第29讲被动锁模及飞秒激光技术

发布者:admin 发布时间:2019-10-20 05:39 浏览次数:

  第29讲被动锁模及飞秒激光技术_能源/化工_工程科技_专业资料。激光原理与技术 第二十九讲 被动锁模及飞秒激光技术 29.1 被动锁模 将可饱和吸收体放在激光谐振腔内,当其上能级寿命小于光脉 冲在腔内往返一次的时间2 L / c时, ? ?? 1 ? 2 L

  激光原理与技术 第二十九讲 被动锁模及飞秒激光技术 29.1 被动锁模 将可饱和吸收体放在激光谐振腔内,当其上能级寿命小于光脉 冲在腔内往返一次的时间2 L / c时, ? ?? 1 ? 2 L 10?9 s a ?? q c 则可得到一系列锁模脉冲。 时域分析 光泵开始后,激活粒子由基态激发到高能态,产生自发辐射。 当腔中增益等于损耗时,则形成激光振荡。 由于大量纵模的相互干涉,使谐振腔中激光输出幅度出现了强 的波动。 随着振荡次数的增加,这些辐射场的强度逐渐增强, 并获得了周期结构,但仍保持它的噪声特性。 由于激光工作物 质的增益色散效应,各个尖峰的频谱宽度将压缩几十倍。 在一 个振荡周期中(2 L / c)充满了若干个强度随机分布的尖峰脉冲。 2 29.1 被动锁模 初始激光脉冲光强的起伏很大,在吸收体染 线性放大阶段: 料中,对强脉冲吸收得少而对弱脉冲吸收得多,在激光介质 中,产生线性放大,其结果就发生自然选模作用。 非线性吸收阶段:此阶段内激光介质的增益虽然是线性的, 但激光辐射场的最强脉冲使饱和吸收体呈现非线性吸收,大 量的弱脉冲受到染料的吸收而被抑制掉, 使发射脉冲变窄, 谱线 被动锁模 非线性放大阶段: 选择出的强脉冲不但能使染料吸收饱和, 而且使激光工作物质的增益达到饱和, 当强脉冲经过激活介 质时,前沿及中心部位放大得多,致使脉冲后沿放大得少, 甚至得不到放大,其结果使前后沿变陡,脉冲变窄,小脉冲 几乎被完全抑制,最后输出一个高强度窄脉宽的脉冲序列。 频域分析 每次强脉冲漂白可饱和吸收材料就相当于Q开关开关一次,每 过2 L / c的时间漂白一次,类似于Q开关频率f s ? c / 2 L。 4 29.1 被动锁模 由于增益与 损耗的饱和 效应,由可 饱和增益介 质和可饱和 吸收材料共 同产生的脉 冲压窄过程 5 29.1 被动锁模 光脉冲经过可饱和吸收体时前沿被削减,经过增益介质时候 前沿被放大,后沿被衰减,直到与群速度色散导致的脉冲展 宽效应相平衡。 6 29.1 被动锁模 被动锁模器件激光器的典型腔型结构如图所示。 为得到锁模效果好,稳定性高的激光超短脉冲,器件设计应 注意以下几点: 为消除 “子腔”效应,可饱和吸收体与全反射镜最好合而为一。 饱和吸收谱线与激光增益谱线相匹配,且不小于增益线宽。 饱和吸收体具有适当的饱和光强和静态透过率,以及高的抗光 损伤阈值,其上能级寿命要远小于 2 L / c。 用于被动锁模的可饱和吸 收材料,除了传统的染料 之外,近年来还有Cr:YAG 晶体和半导体可饱和吸收 镜(SESAM)等。 7 碰撞锁模(Colliding Pulse Mode ? locking CPM)技术在上世纪80 29.2碰撞锁模(CPM)激光器 年代出现,首先将激光超短脉冲由皮秒 ? ps ? 压缩到飞秒 ? fs ? 量级。 CPM 常采用如图所示的共振环型腔结构。其锁模过程概述如下: ? 1? 、由激光增益介质产生的光脉冲在分束镜R1 处被分为两个 强度相等的光脉冲,在环型腔内相向传播、可饱和吸收 体位于环型腔中部,保证两个光脉冲在可饱和吸收体中 相碰撞。 8 29.2碰撞锁模(CPM)激光器 ? 2 ? 