1、自在討論：自在討論： 1，什么是，什么是Fourier變換？變換？ 2，什么是光泵？，什么是光泵？ 3，描畫脈沖光的物理參量有哪些？單位分別，描畫脈沖光的物理參量有哪些？單位分別是什么？是什么？ 4，什么是幅度調制？可以利用什么方法實現(xiàn)？，什么是幅度調制？可以利用什么方法實現(xiàn)？會出現(xiàn)什么結果？會出現(xiàn)什么結果？ 5，什么是光的相關？，什么是光的相關？ 6，丈量脈沖光的儀器有哪些？，丈量脈沖光的儀器有哪些？第十一章第十一章 時間分辨激光光譜時間分辨激光光譜 超短激光脈沖的產生超短激光脈沖的產生 超短激光脈沖的丈量超短激光脈沖的丈量 壽命丈量壽命丈量 Pump-probe技術技術光譜分辨：光譜分辨：

2、 時間分辨：時間分辨： 空間分辨空間分辨 高分辨高分辨 ,tr( )( )1( )( )2i ti tGg t edtg tGe dFourier變換變換取自取自p.18812TaT 2 ln24ln2=8ln20.883*2TT 高斯線型半高寬半周期超快景象超快景象l 激發(fā)態(tài)的消激發(fā)；激發(fā)態(tài)的消激發(fā)；l 非平衡態(tài)向熱平衡態(tài)的弛豫；非平衡態(tài)向熱平衡態(tài)的弛豫；l 分子預解離；分子預解離；l 飛秒化學；飛秒化學；l 視覺過程；視覺過程；l 光協(xié)作用；光協(xié)作用；l .第第9.1節(jié)節(jié) 超短激光脈沖的產生超短激光脈沖的產生非相關光源的脈沖寬度受激發(fā)放電電子線路脈寬的限制非相關光源的脈沖寬度受激發(fā)放電電子

3、線路脈寬的限制(ms, ns)；而超短光脈沖的產生借助于激光的相關性，可遠小于電學脈寬也可以小于泵浦光脈沖而超短光脈沖的產生借助于激光的相關性，可遠小于電學脈寬也可以小于泵浦光脈沖(fs, as)。一、脈沖激光的時間線型一、脈沖激光的時間線型脈沖激發(fā)脈沖激發(fā)Pp(t)導致脈沖粒子數(shù)反轉導致脈沖粒子數(shù)反轉N(t)，從而產生脈沖激光輸出，從而產生脈沖激光輸出PL(t)，但是激光，但是激光PL(t)又降低粒子數(shù)反轉又降低粒子數(shù)反轉N(t)Pp(t) N(t) 受激發(fā)射受激發(fā)射激光激光 PL(t) N(t) i, k p寬脈沖激光寬脈沖激光染料激光器染料激光器 i, k k 自熄火激光自熄火激光N2激

4、光器激光器 I, k p多尖峰脈沖激光多尖峰脈沖激光燈泵紅寶石激光器燈泵紅寶石激光器泵浦光上升時間泵浦光上升時間基態(tài)基態(tài)i 粒子數(shù)堅持，激發(fā)態(tài)粒子數(shù)堅持，激發(fā)態(tài)k粒子容易去除，粒子容易去除，在光泵光減少之前，激光曾經停頓在光泵光減少之前，激光曾經停頓和泵浦光步伐一致，穩(wěn)定光脈沖和泵浦光步伐一致，穩(wěn)定光脈沖粒子數(shù)反轉快速建立，受激輻射破粒子數(shù)反轉快速建立，受激輻射破壞粒子數(shù)反轉壞粒子數(shù)反轉二、調二、調Q高損耗、低高損耗、低Q值值低損耗、高低損耗、高Q值值目的：目的： 消除尖峰效應，產生強的消除尖峰效應，產生強的窄脈沖激光。窄脈沖激光。原理：原理： 抽運過程中抽運過程中Q值低，當反值低，當反轉粒子

