激光原理8-超短脉冲概论
超短脉冲技术
，在一个周期内有2N个零值点，2N+1个极值点。
在t=0和t=2L/c时，A(t)取得极大值，此时A(t)=（2N+1)E0
在t=L/c时，A(t)取得极小值，此时N为偶数时，A(t)=E0，
N为奇数时，A(t)=-E0。 除了t=0，L/c及2L/c点之外，A(t)具有2N-1次极大值。 由于光强正比于A2(t)，所以在t=0和t=2L/c时的极大值，称为主脉冲。在两个 相邻主脉冲之间，共有2N个零点，并有2N-1个次极大值，称为次脉冲。
被动锁模
1 工作原理 由于染料的可饱和吸收系数随光强的增加而下降，所以高增益激光器所产生的高 强度激光能使染料吸收饱和。图3.3—1示出了激光通过染料的透过率T随激光强度 I 的 变化情况。强信号的透过率较弱信号的为大，只有小部分为染料所吸收。强、弱信号 大致以染料的饱和光强 Is来划分。大于Is的光信号为强信号，否则为弱信号。 在没有发生锁模以前，假设腔内光子的分布基本上是均匀 的，但还有一些起伏。由于染料具有可饱和吸收的特性， 弱的信号透过率小，受到的损耗大，而强的信号则透过率 大，损耗小，且其损耗可通过工作物质的放大得到补偿。 所以光脉冲每经过染料和工作物质一次。其强弱信号的强 度相对值就改变一次，在腔内多次循环后，极大值与极小 。 值之差会越来越大。脉冲的前沿不断被削陡，而尖峰部分 能有效地通过，则使脉冲变窄。
Eq (t ) Eq cos(qt q )
式中 ωq和 φq 分别是第q个模式的角频率和初相位，
Eq——第q个纵模的电场振幅
多纵模自由振荡激光器的输出特点
• 各纵模的初相位φq 无确定 关系，完全独立随机。 • 相邻纵模之间的频率间隔 不严格相等。 • 输出光强呈现随机的无规 则起伏，平均光强是各纵模 光强之和。
超短脉冲技术要点
I I t E2 t
E2 q
cos2
➢ 高带宽：光脉冲的脉宽和其带宽乘积为相同数量级，脉宽 缩短，则带宽增加。100fs的脉冲宽度其带宽达到了10THz， 最短的可见光波段超短激光脉冲的带宽已经包含了大部分 可见光光谱区，看起来象白光一样。高带宽在光通信方面 非常重要。
➢ 高功率激光：激光器输出功率提升意味着体积的增加，也 意味着费用的增长，fs技术可以用中等输出能量的激光器产 生有极高峰值功率激光输出，目前已达到1015W量级的峰值 功率和1020W/cm2的光强。
属于非相干叠加，没有干涉项，为非同步辐射。
对于无规则变化的光场，讨论其瞬时光强I t 意义
不大，一般讨论其平均光强。
§3.1概论
▪ 光场的平均光强
I t E t 2 N Eq cos q t • N Eq cos q t
qN
qN
Eq2 cos2 q t 2 Eq Eq cos q t cos q t
2、纵模间隔非严格相等。
q
q c 2Lq
q c 2L0nq
q
q1 q
c 2L0
q 1
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
nq1
q
1
nq
m
3、各纵模初始相位随机分布，q1 q const.
以上三点互相关联，由于色散造成的 q
和
m
各纵模初始相位随机分布造成了 t 的随机分布，
最终造成输出的光场在时域随时间做无规则起伏，
激光原理与技术
超短脉冲技术
1
§3.1概论
由图中可知，光子封闭在L中，L为谐振腔的几何长度， 则光子的空间测不准量为x L。 光子在谐振腔中往返振荡，其动量测不准量为
超短脉冲激光及其相关应用的一些基本知识
超短脉冲激光及其相关应用的一些基本知识一、本文概述超短脉冲激光，作为现代光学领域的璀璨明珠，以其独特的性质和应用价值，正逐渐引起人们的广泛关注和深入研究。
本文旨在全面介绍超短脉冲激光的基本概念、产生机制、特性以及其在各个领域中的应用，帮助读者更好地理解和应用这一前沿技术。
我们将首先概述超短脉冲激光的定义和特点，包括其脉冲宽度、峰值功率、光谱特性等基本属性。
接着，我们将探讨超短脉冲激光的产生方法，包括调Q技术、锁模技术、光参量放大等，并简要介绍各种方法的原理和应用场景。
在了解了超短脉冲激光的基本特性后，我们将重点介绍其在各个领域中的应用。
这些应用包括但不限于：光学精密测量、超快现象研究、材料加工、生物医学等。
我们将结合具体案例，详细阐述超短脉冲激光在这些领域中的独特优势和实际应用效果。
我们将对超短脉冲激光的发展前景进行展望，分析其在未来科学研究和技术应用中的潜在价值和挑战。
通过本文的阅读，读者将能够全面而深入地了解超短脉冲激光及其相关应用的基本知识，为其在未来的科研和工作中提供有益的参考和启示。