、由于两个光脉冲的相干性和波长量级的光程差,碰撞时将 其干涉光强在可饱和吸收体内形成空间周期性 出现 “干涉”, 的粒子数密度分布, 表现为光强大对应 “漂白 ”,光强小对应 在光栅的形成过程中 “未漂白 ”, 即 “黑白 ”相间的空间光栅, 两个脉冲的前沿被吸收。 ? ?B ?d 9 29.2碰撞锁模(CPM)激光器 设入射光波长为?0 ,在饱和吸收体中形成驻波,波腹处光场将 饱和吸收体漂白,波节处不漂白饱和吸收体,形成“吸收”光 栅,光栅常数?s ? ?0 / 2n 该光栅对入射光场产生Bragg衍射,可以求出? B 为: ?0 ? sin ? B ? ? 1 ? ?B ? 2 2n? s 则衍射光对入射光的夹角为 2? B ? ? ,即该光栅对入射光 起后向散射作用。 10 29.2碰撞锁模(CPM)激光器 ? 3 ? 、两个光脉冲相干叠加所形成的空间光栅,在可饱和吸收体 的驰豫时间大于光脉冲宽度的条件下,对脉冲后沿也有相当大 的调制,造成的相移拓宽了频谱,而散射使脉冲后沿受削, 从整体上压缩了脉冲宽度。 CPM 锁模激光器属于慢弛豫锁模激光器,激光介质和可饱和 吸收材料的弛豫时间在ns量级。 CPM 技术使得被动锁模的非线性过程加强、加快,可获得更窄 的锁模脉冲。 例如,对于Nd:YAG 激光器,采用CPM 技术后, 可以得到10 PS的锁模脉宽,较主动锁模脉宽窄了1个数量级基本 达到增益线宽的倒数。CPM 技术主要适用于驰豫时间大于光脉 冲宽度,慢饱和吸收体的被动锁模。 11 29.2碰撞锁模(CPM)激光器 下图是CPM 染料激光器示意图,谐振腔为环形腔,以若丹明6G为激光增益介质, DODCI为可饱和吸收体。激光器泵浦源为波长515nm,功率为5W 的Ar ? 激光器。 激光器中的棱镜组是脉冲压缩器件,用以补偿DODCI和若丹明6G的群速度色散。 该激光器可以产生脉宽60 fs的激光输出,脉冲重复率为80 MHz,中心波长为620nm, 平均功率20mW 。 12 29.3 飞秒激光技术 一、飞秒激光技术的发展 材料科学的进步推动了超短脉冲激光技术的发展。 以掺钛蓝宝石(Ti:Al2 O3)为代表的自锁模飞秒激光器,由 于具有极宽的增益带宽(几乎是钕玻璃的10倍),意味着它 特别适应于作为飞秒激光介质,全固化掺钛兰宝石自锁模激 光器能直接产生10 fs量级的光脉冲。 另外,掺铬氟化铝锶铌(Cr : LiSAF)和掺铬镁橄榄石 (Cr : Forsterite)也可以作全固化、高效率产生飞秒激光 的材料 13 29.3 飞秒激光技术 钛宝石飞秒激光系统 14 29.3 飞秒激光技术 二、自锁模 ? Self — Mode — Locking ? 当激活介质本身的非线性极化效应,能够补偿色散、频率牵引 和纵模 “跳变”等无规则随机因素,能维持各纵模的等间隔分布, 并且有确定的相位关系,实现满足锁模条件的超短脉序列输出, 则该激光器称为自锁模激光器。 在He ? Ne激光器、红宝石、钕玻璃,Nd : YAG 激光器以及半导 但输出极不稳定,锁 体和CO2 激光器上,都观察到自锁模现象, 模脉冲不能得到持续,无实用价值,有时还要作为影响激光器稳 定运转的负面因素设法予以消除。 15 29.3 飞秒激光技术 上世纪90年代初,首次在掺钛蓝宝石激光器上获得飞秒量级的 超短脉冲, 这类自锁模激光器结构简单,激活介质本身就是锁 模元件,锁模谱线宽度也就是增益线宽, 并且输出稳定性好, 可获得最短的锁模脉冲,是目前产生飞秒超短脉冲的主要器件。 最简单的自锁模掺钛兰宝石激光器的结构装置如图所示。 16 29.3 飞秒激光技术 从较为广泛的意义上讲,自锁模也属于被动锁模,并且通常是 快饱和吸收方式,即透过率能完全瞬时的随光强而变,因此, 脉冲前、后沿损耗大,中心峰值处损耗小。 