5、數(shù)到達最大值時忽然提高轉粒子數(shù)到達最大值時忽然提高Q值，此時增益比降低了的閾值值，此時增益比降低了的閾值高許多，振蕩場迅速建立，產生高許多，振蕩場迅速建立，產生雪崩過程，受激輻射很快耗盡反雪崩過程，受激輻射很快耗盡反轉粒子數(shù)。轉粒子數(shù)。1，快速轉動腔鏡，實現(xiàn)，快速轉動腔鏡，實現(xiàn)Q開關開關losstotalPPQ02，利用電光效應調，利用電光效應調Q電光效應：電場使晶體的介電張量發(fā)生變化，導致折射率電光效應：電場使晶體的介電張量發(fā)生變化，導致折射率 n變化光率體發(fā)生畸變。變化光率體發(fā)生畸變。 二次二次(平方平方)電光效應電光效應Kerr效應效應 一次一次(線性線性)電光效應電光效應Pockel

6、效應效應2000nnEE偏振旋轉角偏振旋轉角a，實驗安裝圖，實驗安裝圖b，短脈沖圖，短脈沖圖P1, P2偏振方向交叉：偏振方向交叉：三、腔倒空三、腔倒空目的：目的： 從從CW激光器中產生脈沖序列激光器中產生脈沖序列原理：原理： 延續(xù)運轉延續(xù)運轉 (CW) 時時Q值高，激光輸出小，腔內功率高；忽然降低值高，激光輸出小，腔內功率高；忽然降低Q值，腔值，腔內儲存的能量很快釋放，構成脈沖。內儲存的能量很快釋放，構成脈沖。第一次經過晶體：第一次經過晶體：折射折射透射透射第二次第二次M3反射經過晶體：反射經過晶體：折射折射透射透射折射率正比于聲波調制幅度折射率正比于聲波調制幅度sIt )(經過經過M2,

7、prism反射輸出反射輸出虛線虛線缺陷：在脈沖線性里面，包含缺陷：在脈沖線性里面，包含 頻率調制信號頻率調制信號2脈寬脈寬脈沖反復率脈沖反復率舉例舉例四、激光器的鎖模四、激光器的鎖模目的：目的： 獲得更窄更強的激光脈沖獲得更窄更強的激光脈沖原理：原理： 在普通的脈沖或調在普通的脈沖或調Q激光器中，各振蕩縱模獨立輸出能量，模之間激光器中，各振蕩縱模獨立輸出能量，模之間的位相關系不固定，輸出為功率相加的位相關系不固定，輸出為功率相加(mP)。鎖模是使各振蕩模滿足頻域相。鎖模是使各振蕩模滿足頻域相關疊加條件：關疊加條件：1模間隔一定；模間隔一定；2相對位相固定。這樣多縱模在腔內相對位相固定。這樣多縱

8、模在腔內時間相關、振幅疊加，使得總功率出現(xiàn)時間上相對集中時間相關、振幅疊加，使得總功率出現(xiàn)時間上相對集中短脈沖短脈沖(ps)。自動鎖模：用電光、聲光元件進展調幅損耗、調相。自動鎖模：用電光、聲光元件進展調幅損耗、調相。被動鎖模：放置飽和吸收資料于腔內被動鎖模：放置飽和吸收資料于腔內自發(fā)鎖模：多個縱模間的非線性作用自發(fā)鎖模：多個縱模間的非線性作用調調Q： 幾十幾十幾百倍幾百倍 2L / c腔倒空：腔倒空： 2L / c鎖模：鎖模： 2L / mc (m為模數(shù)為模數(shù))模間距周期模間距周期T1TLc2自在光譜程自在光譜程自動鎖模自動鎖模 調制器振幅損耗調制調制器振幅損耗調制單色光單色光幅度調制頻率幅

9、度調制頻率兩邊帶兩邊帶腔模腔模假設調制頻率等于腔模間隔假設調制頻率等于腔模間隔dcf2/假設多次經過聲光調制器假設多次經過聲光調制器f0f20f30.這些方式相關震蕩，相位耦合，在這些方式相關震蕩，相位耦合，在t時候到達最大時，經過時候到達最大時，經過2d/c時也到達最大時也到達最大聲光調制器聲光調制器調制幅度調制幅度透過光強透過光強透過光強幅度透過光強幅度假設假設對應下一個腔模頻率對應下一個腔模頻率增益寬度增益寬度方式間隔方式間隔震蕩方式數(shù)量震蕩方式數(shù)量輸出光強總幅度輸出光強總幅度對應下一個腔模幅度對應下一個腔模幅度方式間隔方式間隔脈寬脈寬5個方式鎖定個方式鎖定15個方式鎖定個方式鎖定被動鎖

