超短脉冲激光和钛宝石飞秒激光器
飞秒激光及其应用
飞秒激光及其应用飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。
飞秒脉冲是如此的短，目前已经达到了4fs以内。
1飞秒（fs） ,即10-15s ,仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已；飞秒脉冲又是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大（CPA）技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦（TW，即1012W）甚至拍瓦（PW，即1015W）量级，其可聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。
飞秒激光完全是人类创造的奇迹。
近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，以及后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，虽然说脉冲宽度和能量的记录在不断刷新，但最大进展莫过于获得超飞秒脉冲变得轻而易举了。
桑迪亚国家实验室的R.Trebino 说:“过去10年中, （超快）技术已有显著改善, 钛蓝宝石激光器和现在的光纤激光器正在使这种(飞秒) 激光器的运转变得简洁和稳定。
这种激光器现在人们已可买到, 而10年前, 你却必须自己建立。
”根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。
它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。
飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。
它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。
飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 使人们可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子点和纳米晶体)中的载流子动力学。
在生物学方面,人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/ 探测技术, 研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。
超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。
钛宝石飞秒激光器原理
钛宝石飞秒激光器原理嘿，你知道钛宝石飞秒激光器吗？这可真是个超级酷的东西！今天我就来给你好好讲讲它的原理。
我有个朋友叫小李，他在实验室里天天就和这钛宝石飞秒激光器打交道。
有一次我去他实验室，看到那个设备，就像看到一个来自未来的神秘机器一样。
我就问他：“这玩意儿到底是怎么工作的呀？看起来好复杂。
”小李就笑着开始给我解释。
钛宝石飞秒激光器啊，它的核心部分当然是钛宝石晶体啦。
这钛宝石晶体就像是一个超级舞台，在这个舞台上，一场奇妙的光的表演即将上演。
你看啊，钛宝石晶体有个很特别的性质，它的能级结构就像一个有着不同楼层的大厦。
电子呢，就像住在这个大厦里的小居民。
当我们给这个晶体输入能量的时候，就像是给这些小居民们一些特殊的糖果，让他们变得兴奋起来。
这些电子吸收了能量之后，就从低楼层跳到了高楼层，这个过程就叫做受激吸收。
哎呀，你可以想象一下，一群小孩子突然得到了超级美味的糖果，一下子就充满了活力，从地上蹦到了桌子上那种感觉。
可是，这些电子在高楼层待不住呀，就像小孩子在桌子上玩一会儿就想下来了。
于是，它们又会从高楼层跳回低楼层，这时候就会释放出能量，也就是发出光子。
这就好比小孩子从桌子上跳回地面的时候，把身上多余的能量以一种特别的方式释放出来一样。
那飞秒是怎么回事呢？飞秒可是超级短的时间单位啊，1飞秒等于10的 -15次方秒。
这时候的光脉冲就像是超级短跑运动员，跑得那叫一个快。
这个光脉冲的产生和钛宝石晶体的一些特性密切相关。
我又好奇地问小李：“那怎么就能让这些光脉冲这么短呢？”小李就跟我说，这得靠一种叫锁模的技术。
锁模技术就像是一个超级严格的指挥官，把那些杂乱无章的光子们都管理得井井有条。
正常情况下，激光器里的光子就像一群乱跑的小动物，各自为政。
但是锁模技术就像给它们都套上了缰绳，让它们按照一定的节奏和顺序来行动。
这个时候，在钛宝石晶体这个大舞台上，光子们就像是一群训练有素的舞者，在锁模技术这个指挥家的带领下，整齐划一地跳动着。
超短脉冲激光及其应用
空 军 工 程 大 学 学 报(自然科学版)第1卷第1期JOU RNAL O F A I R FO RCE EN G I N EER I N G U N I V ER S IT Y V o l.1N o.1 2000年4月(NA TU RAL SC IEN CE ED IT I ON)A p r.2000 a超短脉冲激光及其应用侯 洵(中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西西安 710068)摘 要: 评述了国际上超短脉冲激光技术的最新研究进展以及超短脉冲激光在超高速光通讯、海量信息存储、光合作用研究、化学反应过程研究等领域广泛的应用状况。
关键词: 超短脉冲激光;超快现象;光通讯;信息存储分类号: TN2 文献标识码:A 文章编号:100923516(2000)0120001205激光的出现是二十世纪最重要的发现之一,也是光学发展史上的第三个里程碑。
激光一出现即以其高度的方向性、相干性以及高强度而受到各方面的重视并迅速获得应用。
作为一种能量载体,它在加工与军事方面已经获得广泛应用。
例如机械加工、材料热处理、合成与微加工,激光测距、地基天基激光反导武器、致盲武器、激光制导炸弹等。
作为一种信息载体,它在信息的获取、传输、存贮、处理与显示方面也都获得了愈来愈广泛的应用。
激光自出现以来一直朝着提高功率、扩展波长范围、缩短脉冲宽度以及全固态化、小型化以至微型化方向发展。
目前,它已经深入到国民经济、国防建设与人们日常生活的大多数领域,成为人们认识世界、改造世界、保卫国家、提高生活质量的有力工具。
激光技术包含的内容相当广泛,本文仅就其发展的最重要的前沿之一——超短脉冲激光及其应用谈一些情况,供读者参考。
1 超短脉冲激光发展的历史及现状脉冲激光技术自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。
70年代中出现了对撞锁模环形染料激光器,使激光脉冲的宽度进入飞秒范围。
至80年代中,对撞锁模环形染料激光器的脉冲宽度达到了27飞秒(fs)。
超短脉冲激光激发下双光子吸收系数的研究
（1）给出了五种脉冲模型的非线性能量透过率曲线图，并以矩形脉冲模型得出的β0 为参考，通过曲线拟合，得到了用其它四种脉冲模型得出的β与β0 的相对差别。结果显 示，在 βLI0<1（对应非线性能量透过率 ≥ 0.75）的范围内，最大相对偏差可达到 73.21%。 结果说明，在采用能量透过率方法精确确定β时，激光脉冲结构对β有重要影响。
Based on the typical ultra-short pulse models, such as rectangular, Gaussian, sech2, Lorentz, and asymmetric sech2, we have studied the relation between nonlinear energy transmission and ultra-short pulse spatial and temporal structure by way of numerical simulation and theoretically, respectively. Our mainly academic achievements are following.
The pulse influence factor (g) introduced in this paper may become a helpful parameter in deal with the pulse profile influence on TPA coefficient.