对于自锁模的飞秒激光介质,具有一个非常重要的性质,即 光克尔 ? Optical ? Kerr ? 效应,能在空间上改变光脉冲的时间分 布性质,使快饱和吸收的锁模得到进一步增强。 目前,几乎所有的飞秒脉冲都是通过光克尔效应进行被动锁模的。 三、光克尔透镜效应 通常的克尔效应也称为二次电光效应,即介质折射率的变化?n 与外电场的平方成正比,在光频范畴内,与光强I ? t ? 成正比的 介质折射率变化。 克尔效应属于三阶非线 ?n ? t ? ? n2 I ? t ? 光kerr效应:n ? n0 ? ?n ? n0 ? n2 ? I ? t ? 2 29.3 飞秒激光技术 ? n >0? ,从时域上分析光强导致折射率的变化, 对光脉冲的前、后沿和中心部分,将在介质中对应不同的折射 对于玻璃和晶体等材料,其响应时间为飞秒量级,因 率变化。 此可以认为?n ? t ? 能 “实时”地跟随I ? t ? 的变化。 从空间上看,一个高斯型分布的光束,在横截面上的光强分布 是中间大、两边小,导致折射率梯度分布,从而形成一个等效 的会聚透镜,即克尔自聚焦效应。 其焦距f m ? 2 ?? m 为5.6 ~ 5.7;?nm ? n2 ? I ? t ? 为轴线上折射率变化,I m 为入射到 介质上光束的近轴光强。 18 4?nm L ,式中,? m 为光斑大小;? 为一常量,一般 29.3 飞秒激光技术 1个光脉冲中不同的时间区域内,对应着不同的自聚焦的焦距。 即:光强的大小对应焦距的短长。光脉冲峰值处的光强所形 成的自聚焦距最短。 再利用通常的谐振腔模式分析方法,不难 得出光脉冲前后沿与峰值处,各自相对应的高斯光束参数。 一般来讲,高强度区对应短焦距,其光斑半径较小,低强度区 对应长焦距,其光斑半径较大。 利用光阑或介质本身的自孔径 选模作用,将脉冲前、后沿对 应的低强度光强空间“滤波”。 相当于对光脉 冲在时域上的 进行压缩 19 29.3 飞秒激光技术 自聚焦效应和光阑的结合相当于一个快弛豫饱和吸收体, ? ? ? 0 ? ? ? I ? t ?, 即峰值处的损耗最少,净增益最大,经过多 次振荡后,脉冲宽度不断被压缩,对于掺钛兰宝石自锁模激光 器,在光克尔效应的作用下,可获得飞秒量级的超短脉冲。 当外界泵浦的光功率和光斑尺寸确定后,对于光克尔透镜自锁 模激光器所谐振腔设计,必须考虑以下因素 : 两个反射镜的曲率和间距,克尔介质与反射镜的相当位置光阑 处的光斑尺寸以及折叠腔镜的象散补偿和腔型的稳定性对锁模 效果的影响等等。 另外,消除寄生反射和避免自聚焦对介质的光损伤也很重要。 20 29.3 飞秒激光技术 四、自锁模激光器 自锁模激光器属于被动锁模。 从时域角度看,任何带有被动性质的锁模激光器,腔内都存在 某种元件, 它们首先从噪声中选取强度较大的脉冲作为脉冲序列的种子, 然后利用其锁模器件的非线性效应使脉冲的前后沿的增益小 于损耗,而使脉冲中间的增益大于损耗, 脉冲在腔内往返过程中,不断被整形放大,脉冲宽度被压缩, 直到稳定锁模。 因此,自锁模脉冲形成可以分为以下两个阶段: 21 29.3 飞秒激光技术 初始脉冲的形成: 理论分析和大量的实验证明,连续运转的掺钛蓝宝石激光器中 的噪声脉冲由于达不到锁模的启动阈值,故该种激光器的自锁 模不能自启动。 因此,必须首先在腔内引入一个瞬间扰动,造成高损耗,当腔 镜复位时,腔中的光强产生强烈涨落。 当它们通过增益介质时,由于增益介质的自聚焦效应,它与腔 内光阑的结合等效于可饱和吸收体, 经过自振幅调制(SAM)和增益介质的线性放大,对脉冲进行 选择、放大、初步压缩,形成初始脉冲。 22 29.3 飞秒激光技术 稳定锁模脉冲的形成: 腔内初始锁模脉冲形成以后,因为它的峰值功率较大,所以在 增益介质中由非线性克尔效应,脉冲产生自相位调制(SPM) 严重地改变了脉冲的相位。 