瞬态光学PPT课件
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秒发展到了今天的几个飞秒。
锁模激光器自身也经历了固体→染料→固体的螺旋Байду номын сангаас升过程
当前掺钛宝石激光器已能直接产生短至8飞秒的脉冲，脉冲啁啾放 大技术已能将飞秒单脉冲的能量放大至百毫焦耳级。
利用调谐技术、倍频技术及光学参量振荡与放大技术（OPO/OPA） 超短激光脉冲的波长也已经可以覆盖紫外到近红外的整个波段。
33
新型超强超短脉冲激光的出现与迅猛发展，为 人类提供了前所未有的全新的实验手段与极端的物 理条件。就时间尺度而言，可以说人类已由飞秒 （10的负15次方秒）时代稳步迈进亚飞秒甚至阿秒 （10的负18次方秒）时代。所有这一切，都对自然 科学和人类社会的进步产生重要的影响。
34
飞秒科学技术的发展已有近20年历史，80年代末 泽维尔教授做了一系列试验，他用可能是世界上速度 最快的激光闪光照相机拍摄到一百万亿分之一秒瞬间 处于化学反应中的原子的化学键断裂和新形成的过程。 这种照相机用激光以几十万亿分之一秒的速度闪光， 可以拍摄到反应中一次原子振荡的图像。他创立的这 种物理化学被称为飞秒化学，即用高速照相机拍摄化 学反应过程中的分子，记录其在反应状态下的图像， 以研究化学反应。常规状态下，人们是看不见原子和 分子的化学反应过程的，现在则可以通过泽维尔教授 在80年代末开创的飞秒化学技术研究单个原子的运动 过程
气体放电管
23
闪光高速摄影相机
脉冲脉冲
光子灯(脉冲脉冲氙灯的另一分支)
脉冲脉冲
24
克尔快门
N
+
M
-K
克尔效应
25
变像管相机原理图
26
变像管高速相机
➢分幅相机的拍摄频率可达109幅/秒 ➢扫描相机时间分辨率可达10-13 秒
➢光谱响应范围宽、灵敏度高 ➢可方便地和计算机联用，完成信息的处理、传 输、存储和显示
接着，些微改变两个激光照射的时间间隔（即改变光程 差），并不断地反复实验，即可得到许多数据，将这些不同时 间所得到的数据串连在一起，则彷佛能实际观察到化学反应的 整个经过。
36
1超短激光脉冲的发展历史
脉冲激光技术自1965 年用被动锁模红宝石激光器获 得皮秒级脉冲而进入超短范围以来,发展十分迅速.
30
超短激光脉冲为人类提供了强有力的研究超快现象的 手段。利用超短激光脉冲组成的泵浦/探测系统，人们可 以研究物理、化学、生物学中的许多基本过程，例如超晶 格量子阱材料中载流子的行为、有机偶极分子的光致电荷 转移及电荷分离特性、高等植物光合作用的原初过程、血 红蛋白动力学、DNA内能量转移的过程、视紫红质、视黄 醛的光物理过程等等。超短激光脉冲的宽度及功率发展到 今天，不仅使人们得以研究许多需要飞秒级时间分辨能力 的仪器才能研究的深入到原子、分子层次的超快现象，而 且展现了人类控制化学反应的方向及进程并实现分子剪裁 的前景。超短超强激光脉冲的聚焦还提供了等同甚至高于 氢原子场强（5×109V/cm）的光场，为人类开辟了一个
35
基本的原理在于“pump & probe”。首先，以第一个强激 发脉冲（pump pulse）引起反应，同时决定时间零点。然后， 利用第二个探测脉冲（probe pulse）在一段延迟时间之后，测 量因分子振动的变化所引起的光吸收之改变，而知道分子处于 何种状态。
两个脉冲发射的时间间隔，可据由改变探测脉冲与激发脉 冲之间所走过的距离差异（光程差），来作微细调整。由于光 速每秒三十万公里，一飞秒的延迟时间需要约三百三十万分之 一公尺的光程差，若利用精密的机械，即可轻易达成此一微小 距离。
27
两次小爆炸
28
与巴甫洛夫的狗一样，无论什么时候，只要受到一种确定气味刺激，这只经过
训练的蜜蜂就出伸出精巧如管子的“舌头”享受美食。科学家用带子将一个小装置 绑在这只蜜蜂上，而后进行气味刺激。借助强大的嗅觉，它很快就学会如何将食物 与特定气味联系起来。
蜜蜂“吐舌”
29
二 超短脉冲激光技术
60年代中期实现固体激光器的锁模，激光脉冲的脉宽由数百皮
15
间歇式高速相机
16
光学补偿式高速相机
17
➢相机拍摄频率可达数 万幅/秒 ➢扫描相机时间分辨率 可达10-8 秒 ➢每次胶片用量小于1米
适合外弹道测试
鼓轮式高速相机
18
转镜式高速相机
19
转镜式高速相机光学原理图
20
转镜式高速相机