飞秒激光器用途
飞秒激光器用途
飞秒激光器是一种高能量、短脉冲、高频率的激光器，其发射的脉冲时间为飞秒级别，即每个脉冲的时间只有几百万亿分之一秒。
由于其高能量、高精度和高稳定性，飞秒激光器在许多领域都有广泛的应用。
在微电子领域，飞秒激光器可以用于微米级别的加工和切割，例如在晶体管、集成电路和光学器件的生产过程中。
此外，飞秒激光器还可以用于制造纳米级别的微处理器和量子点。
在医疗领域，飞秒激光器可以用于眼科手术，例如LASIK角膜手术，其通过利用激光器的高精度和高稳定性，将激光束聚焦在角膜上进行切割和重塑，从而改善视力。
在科学研究领域，飞秒激光器可以用于研究物质的量子力学特性和光学性质，例如在光谱学、化学反应动力学和物理学的研究中。
在工业领域，飞秒激光器可以用于制造高精度零部件和模具，例如在航空航天、汽车和精密机械制造过程中。
总之，飞秒激光器有着广泛的应用前景，其高能量、高精度和高稳定性使其成为许多行业不可或缺的工具。
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飞秒激光原理
飞秒激光原理
飞秒激光是一种特殊的激光技术，它的原理和应用在当今科技领域中扮演着重要的角色。
飞秒激光的原理可以从激光的发射、传输和作用三个方面来进行解释。
首先，飞秒激光的发射原理是通过使用飞秒激光器来产生飞秒脉冲。
飞秒激光器通常采用钛宝石激光器或掺铬锆酸钇激光器作为激发源，通过调Q开关和倍频晶体的作用，产生超短脉冲的飞秒激光。
这种超短脉冲的飞秒激光具有极高的光束质量和能量密度，可以在纳秒甚至飞秒的时间尺度内完成激光作用。
其次，飞秒激光的传输原理是利用飞秒脉冲的特性进行传输。
飞秒脉冲的特点是脉冲宽度极短，能量密度极高，因此在传输过程中几乎不会发生能量损失和光束扩散。
这使得飞秒激光可以在空气、水、甚至固体材料中传输，实现对不同介质的激光加工和作用。
最后，飞秒激光的作用原理是利用其超短脉冲的特性实现材料的微加工和精密加工。
飞秒激光可以在材料表面产生微小的熔融区域，实现微米甚至纳米级别的加工精度。
同时，由于飞秒激光的作用时间极短，因此在激光作用后的材料表面几乎不会产生热影响区和热应力，保持了材料的原始性能和外观。
除了在微加工领域，飞秒激光还在生物医学、光电通信、激光雷达等领域有着广泛的应用。
例如，飞秒激光在角膜屈光手术中可以实现对角膜的精确切割，使患者在手术后能够迅速恢复视力；在光通信领域，飞秒激光可以实现对光信号的调控和处理，提高光通信的传输速率和稳定性。
总的来说，飞秒激光作为一种新型的激光技术，具有独特的原理和应用优势，为材料加工和光学技术领域带来了革命性的变革。
随着科技的不断发展，相信飞秒激光技术将会在更多领域展现出其巨大的潜力和价值。
超短脉冲激光和钛宝石飞秒激光器
１ ２ ２飞秒激 光在 超强 领域 中的应 用 ．． 飞秒 激 光是 研 究 原子 分 子 体 系 、 阶非 线性 和 高 多光 子过 程的 重要 工 具． 秒 脉 冲 的峰 值 功 率 和光 飞
强可 以非 常高 ， 这样 的强 光 所 对应 的 电磁 场 会 远 大 于原 子 中的库仑 场 ， 而 很 容 易将 原 子 中的 电子统 从 统 剥 落 ， 产生 激光 等离 子体 、 短 Ｘ光 、 一 代粒 是 超 新 子加 速器 和激 光核 聚 变快 速 点火 的高 新 技 术途 径 ．
Ｖｏ ． ３ Ｎｏ １ Ｉ２ ． ． Ａｕ ． ０ ７ ｇ ２ ０
超 短脉 冲激 光 和 钛 宝 石飞 秒 激 光 器
郭 玉洁 ， 帕力 哈提 ・ 吉提 米
（ 新疆 大学 物理 科学 与技 术学 院 ， 疆乌 鲁木 齐 ８ ０ ４ ） 新 ３ ０ ６
摘 要 ：该 文 介 绍 了 飞 秒 激 光 的 特 点 、 用 以 及钛 宝 石 激 光 器 的 相关 理 论 。 应 钛 宝 石 激 光 器 自聚 焦 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ６ ４ ０ ７ 【 ０ ７ ０ — ０ ８０ １ ７ — ８ ４ ２ ０ ） １０ ５ — ３
１ 超短脉冲激光及其应用
１ １超 短 脉 冲 激 光 的 特 点 ．
由于 飞秒激 光具 有快 速 和 高分 辨 率特 性 ， 在病 变 它 早 期诊 断 、 医学成 像 和生物 活体 检测 、 外科 医疗 及超 小型 卫星 的制造 上都 有着 独特 的优 点和不 可替 代 的
作用 ．
崭 新 的途径．
光谱 、 高强度 科学 与技 术等 ． 超 １２ １飞秒激 光 在超快 领域 内的应用 ．．
收 稿 日期 ： ０ ７０ — ５ ２ ０ — ３０
飞秒激光器参数
飞秒激光器参数1.引言1.1 概述飞秒激光器作为一种重要的激光器类型，在现代科学和技术领域中具有广泛的应用。
它采用超短脉冲激光技术，使得光脉冲的时间宽度可以达到飞秒级别，即每个脉冲只持续一秒的百万分之一。
这种超短脉冲的特性使得飞秒激光器在材料加工、光谱分析、生物医学、物理研究等领域具有独特的优势和应用前景。
与传统的连续激光器相比，飞秒激光器具有独特的特点和优点。
首先，由于飞秒激光器的光脉冲时间极短，其光子能量集中在极短的时间内释放，因此可以实现高能量密度的激光加工。
另外，由于光脉冲的时间尺度非常短，飞秒激光器可以实现高精度的微加工，例如制造微小器件、纳米结构等。
此外，飞秒激光器具有较高的单脉冲能量和较高的峰值功率，这使得它在光谱分析、生物医学成像和光学光谱等领域中具有广泛的应用。
例如，在光谱分析领域，飞秒激光器可以提供高分辨率的光谱信息，帮助科学家更好地理解物质的光学特性。
此外，飞秒激光器还具有可调谐性和较宽的谱带宽，这使得它在科学研究和实验室应用中非常受欢迎。
通过调整激光器的工作参数，可以实现不同波长的激光输出，进而满足不同实验需求。
综上所述，飞秒激光器作为一种重要的激光器类型，具有独特的优势和广泛的应用前景。
本文将重点介绍飞秒激光器的工作原理和主要参数，并探讨这些参数对应用的影响。
通过深入了解飞秒激光器的特点和优势，相信读者能够更好地了解和应用这一先进的激光技术。
文章结构介绍：本文主要讨论飞秒激光器的参数。
文章结构如下：1. 引言1.1 概述1.2 文章结构1.3 目的2. 正文2.1 飞秒激光器的工作原理2.2 飞秒激光器的主要参数3. 结论3.1 飞秒激光器参数对应用的影响3.2 未来发展趋势在引言部分之后，正文部分将首先介绍飞秒激光器的工作原理，包括其产生飞秒脉冲的机制和基本原理。
