温度对强激光泵浦下激光染料荧光性能的影响

作者:樊少锋;宋增云;王立军 刊名:激光与红外 上传者:吴亚卿

【摘要】对三种在染料激光器中常用的激光染料(若丹明6G、硫化若丹明B、若丹明101)的乙醇溶液在强激光泵浦下的荧光性能进行了实验研究。测量了荧光强度在不同溶液浓度、不同温度下的变化规律。发现了温度对染料的最佳浓度值有一定影响:随着温度的降低,硫化若丹明B和若丹明101的最佳浓度值减小,而若丹明6G的最佳浓度值不随溶液温度变化。

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1引言染料激光器使用有机染料溶液作为工作物质,它具有波长调谐范围宽[1]、激光功率高[2]等特性,目前广泛应用于激光同位素分离[3]、光谱学[4]、生物学以及医学[5]等领域。有机染料溶液作为染料激光器工作物质,其在泵浦光作用下的荧光量子产率是影响染料激光器性能的重要因素。对于染料溶液荧光量子产率有影响的因素很多,比如:溶液浓度[6-7]、溶剂及溶液状态[8-9]、表面活性剂[10]、泵浦源[7-11]等。除此之外,染料溶液的温度[12]对染料激光工作性能的影响也是不可忽略的,绝大多数染料激光器的染料循环系统都配有冷却装置就说明了这一点。当然,染料循环系统中配备的冷却系统更多的是出于提高染料分子的化学稳定性的考虑。然而,我们实验测量结果表明,染料溶液的温度对染料的荧光性能也有较大的影响,而且这种影响与染料的种类和染料溶液的浓度有关。本文对目前染料激光器中较为常用的染料(若丹明6G、硫化若丹明B、若丹明101)的乙醇溶液在532nm激光泵浦下的荧光特性进行了实验研究,主要测试了温度、浓度对染料溶液发射荧光能力的影响。2实验装置与实验方法如图1所示,Nd:YAG激光器产生的脉冲激光经倍频后(波长532nm,脉冲频率10Hz,脉冲宽度10ns,光斑直径9mm)出射,经分束镜分为两束:透射光泵浦染料溶液激发荧光,反射光由激光功率计接收。图1实验装置图为了降低染料溶液的体吸收效应对染料发射荧光强度的影响,同时也为了保持溶液体内温度的最大程度均匀,实验中采用的染料容器为直径约4mm的石英玻璃泡,玻璃泡的开口处焊接了一个长为40mm,直径为2mm石英玻璃管。实验过程中染料溶液通过这个石英管被注入或者吸出石英玻璃泡。由于532nm激光束直径为9mm,石英玻璃泡中的所有染料都可以被均匀地照射到。为了控制石英玻璃泡中染料溶液的温度,特别设计了一个微型水浴槽。水浴槽尺寸为30mm30mm40mm,采用石英玻璃做器壁,四面透光。实验过程中,染料容器的上端固定在可调节支架上,下端的玻璃泡浸在水浴槽内。水浴槽内同时安装有半导体制冷元件、电加热元件和Pt100温度传感器,它们和PID智能温控仪连接并实现对温度的自动控制。实际的温度控制范围是10~90,水温波动小于0.5。激光所诱发的染料荧光经单色仪分光后由光电倍增管接收,也就是说实验中测量的是荧光谱中某个波长的荧光强度。这样做有两个目的:一是可以将散射的激光滤掉,避免散射光对荧光强度测量的干扰;二是可以在每次改变染料溶液浓度时获得相应的荧光光谱,保证在不同的浓度条件下,测量的都是荧光谱峰值位置的荧光强度。单色仪为北京光学仪器厂出品的WG-150型单色仪,它的光谱扫描和光谱位置定位由计算机控制。在单色仪入射狭缝和发射荧光的染料泡之间没有采用通常荧光测量时使用的透镜聚光系统。这一方面是由于在激光作用下染料发射的荧光很强,不需要通过透镜系统增加信号强度;另一方面不使用透镜系统可以降低染料泡的微小位置移动对进入单色仪入射狭缝的荧光强度的影响。在实验过程中由于需要频繁更换染料泡中的染料溶液,染料泡和水浴槽系统相对于单色仪的微小位置移动是不可避免的,所以在染料泡和单色仪之间不使用透镜系统是非常必要的。在实验过程中单色仪的出、入射狭缝宽度分别为0.54mm和0.5mm。采用较大的狭缝宽度是为了避免实验过程中的随机振动对狭缝的影响。为了避免位于单色仪出射狭缝处光电倍增管由于信号太强而饱和,并使光电倍增管的输出与荧光强度成线性关系,实验过程中要根据具体情况加减中性密度衰减滤光片。所有实验数据的采集均由泰克TPS-2014数字存储示波器完成。示

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