❖可以实现同步和等待两种工作方式 ❖分幅相机拍摄频率可达数千万幅/秒 ❖扫描相机时间分辨率可达10-9 秒 ❖可实现同时扫描分幅 ❖每次拍摄胶片用量小于1米
21
光电子类高速相机
定义 分类
闪光高速摄影 高速视频录象 变像管高速摄影相机
由于电子技术的发展，高速视频录像已达到较高性能，目 前已逐步取代中低速的光机式相机
变像管相机越来越成为精密物理实验中的重要测试设备
超高速特种CCD相机幅频已达百万幅每秒
22
闪光高速摄影相机
玻璃气体放电管
陶瓷气体放电管
瞬态光学
瞬态光学研究瞬态现象的光学诊断手段及瞬 态过程伴有的光学现象，包括高速摄影和超短激 光脉冲技术。
1
一 高速摄影
快速记录瞬态过程——时间放大镜 现代精密高速摄影仪器已可分辨10-15 s，从而
使人眼的时间分辨本领提高了13个数量级。 高速摄影技术已在各种科技领域中得到广泛的
应用
2
3
4
5
6
7
8
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10
11
12
13
高速摄影仪器的分类
光机式高速相机
间歇式 光学补偿式 鼓轮式 转镜式 网格式
光电子类高速相机
闪光高速摄影 高速视频录像
变像管高速摄影
14
光机式高速相机
这类相机在20世纪70年代已经发展得较为成熟 拍摄频率从几百幅/秒到几千万幅/秒 在国防科技领域得到了广泛应用 间歇式相机和鼓轮式相机已逐步被高速视频录象 所代替
新的研究领域——强场物理。
31
飞秒和阿秒
什么是飞秒和阿秒？ 飞秒科学的发展 阿秒科学的发展 飞秒和阿秒科学的用途
32
多数人听到"飞秒"或"阿秒"这个词的时候，都会自然 地以为这是个时间的概念。它们确实都是时间的单位， 是标衡时间长短的一种计量单位。飞秒其实也叫做毫微 微秒，即1飞秒只有10的负15次方秒。我们知道，光速 是一秒钟30万公里，而在一飞秒之内，光只能走0.3微 米，这只是一根头发丝的不到百分之一。而阿秒呢相当 于10的负18次方秒，是飞秒的千分之一。
锁模激光器自身也经历了固体→染料→固体的螺旋Байду номын сангаас升过程
当前掺钛宝石激光器已能直接产生短至8飞秒的脉冲，脉冲啁啾放 大技术已能将飞秒单脉冲的能量放大至百毫焦耳级。
利用调谐技术、倍频技术及光学参量振荡与放大技术（OPO/OPA） 超短激光脉冲的波长也已经可以覆盖紫外到近红外的整个波段。
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新型超强超短脉冲激光的出现与迅猛发展，为 人类提供了前所未有的全新的实验手段与极端的物 理条件。就时间尺度而言，可以说人类已由飞秒 （10的负15次方秒）时代稳步迈进亚飞秒甚至阿秒 （10的负18次方秒）时代。所有这一切，都对自然 科学和人类社会的进步产生重要的影响。
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飞秒科学技术的发展已有近20年历史，80年代末 泽维尔教授做了一系列试验，他用可能是世界上速度 最快的激光闪光照相机拍摄到一百万亿分之一秒瞬间 处于化学反应中的原子的化学键断裂和新形成的过程。 这种照相机用激光以几十万亿分之一秒的速度闪光， 可以拍摄到反应中一次原子振荡的图像。他创立的这 种物理化学被称为飞秒化学，即用高速照相机拍摄化 学反应过程中的分子，记录其在反应状态下的图像， 以研究化学反应。常规状态下，人们是看不见原子和 分子的化学反应过程的，现在则可以通过泽维尔教授 在80年代末开创的飞秒化学技术研究单个原子的运动 过程
气体放电管
23
闪光高速摄影相机
脉冲脉冲
光子灯(脉冲脉冲氙灯的另一分支)
脉冲脉冲
24
克尔快门
N
+
M
-K
克尔效应
25
变像管相机原理图
26
变像管高速相机
➢分幅相机的拍摄频率可达109幅/秒 ➢扫描相机时间分辨率可达10-13 秒
➢光谱响应范围宽、灵敏度高 ➢可方便地和计算机联用，完成信息的处理、传 输、存储和显示
接着，些微改变两个激光照射的时间间隔（即改变光程 差），并不断地反复实验，即可得到许多数据，将这些不同时 间所得到的数据串连在一起，则彷佛能实际观察到化学反应的 整个经过。
36
1超短激光脉冲的发展历史
脉冲激光技术自1965 年用被动锁模红宝石激光器获 得皮秒级脉冲而进入超短范围以来,发展十分迅速.