然后，将重点关注飞秒激光器的主要参数，包括脉冲能量、脉冲宽度、重复频率等。
在结论部分，将探讨飞秒激光器参数对其应用的影响，包括在材料加工、医学、通信等领域的不同应用情况。
飞秒激光器的发展现状
飞秒激光器的发展现状飞秒激光器是一种能够产生极短脉冲的激光器，其脉冲宽度在飞秒级别（10的负15次方秒）以下。
飞秒激光器由于其独特的脉冲特性，在不同的科学研究和工业应用中得到了广泛的应用。
本文将对飞秒激光器的发展现状进行探讨。
首先，飞秒激光器在科学研究中具有重要的作用。
在物理、化学和生物学等领域中，飞秒激光器被用于研究材料的光学特性、分子结构和生物功能等。
飞秒激光器的短脉冲宽度使得它们能够准确地观测材料的动态变化，例如电子和分子的运动。
此外，飞秒激光器还可以被用于制备纳米材料和研究材料的超快光学现象，如非线性光学效应和超快激光光谱学。
这些研究对于推动各个领域的科学进步具有重要意义。
其次，飞秒激光器在工业应用中也得到了广泛的应用。
飞秒激光器可以用于微加工和材料加工。
由于其极短的脉冲时间，飞秒激光器可以在几乎没有热影响区域的情况下进行精细加工。
这种加工方式适用于各种材料，如金属、玻璃、陶瓷等。
飞秒激光器被用于制造微小的零件、光学元件和微芯片等。
此外，飞秒激光器还被用于医疗美容领域，如激光去眼袋、激光去斑和激光纹身去除等。
飞秒激光器的应用领域不断扩大，为工业生产提供了新的可能性。
还有，飞秒激光器的发展也受到了技术的驱动。
随着技术的不断进步，飞秒激光器的脉冲宽度和输出功率得到了大幅度提高。
传统的飞秒激光器通常需要复杂的调谐系统和高功率扩展系统，这对于其商业化应用来说是一个挑战。
然而，新型的飞秒激光器采用了更简单和紧凑的设计，使得飞秒激光器更易于集成到现有的系统中。
此外，飞秒激光器的价格也在逐渐降低，使得更多的用户能够负担得起。
同时，飞秒激光器的应用也面临着一些挑战。
例如，飞秒激光器的稳定性和可靠性仍然需要进一步提高。
高功率飞秒激光器的实现也需要解决热管理和光学材料的选择等问题。
此外，对于一些特定的应用来说，飞秒激光器的功率密度可能不足以满足需求，需要更高功率的飞秒激光器来实现。
综上所述，飞秒激光器在科学研究和工业应用中具有广泛的应用前景。
超快速激光物理学的理论与应用
超快速激光物理学的理论与应用超快速激光技术是一种以太秒（1太秒=10^-12秒）甚至飞秒（1飞秒=10^-15秒）为单位的极短脉冲光激光技术。
它比其他激光技术更快、更强，广泛应用于化学、物理、生物学、材料科学、医学和信息技术领域。
本文将介绍超快速激光物理学的理论和应用。
一、超快速激光的物理原理超快速激光是由超短脉冲激光器产生的，其脉冲宽度范围为飞秒到太秒，通常采用钛宝石激光或染料激光产生。
超快速激光的特点是能量非常集中、时间极为短暂，能够在纳秒或皮秒内完成各种物理过程，从而产生各种非常规的物理现象。
超快速激光的物理原理是基于量子光学的、量子力学的、电磁学的以及非线性光学的各种效应。
超快速激光脉冲的能量非常高，并且超快速激光的光强度可以达到10^15W/cm^2，这个光强度已经远远超过了自然光的强度，极易发生非线性光学效应。
二、超快速激光物理学的理论超快速激光物理学的理论涉及量子力学、非线性光学、相干光学、激光光谱学、激光相互作用、固体激光物理学、光纤光学、薄膜光学、等离子体光学等多个领域。
超快速激光物理学的研究主要关注以下几个问题：1. 超快速激光在固体材料内的传输和吸收规律研究。
2. 超快速激光的非线性光学效应的研究，包括光学脉冲压缩、非线性光学和相干光学过程。
3. 超快速激光产生的高能量电子和离子束的规律性研究。
4. 超快速激光与化学反应和生物反应机理的研究。
三、超快速激光的应用由于超快速激光的高能量密度、高光子能量、宽频谱展宽、超短脉冲时间等特性，使该技术被广泛应用在化学、物理、生物学、材料科学、医学和信息技术等领域。
1. 化学领域超快速激光技术在化学领域中广泛应用于超快速动力学研究、反应动力学研究、薄膜和表面科学研究、化学键的切断和建立、催化反应研究、化学能量传递研究等多个方面。
2. 物理领域超快速激光技术在物理领域中广泛应用于量子光学和量子信息处理、多光子激发和二次谐波研究、非线性光学过程研究、等离子体激光物理研究、快速显微技术等多个方面。
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。
钛宝石飞秒激光器结构
钛宝石飞秒激光器结构
钛宝石飞秒激光器是一种激光器，其结构主要包括以下几个组成部分：
1. 泵浦源：钛宝石飞秒激光器通常使用固体激光器作为泵浦源，常见的泵浦源有二极管泵浦和氙灯泵浦。
泵浦源可以提供高能量脉冲来激发钛宝石晶体。
2. 钛宝石晶体：钛宝石晶体是钛宝石飞秒激光器的核心部件，它是由氧化钛（TiO2）制成的。
钛宝石晶体具有宽波长调节
范围和高非线性折射指数，适合用于产生飞秒激光。
3. 反射镜：激光光路中的反射镜用于反射和调节激光的传输方向和光束的聚焦等。
通常包括输出耦合反射镜和内腔抽运反射镜。
4. 扫描装置：钛宝石飞秒激光器通常配备扫描装置，用于控制激光的扫描速度和扫描范围。
扫描装置可以实现激光束在样品表面的快速扫描，用于激光切割、打标等应用。
5. 控制系统：钛宝石飞秒激光器通常还配备相应的控制系统，用于控制激光器的工作状态、脉冲频率、功率等参数。
控制系统通常包括控制面板、电子部件和软件界面。
综上所述，钛宝石飞秒激光器的结构主要由泵浦源、钛宝石晶体、反射镜、扫描装置和控制系统等组成。
这些部件共同协作，
通过激光的泵浦和放大过程，产生高能量、高重复频率的飞秒激光。
超短脉冲激光和钛宝石飞秒激光器
第23卷第1期2007年8月 山西大同大学学报(自然学科版)J ournal of Shanxi Dat ong Univers i t y(Nat ural Science) Vol.23.No.1Aug.2007超短脉冲激光和钛宝石飞秒激光器郭玉洁,帕力哈提米吉提(新疆大学物理科学与技术学院,新疆乌鲁木齐830046)摘 要:该文介绍了飞秒激光的特点、应用以及钛宝石激光器的相关理论。
