第十一章 时间分辨光谱.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 pulsemodelocking 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 d 100um 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Kerrlensmodelocking 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 Kerrlensfocusing2 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 liquidcrystaldisplay 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gratingpair 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 1012W 1015W Oscillator 100fsstretcher 两非平行gratingpair对脉宽放大104倍 脉宽为1nsamplifier 多次经过增益介质 功率放大1010倍Compressor 利用gratingpair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 electronAccelerationVoltageU electrontozdirectionDeflectionplate deflectioninydirectionLuminescent gettheimage 一 条纹相机 Deflectionvoltage 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 ResolvedOpticalGatingTechnique 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 Pockelcell 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Pulserate 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 R RC 对应原子 原子的跃迁 R RC 对应分子 分子跃迁 从激发态分子漏到基态原子的位置 分子能谱衰减 分子经