激
光
技
术
第 21 卷 第 5 期
1997 年 10 月
Vol . 21 ,No . 5
October ,1997
L A SER T ECHNOL O GY
李又生 陈美锋 张德沛 李 斌
(华中理工大学激光技术和工程研究院 ,武汉 ,430074)
摘要 : 从施主2受主染料体系出发 ,研究了双重染料对灯泵染料激光器输出的影响 。我们认为 在低浓度下 ,施主和受主之间能量转移主要以辐射能量转移方式进行了通过计算施主和受主的光 谱转换率 ,得出施主2受主系统中施主和受主的浓度都低的结论 ;提出分离施主和受主是使用多重 染料的最佳方案 。在此基础上 ,我们在重复频率闪光灯泵浦染料激光器上进行实验 ,实验结果与 理论分析结果相一致 。
关键词 : 染料激光器 施主 受主 光谱转换率
Fla shla mp pumped donor2acceptor dye la ser
L i Y ous hen g , Chen M ei f en g , Zha n g De pei , L i B i n
( Instit ute of L aser Technology & Engineering , HU S T , Wuhan ,430074)
Abstract : This paper st udies t he influence of bi2dye o n t he outp ut of flashlamp2p umped dye laser f ro m t he point of do nor2accep tor dye system. We co nsider t hat radiatio n energy2t ransfer is纯粹网 t he do minant energy2t ransfer mechanism bet ween do no
r and accep tor under low co ncent ratio ns. Af ter calculating t he spect rum inversio n rate of do nor and accep tor ,we co nclude t hat in t he do nor2accep tor system t he co ncen2 t ratio ns of do nor and accep tor is low . We point out t hat separating do nor f ro m accep tor北京市人口与计划生育条例修正案 is t he op timum way to use multi2dye system. Base o n t he t heoretic analysis ,we carry out so me experiment s o n t he repeti2 tio n rate flashlamp2p umped dye laser , t he result s of t he experiment s agree wit h t hose of t he t heoretic analysis.
Key words : dye laser do nor accep tor spect ral inversio n rate
一 、引
言
自 1966 年染料激光器问世以来 ,至今已发展到了较成熟的阶段 ,但仍局限于实验室应用
水平 ,要使染料激光器发展到实际应用水平 ,还需克服存在的缺点和不足 。闪光灯泵浦染料激 光器研制人员采用了多种方法1 ～5 ,从激光器的各个部分入手提高性能 。这些方法主要靠增
大平均输入功率来提高激光器的输出功率 ,而激光器的效率并没有很大提高 ,而且这些方法使
激光器的结构复杂化 。
灯泵染料激光器的闪光灯在放电过程中电流密度很大 ,可达 105A/ cm2 6 ,泵浦光光谱成 分非常丰富 ,从紫外到红外 ,光谱重心在短波 ,而大部分有机染料的吸收带都很窄 ,如最常用的 激光染料若丹明 6 G( R6 G) ,在乙醇溶液中的吸收峰中心波长为 5000 ! 左右 ,半宽度只有 30 nm
左右 。本文以香豆素 6 ( C6) 作若丹明 6 G 的施主 ,拓宽了施主2受主体系的吸收带 ,提高了染料
激光器的效率 。
二 、理 论术尔泰 分 析
11 施主和受主之间的能量转移机理包括 : ( 1) 辐射能量转移 ; ( 2) 库仑作用能量转移 ; ( 3)
电子交换能量转移 。这三种能量转移机理都要求受主吸收带和施主荧光带重迭程度要大7 。
辐射能量转移是二步过程 ,受主吸收施主发出的荧光 ,这种能量转移可以跨越很大的距离 ,库
仑作用和电子能量转移同属无辐射能量转移 ,都出现在施主发光之前 ,能量转移必将影响施主 的特性 ,这种特性由斯特恩2沃尔默方程表示出来8 :
( 1)
τ0 / τf = φ0 / φf = 1 + k E Tτ0 [ A ]
下标 0 绍兴市树人中学表示无受主 ,下标 f 表示有受主 ,τ和φ 分别表示施主的寿命和荧光量子产额 , k E T
为能量转移速率常数 , [ A ]为受主染料浓度 。( 1) 式说明施主溶液中加入受主后 ,施主的荧光 量子产额降低 。
对于浓度为 10 - 4 M/ L 的稀溶液 ,将有机染料的分子典型值 : k E T≈1011 m - 1 s - 1l 9 和 τ0 为
几个纳秒代入 (1) 式 ,可知 τ0 / τf 只稍大于 1 ,说明在这种稀溶液中 ,无辐射能量转移的速率非 常小 ,辐射能量转移是能量转移的主要机理 。所以 ,低浓度混合染料溶液中施主染料必须是量 子效率高的激光染料 。
由于辐射能量转移可跨越很大的距 离 ,本文提出分离施主与受主的方案以 避免施主三重态吸收对受主激光作用的 影响 。
21 一 种 有 机 染 料 的 吸 收 光 谱 在 可
