9染料激光器讲解
染色激光的原理和应用
染色激光的原理和应用一、什么是染色激光？染色激光是一种特殊类型的激光光源。
与传统的激光器不同，染色激光是通过使用染料溶液中的激发剂来产生激光。
染色激光具有高功率、窄谱宽和调谐性强的特点，广泛应用于科研、医学、工业等领域。
二、染色激光的工作原理染色激光的工作原理是基于染料分子的吸收和辐射过程。
染料分子吸收外界光的能量后，激发到激发态，然后通过受激辐射将能量以激光的形式放出来。
染料分子的吸收和辐射过程是由特定的染料分子结构决定的。
不同的染料分子对不同波长的光具有不同的吸收和辐射特性，因此可以通过选择不同的染料分子来实现激光的调谐性。
三、染色激光的应用领域染色激光具有广泛的应用领域，在科研、医学、工业等方面发挥着重要作用。
以下是染色激光在不同领域中的应用：1. 科研领域•生物学研究：染色激光广泛应用于细胞和组织成像、蛋白质标记、荧光检测等生物学研究领域。
例如，通过使用染色激光可以实现细胞内特定分子的定位和追踪，对疾病的发生机制进行研究。
•物理学研究：染色激光在物理学研究中也有重要应用。
例如，激光腔内的染料激光器被广泛应用于精密测量、量子光学等领域，为物理学家提供了有力的研究工具。
2. 医学领域•医学成像：染色激光在医学成像中起到重要作用。
例如，激光扫描显微镜通过荧光染料的标记，可以实现对细胞和组织的高分辨率成像，帮助医生进行疾病诊断和治疗。
3. 工业领域•材料加工：染色激光在材料加工中有着广泛的应用。
例如，染色激光可以用于材料表面的刻蚀、焊接、打孔等工艺，实现高精度的加工效果。
•激光打印：染色激光也被应用于激光打印技术中。
染色激光器可以产生高质量的图像，用于激光打印机进行打印。
4. 其他领域•环境检测：染色激光还被应用于环境检测中。
例如，在大气污染监测中，染色激光可以通过检测特定的气体吸收和辐射特性，实现对大气组成的分析。
•光通信：染色激光也可以用于光通信领域，实现高速、长距离的数据传输。
四、染色激光的前景和挑战染色激光作为一种先进的激光技术，具有广阔的应用前景和重要的科研意义。
染料激光原理
染料激光原理染料激光原理是一种利用染料作为激发剂，产生激光的原理。
染料激光器是一种非常重要的激光器件，广泛应用于科研、医学、工业等领域。
染料激光器具有波长可调、脉冲宽度短、能量高等特点，因此备受关注。
下面将从染料激光的基本原理、工作原理和应用领域等方面进行介绍。
首先，我们来了解一下染料激光的基本原理。
染料分子在受到光激发后，电子跃迁至激发态，然后再跃迁回基态时，会放出光子。
这个过程就是发光的基本原理。
在染料激光器中，染料溶液被激发光源激发后，产生的激光被放大，形成一束高亮度、单色性好的激光。
染料激光器的输出波长可以通过改变染料溶液的成分和浓度来调节，因此具有很好的波长可调性。
其次，我们来了解染料激光器的工作原理。
染料激光器主要由泵浦光源、染料槽、激光腔和输出镜等部分组成。
泵浦光源产生的激发光照射到染料槽中的染料溶液上，使染料分子被激发，产生激光。
激光在激光腔内来回多次反射，被放大，最终通过输出镜输出。
染料激光器的工作原理比较复杂，需要精密的光学元件和稳定的泵浦光源来保证激光输出的稳定性和性能。
最后，我们来探讨一下染料激光器的应用领域。
染料激光器具有波长可调性和脉冲宽度短的特点，因此在科研领域被广泛应用于光谱分析、激光显微镜、激光医学等领域。
在工业领域，染料激光器被应用于激光打标、激光切割等领域。
同时，染料激光器也被用于军事领域，用于激光通信、激光制导等方面。
可以说，染料激光器在各个领域都有着重要的应用价值。
综上所述，染料激光原理是一种利用染料分子产生激光的原理，其工作原理复杂，但具有很好的波长可调性和脉冲宽度短的特点，因此在科研、医学、工业等领域有着广泛的应用前景。
希望本文的介绍能够让读者对染料激光原理有更深入的了解。
染料激光器
染料