关键词:飞秒激光 钛宝石激光器 自聚焦中图分类号:TN 248.4 文献标识码:A 文章编号:167420874(2007)0120058203 飞秒激光技术是一项能协助多种学科在更深层次上认识客观世界,增强人类改造世界能力的技术.它是目前人类观察微观世界,揭示超快运动过程的重要手段.科学家预测飞秒激光将为未来新能源的产生发挥重要作用.1 超短脉冲激光及其应用1.1超短脉冲激光的特点自从脉冲激光问世以来,激光脉冲的峰值功率及脉冲宽度已经有了前所未有的快速发展.1981年For k 等人利用碰撞锁模技术从染料激光器中首次获得了飞秒激光脉冲[1],从而使人类进入了超短脉冲激光技术时代.超短脉冲激光有两个显著特点:一是脉冲宽度极短,达到了飞秒(10215s )量级,阿秒(10218s)量级;二是经过放大后,脉冲峰值功率极高,可以达到太瓦(1012W )甚至拍瓦(1015W )量级.脉冲持续时间如此之短,峰值功率如此之高,且能聚焦到比头发直径还要小的空间区域,使得聚焦后的光功率密度可以达到1020W/cm 2量级以上.这些独有的特点使超短脉冲激光具有广泛而特殊的用途,它将对社会经济的发展起到巨大的带动作用.1.2飞秒激光的用途超短脉冲激光的发展直接带动了物理、化学、生物、材料与信息科学等的发展,并开创了一些全新的研究领域,如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱、超高强度科学与技术等.1.2.1飞秒激光在超快领域内的应用飞秒激光在超快现象研究领域中起的是快速过程诊断的作用.飞秒激光尤如一个极为精准的“时钟”和一架超高速的“相机”,它可以将自然界中特别是原子、分子水平上的一些快速过程分析、记录下来,形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术.由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性,它在病变早期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有着独特的优点和不可替代的作用.1.2.2飞秒激光在超强领域中的应用飞秒激光是研究原子分子体系、高阶非线性和多光子过程的重要工具.飞秒脉冲的峰值功率和光强可以非常高,这样的强光所对应的电磁场会远大于原子中的库仑场,从而很容易将原子中的电子统统剥落,是产生激光等离子体、超短X 光、新一代粒子加速器和激光核聚变快速点火的高新技术途径.物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象:气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体.这种等离子体可以辐射出各种波长的射线激光.高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X 射线飞秒激光、β射线激光以及正负电子对.高功率飞秒激光还可以将大气击穿,从而制造放电通道,实现人工引雷,避免飞机、火箭、发电厂等因天然雷击而造成的灾难性破坏.高功率飞秒激光与物质相互作用,能够产生足够数量的中子,实现激光受控核聚变的快速点火,从而为人类获得新一代能源开辟了一条崭新的途径.收稿日期2325作者简介郭玉洁(2)女,辽宁辽阳人,硕士,研究方向激光物理:200700:1979:.1.2.3飞秒激光超微细加工用超短激光脉冲进行材料处理或加工不仅可以改进用现有激光进行材料微加工的不足之处,而且还可以完成传统激光加工无法做到的事情.飞秒激光具有极高的三维光子密度,可以对各种材料实现逐层、微量加工;飞秒激光加工的热影响区域小,并且不存在长脉冲激光或连续激光加工中的等离子体屏蔽效应[2],这就使其能量利用效率和加工精度都非常高.当用飞秒激光加工透明介质材料时,加工过程不受材料本身的线性吸收系数的影响,同时,对材料表面或内部的缺陷不敏感.此外,从光和物质相互作用的角度来看,飞秒激光加工涉及的主要是多光子电离的过程,在机理上不同于传统激光加工.可以预见飞秒激光超微细加工技术在微电子、生物芯片和新型材料等科学技术领域中都将具有广泛应用.1.2.4飞秒激光在光通信中的应用人类正在步入知识经济时代与信息化社会.信息的流量以每年34%的速率增长.要有效地利用信息,就要不断提高信息的传输、交换与处理的速度.据预测,到2010年,通信系统的传输速率要求将达到Tb/s量级[3].由于受普通电磁波频率及电子在半导体中速度的限制,信息传输的速率和容量都受到限制.而光波的频率是普通电磁波的105倍,光速是半导体材料中电子速度的1000倍,光子还具有空间与波长方面的并行处理能力,因此,以光子作为信息载体的通讯与信息处理技术将成为现代通信的主体.飞秒技术为光通讯提供了高重复频率的超短光源、超快速光开关、光调制器和光控测器.由于飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和与之相伴的宽带,它将为提高光时分复用和波分复用的信道数目提供方便,从而大大增加了光纤通讯的容量.2 钛蓝宝石飞秒激光器 超短光脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁模、以及20世纪90年代出现的加成脉冲锁模或耦合腔锁模、自锁模等阶段.1991年人们首次在掺钛蓝宝石(Ti:sapp hire简称Ti:S)中成功地利用自锁模产生了飞秒脉冲.由于近年来,晶体生长技术日趋成熟,且固态晶体材料具有荧光带宽、导热性能好等特点,利用晶体材料为激光增益介质产生飞秒光脉冲已迅速成为超短脉冲激光领域内的研究热点.目前掺钛宝石激光器是最热门的研究课题,同时也是最实用的,现已有大量产品问世.钛宝石激光器的优点是:①波长调谐范围宽(660～1200nm),相当于三种染料所能覆盖的范围;②使用寿命比较长,运转效率高,可靠性强;③既可以连续运转也可以脉冲运转在钛宝石激光器中存在几个非常重要的效应,它们对超短脉冲的产生至关重要.2.1自聚焦典型的钛宝石飞秒激光器是利用克尔透镜效应进行锁模的.克尔透镜(Kerr Lens)简称K L,利用K L的锁模简称K L M.实际上,钛宝石飞秒激光器内既没有插入主动锁模装置也没有放入饱和吸收材料,而是利用钛宝石自身的K L效应[4,5].