10、模被動鎖模 腔內非線性飽和吸收資料的周期性飽和腔內非線性飽和吸收資料的周期性飽和原理起伏模型：原理起伏模型： 自發(fā)輻射光強無規(guī)起伏自發(fā)輻射光強無規(guī)起伏非線性飽和效應非線性飽和效應吸收資料對弱的吸收資料對弱的吸收大對強的吸收小吸收大對強的吸收小 產生周期脈沖產生周期脈沖 (ps)吸收資料吸收資料脈寬脈寬線寬線寬用鎖模激光做同步泵浦用鎖模激光做同步泵浦用脈沖激光器用脈沖激光器L1去泵浦另一激光器去泵浦另一激光器L2，激光器激光器L1的脈沖反復間隔的脈沖反復間隔激光器激光器L2的脈沖反復間隔的脈沖反復間隔cdT/2221dd 同步泵浦同步泵浦L1L2由于飽和效應，輸出脈沖由于飽和效應，輸出脈沖比泵浦

11、脈沖短：可以獲得比泵浦脈沖短：可以獲得1ps的光脈沖的光脈沖21dddT脈寬脈寬0dpsT5 . 0umd1psT1氬離子激光氬離子激光器泵浦器泵浦燃料激光燃料激光器輸出器輸出不同方式產生短脈沖激光不同方式產生短脈沖激光五、飛秒激光的產生五、飛秒激光的產生14380.83141 =800,10, =600,5 10,2cnmHz TfsnmHzTfs1、碰撞脈沖鎖模、碰撞脈沖鎖模colliding-pulse mode locking, CPM在環(huán)形腔中，放大在環(huán)形腔中，放大A1和吸收和吸收A2點間點間距為總長的距為總長的1/4。兩相反方向傳播的。兩相反方向傳播的光脈沖在吸收光脈沖在吸收A2處

12、疊加。構成相漲處疊加。構成相漲相關，構成駐波。相關，構成駐波。1，吸收介質薄，光經過時間短，吸收介質薄，光經過時間短400fs (d100um)2，在駐波中，光強吸收少，光弱吸，在駐波中，光強吸收少，光弱吸收大收大脈沖壓窄。脈沖壓窄。兩脈沖部分重疊，光強兩脈沖部分重疊，光強和吸收調制大和吸收調制大兩脈沖完全重疊，光強兩脈沖完全重疊，光強和吸收調制小和吸收調制小0t2、Kerr透鏡鎖模透鏡鎖模Kerr lens mode locking, KLM ( 20ps： 光二極管光二極管 (PIN)直接探測直接探測 ps： 條紋相機條紋相機 ps： 相關丈量相關丈量Photocathode: photo

13、 electronAcceleration Voltage U: electron to z directionDeflection plate: deflection in y directionLuminescent: get the image一、條紋相機一、條紋相機Deflection voltage:電場掃描，成像系統(tǒng)電場掃描，成像系統(tǒng)y方向上的位置方向上的位置取決于電子到達偏轉電場時間取決于電子到達偏轉電場時間)()(yItI光脈沖經過色譜儀后，在光脈沖經過色譜儀后，在x方方向產生色散向產生色散成像系統(tǒng)不同成像系統(tǒng)不同x位置相應不同位置相應不同波長脈沖分布波長脈沖分布y方向脈寬方向

14、脈寬x方向色散方向色散商用條紋相機商用條紋相機Y 方向偏轉速度：方向偏轉速度：1cm/100ps 1cm/10nsY 方向偏轉速度：方向偏轉速度：1cm/100ps相機空間分辨率：相機空間分辨率：0.1mm時間分辨率：時間分辨率：1ps用條紋相機記錄的間隔為用條紋相機記錄的間隔為4ps的兩的兩fs脈沖脈沖例如例如二、光學相關儀二、光學相關儀探測器線性呼應探測器線性呼應探測時間常數(shù)呼應時間探測時間常數(shù)呼應時間TT脈寬脈寬 每個方式具有不同的周期每個方式具有不同的周期 Fourier 變換變換 兩束光相關兩束光相關 假設對光進展二倍頻假設對光進展二倍頻 一階相關函數(shù)一階相關函數(shù)幅度相關幅度相關 二