二、超短脉冲激光的基本原理超短脉冲激光，也被称为超快激光，其脉冲宽度通常在纳秒（ns）甚至更短的皮秒（ps）、飞秒（fs）量级。
这种激光技术的基本原理主要涉及到激光产生和控制的物理过程。
我们需要理解激光是如何产生的。
激光产生的关键在于实现粒子数反转，即高能级粒子数大于低能级粒子数。
当高能级粒子数足够多时，受激辐射将占据主导地位，从而产生激光。
超短脉冲激光的产生则需要在此基础上，进一步控制激光的振荡过程，以实现脉冲宽度的缩短。
超短脉冲激光的产生通常利用调Q技术或锁模技术。
调Q技术通过改变谐振腔的Q值（品质因数），使得激光能量在短时间内迅速积累并释放，从而得到高能量的超短脉冲。
而锁模技术则是通过特定的光学元件和控制系统，使得谐振腔内的多个振荡模式同步，形成单一的高强度超短脉冲。
超短脉冲激光的特性使其在许多领域具有广泛的应用。
《超短脉冲技术》课件
超短脉冲的波形控制
脉冲整形技术
通过改变脉冲的波形，实现脉冲能量的优化分配 ，提高脉冲的稳定性和可靠性。
脉冲压缩技术
通过光学元件的色散效应，将长脉冲压缩成短脉 冲，提高脉冲的峰值功率。
脉冲多路复用技术
将多个超短脉冲组合在一起，实现更高的输出功 率和更广泛的调谐范围。
超短脉冲的稳定性问题
1 2
模式跳变
激光雷达与测距
• 激光雷达与测距：超短脉冲激光雷达是一种高精度、高分辨率 的测距和定位技术。它利用超短脉冲的宽光谱和高重复频率特 性，能够实现高精度的距离和速度测量，被广泛应用于地形测 绘、无人驾驶、气象观测等领域。
原子分子光谱学研究
• 原子分子光谱学研究：超短脉冲 技术为原子分子光谱学研究提供 了新的手段。由于超短脉冲的宽 光谱特性和高峰值功率，它能够 产生瞬时的强光场，从而实现对 原子分子高分辨率和高灵敏度的 光谱测量。这种技术被广泛应用 于物理、化学和天文学等领域。
光纤损耗
光纤中的折射率不均匀、光纤弯曲和 杂质等都会引起光波散射，导致脉冲 能量损失。
空气损耗
超短脉冲在空气中传输时，会被空气 中的分子和气溶胶粒子吸收和散射， 造成能量损失。
04
超短脉冲的应用实例
超快光学成像
• 超快光学成像：超短脉冲技术被广泛应用于超快光学成像领 域。由于超短脉冲的极短持续时间和高峰值功率，它能够产 生瞬时的光场，从而在极短的时间内对物质进行高分辨率和 高灵敏度的成像。这种技术被广泛应用于生物医学、材料科 学和物理学等领域。
光纤放大
利用掺杂光纤作为增益介质，通过泵浦光激发电子-空穴对，实现 信号光的放大。
固态晶体放大
利用固态晶体中的非线性效应，实现信号光的放大。
超短脉冲激光技术-PPT
2N+1个振荡得模经过锁相以后,总得光场变为频率为ω0得调幅
波。振幅Ａ(t)就是一随时间变化得周期函数
为讨论方便,假定α = 0,则
7个纵模锁定后得输出光强
具有如下性质:
(1)激光器得输出就是间隔为τ=2L/c得规则脉冲序列
(2)每个脉冲得宽度
1 2N 1
1 q
,可见增益线宽愈宽,愈可能得到
驰豫振荡产生得激光脉冲得特点: l脉冲得峰值功率低 l增大抽运能量只会增加小尖峰得个数 l脉宽度约为ms量级
驰豫振荡示意图
调Q原理
驰豫振荡脉冲能量低得原因在于每个脉冲总在阈值附近产生
要产生高能量脉冲,必须控制腔内损耗,即调节腔内得品质因数Q
设法在光泵浦初期将激光器内得振荡阈值调高,从而抑制激光振 荡,使工作物质得上能级粒子数得到积累。随着光泵得继续激励, 上能级粒子数逐渐积累到最大值。此时,突然将器件得阈值调低, 那么,积累在上能级得大量粒子便雪崩式地跃到激光下能级,从而 获得贬值功率极高得激光脉冲输出。
被动锁模原理
在没有发生锁模以前,假设腔内光子得分布基 本上就是均匀得,但还有一些起伏。由于染料 具有可饱与吸收得特性,弱得信号透过率小, 受到得损耗大,而强得信号则透过率大,损耗 小,且其损耗可通过工作物质得放大得到补偿。 所以光脉冲每经过染料与工作物质一次。其 强弱信号得强度相对值就改变一次,在腔内多 次循环后,极大值与极小值之差会越来越大。 脉冲得前沿不断被削陡,而尖峰部分能有效地 通过,则使脉冲变窄。
可饱与吸收体得吸收特性
被动锁模过程
Intensity
Short time (fs)
k= 1 k= 2 k= 3
k= 7
超短脉冲激光器的研究与应用
超短脉冲激光器的研究与应用超短脉冲激光器是一种能够产生拥有极高强度和超短持续时间的激光束的设备。
它被广泛应用于科学研究、工业领域以及医疗领域。
本文将介绍超短脉冲激光器的原理、制造和应用。
一、超短脉冲激光器的原理超短脉冲激光器可以产生纳秒或皮秒级别的超短脉冲。
这种激光器的原理是使用长脉冲激光与非线性光学晶体相互作用，通过非线性效应将长脉冲激光转化为超短脉冲激光。
超短脉冲激光的产生是通过自发参量下转换的方式实现的。
