激光與飛超短脈沖激光課件

1、激光與飛超短脈沖激光課件激光與飛超短脈沖激光課件On May 16, 1960 , Theodore Maiman invented the worlds first laser, known as the ruby laser”.2010 Year of the Laser Laserfest is a yearlong celebration of the 50th anniversary of the laser. The laser is one of the greatest inventions of the 20th century has revolutionized the

2、way we live.694.3nmOn May 16, 1960 , Theodore Mai激光發(fā)展史LASER- Light Amplification for Stimulated Emission of Radiation受激發(fā)射的光放大產(chǎn)生的輻射理論基礎(chǔ)1958年Townes、Schawlow提出（湯斯，巴索夫，普羅霍羅夫 64年Nobel獎(jiǎng)）（肖洛，布洛姆伯根，西格巴恩 81年Nobel獎(jiǎng)）第一臺(tái)激光器 紅寶石激光1960年Mamain發(fā)明 694.3nm 激光器三個(gè)主要部分：增益介質(zhì)激光工作物質(zhì) 上能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 諧振腔 選模 限制波形和提供反饋、增益 穩(wěn)定振蕩 泵浦源 提供

3、能量激光發(fā)展史理論基礎(chǔ)1958年Townes、Schawlow提1st Laser System - Ruby Laser T. H. Maiman et al, Phys. Rev. 123 (1961) 1151-11571st Laser System - Ruby La激光特性單色性： 有選擇反饋放大振蕩 線寬窄 He-Ne Dl/l =10-13 ; Kr86 Dl/l=10-8 方向性： 諧振腔 沿腔軸傳播的模式振蕩He-Ne 2q=10-3rad相干性：?jiǎn)紊?、方向?好相干性He-Ne Lc=107cm Kr86 Lc=10cm超強(qiáng)、超快性:脈寬4.0fs, 光強(qiáng)度1021-2

4、2W/cm2H核對(duì)電子作用 3.51016W/cm2 紅寶石激光激光特性紅寶石激光激光與現(xiàn)代科技 近十三年, 有七次 Nobel獎(jiǎng)與激光有關(guān)一) 1997年 激光冷卻和捕獲原子二) 1999年 超短激光觀測(cè)分子中間態(tài)過(guò)程三) 2000年 快速晶體管和激光二極管發(fā)明四) 2001年 激光和磁阱實(shí)現(xiàn)玻色_愛(ài)恩斯坦冷卻五) 2002年 大分子結(jié)構(gòu)解析法中介質(zhì)輔助激光分析 和飛行時(shí)間質(zhì)譜六) 2005年 精密激光光譜和光學(xué)頻率梳七) 2009年 光纖通訊激光與現(xiàn)代科技激光與現(xiàn)代科技* 物質(zhì)研究的基本手段高分辨率光譜 （窄線寬）非線性光譜（高強(qiáng)度）超快光譜（飛秒脈沖）激光冷卻 ( 97年Nobel Pr

5、ize)精密光譜 (2005年Nobel Prize)強(qiáng)場(chǎng)極端實(shí)驗(yàn)條件* 光電技術(shù)與信息科學(xué)光存儲(chǔ)技術(shù)光輸入/輸出設(shè)備光電顯示技術(shù)光通訊技術(shù)激光與現(xiàn)代科技* 激光與生命和健康DNA圖譜識(shí)別和控制光鉗技術(shù)-單個(gè)細(xì)胞行為研究激光手術(shù)刀光合作用、育種* 激光與國(guó)家安全戰(zhàn)略武器 化學(xué)激光戰(zhàn)術(shù)武器 精確制導(dǎo)、至盲武器，夜視儀，防護(hù)鏡* 激光與能源 U235分離 裂變ICF 核聚變* 激光與生命和健康機(jī)載激光武器(ABL)，ABL的目標(biāo)是研制裝在經(jīng)過(guò)改造的波音747飛機(jī)上安裝激光武器，用于從高空攻擊敵方的戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈。 機(jī)載激光武器(ABL)，ABL的目標(biāo)是研制裝在經(jīng)過(guò)改造的波音激光分類：1、工作介質(zhì)氣體

6、激光器：He-Ne, Ar+, CO, CO2, XeF, KrCl固體激光器: Ruby, YAG, YLF, Ti:Sapphire染料激光器: DCM, R6G半導(dǎo)體激光：GaN, GaAs自由電子激光：電子在周期靜磁場(chǎng)中通過(guò) 相干輻射2、激光特性 連續(xù) 脈沖 （ 調(diào)Q、鎖模）激光分類：脈沖激光器進(jìn)展60年代 Q-Switching 10-9 s (ns )70年代 Modelocking 10-12 s(ps)80年代 Colliding Pulse Modelocking 10-13 s ( sub-ps )80年代后期 Kerr Lens Modelocking 10-15 s (

7、fs )最短的激光脈沖為 4 fs 激光振蕩周期為T= 2.7fs 2001年 百阿秒脈沖獲得（x光波段）2008年 80阿秒脈沖獲得（x光波段）脈沖激光 - 提供時(shí)間和功率極端實(shí)驗(yàn)條件脈沖激光器進(jìn)展60年代 Q-Switching 1872年，攝影師Eadweard Muybridge首次拍攝到飛馳奔馬的運(yùn)動(dòng)（24部照相機(jī)，相隔1英尺，1/1000秒快門）。時(shí)間分辨測(cè)量二百年前$25000賭博 某一時(shí)刻，馬的四蹄是否同時(shí)離地？“過(guò)渡態(tài)”馬騰空時(shí)刻“照相”技術(shù) 分辨測(cè)量1872年，攝影師Eadweard Muybridge首次拍1S200210-3S10-9S10-6S10-12S1fsbli