当光脉冲通过掺钛蓝宝石棒时,又引起了很大的二阶正群速度 色散(GVD)和三阶色散。 在这一阶段中,增益介质的自振幅调制和增益放大仍起主要作 用,只是由于脉冲功率增大,不可避免地要产生自相位调制和 很大的正群速度色散,不利于进一步压缩脉宽, 因而要用合适的负色散去补偿,才可以得到最窄的脉冲宽度。 23 29.3 飞秒激光技术 大量的实验及分析计算表明,自锁模必须采用附加措施来启动 (最初工作在连续状态)。 最简单的方法是轻敲平台或某一腔镜以产生一个强度扰动以启 动自锁模。 启动后的激光器在锁模稳定运转时受周围环境扰动的影响,一 旦失锁必须重新启动, 为此人们发明了许多主动和被动的启动与维持自锁模运转的方法: 利用饱和吸收体也可以启动自锁模激光器。 在激光腔内插入一个饱和吸收体(如HITCI),改变染料 浓度直至最终形成的锁模脉冲。 饱和吸收体的作用只是引入最弱的调制来启动自锁模。 24 29.3 飞秒激光技术 利用声光调制再生启动的方案: 即在原自锁模激光器内加入一个声光调制器,使其频率与 谐振腔周期的倒数匹配, 激光器输出为几十ps到几百ps量级的脉冲,脉冲重复频率 由调制器的驱动频率决定,这时激光器处于主动锁模状态。 适当调整谐振腔,使激光器进入自锁模,产生脉宽在fs量 级的锁模脉冲。 使用振动镜启动: 用线性外腔或直接振动一个腔镜(一般为全反镜)频率 25 Hz,振幅小于0.5mm,可使掺钛蓝宝石激光器由连续 状态进入自锁模状态。 25 29.3 飞秒激光技术 五、掺钛蓝宝石激光器介绍 掺钛蓝宝石的吸收光谱(左)和掺钛蓝宝石的荧光光谱(右) 26 29.3 飞秒激光技术 Ti : Al2O3晶体长20mm , 端面切成布儒斯特角,置于四折叠镜腔的中心,腔长 1.5 ~ 2.0m。 泵浦源为连续TEM00 模Ar ? 激光器,用B.R.F 进行谐振腔波长调谐, P1和P2组成的棱镜对起到脉冲压缩作用,以抵消谐振腔的群速度色散(GVD)。 自锁模状态一般由外界的微扰引入,波长在845 ~ 950nm范围内。 目前输出最窄 脉冲为10.9 fs,去掉棱镜对,使用控制色散的啁啾介质镜时,可获得8 fs脉冲。 27 29.4超短脉冲的压缩 由锁模激光器的性质可知,锁模脉冲宽度越短,其频谱 就越宽,在一个超短光脉冲中,包含有大量的频率分量。 在传输过程中,由于介质的色散效应,导致不同的频率 分量有不同的传播速度,使脉冲波型产生变化。 例如,对于8飞秒的高斯型光脉冲,经过 3米长的空气或 1毫米的BK ? 7玻璃后,其脉冲宽度变成16飞秒,为原来 的两倍。 这对飞秒激光的产生和应用都是不利的,必须设法加以 克服。 28 29.4超短脉冲的压缩 一、群速度定义 光场E ? t ? 可以表示成其频率成分的线性叠加,如果其频率成分 集中在?c ? ??范围内,则E ? t ? ? ? 令?? ? ? ? ? c,则E ? t ? ? ? ? ?? ? c ? ?? ?c ??? A ?? ? e ? d?? i ? t ? kz ? dk dk ? ? ? c ? ? kc ? ?? 展开,取前两项有: k ? ? ? ? kc ? ? d ? ?c d ? ?c 代入上式,有 ? ? ? ?? ?? dk ? ? ? E ? t ? ? ? A ? ? ? exp ? i ?? ?c ? ?? ? t ? ? kc ? ?? ? z ? ? d?? ? ?? ? ? ? d ? ? ? ? c ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? dk i ? ? c t ? kc z ? ?? ?e i?? ? t ? z ? ?d ?? ?? ?? A ?? ? exp ? ? d? ? ? ? ? c ? ?? ? 