当长脉冲激光通过非线性晶体时，晶体内的光学非线性效应会产生额外的频率组合。
这些频率组合将产生新的光波，并被反射回晶体中，与原来的激光束相互作用，最终产生超短脉冲。
二、超短脉冲激光器的制造超短脉冲激光器的制造需要使用光学晶体和半导体材料。
此外，还需要使用先进的光学器件和控制电路来实现激光器的操作和控制。
制造超短脉冲激光器的主要步骤包括选择光学晶体和半导体材料、设计和制造激光器的光学组件、控制电路的设计和安装、以及激光器的测试和校准。
超短脉冲激光器的性能受到多种因素的影响，包括激光器的波长、脉宽、能量和模式。
这些因素的选择和优化可以根据应用的需要进行调整。
三、超短脉冲激光器的应用超短脉冲激光器的应用范围非常广泛。
在科学研究方面，它被用于制备纳米结构和超快速动态过程的研究。
此外，超短脉冲激光还被用于制备微电子元件和纳米生物芯片等高精密度器件。
在工业领域，超短脉冲激光器被用于加工材料，例如改善表面质量和切割薄片。
另外，它还被用于制作光学元件和光学相干断层扫描等领域。
在医疗领域，超短脉冲激光器被用于进行激光手术、皮肤去除和其他美容技术。
此外，它还被用于制备人工晶体和医用器械等高精度器件。
四、超短脉冲激光器的发展趋势随着科学技术的不断进步，超短脉冲激光技术在不同领域中的应用越来越广泛。
未来，随着激光器材料和器件等技术不断成熟，超短脉冲激光器的性能和应用将会得到进一步的提升。
总之，超短脉冲激光器是一种极其重要的光学设备，应用范围广泛。
超短脉冲技术
非线性放大阶段：选择出的强脉冲不但能使染料吸收饱和，而 且使激光工作物质的增益达到饱和，当强脉冲经过激活介质时， 前沿及中心部位放大得多，致使脉冲后沿放大得少，甚至得不 到放大，其结果使前后沿变陡，脉冲变窄，小脉冲几乎被完全 抑制，最后输出一个高强度窄脉宽的脉冲序列。
§3.1概论
▪ 高斯分布锁模脉冲特性
设激光器纵模为高斯分布，中心频率0，q
0，振幅E0, FWHM
，
g
则有Eq2
E2 0
exp
2 g
2 q
ln 2
Eq
E0
exp
2 2g
q
2
ln
2，
则E t Eq exp i qt 0 Eq exp i 0 q t 0
以上三点互相关联，由于色散造成的 q
和
m
各纵模初始相位随机分布造成了 t 的随机分布，
最终造成输出的光场在时域随时间做无规则起伏，
N
其平均光强I Iq ,为各纵模光强之和，属于非 q N
相干叠加，没有干涉项，为非同步辐射。锁模技术
要实现各纵模之间的同步。
§3.1概论
▪ 锁模原理
如果采用某种技术，使
§3.1概论
▪ 超短脉冲特性
➢ 高时间分辨率：超短脉冲的脉宽在ps、fs甚至更短，能够作 为测量固体物理、化学、生物材料等领域超快物理过程的 测量工具。
➢ 高空间分辨率：超短光脉冲空间长度是脉冲宽度与光速的 乘积，随着光脉宽的缩短，其空间长度也不断缩短，已经 达到微米量级，这在显微成象方面有很大用途。
超短脉冲激光在微纳加工中的应用研究
超短脉冲激光在微纳加工中的应用研究随着科技的不断发展，微纳技术在制造业、医学、通讯等领域得到了广泛的应用。
微纳加工是微纳技术的重要组成部分，而超短脉冲激光则是微纳加工中的一种核心技术。
本文将从超短脉冲激光的基本原理、加工特性及其在微纳加工中的应用展开探讨。
一、超短脉冲激光的基本原理激光是指光束经过放大后能够聚集并形成非常亮的高能光束。
超短脉冲激光则是脉宽在皮秒以下的激光。
在超短脉冲激光中，多个电子被引发，并排成连续的等距的电流带，这个过程叫皮秒爆轰。
在爆轰结束时，被激发的电子会重新排列，因而产生高强度的电子束，即产生超短脉冲激光。
这种激光具有高的能量密度、小的作用面积，并且能够达到高的加工精度。
二、加工特性超短脉冲激光确定了其在微纳加工中的重要地位，其加工特性主要表现在以下几个方面：1. 高能量密度：超短脉冲激光的能量密度很高，可以瞬间融化或气化材料，使其变成等离子体。
由于超短脉冲激光的能量密度远高于常规激光，因此它的加工速度也要较快。
2. 高精度：超短脉冲激光具有精密的切割特性，在切割时不会产生热变形和裂纹等缺陷，将加工精度提升到更高的程度。
3. 低热影响：超短脉冲激光在加工过程中几乎不产生热影响，使加工质量得到极大地提高，同时减少了加工过程中产生的热应力，避免了因热影响而引起的质量缺陷。
三、超短脉冲激光在微纳加工中的应用由于超短脉冲激光具有高能量密度、短脉宽、低热影响以及高加工精度等优点，使它成为微纳加工的重要技术之一。
1. 微型零件的切割加工超短脉冲激光在微型零件的切割加工领域拥有广阔的应用前景。
利用超短脉冲激光进行零部件的微型加工，可以减少传统制造过程中产生的浪费，提高零件的生产效率，可以在以往无法达到的极小尺寸上加工，为其他科技领域提供了广泛的应用前景。
