超快超強(qiáng)激光技術(shù)的調(diào)研答辯PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 超快超強(qiáng)激光技術(shù)的調(diào)研答辯超快超強(qiáng)激光技術(shù)的調(diào)研答辯 報(bào)告大綱 1 1）激光的產(chǎn)生及其特點(diǎn)）激光的產(chǎn)生及其特點(diǎn) 2 2）脈沖激光及調(diào)）脈沖激光及調(diào)Q Q、鎖模技術(shù)、鎖模技術(shù) 3 3）飛秒激光）飛秒激光 4 4）啁啾脈沖放大技術(shù)）啁啾脈沖放大技術(shù) 5 5）超快超強(qiáng)激光）超快超強(qiáng)激光 第1頁/共28頁 什么叫激光？什么叫激光？ 激激 光：光： 屬于受激輻射相干光。屬于受激輻射相干光。 普普 通通 光：光： 屬于自發(fā)輻射非相干光。屬于自發(fā)輻射非相干光。 Light or laser 無輻射躍遷 1960年，由年，由Maiman 實(shí)現(xiàn)第一臺(tái)激光器：實(shí)現(xiàn)第一臺(tái)激光器： 紅寶石激光器。給古紅寶石

2、激光器。給古 老的光學(xué)學(xué)科帶來強(qiáng)老的光學(xué)學(xué)科帶來強(qiáng) 大的生命力，引起現(xiàn)大的生命力，引起現(xiàn) 代光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的迅代光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的迅 猛發(fā)展。猛發(fā)展。 第2頁/共28頁 激光與普通光源有極大不同 第3頁/共28頁 第4頁/共28頁 脈 沖 激 光 發(fā) 展 歷 史 脈脈 沖沖 寬寬 度度 第5頁/共28頁 調(diào)調(diào)Q Q激光脈沖的建激光脈沖的建 立過程立過程。 圖圖(a)表示泵浦速率表示泵浦速率Wp隨隨 時(shí)間的變化時(shí)間的變化； 圖圖(b)表示腔損耗隨時(shí)間表示腔損耗隨時(shí)間 的變化；的變化； 圖圖(c)表示粒子反轉(zhuǎn)數(shù)表示粒子反轉(zhuǎn)數(shù) n的變化的變化； 圖圖(d)表示腔內(nèi)光子數(shù)表示腔內(nèi)光子數(shù) 隨時(shí)間的變化。隨時(shí)間

3、的變化。 Q開關(guān)激光脈沖建立過程開關(guān)激光脈沖建立過程 n i n t Q 第6頁/共28頁 先看三個(gè)不同頻率光波的疊加：Ei = E0cos(2 i t+ i ) i=1,2,3 設(shè)三個(gè)振動(dòng)頻率分別為1 、 2 、 3 的三個(gè)光波沿同一方向傳播， 且有關(guān)系式： 3=31， 2= 21 , E1 = E 2 =E3 = E0 若相位未鎖定，則此三個(gè)不 同頻率的光波的初位相 1 、 2 、 3 彼此無關(guān)，如左圖 ，由于破壞性的干涉疊加破壞性的干涉疊加， 所形成的光波并沒有一個(gè)地 方有很突出的加強(qiáng)。輸出的 光強(qiáng)只在平均光強(qiáng)3 E02 /2級(jí) 基礎(chǔ)上有一個(gè)小的起伏擾動(dòng) 。 -E0 E0 I(t) 0

4、E(t) v3=3v1, v2=2v1， 初相 位 無規(guī)律 v3 v2 v1 未 鎖 相 前的三個(gè)光波 的疊加 time 3 E02 /2 二、鎖模的基本原理二、鎖模的基本原理 第7頁/共28頁 但若設(shè)法使 1 = 2 = 3 =0時(shí)， 有 E1 = E0cos(21 t) E2 = E0cos(41 t) E3 = E0cos(61 t) 9E0 2 9E0 2 3 2 1 t1/v1 0 2/(3v1)1/(3v1) -E0 E0 0 I(t) E(t) v3=3v1, v2=2v1， 初位相相同(0) v3 v2 v1 三個(gè)光波 的 相位鎖 定 當(dāng) t=0 時(shí), E = 3E0, E2