钛宝石的非线性折射率: n=n0+n2.I(t),n2>0(1)由于外电场的作用,介质折射率的变化与电场平方成正比,这种效应叫克尔效应.由于激光束可看成高斯光束,在钛宝石中心线附近的光最强,n2. I(t)最大,折射率n也最大.这样,使得钛宝石棒等价于一个中心折射率大、边缘折射率小的透镜,这就是K L效应.从脉冲包络的时域上看,脉冲前后沿的光强小于脉冲中间部分的光强,于是脉冲中间部分对应的类透镜焦距f m小于脉冲前后沿对应的焦距,这样当一个光脉冲通过介质后,光脉冲前后沿的高斯光束参数与脉冲中部的高斯参数不再一致,即脉冲通过自聚焦介质后由于自聚焦效应的作用,光强在时间上的变化通过空间上的变化反映了出来,这就是所谓的自聚焦效应.若钛宝石的长度为ΔL,则此透镜的焦距为 f m=αw2m/4n2ΔL(2)其中w m是与介质有关的常数,是光斑大小. 2.2群速色散群速色散(G roup Veloci t y Di sper sion)简称GVD.当光脉冲通过色散介质时,介质的响应通常与光波的频率ω有关,这种特性称为色散,它表明了介质折射率n(ω)对频率的依赖关系,是与光强度无关的线性光学效应[6,7].一般来说,色散的起源与介质通过束缚电子的振荡吸收电磁波辐射的特征谐振频率有关.由于不同的频谱分量对应于由c/n(ω)给定的不同的脉冲传输速度,因而色散在超短脉冲传输过程中起着非常重要的作用.2.3自相位调制自相位调制(Self Phase Modul ation)简称SPM.光脉冲通过具有非线性折射率的介质时,光强随时间变化,这导致了折射率的相应变化,这种变化对传输光脉冲起着调制作用(K L效应使脉冲发生了空间上的变化,而SPM使脉冲发生了时间上的变化),如果既是传输光又是导致非线性折射率变化的光波,这种作用就是SPM效应,即光波相位受到了自身变化着的光强的调制[7].显然,由于光脉冲峰值处的相位相对于前后沿经历了较大的折射率,从而产生了附加相移量,这种相移量积累起来就造成了极为显著的相位调制,并最终导致光脉冲的频率展宽如图所示,纵向克尔效应导致脉冲前沿发952007年 郭玉洁:超短脉冲激光和钛宝石飞秒激光器 ..1生红移,后沿则产生蓝移,从而使脉冲光谱加宽.图1 纵向克尔效应2.4钛宝石激光器锁模过程钛宝石激光器锁模过程可简述为[8]:由于某种扰动或涨落,在钛宝石激光器中会出现一些无规则的小脉冲,其中光强最强的小脉冲通过介质的透射率最高,即损耗最小,能更有效的被放大,通过竞争,可将其他小脉冲抑制掉.其实,最初那个最强的小脉冲来自涨落,是部分纵模叠加增强的结果.另一方面,在振荡过程中,其它纵模的位相也随机性变化,这样就会有越来越多的锁模“参加”到最初光强最强的小脉冲中,直至全部纵模都能锁定起来.这种在激光腔内不需外加任何调制元件,仅依靠激活介质自身的非线性效应产生振荡光束的,从而产生超短脉冲的锁模技术叫做自锁模.钛宝石飞秒激光器获得最初扰动的方法极其简单,有时敲一敲激光器的工作台就可导致锁模,通常使用机械方法使其谐振腔的反射镜震动一下[8].图2 四镜折叠腔结构示意图 因为自锁模激光器结构极其简单,激光腔结构就成为影响自锁模的一个主要因素.所以在自锁模激光器出现之后,很多科研工作者对激光器的谐振腔进行了大量的研究和优化.图2为四镜折叠腔的结构示意图[9].其中,焦距为f 的两个球面镜1与2之间布置长度为z 的激活介质.谐振腔的输出臂长与a ,c 有关.输出镜4与光阑之间的距离为d ,减小谐振腔衍射损耗光阑5的孔径为D.光阑放置在焦点附近,由于光强越强,通过光阑的光强越多,光强越弱,通过光阑的光就越弱,这样就等价于饱和吸收的作用.钛宝石飞秒激光器的另一个问题是色散补偿,因为其中的短脉冲有不同的频率成分,有色散效应,该色散作用会使脉冲加宽.为解决这一问题,必须用一系列光学元件消除这种色散,实现色散补偿.3 结束语 纵观超短激光束脉冲的发展,在短短三十年的时间里,其脉冲宽度缩短了6个数量级,其峰值功率提高了十几个数量级,发展速度之快,在自然科学发展史上是罕见的.飞秒激光技术的迅速发展和相关激光设备的不断创新,提供了研究瞬态光过程的新手段,它已逐步成为许多学科继续向前发展的新技术手段.我们相信随着超短激光束脉冲技术的进步,超快和超强现象将变得更加瑰丽多彩.参考文献[1]周炳琨,高以智.激光原理[M].北京:国防工业出版社,1995.2382245.[2]白希祥.低能带电粒子聚变反应中的静电屏蔽效应[J ].原子核物理评论,2002,19(1):7212.[3]何淑贞,王晓海.光通信技术的新飞跃[J ].网络电信,2004,6(4):36240.[4]蓝信钜.激光技术[M ].北京:科学出版社,2006.1562158[5]王春林,陈檬,李港.半导体泵浦Y A G 自锁模谐振腔研究[J ].应用激光,2000,20(2):71273.[6]张晓华,张光寅.钛宝石飞秒激光器的锁模机理探讨[J ].物理学报,2005,54(3):121321217.[7]Vittorio Magni.Resonator s f or solid 2state laser s with large 2v olume f undamental mode and high alignment sta bilit y[J ].A pplied Optics ,1986,25(1):1072118.[8]李福利.高等激光物理学[M ].北京:高等教育出版社,2006.5052517.[9]郭玉洁,郭雄英,帕力哈提米吉提.固体激光器中自聚焦与同步泵浦的组合锁模[J ].中北大学学报,2005,26(增刊):1712174.Ultrafast Pulse and Ti :S a pphire Femtosecond La serGUO Yu 2jie ,Pali hat lMijiti(School of Physical Science and Tec hnology ,X injia ng Univer sity ,Urumqi X injia ng ,830046)T f f ,x y f T K y f ;T ;f 2f 06 山西大同大学学报(自然科学版) 2007年Ab stract :his p ape r int ro d uce s the char acte ristic s and t he ap p lica tio n o e mto seco nd laser a nd it also e p o u nd s th e t heo r o the i :sap p hire la ser.e wor d s :emto seco nd la ser i :sap p hire laser sel o cu sin g。
