定义
基于液体或固体染料作为增益介质的激光器。
染料激光器是基于染料（通常在液体溶液中）作为激光增益介质的激光器[1，2]。 大多数激光染料基于以液体形式用作溶液的有机分子，尽管也存在固体激光染料和蒸汽染料。
激光染料作为增益介质的典型特征是：
- 它们具有宽增益带宽，可实现宽波长可调谐性，以及具有无源模式锁定功能的超短脉冲生成。 从紫外到近红外区域的宽范围发射波长可以用不同的激光染料来解决。
- 上态寿命通常为几纳秒，即类似于半导体激光器的寿命，但比掺杂绝缘体固态激光器短几个数量级。 因此，染料激光器不适合连续或长脉冲泵浦的Q开关；它们只能在很短的时间内储存能量。 然而，强烈的染料激光脉冲可以通过脉冲泵浦获得，使用Q开关泵浦激光器或闪光灯。
- 每单位长度的增益可能相当高（大约 103厘米−1），特别是对于脉冲泵送。
- 激光泵浦的功率转换效率通常在10%至30%之间，闪光灯泵浦的功率转换效率通常较低。
有许多不同的激光染料可供选择，它们总共可以覆盖巨大的波长区域。 像exalite，香豆素，罗丹明，吡咯甲烷，吡啶，荧光素，吡啶或苯乙烯基这样的名称通常表示不精确定义的物质，而是化学结构略有不同的整个染料家族，具有略有不同的发射波长范围，并用额外的数字来区分。 例如，可以将香豆素2，47，102或153用于蓝色到绿色光谱区域的激光器。
溶剂
激光染料的典型溶剂是乙醇、对二恶烷和二甲基亚砜（DMSO）。 使用的染料浓度取决于使用的泵送几何形状和泵送功率；它们通常远低于每升一克。 染料可以粉末形式购买，使得用户可以制备任何所需浓度的染料溶液。
请注意，许多激光染料和一些使用的溶剂是有毒的，部分也是致癌的。 因此，应小心避免将皮肤暴露于这种染料溶液中，甚至避免通过操作未正确组装的染料循环系统来溢出染料。 一种特别危险的溶剂，有时用于氰化物染料，是二甲基亚砜（DMSO），它大大加速了染料进入皮肤的运输。 （另请参阅有关激光安全的文章。
染料激光器的泵浦选项
染料激光器通常以相对较短的波长泵浦。 一些典型的选项是：
- 许多染料可以用绿色激光泵浦，例如倍频固态激光器或氩离子激光器。 例如，对于532-nm泵浦，激光发射可能位于绿色，黄色，橙色，红色或近红外光谱区域。
- 用于较短发射波长（例如，exalite、二苯乙烯和香豆素）的激光染料必须以较短的波长泵浦 - 通常是用紫外线泵浦。 例如，可以使用 355 nm 的 Q 开关和三倍频 Nd：YAG 激光器，或 266 nm 的四倍频率 Nd：YAG 激光器。
- 其他可能性是使用准分子激光器、氮气激光器或铜蒸汽激光器。
- 一些染料激光器可以用闪光灯泵浦。 这导致更长的脉冲和更低的功率转换效率。 然而，使用闪光灯的脉冲泵浦允许激发大体积，从而产生高能量的脉冲（有时为1 J量级）。
即使对于连续泵送，施加的泵强度也相当高；例如，几瓦的泵浦功率聚焦到半径约为 20 μm 的梁腰部。
染料激光谐振器
图1：设置波长可调的染料激光器。
染料激光器的激光谐振器通常包含染料射流或染料比色皿（见下文）作为激光增益介质。 此外，通常有一个或多个频率选择元件，例如双折射调谐器或Littrow配置中的衍射光栅，其允许在数十纳米范围内进行波长调谐。窄线宽激光器包含额外的频率过滤组件，例如标准具，以及通常复杂的计算机控制调谐机制，用于精确可靠地设置所需的发射波长。 另一方面，锁模激光器仅使用航向波长控制，因为它们的发射带宽必须很大。 输出的稳定线性极化通常是作为所用调谐元件的副作用获得的。
染料射流和染料比色皿；从三重态中恢复
一种常用的染料激光器使用薄染料射流[5]作为增益介质，因此染料分子仅在泵浦和激光束内使用很短的时间，并且在再次使用之前有很长的时间来恢复。
或者，染料可以通过薄比色皿泵送。 在这里，染料被包裹在一些透明材料中，更容易获得稳定的流动。 显然，比色皿材料（例如石英）必须耐激光和泵浦光，并且比色皿表面必须具有较高的光学质量。
由于有机染料分子倾向于被困在三重态中，它们不能参与激光过程，因此通常需要一些时间来恢复。 降低三重态浓度的另一种方法是在染料溶液中加入三重态淬灭剂。
退化；交换染料
在操作过程中，激光染料往往会被化学降解。 （紫外线泵浦染料尤其如此。 因此，例如，通常必须在100小时的操作时间后更换染料溶液。 该寿命取决于所使用的染料、泵送条件、染料溶液的体积等。
有时还必须交换染料才能进入不同的波长区域。 有些系统可以将不同的染料单元（比色皿）用于不同的染料，并且在不同的染料单元之间切换相对容易，几乎不需要重新对准激光谐振器。
超短脉冲生成
许多关于超短脉冲产生的原始工作都是用染料激光器完成的[6，8，9]。 然而，染料激光器具有明显的缺点，例如在操作过程中快速退化，输出功率有限以及需要泵浦（例如绿光或蓝光），这使得其泵浦源昂贵。 此外，染料激光器需要笨拙地处理有毒的，通常是致癌的材料。
由于这些原因，固态激光器，特别是钛蓝宝石激光器以及后来的光纤激光器，一旦充分开发，就从染料激光器（至少在超短脉冲产生领域）中获得了大部分业务。
染料激光器仍然用于某些领域，例如波长难以产生的激光光谱。 它们也特别适用于腔内激光吸收光谱。 即使在没有合适的激光跃迁的特殊波长区域，染料激光器也可以用光学参量振荡器代替。