29 将k ? ? ? 在?c点级数 ? ?? A ?? ? e i ? ? t ? kz ? c 是角频率?的函数, k? ? d? n ? ? ? 为波矢, 29.4超短脉冲的压缩 dk 令t ? ? t ? d? 令A ? t ? ? ? ?? ? ?? ?c z,代入上式,可以得到: i ? ? c t ? kc z ? ?? E ?t? ? e ? A ?? ? exp ? i?? t ??d?? ? ?? ? ? i ?? t ? k z ? dk E ? t ? ? A? t?? e ? A? t ? z?e c c ? d? ? ? c ? ? 表示光场传输过程中,调制波包络函数形式不变,即波包形 i ? ? c t ? kc z ? A ? ? ? exp ? i?? t ? d??,有: 状不变,只是随着传播距离的增加,时间上增加延迟项。 ? c t ? kc z代表载波等相位面的运动,对应着相速度V p ? dk t? d? ?c kc kc ?c 1 dk d? z代表波包运动,对应着群速度 ? ? Vg ? Vg d ? ? c dk 30 二、波包的扩散 29.4超短脉冲的压缩 波包在介质中经过一段距离L的传播,不同频率成分速度不同, 其宽度将会展宽,展宽为? d,则有 ?? dk ? L L ? dk ? ? ? ?? d ? ? ? L ?? ?? ?? ? ? Vg 2 Vg 1 ? ?? d ? ??2 ? d ? ??1 ? ?? ? ? d ? dk ? ? dk ? ? dk ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 1 ? d? ? ? ? ? ? ? ? ??2 ? d ? ??1 d ? ? d ? ??1 ? d ? dk ? ?? d ? L ?? ? ? d? ? d ? ??1 ? L? 2 ?? d 2k d ? 1 ? 式中? 2 ? ? ? ? 2 ? d? d ? ? Vg ? ? 1 dVg ?? 2 Vg d ? 为群速度色散 ? GVD ? 31 29.4超短脉冲的压缩 正色散:? 2 ? 0 ? dVg d? ? 0,Vgred ? Vgblue,“红前蓝后” 表示脉冲频率分量中,高频区的群速度慢,低频区的群速度快, 导致脉冲前沿集中了低频分量,脉冲后沿集中了高频分量, 形成所谓的正啁啾 ? Chirping ?。 dVg 负色散:? 2 ? 0 ? ? 0, Vgblue ? Vgred,“蓝前红后” d? 低频区的群速度小于高频区,高频分量分布在脉冲前沿 即所谓的负啁啾。 由介质线性极化所决定的GVD效应,无论是? 2 ? 0还是? 2 ? 0, 总是将脉冲在时间和空间上展宽。 32 29.4超短脉冲的压缩 三、自相位调制 ? SPM ? 对于超短脉冲,在介质中传播时,除了前面所提到属于三阶非 线性极化导致的空间自聚焦效应 ? KLM ? 外,折射率变化?n也与 光强I 在时间域的分布有关。 由此直接导致超短光脉冲在不同的时间区域所对应的光程差、 相位差不同。 即光克尔效应导致的?n ? t ? 不仅在空间上导致自聚焦,而且在 时间上还改变了光脉冲的相位: 2? 2? ?? ? t ? ? ?n ? t ? L ? n2 I ? t ? L ?0 ?0 称为自相应调制(SPM)。 33 29.4超短脉冲的压缩 由频率和相位的关系可以得到:?? ? ? dt d ?? ? t ? ?? 