《时间分辨光谱》PPT课件.ppt

自由讨论： 1，什么是Fourier变换？ 2，什么是光泵？ 3，描述脉冲光的物理参量有哪些？单位分别是什么？ 4，什么是幅度调制？可以利用什么办法实现？会出现什么结果？ 5，什么是光的相干？ 6，测量脉冲光的仪器有哪些？,第十一章 时间分辨激光光谱,超短激光脉冲的产生 超短激光脉冲的测量 寿命测量 Pump-probe技术,光谱分辨：,时间分辨：,空间分辨,高分辨,Fourier变换,取自数学手册p.188,高斯线型,半高宽,半周期,超快现象,激发态的消激发； 非平衡态向热平衡态的弛豫； 分子预解离； 飞秒化学； 视觉过程； 光合作用； .,第9.1节 超短激光脉冲的产生,非相干光源的脉冲宽度受激发（放电）电子线路脉宽的限制(ms, ns)； 而超短光脉冲的产生借助于激光的相干性，可远小于电学脉宽也可以小于泵浦光脉冲(fs, as)。,一、脉冲激光的时间线型,脉冲激发Pp(t)导致脉冲粒子数反转N(t)，从而产生脉冲激光输出PL(t)，但是激光PL(t) 又降低粒子数反转N(t),Pp(t) N(t) 受激发射激光 PL(t) N(t) ,i, k p 宽脉冲激光 染料激光器,i, k k 自熄火激光 N2激光器,I, k p 多尖峰脉冲激光 灯泵红宝石激光器,泵浦光上升时间,基态i 粒子数保持，激发态k粒子容易清除，在光泵光减少之前，激光已经停止,和泵浦光步调一致，稳定光脉冲,粒子数反转快速建立，受激辐射破坏粒子数反转,二、调Q,高损耗、低Q值,低损耗、高Q值,目的： 消除尖峰效应，产生强的窄脉冲激光。 原理： 抽运过程中Q值低，当反转粒子数达到最大值时突然提高Q值，此时增益比降低了的阈值高许多，振荡场迅速建立，产生雪崩过程，受激辐射很快耗尽反转粒子数。,1，快速转动腔镜，实现Q开关,2，利用电光效应调Q,电光效应：电场使晶体的介电张量发生变化，导致折射率 n变化（光率体发生畸变）。 二次(平方)电光效应Kerr效应 一次(线性)电光效应Pockel 效应,偏振旋转角,a，实验装置图 b，短脉冲图,P1, P2偏振方向交叉：,三、腔倒空,目的： 从CW激光器中产生脉冲序列 原理： 连续运转 (CW) 时Q值高，激光输出小，腔内功率高；突然降低Q值，腔内储存的能量很快释放，形成脉冲。,第一次经过晶体：,折射,透射,第二次M3反射经过晶体：,折射,透射,折射率正比于声波调制幅度,经过M2, prism反射输出,虚线,缺点：在脉冲线性里面，包含 频率调制信号,脉宽,脉冲重复率,举例,四、激光器的锁模,目的： 获得更窄更强的激光脉冲 原理： 在一般的脉冲或调Q激光器中，各振荡纵模独立输出能量，模之间的位相关系不固定，输出为功率相加(mP)。锁模是使各振荡模满足频域相干叠加条件：（1）模间隔一定；（2）相对位相固定。这样多纵模在腔内时间相干、振幅叠加，使得总功率出现时间上相对集中短脉冲(ps)。,主动锁模：用电光、声光元件进行调幅（损耗）、调相。 被动锁模：放置饱和吸收材料于腔内 自发锁模：多个纵模间的非线性作用,调Q： 几十几百倍 2L / c 腔倒空： 2L / c 锁模： 2L / mc (m为模数),模间距（周期）,自由光谱程,主动锁模 调制器振幅（损耗）调制,单色光,幅度调制频率,两边带,腔模,如果调制频率等于腔模间隔,如果多次经过声光调制器,这些模式相干震荡，相位耦合，在t时候到达最大时，经过2d/c时也到达最大,声光调制器,调制幅度,透过光强,透过光强幅度,如果,对应下一个腔模频率,增益宽度,模式间隔,震荡模式数量,输出光强总幅度,对应下一个腔模幅度,模式间隔,脉宽,5个模式锁定,15个模式锁定,被动锁模 腔内非线性饱和吸收材料的周期性饱和,原理（起伏模型）： 自发辐射（光强无规起伏）非线性饱和效应吸收材料对弱的吸收大对强的吸收小 产生周期脉冲 (ps),吸收材料,脉宽,线宽,用锁模激光做同步泵浦,用脉冲激光器L1去泵浦另一激光器L2，,激光器L1的脉冲重复间隔,激光器L2的脉冲重复间隔,同步泵浦,L1,L2,由于饱和效应，输出脉冲比泵浦脉冲短：可以获得1ps的光脉冲,脉宽,氩离子激光器泵浦,燃料激光器输出,不同方式产生短脉冲激光,五、飞秒激光的产生,1、碰撞脉冲锁模（colliding-pulse mode locking, CPM）,在环形腔中，放大A1和吸收A2点间距为总长的1/4。两相反方向传播的光脉冲在吸收A2处叠加。形成相涨相干，形成驻波。,1，吸收介质薄，光通过时间短400fs (d100um) 2，在驻波中，光强吸收少，光弱吸收大脉冲压窄。,两脉冲部分重叠，光强和吸收调制大,两脉冲完全重叠，光强和吸收调制小,2、Kerr透镜锁模Kerr lens mode locking, KLM (100fs),折射率,电场诱导非线性极化,1，光强处诱导折射率大，光更加汇聚Kerr lens focusing 2，脉冲入射光时间脉冲上中间部分的光较强，Kerr汇聚效果更加明显，对应与空间分别的中间部分。 