2. 纳米结构的制造纳米结构的制造需要高精度、高效率的制造技术，而超短脉冲激光是目前最有效的制造技术之一。
利用超短脉冲激光制造纳米结构可以实现高精度加工、减少制造成本，并且有很高的单元一致性，可以在制造新型材料、纳米电子、生物医学领域等方面得到广泛的应用。
超短脉冲激光及其应用方案
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
超短脉冲激光及其应用
报告大纲
1）超短脉冲激光及其特点； 2）超短脉冲激光产生及其放大技术简介； 3）超短脉冲激光应用； 4）今后的发展趋势。
一、超短脉冲激光及其特点
什么叫超短脉冲激光？
一般指时间宽度小于10-12秒的激光脉冲。
10-12秒~皮秒；10-15秒~飞秒；10-18秒~阿秒
一般超短激光脉冲：~5飞秒~几百飞秒。
金属纳米颗粒加工
金属纳米颗粒加工：与其它激光脉冲相比，飞秒激光改变的 金属颗粒尺寸大小和特定形状。
复杂的微结构加工
长10m高7m立体公牛图
微小蜘蛛和恐龙模型
飞秒激光微加工技术在一些特殊领域具有广阔的应用：
钻孔、切割高热导性、高熔点金属 (如铼、钛等)和高硬度金刚石。 安全切割一些高爆危险物品如：LX-16、TNT、PETN、PBx等， 避免了长脉冲激光线性吸收、能量转移和扩散等的影响，断面处没 有炸药熔化和反应的痕迹。但在研究切割雷管时，没有热效应，能 够安全切割。 利用飞秒激光观测分析物理化学反应本质，有望控制核聚变，以 获得可控的无污染核聚变能源。 将光频与波频联系起来的飞秒光梳技术，为更精确的频率机构一
①耗能低，无热熔区，“冷”加工； ②可加工的材料：从金属到非金属再到生物细胞组织； ③不会出现加工面的熔融、裂缝现象。高精度、高质量、高 分辨率，加工区域可小于焦斑尺寸，突破衍射极限； ④非接触，无飞溅无熔渣、无污染、不需特殊的气体环境和 无后续工艺。
脉冲激光放大器和超短脉冲激光放大器
上式中n为光纤中掺杂(Er 3+)离子数密度。S32很大
n3
0, n(z)
I
' p
(
z)
I
' p
(
z)
(1 )I
'(z)
n 1
n1 ( z )
I '(z) 1
I
' p
(
z
)
(1
)
I
'(
z)
n 1
I '(z) I (z) /[hv / 21(v)s ] I p '(z) I p (z) /[hv /13(vp )s ]
激光原理与技术
5.2 纵向光激励连续激光放大器增益特性
一、连续激光放大器 G I (l) P(l)
I0
P0
以三能级光纤放大器为例讨论连续激光放大器 的增益特性。用纵向泵浦方式，信号光强I(z)(光 功率P(z))、泵浦光强Ip(z)(光功率PP(z))及小信号 反转集居数密度均随光传播距离z变化。
光通信中，激光放大器补偿光纤传输或分路损 耗，提高接收机灵敏度。
激光原理与技术
椭圆柱聚光腔
激光放大器分为：连续激光放大器、脉冲 激光放大器和超短脉冲激光放大器。
激光原理与技术
弛豫过程：某种状态的建立或消亡的过程
弛豫时间：弛豫过程所需的时间。
纵向弛豫时间：由于辐射跃迁使得粒子在 能级上具有有限寿命，因此导致反转集居 数的增长与衰减需要一定的弛豫时间T1。
描述归一化信号光强及泵浦光强变化的输运方程
激光原理与技术
dI '(z) dz
超短脉冲 论文 PPT
四、超短脉冲激光应用
• 超短脉冲激光应用
高速电子测试：高速电子设备开发过程中测试是非常重要一环， 而测试设备往往比被测试的设备速度还慢。现在最快的电子设备 达到了ps范围，那么飞秒激光可以很容易的产生亚ps的电子脉冲 对高速电子设备进行测试。 激光-等离子体相互作用：用光强大于1013W/cm2的激光照射固体材 料时，可以将原子中的电子电离出来，形成激光诱导等离子体。 在100fs的时间尺度上，等离子体中的自由电子来不及逃逸，可以 研究温度高达百万度的密度与固体相近的等离子体。 短波长辐射产生：高强度可见光波段超短脉冲激光可以通过更高 阶次非线性谐波产生过程或泵浦x-射线激光器来产生真空紫外和 x-射线波段的相干短波辐射。例如相干短波辐射可用来研究DNA的 微观结构。
二、 超短激光脉冲的现状
