件的組成示意圖，它使用一個衍射光柵來完成波長的精細(xì)調(diào)諧。