В лазерах на барвниках вимушене випромінювання виникає на флуоресцентному переході молекул барвника (багатоатомні органічні молекули з протяжною системою π-електронів завдяки протяжним зв’язкам можуть флуоресцувати). Ці молекули належать різним хімічним класам (кумарин, ксантенові барвники, оксазинові барвники, поліметин).
В якості активного середовища застосовуються наступні барвники:
· рідинний у формі розчину барвників;
· твердий, вбудований в основну кристалічну гратку;
· газоподібним у вигляді парів барвника.
Концентрація барвника складає 5*10-3-10-4 моль/л. енергетичні рівні молекул барвника складає з синглетної системи (S0, S1, … , Sп) з мультиплетністю, рівною 1 (протилежно направлені спіни), і триплетної системи (Т1, Т2, …, Тп) з мультиплетністю, рівною 3 (паралельно направлені спіни).
Ці електронні стани мають численні коливальні і обертальні рівні, які за рахунок взаємодії один з одним і сусідніми молекулами (барвника) так сильно уширені, переходи між електронними одиницями в спектрі поглинання і флуоресценції утворюють широкі смуги. При кімнатній температурі більшість молекул знаходяться в основному коливальному стані S0.
Створення інверсії населеності відбувається шляхом переходу на коливально-збуджені рівні (Sіν=1,2,3) електронно-збуджених станів з допомогою накачки. За рахунок сильної міжмолекулярної і внутрішньо молекулярної взаємодії при фіксованому електронному стані відбувається обмін заселеності на коливальних рівнях на протязі проміжку часу не більше 10-12 с. Тобто має місце швидка термалізація. Заселеність коливальних рівнів визначається розподілом Больцмана. Тому випускання вимушеного випромінювання проходить у формі сильно однорідно уширеної лінії, починаючи з термалізованого стану S10 в якості верхнього лазерного рівня. Одночасно відбувається спустошення S10 (процеси втрат) за рахунок:
· безвипромінювальної релаксації в стані S0ν (ν>1);
· переходу в триплетний стан Т1 з часом релаксації 50 нс для оптимальних лазерних барвників.
Час життя триплетного стану Т1 складає від 10-6 до 10 нс. На протязі цього часу молекули непридатні для процесу генерації світла. Щоб зменшити вплив цього процесу, застосовують загасники триплетного стану (кисень), або роблять прокачку розчину барвника.
Нижній лазерний рівень – коливально-збуджений рівень стану S0ν – заселений мало. Релаксаційні переходи на рівень S00 відбувається за час менший 10-12 с.
Збудження за рахунок оптичної накачки відбувається за допомогою потужних джерел світла накачки різних типів, і завдяки цьому розрізняють окремі типи лазерів на барвниках.