第十一章时间分辨光谱
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第十一章时间分辨光谱
高分辨
光谱分辨：, 时间分辨：t
空间分辨 r
第十一章时间分辨光谱
高斯线型
第十一章时间分辨光谱
取自《数学手册》p.188
Fourier变换
G ( ) g (t )e itd t
g (t )
1
G ( )e itd
2
半周期
T a 1
T 2
半高宽
T 2 ln 2
在环形腔中，放大A1和吸收A2点间 距为总长的1/4。两相反方向传播的 光脉冲在吸收A2处叠加。形成相涨 相干，形成驻波。 1，吸收介质薄，光通过时间短～ 400fs (d<100um) 2，在驻波中，光强吸收少，光弱吸 收大脉冲压窄。
第十一章时间分辨光谱
两脉冲部分重叠，光强 和吸收调制大
t 0
缺点：在脉冲线性里面，包含2 频率调制信号
举例 脉宽
脉冲重复率
虚线
第十一章时间分辨光谱
四、激光器的锁模
自由光谱程
c
模间距（周期）
2L
T 1
调Q： 几十几百倍 2L / c
目的： 获得更窄更强的激光脉冲
T 腔倒空： 2L / c 锁模： 2L / mc (m为模数)
原理： 在一般的脉冲或调Q激光器中，各振荡纵模独立输出能量，模之间 的位相关系不固定，输出为功率相加(mP)。锁模是使各振荡模满足频域相 干叠加条件：（1）模间隔一定；（2）相对位相固定。这样多纵模在腔内 时间相干、振幅叠加，使得总功率出现时间上相对集中短脉冲(ps)。
第十一章时间分辨光谱
2，利用电光效应调Q
电光效应：电场使晶体的介电张量发生变化，导致折射率 n变化（光率体发生畸变）。
nn0E0E0 2
二次(平方)电光效应[Kerr效应] 一次(线性)电光效应[Pockel 效应]
偏振旋转角
P1, P2偏振方向交叉：
a，实验装置图 b，短脉冲图
第十一章时间分辨光谱
声光调制器
第十一章时间分辨光谱
透过光强 透过光强幅度
调制幅度
如果 增益宽度
模式间隔 输出光强总幅度
对应下一个腔模频率 对应下一个腔模幅度
震荡模式数量
第十一章时间分辨光谱
模式间隔
脉宽
5个模式锁定
15个模式锁定
第十一章时间分辨光谱
被动锁模 腔内非线性饱和吸收材料的周期性饱和
原理（起伏模型）： 自发辐射（光强无规起伏）非线性饱和效应吸收材料对弱的 吸收大对强的吸收小 产生周期脉冲 (<ps)
三、腔倒空
目的： 从CW激光器中产生脉冲序列
原理： 连续运转 (CW) 时Q值高，激光输出小，腔内功率高；突然降低Q 值，腔内储存的能量很快释放，形成脉冲。
第一次经过晶体： 折射 透射
第二次M3反射经过晶体： 折射 透射
折射率正比于声波调制幅度 (t) Is
第十一章时间分辨光谱
经过M2, prism反射输出
脉宽
线宽
吸收材料
第十一章时间分辨光谱
用锁模激光做同步泵浦 用脉冲激光器L1去泵浦另一激光器L2，
L1
L2
激光器L1的脉冲重复间隔
激光器L2的脉冲重复间隔 T2d2/c
d1 d2 同步泵浦
第十一章时间分辨光谱
氩离子激光 器泵浦
燃料激光 器输出
由于饱和效应，输出脉冲 比泵浦脉冲短：可以获得 <1ps的光脉冲 脉宽
自由讨论：
1，什么是Fourier变换？ 2，什么是光泵？ 3 4，什么是幅度调制？可以利用什么办法实现ຫໍສະໝຸດ Baidu会出现 什么结果？ 5，什么是光的相干？ 6，测量脉冲光的仪器有哪些？
第十一章时间分辨光谱
第十一章 时间分辨激光光谱
• 超短激光脉冲的产生 • 超短激光脉冲的测量 • 寿命测量 • Pump-probe技术
两脉冲完全重叠，光强 和吸收调制小
第十一章时间分辨光谱
2、Kerr透镜锁模Kerr lens mode locking, KLM (<100fs)
折射率
电场诱导非线性极化
1，光强处诱导折射率大，光更加汇聚 Kerr lens focusing 2，脉冲入射光时间脉冲上中间部分的 光较强，Kerr汇聚效果更加明显，对应 与空间分别的中间部分。 3，利用光阑将空间周围低光强部分虑 掉，相当于将时间脉冲上脉冲头和脉冲 尾虑掉脉宽压窄
主动锁模：用电光、声光元件进行调幅（损耗）、调相。
被动锁模：放置饱和吸收材料于腔内
自发锁模：多个纵模间的非线性作用
第十一章时间分辨光谱
主动锁模 调制器振幅（损耗）调制
单色光 幅度调制频率
腔模
两边带
如果调制频率等于腔模间隔 f c/2d
如果多次经过声光调制器 0 f 02f 0 3f ......