15、階相關函數(shù)二階相關函數(shù)強度相關強度相關 兩種方法測脈寬兩種方法測脈寬 干涉自相關干涉自相關 非平行強度相關非平行強度相關 時間常數(shù)為時間常數(shù)為T 的線性探測器信號與脈寬的線性探測器信號與脈寬 無關，也就不能給出脈沖無關，也就不能給出脈沖 的信息。的信息。 T)(tI0=0=21，干涉自相關，干涉自相關 Michel 干涉干涉 非線性晶體非線性晶體 歸一化函數(shù)歸一化函數(shù) 上包絡上包絡 下包絡下包絡 2，非平行強度關聯(lián)，非平行強度關聯(lián)假設兩光以角度聚焦到非線性晶體假設兩光以角度聚焦到非線性晶體滿足一定的相位條件只需來自兩不同光束的雙光滿足一定的相位條件只需來自兩不同光束的雙光子才滿足相位條件。那么

16、背景消除，沒有干涉信號，只探測到等于脈寬的包絡信號。子才滿足相位條件。那么背景消除，沒有干涉信號，只探測到等于脈寬的包絡信號。背景背景 沒有消除背景沒有消除背景 消除背景消除背景 不同線型的脈沖不同線型的脈沖高斯高斯 方波方波 單一噪聲單一噪聲 延續(xù)噪聲延續(xù)噪聲 0.883 ?自相關寬度自相關寬度 脈寬脈寬 頻寬頻寬 FROG技術技術 (Frequency-Resolved Optical Gating Technique)特征：特征： 丈量丈量 3 階自相關，可測非對稱脈沖階自相關，可測非對稱脈沖Gate光泵浦非線性晶體，控制光泵浦非線性晶體，控制probe光的經過光的經過相當一個邏輯相當一

17、個邏輯gate 的作用的作用第第9.3節(jié)節(jié) 用激光丈量壽命用激光丈量壽命丈量壽命的用途：丈量壽命的用途：1，經過探測自發(fā)輻射壽命和自發(fā)輻射光強，探測激發(fā)態(tài)總的躍，經過探測自發(fā)輻射壽命和自發(fā)輻射光強，探測激發(fā)態(tài)總的躍遷幾率和某詳細兩能級間的躍遷幾率遷幾率和某詳細兩能級間的躍遷幾率2，經過光經過吸收后的衰減，獲得粒子數(shù)數(shù)目，經過光經過吸收后的衰減，獲得粒子數(shù)數(shù)目3，獲得碰撞幾率，獲得碰撞幾率B粒子密度粒子密度 碰撞截面碰撞截面 平均速度平均速度 約和質量約和質量 有效壽命有效壽命輻射壽命輻射壽命 氣壓氣壓 探測壽命探測壽命k態(tài)態(tài)n態(tài)態(tài) k態(tài)碰撞截面態(tài)碰撞截面 光的能量密度光的能量密度 Einste

18、in常數(shù)常數(shù) 1，相移方法丈量壽命，相移方法丈量壽命幅度調制頻率幅度調制頻率Pockel cell丈量平均丈量平均有效壽命有效壽命相移相移 調制頻率調制頻率 樣品樣品 激光激光 熒光熒光 激光激光 和熒光相對相移和熒光相對相移 時延門控時延門控 BOXCAR經過控制不同脈沖延遲，丈量在經過控制不同脈沖延遲，丈量在壽命時間內的熒光衰減或者吸收壽命時間內的熒光衰減或者吸收2，單脈沖激發(fā)，單脈沖激發(fā)時延符合單光子計數(shù)丈量壽時延符合單光子計數(shù)丈量壽命內原子數(shù)目衰減命內原子數(shù)目衰減探測光弱探測光弱單光子單光子激光脈沖和熒光之間：進展時間幅度轉換激光脈沖和熒光之間：進展時間幅度轉換光脈沖光脈沖start; 熒光熒光stop通道上的計數(shù)正比與熒光光子數(shù)通道上的計數(shù)正比與熒光光子數(shù)Channel U(t)時間時間Pulse rate 光子計數(shù)光子