见波段常常具有强吸收带的特性 ,该吸 收带与 基 态 到 S1 能 态 的 激 励 相 对 应 。 另外 ,在紫外波段有时还有较弱的吸收 带 。在这些吸收带之间的波长上 , 染料 也有较大的吸收 。在染料管的激光作用
部位上 ,哪一部分光谱成分的泵浦光是 粒子数反转的主要贡献者 ,在很大程度 上取决于染料溶液的浓度 ,我们可以由
光谱转换率这一概念出发 ,对这一效应
从量的方面进行分析 。
Fig. 1
R6 G solutio n
Fig. 邓福德2 C6 solutio n spect rum
inversio n rate
spect rum inversio n rate
在离染料池壁为 x 处 , 从入射泵浦光 I (λ) 和染料十进制摩尔消光系数δ(λ) 可以计算出
作为 λ和 x 函数的光谱转换率 S. I. R 。这里作矩形管近似 ,在矩形管边长与圆柱管直径相同 的条件下 ,矩形管的结果同圆柱管结果近似 。对于双灯泵浦染料激光器 ,在平面几何学条件
时 ,设闪光灯发出的平行光束从两侧照明染料池 ,则有 :
I (λ) Nδ(λ) [ e - Nδ(λ) x + e - Nδ(λ) ( d - x ) ]
( 2)
S. I. R =
式中 , N 是染料溶液浓度 , d 是染料溶液的厚度 。图 1 ,图 2 是不同浓度 R6 G 乙醇溶液和不同
浓度 C6 乙醇溶液在染料池轴线上的光谱转换率 ( 假设灯光谱各个波段的光强都相等) ,曲线 下面的数据表示曲线包围的相对面积 ,这里 d = 4 mm 。
R6 G 溶液和 C6 溶液在不同浓度下的光谱转换率有这样的共同特点 :在高浓度下 ,染料溶
液对其强吸收带对应的光谱转换效率低 ,但浓度太低 ,光谱转换率的总面积下降 。从计算结果 看出 ,当 C6 浓度为 2 ×10 - 4 M/ L , R6 G 浓度为 4 ×10 - 5 M/ L 时 ,C6 溶液和 R6 G 溶液对各自吸
收峰附近的光的光谱转换率最高 。从光谱转换率出发 ,以这种浓度混合的 C6 和 R6 G 混合染
李又生 闪光灯泵浦施主2受主染料激光器
295
料溶液是最佳浓度溶液 。我们发现 ,在这种浓度下 ,C6 和 R6 G 对各自强吸收峰对应的波长光
(3)
的吸收长度约为染料溶液厚度的一半 ,也就是满足 : δ·l ·N = 1
式中 ,δ为染料十进制摩尔消光系数的最大值 , l 为染料溶液厚度的一半 , N 为染料溶液浓度 。
这样 ,我们可以根据下式近似计算施主2受主染料体系中各染料成分的最佳浓度 ( 分离或
混合染料体系) :
( 4)
N = 1/ (δ·l )
以避免做大量实验确定最佳浓度 。
除了波导染料激光器外 ,由公式 (4) 得出的染料浓度都低于单独染料体系的溶液浓度 ,而 低浓度染料溶液对泵浦光吸收均匀性好 。
三 、实 验 及 分 析
在增强预燃灯泵染料激光器上实验研究施主2受主体系对灯泵染料激光器输出的影响 。
激光器的聚光腔是镀银铜质相交圆腔 ,分别冷却两支脉
冲氙灯 ,腔内染料溶液不冷却 。两支 ø4 mm ×150 mm 短 脉冲氙灯作泵浦光源 , 染料管内径 4 mm , 外径 8 mm , 长
150 mm 。谐振 腔 是 内 腔 式 平2平 腔 结 构 , 输 出 镜 透 过 率
40 % 。 分三种情况进行对比实验 :
A1 单独 R6 G 乙醇溶液为工作物质 ,自来水冷却脉 冲氙灯 ;B1 施主2受主分离情况 ,若丹明 6 G 乙醇溶液为 工作物质 ,C6 乙醇溶液冷却脉冲氙灯 ; C1 施主与受主混
合情况 , R6 G 和 C6 混合乙醇溶液为工作物质 ,自来水冷 却脉冲氙灯 ,冷却层厚度 2 . 8 mm 。图 3A ,B , C 是三种情 况下对应不同 R6 G 浓度的激光输出 。分离 C62R6 G 体 系中 C6 的浓度为 3 ×10 - 4 M/ L ,是根据公式 (4) 计算的 。 混合 C62R6 G 体系中 C6 浓度为 2 . 8 ×10 - 4 M/ L ,是由实
验确定 的 。很 明 显 , 分 离 C62R6 G 体 系 和 混 合 C62R6 G 体系均使激光输出得到提高 ,不同的是混合体系激光输 出能量提高得不大 ,而分离体系激光输出能量得到大大 提高 。
曲线 B
Fig. 3 L aser o utp ut change acco rding葛宝丰 to
R6 G co ncent ratio n
A —individual R6 G system B —separate system C6 3 ×10 - 4 M/ L C —co mpo und system C6 2 . 8 ×10 - 4 M/ L
的峰值是曲线 A 峰值的 216 倍 。在低浓度下 ,对应
相同的 R6 G 浓度 ,分离 C62R6 G 体系使激光输出能 量提高 3 倍 。
在较高 R6 G 浓度下 , C62R6 G 体系激光输出能 量随 R6 G 浓 度 增 大 下 降 得 很 快 。这 是 因 为 在 高 R6 G 浓度下 , R6 G 溶液对泵浦光的绿光部分转换率 很低 ,对蓝光部分转换率高 ,蓝光是 R6 G 溶液产生
粒子数反转的主要贡献者 , 而施主 C6 分子在其最 佳浓度下正好把粒子数反转的主要贡献者蓝光转换
Fig. 4 L aser o utp ut change acco rding to C6
co ncent ratio n
R6 G co ncent ratio n in
co mpo und solutio n of C6 and R6 G is
7 ×10 - 5 M/ L
成绿光 (辐射能量转移占主导) ,随着浓度增大 , R6 G 分子对绿光的转换率越低 。所以 ,随 R6 G
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