固体激光染料
在基于固体介质的染料激光器上有一些工作，例如在聚合物基质中使用染料。 显然，固态形式具有许多优点，特别是在处理方面。 然而，一个问题是快速降解，要么通过三重态激发在有限的时间内，要么通过破坏染料分子永久降解。 塑料纤维中的染料[10]和旋转染料盘激光器[11]取得了一些成功。
参考文献
[1] P. P. Sorokin and J. R. Lankard, “Stimulated emission observed from an organic dye, chloro-aluminum phtalocyanine”, IBM J. Res. Dev. 10, 162 (1966), doi:10.1147/rd.102.0162
[2] F. P. Schäfer et al., “Organic dye solution laser”, Appl. Phys. Lett. 9 (8), 306 (1966), doi:10.1063/1.1754762
[3] B. H. Soffer and B. B. McFarland, “Continuously tunable, narrow-band organic dye lasers”, Appl. Phys. Lett. 10 (10), 266 (1967), doi:10.1063/1.1754804
[4] O. G. Peterson et al., “Cw operation of an organic dye solution laser” (first continuous-wave operation of a dye laser), Appl. Phys. Lett. 17 (6), 245 (1970), doi:10.1063/1.1653384
[5] P. K. Runge and R. Rosenberg, “Unconfined flowing-dye films for cw dye lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 8 (12), 910 (1972), doi:10.1109/JQE.1972.1076895
[6] C. V. Shank and E. P. Ippen, “Subpicosecond kilowatt pulses from a mode-locked cw dye laser”, Appl. Phys. Lett. 24, 373 (1974), doi:10.1063/1.1655222
[7] C. V. Shank, “Physics of dye lasers”, Rev. Mod. Phys. 47, 649 (1975), doi:10.1103/RevModPhys.47.649
[8] R. L Fork, B. I. Greene and C. V Shank, “Generation of optical pulses shorter than 0.1 ps by colliding pulse modelocking”, Appl. Phys. Lett. 38, 671 (1981), doi:10.1063/1.92500
[9] J. A. Valdmanis et al., “Generation of optical pulses as short as 27 femtoseconds directly from a laser balancing self-phase modulation, group-velocity dispersion, saturable absorption, and saturable gain”, Opt. Lett. 10 (3), 131 (1985), doi:10.1364/OL.10.000131
[10] A. Argyros et al., “Microstructured polymer fiber laser”, Opt. Lett. 29 (16), 1882 (2004), doi:10.1364/OL.29.001882
[11] R. Bornemann et al., “Continuous-wave solid-state dye laser”, Opt. Lett. 31 (11), 1669 (2006) doi:10.1364/OL.31.001669 (first continuous-wave operation of a solid-state dye laser)
[12] S. Klinkhammer et al., “A continuously tunable low-threshold organic semiconductor distributed feedback laser fabricated by rotating shadow mask evaporation”, Appl. Phys. B 97, 787 (2009), doi:10.1007/s00340-009-3789-0