5、= 9E02; t = 1/(31)時(shí), E1 = E0cos(2/3) = -E0/2， E2 = E0cos(4/3) = -E0/2, E3 = E0cos(2) = E0 , 三波疊加的結(jié)果是 ： E = E1 + E 2 + E3 = 0; 同理可得，t=2/(31 )時(shí)，E = 0；t = 1/1時(shí) ，E = 3E0 第8頁/共28頁 時(shí)間時(shí)間 鎖模脈沖序列鎖模脈沖序列 這樣就會(huì)出現(xiàn)一系列周期性的脈沖，見下圖。 當(dāng)各光波振幅同時(shí)達(dá)到最大值處時(shí)，由于“建設(shè)性”的干涉作用，就周期性地出現(xiàn)了極大值。當(dāng)然, 對(duì)于諧振腔內(nèi)存在多個(gè)縱模的情況，同樣有類似的結(jié)果。 鎖模的方法鎖模的方法 1.主動(dòng)

6、鎖模：主動(dòng)鎖模： 主動(dòng)鎖模采用的是周期性調(diào)制諧振腔參量的方法。主動(dòng)鎖模是在激光腔內(nèi)插入一個(gè)調(diào)制器，調(diào)制器的調(diào)制頻率應(yīng)精確地等于縱模間隔，這樣可以得到重復(fù)頻率為主動(dòng)鎖模采用的是周期性調(diào)制諧振腔參量的方法。主動(dòng)鎖模是在激光腔內(nèi)插入一個(gè)調(diào)制器，調(diào)制器的調(diào)制頻率應(yīng)精確地等于縱模間隔，這樣可以得到重復(fù)頻率為fc/2L的鎖模脈沖序列。的鎖模脈沖序列。 第9頁/共28頁 第10頁/共28頁 飛秒激光太瓦系統(tǒng) 第11頁/共28頁 1 脈沖形式：不是一直在發(fā)射的，而是每隔一段時(shí)間T發(fā)射一個(gè)包絡(luò)。 2 脈寬短：每個(gè)脈沖包絡(luò)持續(xù)的時(shí)間只有飛秒量級(jí)。 3 光譜很寬：不再是單色的，而是具有不同的顏色成分。這與傳統(tǒng)意義的

7、激光已經(jīng)不同了。 飛秒是多短的時(shí)間？ 答案：1飛秒=10-15秒。 第12頁/共28頁 棱鏡棱鏡 高反鏡高反鏡 Ti:S 凹面反射鏡凹面反射鏡 透鏡透鏡 532 nm 泵浦光泵浦光 棱鏡棱鏡 泵鏡泵鏡 輸出鏡輸出鏡 飛秒激光振蕩器結(jié)構(gòu)圖飛秒激光振蕩器結(jié)構(gòu)圖 第13頁/共28頁 第14頁/共28頁 飛秒激光作為激光領(lǐng)域里的一支奇葩，越來越受到人 們的廣泛重視，其研究進(jìn)展也會(huì)推動(dòng)相關(guān)的其他科學(xué) 更快速的向前發(fā)展！ 超短激光脈沖超短激光脈沖 阿秒物理（阿秒物理（,A,A） 超快電子學(xué)（超快電子學(xué)（ ） 高速開關(guān)、高速光通訊等高速開關(guān)、高速光通訊等 強(qiáng)場(chǎng)物理（強(qiáng)場(chǎng)物理（ , , A） 等離子體物理、核