6.5 超短脉冲激光介绍讲解
物质相互作用、激光核聚变…
图8. 超短脉冲（飞秒）激光切割染色体内的线粒体
图9. 不同超短脉冲激光与物质作用的不同效果
3. 小结
本次课介绍了超短脉冲激光的特点和应用：脉冲宽度
超短、谱线丰富和峰值功率超强的特殊性使得超短脉冲激 光具有与常规激光和物质作用不同的规律，特别适合超快 现象和超强现象研究。
4. 作业思考题
1）与常规激光相比，超短脉冲激光的主要特点是什么？
2 ）飞秒激光与物质作用时属于光热作用还是光化学作用，为 什么？ Nhomakorabea 飞秒脉冲
图2. 超短脉冲激光技术发展
图3. 我国研制的超短脉冲激光器(极光I号和极光II号）
图4. 我国研制的超短脉冲激光器 （极光III号）
2.3 超短脉冲激光的获得方法
锁模技术
调Q技术
2.4 超短脉冲激光的特点和应用 （1）时间宽度非常短:瞬态成像、超快光开关、高速光通信…
图5. 高速摄影技术获得的子弹出膛的瞬间 （微妙量级）
高速摄影技术获得的子弹出膛的瞬间微妙量级飞秒激光的出现使人类第一次能在原子电子层面上研究这一超快运动原子分子层面的粒子运动示意图飞秒量级2光谱含量非常丰富
超短脉冲激光介绍
课程名称：激光加工技术 主讲教师：王文权 单位：浙江工贸职业技术学院
1. 教学目标
了解超短脉冲激光的特点和主要应用。
2.超短脉冲激光的特点和主要应用
飞秒激光的出现，使人类 第一次能在原子、电子层 面上研究这一超快运动
图6. 原子、分子层面的粒子运动示意图（飞秒量级）
（2）光谱含量非常丰富：光谱检测、脉冲整形、光谱编码…
不同原子具有不同的 特征谱线，据此可对 物质的组成和化学成 分做出分析
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。
超短及超强脉冲激光研究进展
技 术 联 合 实 验 室 主 任 ， 主 要 从 事 超 短 超 强 激 光 脉 冲 的 产 生 及 应 用 等 方 面 的 研 究 。Ｅｍａｉｌ： ｚｙｗｅｉ＠ａｐｈｙ．ｉｐｈｙ．ａｃ．ｃｎ
收 稿 日 期 ： ２００７－ ０５－ １０ ； 修 订 日 期 ： ２００７－ ０７－ ２０ 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （６０４９０２８０， ６０３０８００１ ， ６０６２１０６３） ； 中 国 科 学 院 仪 器 研 制 和 知 识 创 新 重 点 方 向 性 项 目 资 助 课 题
关键词： 超短激光脉冲； 飞秒； 载波包络相位； 啁啾脉冲放大； 太瓦 中 图 分 类 号 ： Ｏ４３７．４ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： １００７－ ２２７６（ ２００７） ０６－ ０７７３－ ０５
Ｐｒ ｏｇｒ ｅｓｓ ｏｎ ｕｌｔｒ ａｓｈｏｒ ｔ ａｎｄ ｕｌｔｒ ａｉｎｔｅｎｓｅ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
（中 国 科 学 院 物 理 研 究 所 光 物 理 重 点 实 验 室 ， 北 京 １０００８０）
摘 要： 超短及超强脉冲激光是具有广泛应用的前沿技术， 结合国际上有关该研究的最新进展， 介 绍 了 最 近 在 周 期 量 级 脉 冲 激 光 的 产 生 及 包 络 相 位 测 量 、红 外 飞 秒 镁 橄 榄 石 激 光 研 究 、高 精 度 飞 秒 激 光 同 步 、３５０ ＴＷ 啁 啾 脉 冲 放 大 激 光 、飞 秒 激 光 腔 外 压 缩 等 方 面 取 得 的 结 果 。
超短脉冲激光器及其应用
ｌ ｅ） ａ ｒ。典 型的钛宝石激光 器 的工 作稳定 ，实现 了平 ｓ 均输 出功率 为 ｌ 的超短 （ Ｗ 最短约 为 ５ｆ）脉 冲光 。 ｓ 若 采用 掺 Ｙ ｂ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 （０ ￣１ Ｓ １ ０ ）的超短脉
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极 大 ，如从时 间和空间上 最大 限度 地提高相 干性 就
属 于这种情况 。
选择 的锁模激光振 荡器 的高 重复脉 冲输 出 ，并进行
高倍 率放大 的方式 已成为 主流 。虽然 每个 脉冲 的能
量 小 ，但 脉冲 发生 源利用 连续 振荡 锁模激 光器很 容 易获得相 干性好 的脉 冲。 ２ 光源的特点与应用 ． ２ 表 １ 出了近年来常 用的超 短脉 冲激 光器 的特 给 点和 主要应 用领域 ，超短脉 冲激 光器在 医疗 和光记
录等方 面具有广阔 的应用前景 ，目前很 多应用 均处
于实用化 的试验阶段 ，其 中包括在物 理科学 研究 中
表 １ 各 种超 短 脉 冲 激 光 器 的 特 点 和 主要 应 用 领 域
激光 器 （ 源 ） 种 类 光 的 固体激光器
Ｔ 宝 石 等 ） ｉ：
特 ・ 输 出短 脉 冲 可
点
性
能
主 要 应 用 领 域 加 工 、 量 和 测
物 理 科 学 的 研 究
（ 脉 宽 用 短
脉 宽 ：０ｆ ２ｐ （ｉ， Ｃ １ ￣ ｓＴ３Ｃ ｓ ＋
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第23卷第1期2007年8月 山西大同大学学报(自然学科版)Journal of Shanxi Datong University(Natural Science)Vol.23.No.1Aug.2007超短脉冲激光和钛宝石飞秒激光器郭玉洁,帕力哈提・米吉提(新疆大学物理科学与技术学院,新疆乌鲁木齐830046)摘 要:该文介绍了飞秒激光的特点、应用以及钛宝石激光器的相关理论。