固体激光器直接产生的脉冲宽度已缩小到了5fs。经过压缩的最短脉冲为4fs。经过放大、压缩,人 们已经得到了输出脉宽5fs,单脉冲能量5nj,重复频率1MHz和脉宽5fs,单脉冲能量0.5mj,重复频率 1KHz的超短脉冲激光。 出现了用半导体激光器(LD)泵浦的全固体化的飞秒激光器,使飞秒激光器体积更小、工作更稳定、 寿命更长、使用更方便。 开发了多种激光介质和放大介质,除Ti:Sapphire外,尚有Cr3+:LiSAF, Cr3+: LiCAF,Cr4+:YAG,Nd:YVO4等;发展了宽调谐的飞秒OPO及OPA,拓宽了飞秒激光的波长可调谐范围。目 前OPO的频率已可覆盖178nm-20μ m,而OPA则可以做到6.3fs、5J,波长550nm-700nm;4fs、1J,波长 900nm-1300nm。 出现了全光纤的超短脉冲激光器。 发展了单次或重复频率10Hz的桌上型TW (1TW=1012W )级固体飞秒激光器,取代了原来体积庞大、价 格昂贵、投资高出数十倍的高功率飞秒激光系统。这类系统的峰值功率已达100TW以上,可以提供 1020W /cm2的功率密度,为开展强场物理研究创造了条件。目前已经利用25fs的高功率激光脉冲在 氦气中实现了221次的高次谐波,从而获得了相干的可调谐的已进入水窗范围的X射线。
一种高强度超短脉冲激光器
一种高强度超短脉冲激光器高强度超短脉冲激光器在现代科技领域中具有广泛的应用。
它具有脉冲能量高、脉冲宽度短、频率可调等特点，可以用于光学制造、物质表征、医学诊断等领域。
本文将介绍一种高强度超短脉冲激光器的原理和应用，并探讨其未来发展趋势。
一、高强度超短脉冲激光器的原理高强度超短脉冲激光器是通过激光器产生高能量激光脉冲，并通过特殊的光学系统对激光进行调制，使其具有较短的脉冲宽度和较高的峰值功率。
其基本原理包括：1. 激光器产生高能量激光脉冲：高强度超短脉冲激光器通常采用固体激光器或气体激光器。
通过激光介质中的受激辐射，激发激光的产生，实现高能量激光脉冲的输出。
2. 光学调制系统实现短脉冲宽度：通过使用特殊的光学元件，如非线性晶体、调制器等，对激光进行调制，实现脉冲宽度的压缩。
这样可以使脉冲宽度达到飞秒级别，从而实现超短脉冲的输出。
二、高强度超短脉冲激光器的应用高强度超短脉冲激光器在各个领域中都具有广泛的应用，包括但不限于以下几方面：1. 光学制造：高强度超短脉冲激光器在光学制造领域中被广泛应用于材料切割、微加工等工艺中。
其短脉冲宽度和高峰值功率使得它可以精确控制光束的能量和形状，从而实现高精度的材料加工。
2. 物质表征：高强度超短脉冲激光器可以通过光谱分析、拉曼散射等手段对物质的结构和性质进行表征。
其高能量激光脉冲可以激发物质中的非线性效应，实现对材料的深层探测和分析。
3. 医学诊断：高强度超短脉冲激光器在医学领域中应用广泛，特别是在眼科方面。
通过激光的高能量和短脉冲宽度，可以实现对眼部组织的精确切割和治疗，比传统手术更加安全和有效。
三、高强度超短脉冲激光器的未来发展趋势随着科技的不断进步，高强度超短脉冲激光器在未来有着广阔的发展前景。
其中一些重要的发展趋势包括：1. 脉冲能量和频率的进一步提高：随着材料和制造工艺的不断改进，高强度超短脉冲激光器的脉冲能量和频率将进一步提高。
这将使得其在材料加工和医学领域中的应用更加广泛。
超短脉冲技术的原理与应用
超短脉冲技术的原理与应用引言超短脉冲技术是一种在相对时间尺度上产生非常短脉冲的技术。
它具有很高的时间分辨率和能量浓度，被广泛应用于多个领域。
本文将介绍超短脉冲技术的原理及其在不同领域中的应用。
超短脉冲技术的原理超短脉冲技术的原理基于光的时间调制性质。
通过优化光学元件和脉冲发生器的设计，可以产生非常短的脉冲。
以下是超短脉冲技术的主要原理：1.【原理1】光的色散补偿：在光经过不同材料或器件时，会因为折射率的不同而引起色散。
超短脉冲技术利用特殊的光学元件来补偿色散，使得在光经过时不会引起时间延迟。
2.【原理2】光纤拉伸：光纤拉伸技术可以将宽频带的光脉冲缩短。
通过拉伸光纤，光的不同频率被拉宽，从而实现宽频带的短脉冲。
3.【原理3】自发放射：自发放射是一个自然现象，它是由于原子或分子在受到外界激发后发射出光。
通过利用自发放射现象，可以产生非常短的脉冲。
超短脉冲技术在激光领域的应用超短脉冲技术在激光领域有广泛的应用。
以下是几个主要的应用领域：•材料加工：超短脉冲激光在材料加工中具有优越性能。
由于脉冲时间非常短，光的能量集中在一个非常小的空间范围内，可以实现精确的加工。
超短脉冲激光已经在微细加工、孔加工、锡焊接等领域得到广泛应用。
•光谱学研究：超短脉冲激光可以产生宽频谱的光，适用于光谱学研究。
通过测量光的频谱，可以获得物质的吸收、发射等信息。
超短脉冲激光在分子光谱学、固态物理等领域的研究中发挥着重要作用。
•生物医学影像：超短脉冲激光可用于生物医学影像的研究。
超短脉冲激光的短脉冲宽度和高峰值功率可以提供高分辨率的成像。
它被广泛应用于皮肤病学、眼科学和神经科学等领域。
超短脉冲技术在通信领域的应用超短脉冲技术在通信领域也具有重要的应用价值。
