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染料激光器采用溶于適當溶劑中的有機染料作激光工作物質。適用作激光工作物質的染料是包含共輒雙鍵的有機化合物。
染料分子的能級如圖所示，染料分子能級的特征可用“自由電子”模型說明。復雜的染料大分子中分布著電子云，電子云中的2n個電子與勢阱中的自由電子相似。當分子處于基態時，2n個電子填滿n個最低能級，每個能級為兩個自旋相反的電子所占據，總自旋量子數為零，形成單重態S0。當分子處于激發態時，電子云中有一個電子處于較高能級。若此電子自旋方向不變，則總自旋量子數仍為零，形成S1、S2等單重激發態。若此電子自旋反轉，則形成T1、T2等三重態。由選擇定則可知，單重態和三重態之間的躍遷是禁戒的。每一個電子態都有一組振動——轉動能級。電子態之間的能量間隔為106m-1量級，同一電子態相鄰振動能級間的能量間隔為105m-1，而轉動子能級間的能量間隔僅為103m-1量級。實際上由于染料分子與溶劑分子頻繁碰撞和靜電擾動引起的加寬，使得振動、轉動能級幾乎相連。因此每個電子態實際上對應一個準連續能帶。
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