饱和吸收染料的模式锁定是一种非线性振动现象，其锁模过程是：将染料盒置于谐振 腔中，利用饱和吸收染料对光信号的吸收损耗实现对光信号的损耗调制，从而得到锁模脉冲 系列。当激光脉冲通过染料盒时，只有中心频率附近的抽运光通过调制，其他频率被损耗。 通过染料盒的光脉冲在谐振腔中进一步放大，并且振幅也越来越大，形成 2L/c 的脉冲输出。 常用饱和吸收染料的结构与可调谐激光染料相似，并且有些染料兼有两类激光染料的特性。 常用的商品饱和吸收染料有 DCI、DOCI、DODCI 等。
1

图 1 不同染料激光波长的覆盖范围 Fig1: Wavelength range of different laser dyes
表 1 激光染料之间的对比 Tab1: Comparison among different laser dyes
染料名称
3

2.2 染料分子的结构和能级
染料是一种碳氢化合物。染料分子中参
CH3
H3C
与光的吸收或激光辐射的电子处于分子的 共轭双键中，其结构如图 2 所示。由于染料 是一种有机化合物，分子系统复杂，通常是
H N
OO
由数十个原子所组成，因此很难把染料发出
H5C2
剂，这样可以缩短T1态的寿命；另外，可以通过采用具有足够功率和足够短上升时间(即高 抽运速率)的抽运光，使染料分子来不及在T1态积聚就完成激光振荡，从而可以忽略三重态 的影响。
3 染料激光器的分类
我们已经明确染料激光器就是以有机染料为工作物质的激光器，根据工作物质状态的不 同，染料激光器可分为液体染料激光器、固体染料激光器和气体染料激光器。另外，染料激
② 饱和吸收染料 饱和吸收染料在激光器中主要作用是利用其吸收特征，将其作为开 关和锁模。但是无论将其作为开关还是锁模，都要求染料的吸收峰和激光波长尽量匹配、驰 豫时间短、光化学稳定性良好。饱和吸收染料作为快速光开关的原理：首先饱和吸收染料吸 收抽运源光能量达到饱和，迅速产生漂白，这将会导致透过率急剧增加，从而使光脉冲瞬间 通过。染料开关对激光器的振荡模式有选择性，抽运源的光脉冲通过染料后光谱会变窄，因 为光谱中心频率优先振荡受到抑制。
甲醇
1.0E-2
700
690-750
5
0.9
LD690
甲醇
8.0E-3
680
660-710
6
0.8
(2) 激光染料还可以按其功能特性分为两类[7]：可调谐激光染料和饱和吸收染料。
① 可调谐激光染料 可调谐激光染料在紫外或者可见光谱区具有强的光吸收，并且这 种激光染料在较长波长范围内存在与吸收光谱几乎对称的强荧光发射带。染料分子中存在大 的∏键；分子结构中的取代基团多，因此染料分子的电子能级耦合了许多由取代基团振动所 产生的附属声子能级，并且使整个能级构成了很宽的连续能带。当染料分子吸收抽运源提供 的能量而产生跃迁时，实际发生的过程是能带之间的能量转移，因此染料分子的吸收谱不是 一条锐线，而是一个很宽的吸收带；同样其荧光发射也是一个很宽的发射带。由于染料分子 的这种发射特性，将其置于适当的谐振腔内，再配合适当的调谐元件，当激发态粒子反转条 件满足时，就能在荧光带宽的范围内产生可调谐激光。目前已有的可调谐激光染料按其分子 结构可分为菁染料、部花菁、酞菁、咕吨、三芳基甲烷染料、吖啶、吖嗪、香豆素类染料等。
b´
S 重态两种，分别用S和T表示，图 3 中T1、T2
2
为三重态，S0、S1、S2为单态；其中除S0为
基态外，其余均为激发态。辐射跃迁主要发
τ=1ps
T2
生在单态之间或者三重态之间，而单态和三
重态之间的跃迁是禁戒的。染料分子的能级 b
系统属于四能级系统，S1态的最低能级为激约
300~400nm约
420~510nm
420~480nm (约 70~80nm)
恶嗪
(Oxazine) 类染料
600~800nm (可见光红光和近红外)
尼尔蓝、 甲酚 约 470~650nm约 590~790nm
620~710nm (约 90nm)
花菁
(Cyanine)
650nm~1µm 以上(近红外和红外)
τst =10ns
上面，而作为激光跃迁的下能级S0态则有很
多能级，而上面的粒子数几乎都是空的，因
T1
此很容易实现粒子数反转，所以染料激光器 吸
荧
的振荡阈值比较低。
收
光
用抽运光源抽运染料时，染料分子吸收
τ =1ns
τ =1µs
光能受到激发，由基态S0向高能级S1、S2发
生跃迁，而到达高能级S1、S2的某个振动－
4