以下是几个主要的应用领域：•光纤通信：超短脉冲技术可以实现光纤通信中的高速数据传输。
由于脉冲时间短，可以将信号传输速率提高到数十Gbps甚至更高。
超短脉冲光纤通信已经成为现代通信系统的重要组成部分。
超短脉冲激光技术
超短脉冲激光技术超短脉冲激光技术（Ultrafast Laser Technology）是一种目前最具有前瞻性的新型激光技术，它主要应用于精密加工、光学通信、生物医学、能源科学等各个领域。
相较于传统的激光技术，超短脉冲激光技术具有更高的功率密度、更快的时间分辨率和更高的频率程度。
超短脉冲激光技术的产生主要是通过提供高峰值功率并将其压缩至几十或几百飞秒的时间尺度。
这种激光可以产生高达1激光焦耳（J）的脉冲能量和约500万瓦特（MW）的功率密度，之后只有十几个飞行透镜分离。
这种激光通常会产生光谱波长在750纳米至1550纳米之间的光脉冲。
由于超短脉冲激光技术的独特性质，它的应用领域十分广泛。
在材料科学方面，超短脉冲激光可以用于加工某些高强度和高温度材料。
例如，使用这种激光可以制造出更坚硬、更耐磨的表面，并可以制造出具有微米和亚微米级别的结构的高精度零部件。
另外，在化学研究领域中，超短脉冲激光技术可以帮助实现一些反应的速率控制和选择性，从而有助于新材料的开发和绿色化合物的制备。
超短脉冲激光技术在生物医学领域中的应用也十分广泛。
例如，在眼科行业中，使用这种激光可以进行准确的激光手术，帮助人们恢复视力。
而在生物科学方面，超短脉冲激光可以用于快速扫描对细胞内部分子进行成像，并帮助生物学家研究生物体如何发挥其生理作用。
总的来说，超短脉冲激光技术的发展，为我们的日常生活、工业生产、科学研究等各个领域都带来了巨大的贡献和影响。
在未来，超短脉冲激光技术的应用将更加广泛，同时也将为世界带来更多的科学和技术突破。
超短脉冲激光技术在精密加工领域应用超短脉冲激光技术在精密加工领域中的应用最为广泛和成熟。
精密加工的主要应用领域包括半导体、微电子、微机械、微流控芯片、纳米加工等领域。
超短脉冲激光技术在这些领域中的应用，主要表现在以下几个方面：1. 纳米级加工超短脉冲激光技术能够实现纳米级加工，尤其在光刻领域被广泛应用。
传统的光刻工艺主要通过紫外线光束照射在光刻胶上，进行光刻图形的制作。
超短脉冲激光及其生命科学应用
超短脉冲激光及其生命科学应用超短脉冲激光是一种异于常规光学的强激光，其脉冲时间对于纳秒甚至皮秒数量级。
由于超短脉冲激光的输出功率非常高，可以在极短时间内将能量输送到最小的空间尺度，因此被广泛应用于各种科学领域，特别是生命科学。
本文将详细介绍超短脉冲激光的原理、技术及其在生命科学方面的应用。
一、超短脉冲激光的原理和技术超短脉冲激光的基本原理是：利用激光器产生强、短脉冲的光束，该光束的时间尺度只有皮秒至纳秒级别，将其聚焦到微观物体上，利用光子的 Photoelectric Effect 和 Comptown Scattering 强度效应产生极高的能量密度，对物体进行加工处理或研究。
通常这种激光采用躯体非线性光学效应来形成及放大，最终通过光学混频技术得到皮秒脉冲出射。
同时，为了增加脉冲能量，将脉冲进行非线性增强，并采用 Afocal 技术来控制脉冲聚焦的光学系统，使得其聚焦到最小的尺度上。
此外，配合一些超水平前处理器和后处理器等器件，为此类激光创新性地提供了后向再注入供激光针对性标记和加工等应用方向。
二、超短脉冲激光在生命科学方面的应用由于超短脉冲激光具有极高的激光功率和空间分辨率，常用于生命科学的诸如光学成像、分子成像、组织切片和细胞操作等领域，其特色在于分子的精细加工和对个体的准确处理等方向。
此外，超短脉冲激光在神经科学方面的应用也非常广泛，通过操纵神经元功能和神经成像的技术，为研究基础和疾病相关的神经生理机制提供了有力的支持和帮助。
1. 光学成像超短脉冲激光可以提供高分辨率的光学成像技术。
对于生物体内部的显微组织学成像，超短脉冲激光可以使成像分辨率进一步提高，同时电子倍增器与 CCD 探测器联用也大大提高了光敏度和数据采集速度，为细胞与组织学成像提供了前所未有的精度。
2. 分子成像超短脉冲激光能够通过分子的振动和转变等特性，形成对分子的成像。
基于受激 Raman 散射、非线性光学倍频和荧光信号探测的原理，超短脉冲激光可以成像蛋白质、核苷酸和其他分子。
超短脉冲激光器
SESAM被认为是目前最有效的方法之一。通过锁模获得的脉宽取决于谐振腔中的群时延色散。在固体激光器 中,增益介质晶体的物质色散比染料激光器的射流薄板(厚约0.2 mm)大一个数量级,因此必须利用色散补偿技术。 具体做法是采用损耗小的布儒斯特棱镜对或色散补偿镜对振荡器内的色散进行补偿。