这些模式相干震荡，相位耦合，在t时候到达最大时，经过2d/c时也到达最大
二、调Q
高损耗、低Q值 低损耗、高Q值
目的： 消除尖峰效应，产生强的 窄脉冲激光。
原理： 抽运过程中Q值低，当反 转粒子数达到最大值时突然提高 Q值，此时增益比降低了的阈值 高许多，振荡场迅速建立，产生 雪崩过程，受激辐射很快耗尽反 转粒子数。
Q 0 Ptotal Ploss
1，快速转动腔镜，实现Q开关
而超短光脉冲的产生借助于激光的相干性，可远小于电学脉宽也可以小于泵浦光脉冲 (fs, as)。
一、脉冲激光的时间线型
脉冲激发Pp(t)导致脉冲粒子数反转N(t)，从而产生脉冲激光输出PL(t)，但是激光PL(t) 又降低粒子数反转N(t)
Pp(t) N(t) 受激发射激光 PL(t) N(t)
i, k << p 宽脉冲激光
染料激光器
泵浦光上升时间
i, k << p ,i > k 自熄火激光
N2激光器
和泵浦光步调一致，稳定光脉冲
基态i 粒第子数十保一持章，时激间发分态k辨粒光子谱容易清除，
在光泵光减少之前，激光已经停止
I, k >> p 多尖峰脉冲激光 灯泵红宝石激光器
粒子数反转快速建立，受激辐射破 坏粒子数反转
T dd1d2
d0 T0.5ps d1um T1ps
第十一章时间分辨光谱
不同方式产生短脉冲激光
第十一章时间分辨光谱
五、飞秒激光的产生
@ =800nm, c03 .81014Hz, T18 3fs @ =600nm, 51014Hz, T2fs
1、碰撞脉冲锁模（colliding-pulse mode locking, CPM）
4 ln 2 T = 8 ln 2
0 .8 8 3 * 2
超快现象
激发态的消激发； 非平衡态向热平衡态的弛豫； 分子预解离； 飞秒化学； 视觉过程； 光合作用； ………….
第十一章时间分辨光谱
第9.1节 超短激光脉冲的产生
非相干光源的脉冲宽度受激发（放电）电子线路脉宽的限制(ms, ns)；
高分辨
光谱分辨：, 时间分辨：t
空间分辨 r
第十一章时间分辨光谱
高斯线型
第十一章时间分辨光谱
取自《数学手册》p.188
Fourier变换
G ( ) g (t )e itd t
g (t )
1
G ( )e itd
2
半周期
T a 1
T 2
半高宽
T 2 ln 2
在环形腔中，放大A1和吸收A2点间 距为总长的1/4。两相反方向传播的 光脉冲在吸收A2处叠加。形成相涨 相干，形成驻波。 1，吸收介质薄，光通过时间短～ 400fs (d<100um) 2，在驻波中，光强吸收少，光弱吸 收大脉冲压窄。
第十一章时间分辨光谱
两脉冲部分重叠，光强 和吸收调制大
t 0
缺点：在脉冲线性里面，包含2 频率调制信号
举例 脉宽
脉冲重复率
虚线
第十一章时间分辨光谱
四、激光器的锁模
自由光谱程
c
模间距（周期）
2L
T 1
调Q： 几十几百倍 2L / c
目的： 获得更窄更强的激光脉冲
T 腔倒空： 2L / c 锁模： 2L / mc (m为模数)
原理： 在一般的脉冲或调Q激光器中，各振荡纵模独立输出能量，模之间 的位相关系不固定，输出为功率相加(mP)。锁模是使各振荡模满足频域相 干叠加条件：（1）模间隔一定；（2）相对位相固定。这样多纵模在腔内 时间相干、振幅叠加，使得总功率出现时间上相对集中短脉冲(ps)。
第十一章时间分辨光谱
2，利用电光效应调Q
电光效应：电场使晶体的介电张量发生变化，导致折射率 n变化（光率体发生畸变）。
nn0E0E0 2
二次(平方)电光效应[Kerr效应] 一次(线性)电光效应[Pockel 效应]
偏振旋转角
P1, P2偏振方向交叉：
a，实验装置图 b，短脉冲图
第十一章时间分辨光谱
声光调制器
第十一章时间分辨光谱
透过光强 透过光强幅度
调制幅度
如果 增益宽度
模式间隔 输出光强总幅度
对应下一个腔模频率 对应下一个腔模幅度
震荡模式数量
第十一章时间分辨光谱
模式间隔
脉宽
5个模式锁定
15个模式锁定
第十一章时间分辨光谱
被动锁模 腔内非线性饱和吸收材料的周期性饱和