染料是有颜色的物质但有颜色的物质并不一定是染料。作为染整工业基础，必须能够使一定颜色附着在纤维 上。且不易脱落、变色。染料通常溶于水中，一部分的染料需要媒染剂使染料能黏着于纤维上。
染料和色素吸收部分波长的光，所以看起来带有颜色。与染料比较，色素并不溶于水中，亦不会附着于其他 物质上。
考古资料显示，染色技术于印度和中东已有超过五千年历史。当时的染料从动植物或矿物质而来，甚少经过 处理。大多数染料来自植物界（如植物的根、莓类、树皮、叶子和木料等），但此类染料甚少被广泛用于商业上。
脉冲产生方式
Q开关方式
在Q-开关，粒子数反转被引入内部的谐振器（即Q开关），该效应能造成品质因数的减少，即所谓“Q空腔”。 然后，存储在激光介质中的泵浦能量接近水平后，迅速除去引入的损失机制（通常是电或声光元件），增益介质 中存储的能量瞬间释放，产生高的峰值功率。
锁模方式
A模式锁定激光器在几十皮秒至小于10飞秒的时间内按顺序发射极短的脉冲。这些脉冲需要在一个往返行程 包含的谐振器之间的反射镜的中完成。如此短的时间内，脉冲的时间由于傅立叶限制（也称为能量-时间不确定 性），具有在一个相当大的带宽的频谱扩展。因此，这样的增益介质必须有足够广泛，以扩大这些频率的增益带 宽。一个合适的材料的一个例子是人工生长的掺钛蓝宝石（Ti：蓝宝石），它具有很宽的增益带宽，因此可以产 生只有几飞秒的持续时间的脉冲。
第一种人造的有机染料苯胺紫（mauveine）由威廉·珀金（William Henry Perkin）于一八五六年发明。 其后共有上千种染料被发明出来。
谢谢观看
染料激光器
使用有机染料作为激光介质的激光
01 产品简介
03 脉冲激光器 05 染料
目录
9HeN讲义e激光模式分析
(c) TEM02
(d) TEM03
圆形反射镜的横模图形
横模电场分布及强度示意图
(a) TEM00 (b) TEM10 (c) TEM20
激光谐振腔内电场横模分布示意图
TEM00
TEM11
激光多横模振荡示意图
激光模式的测量方法
横模的测量方法：在光路中放置一个光屏；拍照
；小孔或刀口扫描方法获得激光束的强度分布，确定 激光横模的分布形状
F
c 4l
l 20mm F3.75GHz
感谢聆听！
L=10厘米的He-Ne气体激光器
q 1.5109Hz
L=30厘米的He-Ne气体激光器
q 0.5109Hz
Ne原子的中心频率： 4.7 41104 /s
Ne原子的中心波长： 6328À
荧光光谱线宽： q 1.5109Hz
激光器中出现的纵模数
工作原子自发辐射 的荧光线宽越大， 可能出现的纵模数 越多。
光电探测器：接收扫描到的激光频率 双凸薄透镜：待测的激光光束变换为无源腔的高斯光束。使待测激光 束的全部能量耦合到无源腔的基模中去。 偏振器和1/4波片组成光学隔离器，防止光重新回到待测激光器中去
球面扫描干涉仪
相干极大透射 4la ka
自由光谱范围
4ldkd(k1)a
d
a
ad
4ld
F
2 4l
基模(横向单模)： m=n=0, 其它的横模称为高阶 横模
放电毛细管反馈产生衍射
方形反射镜和圆形反射镜的横模图形
m n 2 c n L 1( m n)ar c ( 1 cRL1 o )1 s ( RL2) 1 2
方形反射镜的横模图形ห้องสมุดไป่ตู้
染料激光器
2015-04-27
染料激光器：是以某种有机染料溶解于一定溶剂(甲醉、 乙醇或水等)中作为激活介质的激光器。
优点： 波长在大范围内可连续调谐（330－1850nm);
可以产生极窄(fs量级）的光脉冲。
能连续、脉冲和长脉冲工作；
缺点： 稳定性差。 应用领域：激光光谱学、同位素分离、激光医学等领域。
2d sin m 当光栅常数d和衍射级m一定时，波 长是角 的正弦函同波长的光，将有不同的折射方向。 当旋转高反镜使 其与某一波长的光垂直时，该波长的光就能返回谐振腔， 形成振荡。
（3）法布里–珀罗（F–P）标准具调谐