8、聚變、等離子體物理、核聚變、X射線激光等射線激光等 超快現(xiàn)象（超快現(xiàn)象（,l,l） 化學(xué)、凝聚態(tài)物理、生命科學(xué)化學(xué)、凝聚態(tài)物理、生命科學(xué) 精密加工（精密加工（,l,l） THz輻射（輻射（ ） 光學(xué)原子鐘、相干控制（光學(xué)原子鐘、相干控制（, , ） 激光引雷（激光引雷（,A,l,A,l） 第15頁/共28頁 四、啁啾脈沖放大技術(shù)四、啁啾脈沖放大技術(shù) 激光的出現(xiàn)為重要標(biāo)志，相干光輻射替代了 非相干光輻射;激光出現(xiàn)以后的調(diào)Q脈沖技術(shù) 以及鎖模技術(shù)又使得激光峰值功率得以較大 幅度提高。 由于受增益飽和效應(yīng)等影響，脈 沖峰值功率的進(jìn)一步提高只是在啁啾脈沖放 大技術(shù)出現(xiàn)以后才得以實(shí)現(xiàn)。這一技術(shù)的引 入，

9、不僅使脈沖峰值功率大幅度得以提高， 其實(shí)驗(yàn)裝置也大大簡(jiǎn)化。 第16頁/共28頁 啁啾脈沖放大技啁啾脈沖放大技 術(shù)術(shù) 第17頁/共28頁 的新紀(jì)元。 五、超快超強(qiáng)激光五、超快超強(qiáng)激光 第18頁/共28頁 第19頁/共28頁 u 時(shí)間寬度非常短。時(shí)間寬度非常短。 可以用于處理持續(xù)時(shí)間非常的物理化學(xué)過程：可以用于處理持續(xù)時(shí)間非常的物理化學(xué)過程： 瞬態(tài)成像；瞬態(tài)成像； 超快光開光；超快光開光； 高速光通信高速光通信 u 光譜含量非常豐富。光譜含量非常豐富。 可以用于激光光譜檢測(cè)：可以用于激光光譜檢測(cè)： 脈沖整形；脈沖整形； 通信中的光譜編碼；通信中的光譜編碼； 第20頁/共28頁 長(zhǎng)長(zhǎng)10 m高高7

10、m立體公牛圖立體公牛圖微小蜘蛛和恐龍模型微小蜘蛛和恐龍模型 u 精確的靶向聚焦精確的靶向聚焦 第21頁/共28頁 u 光脈沖的峰值功率非常高光脈沖的峰值功率非常高 。 脈沖功率脈沖功率=脈沖能量脈沖能量/脈沖時(shí)間寬度脈沖時(shí)間寬度 時(shí)間時(shí)間 /PE 1kHz、40fs、0.7 1012W的激光系統(tǒng)的激光系統(tǒng) 激光加工；激光加工； 激光醫(yī)學(xué)手術(shù)；激光醫(yī)學(xué)手術(shù)； 強(qiáng)場(chǎng)激光與物質(zhì)相互作用；強(qiáng)場(chǎng)激光與物質(zhì)相互作用； 激光核聚變；激光核聚變； 1.0 1015W聚焦功率密度聚焦功率密度:10201022Wcm2 第22頁/共28頁 飛秒脈沖持續(xù)時(shí)間段，能量集中，能提供瞬間的超高功率密度和超強(qiáng)電磁場(chǎng)。 超強(qiáng)光場(chǎng)：1021W/cm2 超強(qiáng)電場(chǎng)：1011 V/cm 超強(qiáng)磁場(chǎng)：109 G、 超高加速度：1019 g 超高溫：109 K 超高壓: 108 Bar 第23頁/共28頁 超高速探測(cè)飛秒化學(xué)超高速探測(cè)飛秒化學(xué) 激發(fā)分子產(chǎn)生化激發(fā)分子產(chǎn)生化 學(xué)反應(yīng)學(xué)反應(yīng) 探測(cè)熒光探