2? ?0 n2 L ?I ? t ? ?t 由于光克尔效应,光脉冲不同部位由于光强不同,导致不同的 频移,即啁啾 ? chirp ?,Okerr ? SPM ? chirp。 ?I ? t ? 光脉冲前沿 ? 0 ? ?? ? 0, ?t 产生低频光子,红移; ?I ? t ? 光脉冲后沿 ? 0 ? ?? ? 0, ?t 产生高频光子,蓝移。 即SPM 产生了正啁啾 34 29.4超短脉冲的压缩 实际上,由SPM引起的??是以消耗中心频率?0的光子为代价, ?I 对于瞬态响应过程,脉冲前沿 ? 0,出现低频Stokes光子分布, ?t ?I 脉冲后沿 ? 0,出现高频反Stokes光子分布。 ?t SPM 增加了光脉冲的谱线宽度,传输过程中在能量恒定的条件 造成了低 下,对脉冲前、后沿按光子频率低、高进行了分配, 频分量的速度大于高频分量速度的效果。 由于谱线变宽,因此,SPM不展宽脉冲的时间宽度。 产生出新频率的光子。 实际上,SPM 也是光纤激光脉冲压缩和孤子 ? Soliton ? 激光器的 基础。 35 29.4超短脉冲的压缩 四、GVD ? SPM 将GVD和SPM的效应综合进行分析,不难得出以下结论: 对于GVD的线的情形,加上SPM 效应后, 脉冲前、后沿将拓宽,光脉冲时间宽度增大,前、后沿变陡, 形成所谓的 “方波自成形”,可用于啁啾脉冲放大(CPA)技术。 对于负色散? 2 ? 0的情形,SPM 使高频分量向脉冲前沿部分移 动,低频分量向脉冲后沿部分移动,形成非线性的负啁啾效应, 正好与GVD的线性正啁啾过程相反,起到了脉冲压缩的作用。 由于激光介质对飞秒脉冲的正色散和SPM 效应,主要表现为 正啁啾性质,因此为了获得压窄脉宽,必须引入负色散器件, 抵消正啁啾带来的脉冲展宽。 36 29.4超短脉冲的压缩 五、脉冲压缩器件 1、对正色散波段光脉冲的光栅对压缩(腔外) 利用光栅对,可以使不同波长的光走不同长度的光程, 调整光栅之间的相对位置,能够使长波 ? 红光 ?比短波 ? 蓝光 ? 走 较长的光程,使短波 ? 蓝光 ? 超前, 即“蓝前红后”,使光栅对成 可以抵消? 2 ? 0 为负色散元件, 正色散介质对波包的展宽作用, 起到压缩脉冲的作用。 缺点:闪耀光栅损耗较大, 因此一般只能在腔外使用。 37 29.4超短脉冲的压缩 2、对正色散波段光脉冲的棱镜对压缩(腔内) 棱镜对的配置按负色散延迟方式。 尽管在透明区,单个棱镜玻璃是正常色散的,但是通过调整两 个棱镜之间的距离和方位,可以调节折射光线的几何路径差, 使正啁啾脉冲的低频 ? 红移 ? 分量经过棱镜对的时间长于高频 ? 蓝移 ? 分量,实现脉宽压缩。 采用两个棱镜互相补偿光线的 发散,使出射光束为平行光。 为最大程度地减少插入 损耗,两个棱镜的入射 面和出射面互相平行, 入射角和出射角为布儒 斯特角和最小偏向角。 38 29.4超短脉冲的压缩 39 29.4超短脉冲的压缩 3、压缩脉宽的其他方法与装置包括: Gires — Tournis干涉仪,其特点是通过改变光线的入射角 及干涉仪的厚度来改变群速度和? 2的正负号。 利用特殊设计的宽带低损耗,具有负色散系数的啁啾镜 ? Chirped mirror ? 能产生10飞秒以下超短光脉冲。 采用双通式光纤—光栅对装置,可增大GVD量,减少光栅 间隔,校正光束截面,还可以在光纤芯部刻蚀衍射光栅来 取代光栅对。 晶体中声光效应产生的相位光栅,也可作为光栅对的替代选择。 目前看来,为了进一步压缩脉宽,还必须采用具有光孤子 效应的器件装置。 40 29.5 超短脉冲激光应用 超快光谱: 时间分辨光谱学是应用非常成功或者是应用最广泛的飞秒激光技术。 