标准具由两块互相平行并镀有多层介质膜的玻璃或石英平板构成， 它的作用相当于一块干涉滤波片，用来选择和压窄激光谱线带宽。
染料分子特点：
染料分子是一种含有共轭双键的复杂大分子有机化合物， 若丹明6G的结构式如下图。
染料分子能级图
谐振腔结构：
（1）光栅调谐 采用平面反射光栅取代谐振腔一端的反射镜，并将光栅绕平行于 光栅刻线的轴线旋转。从染料的增益曲线中选择出单一波长，将 沿腔轴反射回腔内形成振荡，而其他波长的光则散射到腔外。
放大系统：
ASE（自发辐射的放大）：
不同于一般的荧光，介于荧光和激光之间
需要抑制ASE
典型激光器介绍染料激光器讲解ppt课件
2. 棱镜调谐
介 绍
➢图(5-21)是一种折叠式纵向 泵浦染料激光器原理图，腔内
放置的棱镜是一种色散元件。
图(5-20) 光栅-反射镜调谐腔
§5.3
染 料 激 光 器
图(5-21) 棱镜调谐腔
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
激
红宝石激光器(0.6943m)，钕玻璃激光器(1.06m)，铜蒸气激光器(0.5106m、
光
0.5782m)，准分子激光器(主要在紫外区) 以及这些激光的二次、三次谐波等。
器 介
➢图(5-19)是目前经常采用的三镜腔式染料激光器结构示意图。
绍
§5.3
染 料 激 光 器
图(5-19) 三镜腔式染料激光器
烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的 健康皮 肤进行 自体移 植，但 对于大 面积烧 伤病人 来讲， 健康皮 肤很有 限，请 同学们 想一想 如何来 治疗该 病人
5.3.3 染料激光器的调谐
第
1. 光栅调谐
五 章
➢图(5-20)是一种光栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G具有扩束和色散作用。
典
型
激
光 器
5.3.3 染料激光器的调谐
第
3. 双折射滤光片调谐
五 章
➢利用双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采用的调谐方法，国内外的 Ar＋激光、YAG倍频激光泵浦的染料激光器，都使用这种方法调谐。图(5－22)
典
给出的典型染料激光器就是利用双折射滤光片进行调谐的。
型
激
光
器
介
绍
染料激光_精品文档
染料激光染料激光是一种特殊类型的激光，它使用了染料作为工作介质。
该技术由于其宽谱、调谐和高效能特性而受到广泛关注。
本文将介绍染料激光的基本原理、应用领域以及一些最新的研究进展。
染料激光的基本原理是基于染料分子的吸收和发射光的特性。
染料分子吸收特定波长的光，然后通过受激辐射产生发射波长相匹配的光。
因此，染料激光器的输出光谱可以通过控制染料溶液的组成和浓度来调谐。
染料激光的一个主要特点是宽谱性。
染料溶液可以通过选择不同的染料和改变浓度来实现在红外、可见光和紫外光波段的发射。
这使得染料激光在各种应用中具有很大的灵活性。
染料激光也具有很高的调谐性能。
通过调节染料溶液中染料的浓度或者改变光路中的元件，可以实现激光的频率调谐。
这使得染料激光器在光谱分析、媒体存储和光通信等领域具有重要应用。
染料激光广泛应用于科学研究和工业应用中。
在科学领域，它被用于光谱学、光化学和生物医学等领域的研究。
在工业应用中，染料激光器可用于材料加工、光刻、激光印刷和显示等领域。
染料激光在生物医学领域中的应用是其应用领域中的一大亮点。
染料激光被广泛应用于激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）和激光多普勒血流仪等高分辨率成像技术中。
这些技术可以提供细胞和组织的高分辨率图像，用于研究生物体内部的结构和功能。
染料激光还被广泛应用于激光打印和显示技术中。