8、nking (10-1 s)Deep Blue clock(10-9 s)lightning (10-4 s)dissociation (10-13 s) 1、 time resolution important measure for science fs time resolved1S200210-3S10-9S10-6S10-12S1fsnspsfsas光電管條紋相機(jī)光學(xué)相關(guān)法電子相關(guān)法光學(xué)相關(guān)法二次諧波法雙光子熒光克爾開(kāi)關(guān)法高階相關(guān)法相機(jī)等nspsfsas光電管條紋相機(jī)光學(xué)相關(guān)法電子相關(guān)法光學(xué)相關(guān)法飛秒時(shí)間分辨測(cè)量飛秒時(shí)間分辨測(cè)量1987年， Zewail完成第一個(gè)飛秒化學(xué)實(shí)驗(yàn)fs p

9、ump probe:pump （強(qiáng)光） 將 ICN激發(fā)到解離態(tài)上probe （弱光） 波長(zhǎng)對(duì)應(yīng) CN 自由基的吸收excitation100fs后200fs后ICNI + CNt200fs吸收hn解離態(tài)人類第一次直接從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到化學(xué)反應(yīng)過(guò)程JCP 經(jīng)典文章1987年， Zewail完成第一個(gè)飛秒化學(xué)實(shí)驗(yàn)excitaFemtochemistry - Nobel Prize 1999The Royal Swedish Academy of Sciences has awarded the 1999 Nobel Prize in Chemistry to Prof. Ahmed H. Zewail

10、 ( CIT), for showing that it is possible with rapid laser technique to see how atoms in a molecule move during a chemical reaction.The Academys citation:For his studies of the transition states of chemical reactions using femtosecond spectroscopy超快時(shí)間分辨測(cè)量Femtochemistry - Nobel Priz高功率的獲得：飛秒短脈沖的放大CPAC

11、PA : Chirped Pulse Amplifier高功率的獲得：飛秒短脈沖的放大CPACPA : Ch脈沖激光功率發(fā)展歷史 (1cm2 of Beam)脈沖激光功率發(fā)展歷史 (1cm2 of Beam)鈦寶石飛秒高功率激光基本特性： 波長(zhǎng)：750 - 1100nm 超快 (4.0fs) - 萬(wàn)億分之一秒 超強(qiáng) 100TW 自然界存在聚焦強(qiáng)度1020W/cm2 3.5 1016W/cm2光 壓 1012bar 1bar 加速度 1021g g磁 場(chǎng)109Gauss 0.5Gauss提供了極端實(shí)驗(yàn)條件鈦寶石飛秒高功率激光基本特性： 超強(qiáng) Fast Ignition Concept of IC

12、F ( ICF - inertial confinement fusion)Fast Ignition Concept of ICF 超短激光和長(zhǎng)脈沖激光作用的比較Laser-matter interaction with long pulse Laser-matter interaction with ultrashort pulse飛秒微加工與微制備超短激光和長(zhǎng)脈沖激光作用的比較Laser-matter inA drilling in steel produced by 3.3-ns pulses. A strong blur formation occurs and solidified

13、 droplets stick on the surface. Note the heat-affected zone around the hole .A drilling in steel produced by 200-fs pulses. Pulses energy is decreased by nearly one order of magnitude.A drilling in steel produced b飛秒激光角膜切割Flap cut by fs laser pulseFlap cut by a mechanical microkeratome飛秒激光角膜切割Flap c

14、ut by fs laser pNature, Vol. 412, 697.2001 （ H.B. Sun et al )三維微制備納米牛與納米彈簧Ti:S 780nm, 150fs, 76MHz1.4NA 高倍顯微物鏡聚焦光聚合分辨率 120nm牛尺寸：10mm 7mmSCR500 resin ( JSR, Japan ) + urethane acrylate (尿脘丙烯酸脂）Nature, Vol. 412, 697.2001 （ Ha. 原始狀態(tài)b. 伸展?fàn)顟B(tài)c. 阻尼振蕩恢復(fù)曲線820nm,19mW3pNk = 8.2nN/ma. 原始狀態(tài)c. 阻尼振蕩恢復(fù)曲線820nm,19mW2

15、6fs, 800nm, 61015W/cm2 Ne (21.6eV ) : 4.9nm (253eV) 163次 He (24.6eV): 2.4nm (518eV) 333次100fs脈寬： Ne 119次， He 239次Ne高次諧波信號(hào)PRL 79 （1997）2967高次諧波波產(chǎn)生26fs, 800nm, 61015W/cm2 Ne高次He高次諧波信號(hào)突破水窗極限 獲得相干X光光源He高次諧波信號(hào)突破水窗極限阿秒脈沖的獲得30 7.5nm 諧波輻射與激光縱模結(jié)構(gòu)相似相干迭加 10as脈寬輸出11-19次諧波合成得到250as脈沖高次諧波 規(guī)律性、完美性阿秒脈沖的獲得30 7.5nm 諧波輻射與激光縱模結(jié)Femtochemistry - Nobel Prize 1999“Zewail教授的飛秒激光技術(shù)可以和伽利略使用的望遠(yuǎn)鏡相比，Zewail教授將其望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了