染料激光器混合染料体系的研究

分子间的能量转移是当今光化学、光生物学和光物理学中的一个重要课题，长期以来一直受到人们的广泛关注。六十年代染料激光器出现以后，人们很快就将这一原理应用研究染料激光器的工作物质。选择适当的混合染料溶液作为染料激光器的工作物质，可以提高某些染料的激光输出能量或扩展激光波长覆盖范围，这已成为分子间能量转移的一个新的应用领域。本文首先阐述分子间能量转移的基本理论并对混合染料体系的选择及其研究进行了文献综述。另外，对研究过程中，他人工作改采用的实验手段也进行了概述，特别对荧光寿命的测量讨论得较为仔细。实验中我们着重研究了R6G/Red B、R6G/NB两个二元体系和C440/C540/Saf.~(-1)、C440/Fl.Na/Saf.~(-1)以及R6G/Red B/Ox725三个三元混合染料体系。实验方法主要通过测量混合染料溶液的荧光光谱、荧光寿命和激光输出性能。激发源波长始终固定在337.1nm。荧光光谱和荧光寿命多是在英国Applied Photophysics公司生产的SP-70型纳秒荧光分光光度计上测量的。这套仪器的设置从激发、探测以至最后的数据处理（微机处理）都达到较高的灵敏度和精确度。更为主要的是采用了时间相关单光子计数技术这一新的测量方法，真有较高的时间分辨本领，为染料分子的短寿命测量提供了重复性极好的可靠数据。并且由于这套仪器的信噪比大，能够测出高浓度溶液情况下的荧光光谱，而一般地荧光光谱仪却很难探测。激光调谐范围的测量是在QJD-9型染料激光器上进行的，光路结构安排合理，各项技术指标都达到了较高水平。激光强度的测量是采用了通用的光路结构测量混合染料溶液的超辐射模式的激光输出。下面是我们的实验结果。1.R6G/Red B、R6G/NB二元混合染料体系。通过测量R6G/Red B混合染料溶液的荧光光谱，了解到给体R6G有较强的能量转移给受体Red B。又通过荧光寿命的测量，表明溶液浓度达到～10~(-3) mol.L~(-1)时，分子间的能量转移主要是共振转移，且符合Stern-Volmer关系。由此我们进行了一定量讨论，计算了不同浓度溶液中给体与受体分子间的平均距离R。激光性能的测量表明这一体系具有较大的激光强度输出，且通过改变给体、受体浓度可扩展调谐范围。对于R6G/NB，我们做了类似的研究。但与R6G/Red B不同的是，R6G/NB始终是双峰。激光性能测量表明此体系可以扩展调谐范围，且可改善NB的激光输出，降低泵浦阈值。2.C440/C540/Saf.-T、C440/Fl.Na/Saf.-T及R6G/Red B/Ox725三元体系。C440/C540/Saf.-T混合染料溶液的荧光光谱研究表明，三种染料分子之间有较强的能量转移发生，且与溶液浓度配比适当时，可以同时获得三个不同波段处的荧光发射，从而可望扩展波长调谐范围。见图1。对于C440/Fl.Na/Saf.-T混合溶液，我们主要是采用光谱手段，对能量转移过程做了研究。结果表明C440/Fl.Na之间以辐射转移为主要机制，Fl.Na/Saf.-T之间在波度稍大时，发生共振转移的可能性较强。另外对能量转移过程进行了一些定量的讨论。计算求得C440/Fl.Na的临距离R_o = 47.5A，小于Fl.Na/Saf.-T的临界距离R_o = 59.0A，因而后者发生共振转移的可能性较大。R6G/Red B/Ox725体系与前两体系相比是向长波长方向扩展了。激光性能的测量表明，此体系可以作为染料激光器的工作物质。实验结果还表明三种染料混合以后的激光性能比Red B/Ox725二组份混合的效果好得多。R6G/Red B/Ox725的超辐射是图2所示。