关键词:飞秒激光 钛宝石激光器 自聚焦中图分类号:TN248.4 文献标识码:A 文章编号:167420874(2007)0120058203 飞秒激光技术是一项能协助多种学科在更深层次上认识客观世界,增强人类改造世界能力的技术.它是目前人类观察微观世界,揭示超快运动过程的重要手段.科学家预测飞秒激光将为未来新能源的产生发挥重要作用.1 超短脉冲激光及其应用1.1超短脉冲激光的特点自从脉冲激光问世以来,激光脉冲的峰值功率及脉冲宽度已经有了前所未有的快速发展.1981年Fork等人利用碰撞锁模技术从染料激光器中首次获得了飞秒激光脉冲[1],从而使人类进入了超短脉冲激光技术时代.超短脉冲激光有两个显著特点:一是脉冲宽度极短,达到了飞秒(10215s)量级,阿秒(10218s)量级;二是经过放大后,脉冲峰值功率极高,可以达到太瓦(1012W)甚至拍瓦(1015W)量级.脉冲持续时间如此之短,峰值功率如此之高,且能聚焦到比头发直径还要小的空间区域,使得聚焦后的光功率密度可以达到1020W/cm2量级以上.这些独有的特点使超短脉冲激光具有广泛而特殊的用途,它将对社会经济的发展起到巨大的带动作用.1.2飞秒激光的用途超短脉冲激光的发展直接带动了物理、化学、生物、材料与信息科学等的发展,并开创了一些全新的研究领域,如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱、超高强度科学与技术等.1.2.1飞秒激光在超快领域内的应用飞秒激光在超快现象研究领域中起的是快速过程诊断的作用.飞秒激光尤如一个极为精准的“时钟”和一架超高速的“相机”,它可以将自然界中特别是原子、分子水平上的一些快速过程分析、记录下来,形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术.由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性,它在病变早期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有着独特的优点和不可替代的作用.1.2.2飞秒激光在超强领域中的应用飞秒激光是研究原子分子体系、高阶非线性和多光子过程的重要工具.飞秒脉冲的峰值功率和光强可以非常高,这样的强光所对应的电磁场会远大于原子中的库仑场,从而很容易将原子中的电子统统剥落,是产生激光等离子体、超短X光、新一代粒子加速器和激光核聚变快速点火的高新技术途径.物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象:气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体.这种等离子体可以辐射出各种波长的射线激光.高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光、β射线激光以及正负电子对.高功率飞秒激光还可以将大气击穿,从而制造放电通道,实现人工引雷,避免飞机、火箭、发电厂等因天然雷击而造成的灾难性破坏.高功率飞秒激光与物质相互作用,能够产生足够数量的中子,实现激光受控核聚变的快速点火,从而为人类获得新一代能源开辟了一条崭新的途径.收稿日期:2007203205作者简介:郭玉洁(19792)女,辽宁辽阳人,硕士,研究方向:激光物理.1.2.3飞秒激光超微细加工用超短激光脉冲进行材料处理或加工不仅可以改进用现有激光进行材料微加工的不足之处,而且还可以完成传统激光加工无法做到的事情.飞秒激光具有极高的三维光子密度,可以对各种材料实现逐层、微量加工;飞秒激光加工的热影响区域小,并且不存在长脉冲激光或连续激光加工中的等离子体屏蔽效应[2],这就使其能量利用效率和加工精度都非常高.当用飞秒激光加工透明介质材料时,加工过程不受材料本身的线性吸收系数的影响,同时,对材料表面或内部的缺陷不敏感.此外,从光和物质相互作用的角度来看,飞秒激光加工涉及的主要是多光子电离的过程,在机理上不同于传统激光加工.可以预见飞秒激光超微细加工技术在微电子、生物芯片和新型材料等科学技术领域中都将具有广泛应用.1.2.4飞秒激光在光通信中的应用人类正在步入知识经济时代与信息化社会.信息的流量以每年34%的速率增长.要有效地利用信息,就要不断提高信息的传输、交换与处理的速度.据预测,到2010年,通信系统的传输速率要求将达到Tb/s量级[3].由于受普通电磁波频率及电子在半导体中速度的限制,信息传输的速率和容量都受到限制.而光波的频率是普通电磁波的105倍,光速是半导体材料中电子速度的1000倍,光子还具有空间与波长方面的并行处理能力,因此,以光子作为信息载体的通讯与信息处理技术将成为现代通信的主体.飞秒技术为光通讯提供了高重复频率的超短光源、超快速光开关、光调制器和光控测器.由于飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和与之相伴的宽带,它将为提高光时分复用和波分复用的信道数目提供方便,从而大大增加了光纤通讯的容量.2 钛蓝宝石飞秒激光器 超短光脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁模、以及20世纪90年代出现的加成脉冲锁模或耦合腔锁模、自锁模等阶段.1991年人们首次在掺钛蓝宝石(Ti:sapp hire简称Ti:S)中成功地利用自锁模产生了飞秒脉冲.由于近年来,晶体生长技术日趋成熟,且固态晶体材料具有荧光带宽、导热性能好等特点,利用晶体材料为激光增益介质产生飞秒光脉冲已迅速成为超短脉冲激光领域内的研究热点.目前掺钛宝石激光器是最热门的研究课题,同时也是最实用的,现已有大量产品问世.钛宝石激光器的优点是:①波长调谐范围宽(660～1200nm),相当于三种染料所能覆盖的范围;②使用寿命比较长,运转效率高,可靠性强;③既可以连续运转也可以脉冲运转.在钛宝石激光器中存在几个非常重要的效应,它们对超短脉冲的产生至关重要.2.1自聚焦典型的钛宝石飞秒激光器是利用克尔透镜效应进行锁模的.克尔透镜(Kerr Lens)简称K L,利用K L的锁模简称K L M.实际上,钛宝石飞秒激光器内既没有插入主动锁模装置也没有放入饱和吸收材料,而是利用钛宝石自身的KL效应[4,5].钛宝石的非线性折射率: n=n0+n2.I(t),n2>0(1)由于外电场的作用,介质折射率的变化与电场平方成正比,这种效应叫克尔效应.由于激光束可看成高斯光束,在钛宝石中心线附近的光最强,n2. I(t)最大,折射率n也最大.