( 2)有望作为工业设备应用的激光器。主要考虑用于测量和加工领域。利用短脉冲激光可获得理想的加工结 果,但要考虑设备的可靠性或维修性和成本等。近年来,随着锁模固体激光器可靠性的提高和高功率光纤激光器的 出现,人们对该领域的发展寄予厚望。
( 3)作为光信息通信系统器件的半导体激光器和光纤激光器。
3超短脉冲固体激光器
1超短脉冲激光技术的历史与现 状
在激光中,超短脉冲光的产生之所以重要是因为可以通过控制激光的相干光波产生脉冲光,其时间宽度超出电 子学所控制的范畴。从广义上讲,超短脉们对由闪光灯进 行脉冲振荡的红宝石激光器和掺Nd激光器产生的锁模超短脉冲光展开了实验性研究。从此,短脉冲光的产生技术 从锁模亚皮秒脉冲步入到飞秒脉冲。近年来,超短脉冲光技术得到了普及,自20世纪90年代以来,各种可调谐超短 脉冲锁模固体激光器达到了实用化。可调谐激光器是一种激光下能级处于振动激发状态,使振荡频带加宽的光子限 定激光器(Photon terminatedlaser)。典型的钛宝石激光器的工作稳定,实现了平均输出功率为1 W的超短(最短 约为5 fs)脉冲光。若采用掺Yb离子的激光晶体,则可获得更高平均输出功率的亚皮秒脉冲输出。半导体激光器具 有弛豫快,可对泵浦(电流)进行高速调制的特点,因此即使不用锁模,利用增益过渡现象也可产生皮秒区( 1010~10- 12 s)的超短脉冲光。
超短脉冲的产生
超短脉冲激光具有极高的精度和可控性，可以用 于治疗眼科疾病，例如近视矫正手术和眼底病变 治疗。
光动力疗法（PDT） 利用光敏剂和超短脉冲激光，PDT可以在肿瘤组 织中产生有毒的活性氧，从而杀死肿瘤细胞。
06
结论与展望
研究成果总结
成功研制出超短脉冲激光器，实 现了高重复频率、高功率的脉冲
物质检测
医学成像
超短脉冲激光能够瞬时加热或产生等离子 体，可用于材料分析、化学反应监测等领 域。
超短脉冲激光可以用于医学成像，如光学相 干断层扫描（OCT）等，能够实现高分辨率、 无创的医学诊断。
03
超短脉冲的产生方法
固体激光器产生超短脉冲
固体激光器产生超短脉冲的原理是利用高速开关晶体或声光调制器对连续激光进 行调制，产生脉冲宽度较窄的激光输出。这种方法的优点是输出功率高，稳定性 好，但需要较大的腔体和较高的工作温度。
超短脉冲的光谱范围很宽，覆盖了 从紫外到红外等多个波段，这使得 它在光谱分析和物质检测等领域具 有广泛的应用。
超短脉冲的应用领域
激光雷达
光学通信
超短脉冲激光雷达利用高重复频率的超短 脉冲激光器作为发射源，可实现高精度、 高分辨率的远程探测和测量。
超短脉冲在光纤通信中具有重要作用，它 可以实现高速、大容量的数据传输。
VS
气体激光器产生超短脉冲的典型应用 包括高能物理、等离子体诊断和光谱 学等领域。
光纤激光器产生超短脉冲
光纤激光器产生超短脉冲的原理是利用光纤中的光子回声效 应或色散效应，将连续激光转换为脉冲宽度较窄的激光输出 。这种方法的优点是结构紧凑，易于调节，但需要精确控制 光纤长度和折射率。
光纤激光器产生超短脉冲的典型应用包括光通信、光谱学、 生物医学和光子成像等领域。
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Optical Kerr Effect
Stimulated Raman Scattering
Four Wave Mixing
Saturated Absorption
Two-Photon Absorption
20
Optical Kerr Effect
Optical Kerr Effect The intensity-dependent refractive index
Solar cell Solar fuel
Energy transportation
Thermal electricity
Superconductor
智能电网
2020/11/19
9
Shockley-Queisser limit
Solar Spectrum Blackbody Emission @5200K
激光原理与技术
2015年秋季学期
0 100 200 300 400 500
Time (fs)
E(t)
-100
-50
0
50
100
Time (fs)
2
超快光学
Why
极高的时间分辨
飞秒化学，飞秒生物学，飞秒磁学等学科分支
极强的峰值功率
非线性光学，三维材料加工等
极宽的光谱扩展
从XUV到THz 阿秒世界
400
600
800
1000
Time
Mode Locking
15
Nonlinear polarization
D 0E P E
-
+
(r) 0
(r,t) (r)
T (r R0 ) (r) (r) 0 e Eext mM ext
