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）。