染料激光器可以生成高质量的图像，被广泛应用于激光打印机和激光影像技术中。
此外，染料激光还可以用于激光显示器中，提供高亮度和高对比度的显示效果。
尽管染料激光在众多应用领域中具有巨大潜力，但它也面临一些挑战。
首先，染料激光器通常需要较大的体积和复杂的调谐系统，限制了其在一些应用中的使用。
其次，染料分子的寿命有限，需要定期更换，增加了成本和维护难度。
近年来，研究人员对染料激光进行了一系列的改进和创新。
其中一项进展是开发了更稳定的染料分子，延长了染料激光器的使用寿命。
此外，还有研究致力于开发更简化和紧凑的染料激光器设计，以满足不同应用的要求。
染料激光的原理
染料激光的原理
染料激光的原理是利用染料分子的能级结构和吸收特性来产生激光。
染料激光器由激光介质（染料）和泵浦源（例如闪光灯或其他激光器）组成。
首先，泵浦源提供足够的能量激发染料分子，使其处于高能级。
在此过程中，染料吸收入射光的能量。
然后，高能级的染料分子通过受激发射的方式，将能量逐步释放出来。
这种释放能量的过程涉及到染料分子从高能级到低能级的跃迁。
在这个过程中，发射的光具有特定的频率和相位，从而形成激光束。
由于染料分子带有特定的光吸收特性，因此可以通过调整染料种类和泵浦源的参数来产生不同波长的染料激光。
此外，染料激光器还包括一个光学腔，用于增强激光的放大和反射。
光学腔由两个反射镜构成，其中一个是部分透明的，以便从光学腔中释放出激光束。
总的来说，染料激光的原理是通过泵浦源激发染料分子，使其从高能级跃迁到低能级，释放出特定频率和相位的光，然后通过光学腔增强和反射，最终获得一束激光束。
这种原理使染料激光器在许多应用中得到广泛使用，包括科学研究、医学治疗和材料加工等领域。
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浙江工贸职业技术学院
单元教学设计
20 —20 学年第学期
课程名称：激光原理与技术
授课班级：光机电1301
任课教师：张玄和
所在院（系）：材料工程系
单元教学设计基本框架
第一部分：组织教学和复习上次课主要内容（时间：分钟）第二部分：学习新内容
【步骤一】染料激光器（时间：分钟）
1966年，人们第一次利用巨脉冲红宝石激光器泵浦氯化铝酞化菁(CAP)和花菁类染料，获得了受激辐射。
此后，染料激光器得到了迅速的发展。
染料激光器受到人们重视的原因是：①输出激光波长可调谐，某些染料激光波长可调宽度达上百毫微米；②激光脉冲宽度可以很窄，目前，由染料激光器产生的超短脉冲宽度可压缩至飞秒(10－15秒)量级；③染料激光器的输出功率大，可与固体激光器比拟，并且价格便宜；
④染料激光器工作物质具有均匀性好等优良的光学质量。
因此，它在光化学、光生物学、光谱学、化学动力学、同位素分离、全息照相和光通信中，正获得日益广泛的重要应用。
【步骤二】染料激光器的激发机理（时间：分钟）
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（5－17）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（5－17）染料分子能级图图（5－18）染料的吸收─荧光光谱图2．染料分子的光辐射过程
如图（5—18）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（5—18）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→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。
【步骤三】染料激光器的泵浦（时间：分钟）
根据上述染料分子光辐射的特殊性，染料激光器应采用光泵浦。
按照运转方式区分，有脉冲泵浦和连续泵浦；按照泵浦光源区分，有闪光灯泵浦和激光泵浦。
这里只介绍脉冲泵浦。
