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染料激光器采用溶于适当溶剂中的有机染料作激光工作物质。适用作激光工作物质的染料是包含共辄双键的有机化合物。
染料分子的能级如图所示，染料分子能级的特征可用“自由电子”模型说明。复杂的染料大分子中分布着电子云，电子云中的2n个电子与势阱中的自由电子相似。当分子处于基态时，2n个电子填满n个最低能级，每个能级为两个自旋相反的电子所占据，总自旋量子数为零，形成单重态S0。当分子处于激发态时，电子云中有一个电子处于较高能级。若此电子自旋方向不变，则总自旋量子数仍为零，形成S1、S2等单重激发态。若此电子自旋反转，则形成T1、T2等三重态。由选择定则可知，单重态和三重态之间的跃迁是禁戒的。每一个电子态都有一组振动——转动能级。电子态之间的能量间隔为106m-1量级，同一电子态相邻振动能级间的能量间隔为105m-1，而转动子能级间的能量间隔仅为103m-1量级。实际上由于染料分子与溶剂分子频繁碰撞和静电扰动引起的加宽，使得振动、转动能级几乎相连。因此每个电子态实际上对应一个准连续能带。
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