3，利用光阑将空间周围低光强部分虑掉，相当于将时间脉冲上脉冲头和脉冲尾虑掉脉宽压窄,3、光学脉冲压窄 （线性、非线性色散）,增加光谱带宽可以压缩脉冲宽度,非线性,线性,线性色散 导致空间展宽，非线性色散 导致光谱展宽,六、fs脉冲整形与相干优化控制,grating1:不同波长的光沿不同方向衍射 LCD（liquid crystal display）:外加电压，则在LCD上不同阵列点上不同波长产生相位差 grating2: 将不同波长的光汇聚，相位差不同，形成的脉冲形状不同,将输出波形和所需要的波形相比较，然后将差值反馈到LDC上对相位进行调节调节脉冲形状,脉冲输入,脉冲测量,超短脉冲反展20年,七、高功率超短激光脉冲的产生,G1, G2, G3, G4:放大染料池，（同时增大脉宽） SA1, SA2, SA3;饱和吸收材料防止反射光反馈和压制自发辐射放大 grating pair: 脉宽压窄,1，利用染料对脉冲光放大,YAG泵浦,2，啁啾脉冲放大（1012W1015W）,Oscillator:100 fs stretcher;两非平行grating pair对脉宽放大104倍，脉宽为1ns amplifier: 多次经过增益介质，功率放大1010倍 Compressor: 利用grating pair对脉宽压窄104倍，脉宽回复为100fs,第9.2节 超短激光脉冲的测量, 20ps： 光二极管 (PIN)直接探测 ps： 条纹相机 ps： 相关测量,Photocathode: photo electron Acceleration Voltage U: electron to z direction Deflection plate: deflection in y direction Luminescent: get the image,一、条纹相机,Deflection voltage:,电场扫描，成像系统y方向上的位置取决于电子到达偏转电场时间,光脉冲经过色谱仪后，在x方向产生色散,成像系统不同x位置相应不同波长脉冲分布,y方向脉宽,x方向色散,商用条纹相机Y 方向偏转速度： 1cm/100ps 1cm/10ns,Y 方向偏转速度：1cm/100ps 相机空间分辨率：0.1mm,时间分辨率：1ps,用条纹相机记录的间隔为4ps的两fs脉冲,例如,二、光学相关仪,探测器线性响应,探测时间常数（响应时间）T,脉宽,每个模式具有不同的周期,Fourier 变换,两束光相干,如果对光进行二倍频,一阶相关函数（幅度相关）,二阶相关函数（强度相关）,两种方法测脉宽,干涉自相关,非平行强度相关,时间常数为T 的线性探测器信号与脉宽 无关，也就不能给出脉冲 的信息。,1，干涉自相关,Michel 干涉,非线性晶体,归一化函数,上包络,下包络,2，非平行强度关联,如果两光以角度聚焦到非线性晶体满足一定的相位条件（只有来自两不同光束的双光子才满足相位条件）。则背景消除，没有干涉信号，只探测到等于脉宽的包络信号。,背景,没有消除背景,消除背景,不同线型的脉冲,高斯,方波,单一噪声,连续噪声,0.883 ?,自相关宽度,脉宽,频宽,FROG技术 (Frequency-Resolved Optical Gating Technique),特色： 测量 3 阶自相关，可测非对称脉冲,Gate光泵浦非线性晶体，控制probe光的通过相当一个逻辑gate 的作用,第9.3节 用激光测量寿命,测量寿命的用途： 1，通过探测自发辐射寿命和自发辐射光强，探测激发态总的跃迁几率和某具体两能级间的跃迁几率 2，通过光经过吸收后的衰减，获得粒子数数目 3，获得碰撞几率,B粒子密度,碰撞截面,平均速度,约和质量,有效寿命,辐射寿命,气压,探测寿命,k态n态,k态碰撞截面,光的能量密度,Einstein常数,1，相移方法测量寿命,幅度调制频率（Pockel cell）,测量平均,有效寿命,相移,调制频率,样品,激光,荧光,激光 和荧光相对相移,时延门控 BOXCAR 通过控制不同脉冲延迟，测量在寿命时间内的荧光衰减或者吸收,2，单脉冲激发,时延符合单光子计数测量寿命内原子数目衰减,探测光弱单光子 激光脉冲和荧光之间：进行时间幅度转换（光脉冲start; 荧光stop） 通道上的计数正比与荧光光子数 Channel U(t)时间 Pulse rate 光子计数粒子数,荧光,光脉冲,时间幅度转换,时间幅度转换（TAC）:,开始,结束,Stop 和start控制也可以调换,（光脉冲stop; 荧光start）,光脉冲,荧光,Na2分子寿命测量,第9.4节 Pump-probe技术,对于10-10s的物理过程，一般的探测器难以响应需要pump-probe技术,延迟时间可调,不同延迟时间，探测不同时间的N1粒子数分布,用pump-probe技术探测，利用同一激光，采用probe光移频，得到感兴趣能级信息。,改变光程差延迟时间,移频,1，探测碰撞驰豫过程,将S0态泵浦到S1态,利用激发跃迁探测S1,利用自发辐射和受激辐射研究S1,单重态S1和三重态T1碰撞转移,利用激发跃迁探测T1,碰撞驰豫过程,2，飞秒跃迁动力学行为,激发态分子,基态分子,基态原子,激发态原子,泵浦,探测,RRC, 对应原子原子的跃迁,RRC, 对应分子分子跃迁,从激发态分子漏到基态原子的位置,分子能谱