30
超短激光脉冲为人类提供了强有力的研究超快现象的 手段。利用超短激光脉冲组成的泵浦/探测系统，人们可 以研究物理、化学、生物学中的许多基本过程，例如超晶 格量子阱材料中载流子的行为、有机偶极分子的光致电荷 转移及电荷分离特性、高等植物光合作用的原初过程、血 红蛋白动力学、DNA内能量转移的过程、视紫红质、视黄 醛的光物理过程等等。超短激光脉冲的宽度及功率发展到 今天，不仅使人们得以研究许多需要飞秒级时间分辨能力 的仪器才能研究的深入到原子、分子层次的超快现象，而 且展现了人类控制化学反应的方向及进程并实现分子剪裁 的前景。超短超强激光脉冲的聚焦还提供了等同甚至高于 氢原子场强（5×109V/cm）的光场，为人类开辟了一个
35
基本的原理在于“pump & probe”。首先，以第一个强激 发脉冲（pump pulse）引起反应，同时决定时间零点。然后， 利用第二个探测脉冲（probe pulse）在一段延迟时间之后，测 量因分子振动的变化所引起的光吸收之改变，而知道分子处于 何种状态。
两个脉冲发射的时间间隔，可据由改变探测脉冲与激发脉 冲之间所走过的距离差异（光程差），来作微细调整。由于光 速每秒三十万公里，一飞秒的延迟时间需要约三百三十万分之 一公尺的光程差，若利用精密的机械，即可轻易达成此一微小 距离。
27
两次小爆炸
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与巴甫洛夫的狗一样，无论什么时候，只要受到一种确定气味刺激，这只经过
训练的蜜蜂就出伸出精巧如管子的“舌头”享受美食。科学家用带子将一个小装置 绑在这只蜜蜂上，而后进行气味刺激。借助强大的嗅觉，它很快就学会如何将食物 与特定气味联系起来。
蜜蜂“吐舌”
29
二 超短脉冲激光技术
60年代中期实现固体激光器的锁模，激光脉冲的脉宽由数百皮
15
间歇式高速相机
16
光学补偿式高速相机
17
➢相机拍摄频率可达数 万幅/秒 ➢扫描相机时间分辨率 可达10-8 秒 ➢每次胶片用量小于1米
适合外弹道测试
鼓轮式高速相机
18
转镜式高速相机
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转镜式高速相机光学原理图
20
转镜式高速相机
❖可以实现同步和等待两种工作方式 ❖分幅相机拍摄频率可达数千万幅/秒 ❖扫描相机时间分辨率可达10-9 秒 ❖可实现同时扫描分幅 ❖每次拍摄胶片用量小于1米
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光电子类高速相机
定义 分类
闪光高速摄影 高速视频录象 变像管高速摄影相机
由于电子技术的发展，高速视频录像已达到较高性能，目 前已逐步取代中低速的光机式相机
变像管相机越来越成为精密物理实验中的重要测试设备
超高速特种CCD相机幅频已达百万幅每秒
22
闪光高速摄影相机
玻璃气体放电管
陶瓷气体放电管
瞬态光学
瞬态光学研究瞬态现象的光学诊断手段及瞬 态过程伴有的光学现象，包括高速摄影和超短激 光脉冲技术。
1
一 高速摄影
快速记录瞬态过程——时间放大镜 现代精密高速摄影仪器已可分辨10-15 s，从而
使人眼的时间分辨本领提高了13个数量级。 高速摄影技术已在各种科技领域中得到广泛的
应用
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高速摄影仪器的分类
光机式高速相机
间歇式 光学补偿式 鼓轮式 转镜式 网格式
光电子类高速相机
闪光高速摄影 高速视频录像
变像管高速摄影
14
光机式高速相机
这类相机在20世纪70年代已经发展得较为成熟 拍摄频率从几百幅/秒到几千万幅/秒 在国防科技领域得到了广泛应用 间歇式相机和鼓轮式相机已逐步被高速视频录象 所代替
新的研究领域——强场物理。
31
飞秒和阿秒
什么是飞秒和阿秒？ 飞秒科学的发展 阿秒科学的发展 飞秒和阿秒科学的用途
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多数人听到"飞秒"或"阿秒"这个词的时候，都会自然 地以为这是个时间的概念。它们确实都是时间的单位， 是标衡时间长短的一种计量单位。飞秒其实也叫做毫微 微秒，即1飞秒只有10的负15次方秒。我们知道，光速 是一秒钟30万公里，而在一飞秒之内，光只能走0.3微 米，这只是一根头发丝的不到百分之一。而阿秒呢相当 于10的负18次方秒，是飞秒的千分之一。