脉冲泵浦以泵浦光的足够高的功率和足够快的上升时间，克服三重态的影响，实现激光器工作。
这类器件的特点是输出激光的峰值功率高，器件的转换效率高以及结构简单、操作
方便。
1.闪光灯脉冲泵浦
泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。
直管式闪光灯泵浦染料激光器的结构形式类似于固体激光器。
闪光灯泵浦方式的结构简单，价格便宜，但因泵浦光脉冲较宽(一般为10－4~10－6秒)，三重态的影响不能完全消除，还须在染料中添加猝灭剂。
2.激光脉冲泵浦
能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器(0.337μm)，红宝石激光器(0.6943μm)，钕玻璃激光器(1.06μm)，铜蒸气激光器(0.5106μm、0.5782μm)，准分子激光器(主要在紫外区)，以及这些激光的二次、三次谐波等。
选用泵浦激光的原则是：①泵浦光谱应与染料吸收光谱匹配；②泵浦光功率、能量应满足要求；③泵浦光脉冲宽度应短，足以消除三重态的猝灭作用。
图（5—19）是目前经常采用的三镜腔式染料激光器结构示意图。
泵浦激光穿过激光器反射镜照射到染料上，该染料实际是由循环泵形成的染料喷膜，所产生的受激辐射光在折叠腔内振荡，形成激光输出。
图（5—19）三镜腔染料激光器
【步骤四】染料激光器的调谐（时间：分钟）染料激光器与其它激光器相比较的突出特点是激光波长可调谐。
为了实现精确的调谐和获得较窄的线宽，需要有一个带有波长选择装置的谐振腔。
经常采用的波长选择装置有光栅、棱镜、F-P标准具、双折射滤光片、分布反馈装置、电控调谐元件等。
下面介绍几种典型的调谐系统。
1．光栅调谐
图（5-20）是一种光栅
一反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G1具有扩束和色散作用。
G1的不同波长的一级衍射光相对反射镜R2来说，有不同的入射角。
于是，当旋转R2使某一波长的入射角为零时，该波长光便能低损耗地返回谐振腔，形成振荡。
因此，旋转R2便起到了调谐作用。
图（5－20）光栅─反射镜调谐腔
2．棱镜调谐
图（5-21）是一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，腔内放置的棱镜是一种色散元件。
利用棱镜的色散特性，将泵浦光耦合到腔内，并与染料流形成同轴泵浦形式。
由于棱镜的色散作用，一束来自M3、M2的不同波长的光，将有不同的折射方向，当旋转平面反射镜M1使其与某一波长的光垂直时，该波长光便能返回谐振腔，形成振荡。
因此，旋转M1便实现了调谐作用。
为了获得更窄的带宽或精调谐，也可在长支路的平行光束中插入一个或多个F －P标准具。
图（5—21）棱镜调谐腔
3．双折射滤光片调谐
利用双折射滤光片调谐，是目前染料激光器广泛采用的调谐方法，国内外的Ar＋激光、YAG倍频激光泵浦的染料激光器，都使用这种方法调谐。
图（5－22）给出的典型染料激光器就是利用双折射滤光片进行调谐的。
这是一种单纵模环行腔染料激光器，工作物质是以喷流方式循环工作的染料喷膜，泵浦光源是Ar＋激光器；谐振腔是8字形环行腔，可实现单向行波振荡，消除了空间烧孔效应，提高了振荡效率。
双折射滤光片是调谐元件，标准具用以
压缩线宽。
这个激光器的典型参数是：环行腔L＝1.5米，用若丹明6G作激活介质，染料喷膜厚20 m，输出镜M1的透过率T＝6％，用4瓦Ar＋激光泵浦时，可获得500mW的单频输出，谱宽仅为2MHz。
图（5－22）典型染料激光器原理图
液体染料工作物质的能带很宽，这就使它成为锁模激光器所要求的良好的激活介质。
七十年代，人们利用同步泵浦锁模染料激光器获得了p s量级的光脉冲，后来又利用碰撞锁模染料激光器及腔外脉冲压缩技术，将光脉冲宽度压缩到6f s。
第三部分：布置作业、说清楚作业的要求（时间：分钟）。