…… E
(r,t) 0 f (E(t))
Longitude modes
Light Amplification
Four-level system
25
Kerr-lens mode-locking
• A medium’s refractive index depends on the intensity.
•
n(I) = n0 + n2I
• If the pulse is more intense in the center, it induces a lens.
• Placing an aperture at the focus favors a short pulse.
P2 20 2 * (0 2 2ei2t c.c.)
Optical rectification
Second harmonic generation
χ2
2
18
3rd-order nonlinearity
3 4
1 2
19
3rd-order nonlinearity
Third Harmonic Generation
10-18 as
as soft x-ray fs laser
rotation dissociation
vibration
electron dynamics
10-15
10-12
10-9
fs
ps
ns
Zewail, Nobel Laurent 1999
10-6
10-3 s
s
ms
超快光电物理
Nat. Mater. 2002
Single junction cell SQ limit ~33%
GaAs single crystal cell ~ 28.8 % (Alta devices)
500
1000
1500
2000
2500
Wavelength (nm)
Thermal loss No-absorption
Excitonic solar cells (OPVs) 22-27%
16
Nonlinear polarization
P(t) 01E(t)
P(t) 0[1E(t) 2E2 (t) 3E3(t) ...]
PL PNL
2E
n2 c2
2E t 2
1
0c2
2 P NL 2t
17
Nonlinear polarization
E(t) eit c.c.
William Shockley Noble laureate (1956)
10
飞秒磁学
自旋电子学的发展，极大的推动了现代信息技术的发展；巨磁阻效 应的发现，极大地提高了信息的存储密度，现有的技术存储的速率 为2 ns. How fast can we manipulate the spin?
GMR, Gruenberg & Fert, Nobel Laurent 2007
飞秒生物学
Mode-locking
E1
E ei(1 t 0 ) 0
E E ei((1 ) t 0 )
2
0
E E ei((1(i1) ) t 0 )
i
0
single mode
25
two locked mode
five locked mode
20
Intensity (a.u.)
15
10
5
0 0
200
~ 0 f (I)
n n0 2n2 E2
0 I
21
Optical Kerr Effect
The intensity-dependent refractive index
22
f-Focusing
n1 n2
Self-Focusing Effect
23
Mode-locking
GMR：from Lab to iPad
Magnetization ~ 2 ps Standford Linear Accelator, 2004
DyFeO3,Kimbel et al., Nature 435, 655(2005)
Stanciu et al., PRL 99, 047601 (1997)
超快光电物理
• LED
超快光电物理
• Solar Cell
2008 世界能源结构
Fundamental energy research
Energy harvest
Energy storage
Battery
节能电灯 LED 新能源汽车
Energy consumption
Nuclear plant
A. Zewail (Caltech) 1999 年 Nobel 化学奖 “Femtochemistry”
Ferenc Krausz (MPI)
Nobel 物理奖 (20xx 年？)
“Attoscience”
John L. Hall Theodor W. Hänsch
(JILA)
(MPI)
2005 年 Nobel 物理奖 “Optical Comb”