物质是由分子和原子组成的,但是它们不是静止的,都在快速地运动着, 这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光的出现使人类第一次 在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。 它主要是把超短脉冲作为一种拍摄超快物理过程的瞬态摄影设备,就好像 几十年前用于拍摄子弹穿越苹果和牛奶滴落的闪光高速摄影像机(微秒量 级)一样。 对于fs脉冲,一般用来研究微观过程 : 半导体晶体中光激发电子、空穴与晶格振动之间以及它们之间的相互作用; 超快激光诱导熔融; 吸收光子后,视网膜中的大分子物质细菌视紫红质结构重构过程,对此过 程的研究是视觉研究的第一步。 41 29.5 超短脉冲激光应用 高速电子测试: 高速电子设备开发过程中测试是非常重要一环,而测试设备往往比被测试 的设备速度还慢。 现在最快的电子设备达到了ps范围,那么飞秒激光可以很容易的产生亚ps 的电子脉冲对高速电子设备进行测试。 激光 ? 等离子体相互作用: 用光强大于1013 W / cm 2的激光照射固体材料时,可以将原子中的电子电离 出来,形成激光诱导等离子体。 在100 fs的时间尺度上,等离子体中的自由电子来不及逃逸,可以研究温度 高达百万度的密度与固体相近的等离子体。 短波长辐射产生: 高强度可见光波段超短脉冲激光可以通过更高阶次非线性谐波产生过程或 泵浦x ? 射线激光器来产生真空紫外和x ? 射线波段的相干短波辐射。 例如相干短波辐射可用来研究DNA的微观结构。 42 29.5 超短脉冲激光应用 光通信: 低传输损耗光纤具有可和100 fs脉冲相比的带宽,因此超短脉冲技术在光通 信中将扮演重要角色。 目前亚皮秒脉冲已经被应用在传输速率达到Tbits / s的实验室设备中。 在这方面,超短脉冲技术不仅仅在超短脉冲的产生方面重要,在信号处理、 数据检测、用于辨别和优化超短脉冲传输的先进测量学方面也同样重要。 另外,对于WDM 系统,超短脉冲具有极宽的带宽,因此能提供更多的信道。 生物医学应用: 飞秒激光在生物医学成像方面有大量的应用,例如在散射介质中光学成像 以及获得高分辨率的深度信息,例如OCT。 在共焦显微成像系统,基于双光子激发提高空间分辨率已经被演示。 超短激光脉冲具有高峰值功率,低激光能量的特点使其在激光外科手术中 具有重要作用,可以避免热效应导致的敏感组织的附带损伤。 43 29.5 超短脉冲激光应用 材料处理: 高功率激光已经被用在很多工业领域,例如切割和打孔。 对于连续激光和长脉冲激光,切割的尺寸限制和加工质量被激光焦点对 周围物质的热扩散所限制。 利用飞秒激光,可以使用低能量、高峰值功率的激光进行材料处理,能 够产生新的物理机制,减少材料的热堆积,提高切割和打孔质量。 激光控制化学: 通过对飞秒激光的波前进行特殊设计来影响光致光学反应过程,利用时 间分辨光谱观察化学反应过程,更进一步的发展是控制化学反应过程。 由于化学反应过程在几十到几百飞秒时间内,所以飞秒激光脉冲是非常合 适的工具 80年代末泽维尔教授用可能是世界上速度最快的激光闪光照相机拍摄到一 百万亿分之一秒瞬间处于化学反应中的原子的化学键断裂和新形成的过程。 44 29.5 超短脉冲激光应用 化学分子在飞秒激光作用下的分离过程 45 29.5 超短脉冲激光应用 飞秒激光典型应用 — 激光受控核聚变 46 29.5 超短脉冲激光应用 神光Ⅱ装置的惯性约束聚变 ? ICF ? 靶场系统 47 29.5 超短脉冲激光应用 飞秒激光典型应用 — 微纳米加工 48 29.5 超短脉冲激光应用 美国INTRALASE飞秒激光系统 49


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