原理（起伏模型）： 自发辐射（光强无规起伏）非线性饱和效应吸收材料对弱的 吸收大对强的吸收小 产生周期脉冲 (<ps)
三、腔倒空
目的： 从CW激光器中产生脉冲序列
原理： 连续运转 (CW) 时Q值高，激光输出小，腔内功率高；突然降低Q 值，腔内储存的能量很快释放，形成脉冲。
第一次经过晶体： 折射 透射
第二次M3反射经过晶体： 折射 透射
折射率正比于声波调制幅度 (t) Is
第十一章时间分辨光谱
经过M2, prism反射输出
脉宽
线宽
吸收材料
第十一章时间分辨光谱
用锁模激光做同步泵浦 用脉冲激光器L1去泵浦另一激光器L2，
L1
L2
激光器L1的脉冲重复间隔
激光器L2的脉冲重复间隔 T2d2/c
d1 d2 同步泵浦
第十一章时间分辨光谱
氩离子激光 器泵浦
燃料激光 器输出
由于饱和效应，输出脉冲 比泵浦脉冲短：可以获得 <1ps的光脉冲 脉宽
自由讨论：
1，什么是Fourier变换？ 2，什么是光泵？ 3 4，什么是幅度调制？可以利用什么办法实现ຫໍສະໝຸດ Baidu会出现 什么结果？ 5，什么是光的相干？ 6，测量脉冲光的仪器有哪些？
第十一章时间分辨光谱
第十一章 时间分辨激光光谱
• 超短激光脉冲的产生 • 超短激光脉冲的测量 • 寿命测量 • Pump-probe技术
两脉冲完全重叠，光强 和吸收调制小
第十一章时间分辨光谱
2、Kerr透镜锁模Kerr lens mode locking, KLM (<100fs)
折射率
电场诱导非线性极化
1，光强处诱导折射率大，光更加汇聚 Kerr lens focusing 2，脉冲入射光时间脉冲上中间部分的 光较强，Kerr汇聚效果更加明显，对应 与空间分别的中间部分。 3，利用光阑将空间周围低光强部分虑 掉，相当于将时间脉冲上脉冲头和脉冲 尾虑掉脉宽压窄
主动锁模：用电光、声光元件进行调幅（损耗）、调相。
被动锁模：放置饱和吸收材料于腔内
自发锁模：多个纵模间的非线性作用
第十一章时间分辨光谱
主动锁模 调制器振幅（损耗）调制
单色光 幅度调制频率
腔模
两边带
如果调制频率等于腔模间隔 f c/2d
如果多次经过声光调制器 0 f 02f 0 3f ......
这些模式相干震荡，相位耦合，在t时候到达最大时，经过2d/c时也到达最大
二、调Q
高损耗、低Q值 低损耗、高Q值
目的： 消除尖峰效应，产生强的 窄脉冲激光。
原理： 抽运过程中Q值低，当反 转粒子数达到最大值时突然提高 Q值，此时增益比降低了的阈值 高许多，振荡场迅速建立，产生 雪崩过程，受激辐射很快耗尽反 转粒子数。
Q 0 Ptotal Ploss
1，快速转动腔镜，实现Q开关
而超短光脉冲的产生借助于激光的相干性，可远小于电学脉宽也可以小于泵浦光脉冲 (fs, as)。
一、脉冲激光的时间线型
脉冲激发Pp(t)导致脉冲粒子数反转N(t)，从而产生脉冲激光输出PL(t)，但是激光PL(t) 又降低粒子数反转N(t)
Pp(t) N(t) 受激发射激光 PL(t) N(t)
i, k << p 宽脉冲激光
染料激光器
泵浦光上升时间
i, k << p ,i > k 自熄火激光
N2激光器
和泵浦光步调一致，稳定光脉冲
基态i 粒第子数十保一持章，时激间发分态k辨粒光子谱容易清除，
在光泵光减少之前，激光已经停止
I, k >> p 多尖峰脉冲激光 灯泵红宝石激光器
粒子数反转快速建立，受激辐射破 坏粒子数反转
T dd1d2
d0 T0.5ps d1um T1ps
第十一章时间分辨光谱
不同方式产生短脉冲激光
第十一章时间分辨光谱
五、飞秒激光的产生
@ =800nm, c03 .81014Hz, T18 3fs @ =600nm, 51014Hz, T2fs
1、碰撞脉冲锁模（colliding-pulse mode locking, CPM）
4 ln 2 T = 8 ln 2
0 .8 8 3 * 2
超快现象
激发态的消激发； 非平衡态向热平衡态的弛豫； 分子预解离； 飞秒化学； 视觉过程； 光合作用； ………….
第十一章时间分辨光谱
第9.1节 超短激光脉冲的产生
非相干光源的脉冲宽度受激发（放电）电子线路脉宽的限制(ms, ns)；