超快超强激光技术的调研ppt答辩.ppt

超快超强激光技术的调研 专业 光信息科学与技术答辩人 指导老师 报告大纲 1 激光的产生及其特点2 脉冲激光及调Q 锁模技术3 飞秒激光4 啁啾脉冲放大技术5 超快超强激光 一 激光的产生及其特点 什么叫激光 激光 属于受激辐射相干光 普通光 属于自发辐射非相干光 1960年 由Maiman实现第一台激光器 红宝石激光器 给古老的光学学科带来强大的生命力 引起现代光学应用技术的迅猛发展 激光技术的特点 脉冲工作方式是指每间隔一定时间才工作一次的方式 激光脉冲指的是脉冲工作方式的激光器发出的一个光脉冲 简单的说 好比手电筒的工作一样 一直合上按钮就是连续工作 合上开关立刻又关掉就是发出了一个 光脉冲 脉冲激光器具有较大输出功率 适合于激光打标 切割 测距等 二 脉冲激光 脉冲激光发展历史 脉冲宽度 调Q激光脉冲的建立过程 图 a 表示泵浦速率Wp随时间的变化 图 b 表示腔损耗随时间的变化 图 c 表示粒子反转数 n的变化 图 d 表示腔内光子数 随时间的变化 先看三个不同频率光波的叠加 Ei E0cos 2 it i i 1 2 3设三个振动频率分别为 1 2 3的三个光波沿同一方向传播 且有关系式 3 3 1 2 2 1 E1 E2 E3 E0 若相位未锁定 则此三个不同频率的光波的初位相 1 2 3彼此无关 如左图 由于破坏性的干涉叠加 所形成的光波并没有一个地方有很突出的加强 输出的光强只在平均光强3E02 2级基础上有一个小的起伏扰动 二 锁模的基本原理 但若设法使 1 2 3 0时 有E1 E0cos 2 1t E2 E0cos 4 1t E3 E0cos 6 1t 当t 0时 E 3E0 E2 9E02 t 1 3 1 时 E1 E0cos 2 3 E0 2 E2 E0cos 4 3 E0 2 E3 E0cos 2 E0 三波叠加的结果是 E E1 E2 E3 0 同理可得 t 2 3 1 时 E 0 t 1 1时 E 3E0 这样就会出现一系列周期性的脉冲 见下图 当各光波振幅同时达到最大值处时 由于 建设性 的干涉作用 就周期性地出现了极大值 当然 对于谐振腔内存在多个纵模的情况 同样有类似的结果 锁模的方法 1 主动锁模 主动锁模采用的是周期性调制谐振腔参量的方法 主动锁模是在激光腔内插入一个调制器 调制器的调制频率应精确地等于纵模间隔 这样可以得到重复频率为f c 2L的锁模脉冲序列 2 被动锁模 产生超短脉冲的另一种有效的方法是被动锁模 在激光谐振腔中插入可饱和吸收染料来调节腔内的损耗 当满足锁模条件时 就可获得一系列的锁模脉冲 3 自锁模 当激活介质本身的非线性效应能够保持各个振荡纵模频率的等间隔分布 并有确定的初相位关系 不需要在谐振腔内插入任何调制元件 就可以实现纵模锁定的方法 4 同步泵浦锁模如果要通过周期性地调制谐振腔的增益来实现锁模 则可以采用一台主动锁模激光器的脉冲序列泵浦另一台激光器来获得 这种方式就是同步泵浦锁模 飞秒脉冲激光的产生来源于锁模技术 1976年 人们首次在染料激光器中实现飞秒激光脉冲输出以来 飞秒激光技术获得飞速发展 三 飞秒激光 飞秒激光太瓦系统 什么是飞秒激光 飞秒是多短的时间 答案 1飞秒 10 15秒 这种激光器能够输出飞秒脉冲得益于将棱镜对插入钛蓝宝石激光器的揩振腔中从而使激光器从连续振荡模式过渡到锁模模式而不需要饱和吸收器或附加脉冲锁模 飞秒激光的特点是 1 脉宽窄 飞秒级 就是1 10的 15次方秒 2 峰值功率高 帕瓦量级 因为飞秒等级的时间很短 所以需要极高的瞬时功率 3 副作用小 热损伤 机械损伤等 4 高精度 术后完美的视觉效果 飞秒激光作为激光领域里的一支奇葩 越来越受到人们的广泛重视 其研究进展也会推动相关的其他科学更快速的向前发展 四 啁啾脉冲放大技术 激光的出现为重要标志 相干光辐射替代了非相干光辐射 激光出现以后的调Q脉冲技术以及锁模技术又使得激光峰值功率得以较大幅度提高 由于受增益饱和效应等影响 脉冲峰值功率的进一步提高只是在啁啾脉冲放大技术出现以后才得以实现 这一技术的引入 不仅使脉冲峰值功率大幅度得以提高 其实验装置也大大简化 啁啾脉冲放大技术 高峰值功率输出一直是激光技术所追求的目标之一 早期提高输出功率主要靠缩短脉冲宽度 20世纪60年代调Q技术和锁模技术的发展把激光脉冲宽度缩短到皮秒 峰值功率提高了六个数量级 20世纪80年代中期 啁啾脉冲放大技术 CPA 被成功地用来产生超短超强激光脉冲 开创了超快超强激光技术发展的新纪元 五 超快超强激光 超快超强激光的特点及现实应用 脉冲短 光谱含量丰富 聚焦光斑小精确的靶向聚焦 峰值功率高 时间宽度非常短 可以用于处理持续时间非常的物理化学过程 瞬态成像 超快光开光 高速光通信 光谱含量非常丰富 可以用于激光光谱检测 脉冲整形 通信中的光谱编码 长10 m高7 m立体公牛图 微小蜘蛛和恐龙模型 精确的靶向聚焦 光脉冲的峰值功率非常高 脉冲功率 脉冲能量 脉冲时间宽度 1kHz 40fs 0 7 1012W的激光系统 激光加工 激光医学手术 强场激光与物质相互作用 激光核聚变 1 0 1015W 聚焦功率密度 1020 1022W cm2 极端条件实验 飞秒脉冲持续时间段 能量集中 能提供瞬间的超高功率密度和超强电磁场 超强光场 1021W cm2超强电场 1011V cm超强磁场 109G 超高加速度 1019g超高温