这样,使得钛宝石棒等价于一个中心折射率大、边缘折射率小的透镜,这就是K L效应.从脉冲包络的时域上看,脉冲前后沿的光强小于脉冲中间部分的光强,于是脉冲中间部分对应的类透镜焦距f m小于脉冲前后沿对应的焦距,这样当一个光脉冲通过介质后,光脉冲前后沿的高斯光束参数与脉冲中部的高斯参数不再一致,即脉冲通过自聚焦介质后由于自聚焦效应的作用,光强在时间上的变化通过空间上的变化反映了出来,这就是所谓的自聚焦效应.若钛宝石的长度为ΔL,则此透镜的焦距为 f m=αw2m/4n2ΔL(2)其中w m是与介质有关的常数,是光斑大小. 2.2群速色散群速色散(Group Velocity Dispersion)简称GVD.当光脉冲通过色散介质时,介质的响应通常与光波的频率ω有关,这种特性称为色散,它表明了介质折射率n(ω)对频率的依赖关系,是与光强度无关的线性光学效应[6,7].一般来说,色散的起源与介质通过束缚电子的振荡吸收电磁波辐射的特征谐振频率有关.由于不同的频谱分量对应于由c/n(ω)给定的不同的脉冲传输速度,因而色散在超短脉冲传输过程中起着非常重要的作用.2.3自相位调制自相位调制(Self Phase Modulation)简称SPM.光脉冲通过具有非线性折射率的介质时,光强随时间变化,这导致了折射率的相应变化,这种变化对传输光脉冲起着调制作用(K L效应使脉冲发生了空间上的变化,而SPM使脉冲发生了时间上的变化),如果既是传输光又是导致非线性折射率变化的光波,这种作用就是SPM效应,即光波相位受到了自身变化着的光强的调制[7].显然,由于光脉冲峰值处的相位相对于前后沿经历了较大的折射率,从而产生了附加相移量,这种相移量积累起来就造成了极为显著的相位调制,并最终导致光脉冲的频率展宽.如图1所示,纵向克尔效应导致脉冲前沿发・95・2007年 郭玉洁:超短脉冲激光和钛宝石飞秒激光器 生红移,后沿则产生蓝移,从而使脉冲光谱加宽.图1 纵向克尔效应2.4钛宝石激光器锁模过程钛宝石激光器锁模过程可简述为[8]:由于某种扰动或涨落,在钛宝石激光器中会出现一些无规则的小脉冲,其中光强最强的小脉冲通过介质的透射率最高,即损耗最小,能更有效的被放大,通过竞争,可将其他小脉冲抑制掉.其实,最初那个最强的小脉冲来自涨落,是部分纵模叠加增强的结果.另一方面,在振荡过程中,其它纵模的位相也随机性变化,这样就会有越来越多的锁模“参加”到最初光强最强的小脉冲中,直至全部纵模都能锁定起来.这种在激光腔内不需外加任何调制元件,仅依靠激活介质自身的非线性效应产生振荡光束的,从而产生超短脉冲的锁模技术叫做自锁模.钛宝石飞秒激光器获得最初扰动的方法极其简单,有时敲一敲激光器的工作台就可导致锁模,通常使用机械方法使其谐振腔的反射镜震动一下[8].图2 四镜折叠腔结构示意图 因为自锁模激光器结构极其简单,激光腔结构就成为影响自锁模的一个主要因素.所以在自锁模激光器出现之后,很多科研工作者对激光器的谐振腔进行了大量的研究和优化.图2为四镜折叠腔的结构示意图[9].其中,焦距为f 的两个球面镜1与2之间布置长度为z 的激活介质.谐振腔的输出臂长与a ,c 有关.输出镜4与光阑之间的距离为d ,减小谐振腔衍射损耗光阑5的孔径为D.光阑放置在焦点附近,由于光强越强,通过光阑的光强越多,光强越弱,通过光阑的光就越弱,这样就等价于饱和吸收的作用.钛宝石飞秒激光器的另一个问题是色散补偿,因为其中的短脉冲有不同的频率成分,有色散效应,该色散作用会使脉冲加宽.为解决这一问题,必须用一系列光学元件消除这种色散,实现色散补偿.3 结束语 纵观超短激光束脉冲的发展,在短短三十年的时间里,其脉冲宽度缩短了6个数量级,其峰值功率提高了十几个数量级,发展速度之快,在自然科学发展史上是罕见的.飞秒激光技术的迅速发展和相关激光设备的不断创新,提供了研究瞬态光过程的新手段,它已逐步成为许多学科继续向前发展的新技术手段.我们相信随着超短激光束脉冲技术的进步,超快和超强现象将变得更加瑰丽多彩.参考文献[1]周炳琨,高以智.激光原理[M ].北京:国防工业出版社,1995.2382245.[2]白希祥.低能带电粒子聚变反应中的静电屏蔽效应[J ].原子核物理评论,2002,19(1):7212.[3]何淑贞,王晓海.光通信技术的新飞跃[J ].网络电信,2004,6(4):36240.[4]蓝信钜.激光技术[M ].北京:科学出版社,2006.1562158[5]王春林,陈檬,李港.半导体泵浦YA G 自锁模谐振腔研究[J ].应用激光,2000,20(2):71273.[6]张晓华,张光寅.钛宝石飞秒激光器的锁模机理探讨[J ].物理学报,2005,54(3):121321217.[7]Vittorio Magni.Resonators for solid 2state lasers with large 2volume fundamental mode and high alignment stability [J ].A p plied O ptics ,1986,25(1):1072118.[8]李福利.高等激光物理学[M ].北京:高等教育出版社,2006.5052517.[9]郭玉洁,郭雄英,帕力哈提・米吉提.固体激光器中自聚焦与同步泵浦的组合锁模[J ].中北大学学报,2005,26(增刊):1712174.U ltrafast Pulse and Ti :Sapphire Femtosecond LaserGUO Yu 2jie ,Palihatl ・Mijiti(School of Physical Science and Technology ,Xinjiang University ,Urumqi Xinjiang ,830046)Abstract :This paper introduces the characteristics and the application of femtosecond laser ,and it also expounds the theory of the Ti :sapphire laser.K ey w ords :femtosecond laser ;Ti :sapphire laser ;self 2focusing・06・ 山西大同大学学报(自然科学版) 2007年。