光器还可按抽运方式的不同分为脉冲染料激光器和连续染料激光器。 目前，国际上针对染料激光器的问题，主要有两种改进方案或者发展方向。其一是固
态化，即将有机染料掺入固态基质中，以减轻溶液在维护、使用上的困难和麻烦；其二是做 成染料盒，封闭有机染料及其溶液，以达到同样的目的。因为液体染料激光器和固体染料激 光器应用比较广泛，因此下面主要对这两种激光器进行介绍。
2.1 种类
(1) 目前已获得运转的激光染料达 500 余种，但是在闪光灯抽运作用下能够获得有效的 激光行为的只是很少的一部分[4]。其中为人熟知的是以下几类：咕吨类染料、香豆素类染料、 恶嗪染料、花菁类染料、闪烁体染料。各类染料所能覆盖的波长如图 1 所示：其中每种染料 的辐射光谱的展宽从几纳米到几百纳米不等；这几类染料之间的对比见表 1[5]。
7
线宽 －
Coumarine503
甲醇
－
485
475-560
19
－
Rhodamine610
甲醇
－
610
600-645
12
－
BPBD365
甲苯
－
370
360-390
6
－
Stilbene420
甲醇
1.0E-3
425
400-470
13
0.4
Coumarin440
甲醇
5.0E-3
435
420-475
19
0.6
激光波长 范围
典型染料
典型染料在酒精溶液中的特性
吸收带
荧光发射带 可调谐波长 (可调谐带宽)
咕吨
(Xanthene)类 染料
500~700nm (可见光橙色和红色)
若丹明 6G 约 450~600nm约 510~700nm
550~650nm (约 100nm)
香豆素
(Coumarin)类 染料
420~580nm (可见光的蓝、青、绿光)
将染料溶解在适当的溶剂中使用时，溶液浓度通常在 10-2～10-5克分子浓度，溶剂含量 超过 90％。溶剂的性质在很大程度上影响着染料溶液的调谐范围、线宽和输出水平，并且 直接影响染料的发光过程，因此对于溶剂的选择也是非常重要。溶液浓度也改变着调谐范围， 一般高浓度获得波长更长的激光发射，而较低的染料浓度一般获得较小波长的激光输出。表 2 是摘自犹他州大学网页上的、几种比较典型染料的相关数据。
的荧光归结为哪一对原子所发射，要精确计
算能级非常困难，目前采用了一种模仿简单 的双原子分子模型得出的能级图 (亦即近 似图)，如图 3 所示[8]。根据电子自旋状态的 不同，染料分子的电子态可以分成单态和三
图 2 染料分子香豆素 2 的结构式 Fig2: Chemical structure of dye molecule coumarin 2
2

染料 LD390
表 2 几种典型染料的特点
Tab 2: characteristic of some typical laser dyes
溶剂(60ml)
摩尔 浓度
最大发射 波长(nm)
典型调谐 范围(nm)
甲醇
－
385
375-400
典型转化 效率(％)
1 引言
染料激光器是以某种有机染料溶解于一定溶剂(甲醇、乙醇、水等)中作为激活介质的激 光器。1964 年，Stockman[1]最早对有机染料激光器展开实验研究；自从 1966 年Sorokin和 Lankard用红宝石激光器抽运花菁类染料首次获得激光辐射，染料激光器开始迅速发展。1967 年，Soffer和Farland用衍射光栅取代谐振腔的一个反射镜，不仅使光谱得到压缩(从 6nm压缩 到了 0.06nm)，而且还获得了 45nm的连续可调谐范围，使波长可调谐的染料激光器得到发 展。在染料激光器发展的初期，由于染料分子三重态积累引起的损耗，只能实现脉冲运转； 到 1969 年，三重态为氧所猝灭能很快地减少其稳态粒子数得以发现，从而可允许连续运转； 1970 年，Peterson等人实现了连续波染料激光器的运转[1]。就这样，染料激光器的可调谐范 围宽广、输出功率高、吸收和增益容易控制(因为染料浓度容易控制)、可产生连续波、Q开 关及超短脉冲输出等优点逐个得到开发，并且得到广泛的应用[2]。
类染料
闪烁体 激光染料
产生紫外至 460nm 的激光，其种类很多，一般效率较低，应用很少。
其中，咕吨类染料若丹明 6G是最常用的一种激光染料，其具有阈值低、增益高、调谐 范围宽等特点，其它几种若丹明染料也具有很好的激光性能。另外，红外激光染料大多为甲 川染料，其稳定性较差。姚祖光等合成了多种新型多甲川染料，得到了从 700nm到 1670nm 的激光[6]。
Coumarin480
甲醇
1.3E-3
480
455-520
21
0.6
Coumarin540A
甲醇
1.8E-3
545
520-600
18
0.6
Rhodamine590
甲醇
3.0E-3
575
570-620