激光与飞秒超短脉冲激光.ppt

1、激光与飞秒超短脉冲激光,a,2,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 way we liv

2、e,694.3nm,激光发展史 LASER- Light Amplification for Stimulated Emission of Radiation 受激发射的光放大产生的辐射,理论基础1958年Townes、Schawlow提出 （汤斯，巴索夫，普罗霍罗夫 64年Nobel奖） （肖洛，布洛姆伯根，西格巴恩 81年Nobel奖,第一台激光器 红宝石激光1960年Mamain发明 694.3nm,激光器三个主要部分： 增益介质激光工作物质 上能级粒子数反转 谐振腔 选模 限制波形和提供反馈、增益 稳定振荡 泵浦源 提供能量,1st Laser System - Ruby Laser

3、T. H. Maiman et al, Phys. Rev. 123 (1961) 1151-1157,激光特性 单色性： 有选择反馈放大振荡 线宽窄 He-Ne Dl/l =10-13 ; Kr86 Dl/l=10-8 方向性： 谐振腔 沿腔轴传播的模式振荡 He-Ne 2q=10-3rad 相干性：单色性、方向性 好相干性 He-Ne Lc=107cm Kr86 Lc=10cm 超强、超快性: 脉宽4.0fs, 光强度1021-22W/cm2 H核对电子作用 3.51016W/cm2,红宝石激光,激光与现代科技 近十三年, 有七次 Nobel奖与激光有关 一) 1997年 激光冷却和捕获原

4、子 二) 1999年 超短激光观测分子中间态过程 三) 2000年 快速晶体管和激光二极管发明 四) 2001年 激光和磁阱实现玻色_爱恩斯坦冷却 五) 2002年 大分子结构解析法中介质辅助激光分析 和飞行时间质谱 六) 2005年 精密激光光谱和光学频率梳 七) 2009年 光纤通讯,激光与现代科技 * 物质研究的基本手段 高分辨率光谱 （窄线宽） 非线性光谱（高强度） 超快光谱（飞秒脉冲） 激光冷却 ( 97年Nobel Prize) 精密光谱 (2005年Nobel Prize) 强场极端实验条件 * 光电技术与信息科学 光存储技术 光输入/输出设备 光电显示技术 光通讯技术,激光与生

5、命和健康 DNA图谱识别和控制 光钳技术-单个细胞行为研究 激光手术刀 光合作用、育种 * 激光与国家安全 战略武器 化学激光 战术武器 精确制导、至盲武器，夜视仪，防护镜 * 激光与能源 U235分离 裂变 ICF 核聚变,a,9,机载激光武器(ABL)，ABL的目标是研制装在经过改造的波音747飞机上安装激光武器，用于从高空攻击敌方的战区弹道导弹,a,10,激光分类： 1、工作介质 气体激光器：He-Ne, Ar+, CO, CO2, XeF, KrCl 固体激光器: Ruby, YAG, YLF, Ti:Sapphire 染料激光器: DCM, R6G 半导体激光：GaN, GaAs 自

6、由电子激光：电子在周期静磁场中通过 相干辐射 2、激光特性 连续 脉冲 （ 调Q、锁模,脉冲激光器进展,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 (fs,最短的激光脉冲为 4 fs 激光振荡周期为T= 2.7fs,2001年 百阿秒脉冲获得（x光波段） 2008年 80阿秒脉冲获得（x光波段,脉冲激光 - 提供时间和功率极端实验条件,a,12,

7、1872年，摄影师Eadweard Muybridge首次拍摄到飞驰奔马的运动（24部照相机，相隔1英尺，1/1000秒快门,时间分辨测量 二百年前 $25000赌博 某一时刻， 马的四蹄是否同时离地,过渡态”马腾空时刻,照相”技术 分辨测量,a,13,1S,2002,10-3S,10-9S,10-6S,10-12S,1fs,blinking (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 tim

8、e resolved,a,14,光学相关法,二次谐波法 双光子荧光 克尔开关法 高阶相关法,相机等,a,15,飞秒时间分辨测量,a,16,1987年， Zewail完成第一个飞秒化学实验 fs pump probe: pump （强光） 将 ICN激发到解离态上 probe （弱光） 波长对应 CN 自由基的吸收,ICNI + CN,t,200fs,吸收,hn,解离态,人类第一次直接从实验上观测到化学反应过程JCP 经典文章,a,17,Femtochemistry - Nobel Prize 1999,The Royal Swedish Academy of Sciences has awar

9、ded the 1999 Nobel Prize in Chemistry to Prof. Ahmed H. Zewail ( 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 spe

10、ctroscopy,超快时间分辨测量,a,18,高功率的获得：飞秒短脉冲的放大CPA,CPA : Chirped Pulse Amplifier,脉冲激光功率发展历史 (1cm2 of Beam,钛宝石飞秒高功率激光基本特性： 波长：750 - 1100nm 超快 (4.0fs) - 万亿分之一秒,超强 100TW 自然界存在 聚焦强度1020W/cm2 3.5 1016W/cm2 光 压 1012bar 1bar 加速度 1021g g 磁 场109Gauss 0.5Gauss,提供了极端实验条件,Fast Ignition Concept of ICF ( ICF - inertial c

11、onfinement fusion,超短激光和长脉冲激光作用的比较,Laser-matter interaction with long pulse,Laser-matter interaction with ultrashort pulse,飞秒微加工与微制备,A drilling in steel produced by 3.3-ns pulses. A strong blur formation occurs and solidified droplets stick on the surface. Note the heat-affected zone around the hole,

12、A drilling in steel produced by 200-fs pulses. Pulses energy is decreased by nearly one order of magnitude,飞秒激光角膜切割,Flap cut by fs laser pulse,Flap cut by a mechanical microkeratome,Nature, Vol. 412, 697.2001 （ H.B. Sun et al,三维微制备纳米牛与纳米弹簧,Ti:S 780nm, 150fs, 76MHz 1.4NA 高倍显微物镜聚焦,光聚合分辨率 120nm 牛尺寸：10m

13、m 7mm,SCR500 resin ( JSR, Japan ) + urethane acrylate (尿脘丙烯酸脂,a. 原始状态 b. 伸展状态,c. 阻尼振荡恢复曲线,820nm,19mW 3pN k = 8.2nN/m,a,27,26fs, 800nm, 61015W/cm2 Ne (21.6eV ) : 4.9nm (253eV) 163次 He (24.6eV): 2.4nm (518eV) 333次 100fs脉宽： Ne 119次， He 239次,Ne高次谐波信号,PRL 79 （1997）2967,高次谐波波产生,a,28,He高次谐波信号,突破水窗极限 获得相干X光光源,a,29,阿秒脉冲的获得,30 7.5nm 谐波辐射与激光纵模结构相似 相干迭加 10as脉宽输出,11-19次谐波合成得到250as脉冲,高次谐波 规律性、完美性,Femtochemistry - Nobel Prize 1999,Zewail教授的飞秒激光技术可以和伽利略使用的望远镜相比，Zewail教授将其望