绪论在线视频

大家好

今天这门课是 超短脉冲激光技术

主要内容有几个部分

一个是脉冲的基本原理 基本特性

一个是激光器中的一些机制的原理

和计算方式

第三部分是

使用系统包括固体激光器 飞秒激光器

最后一部分是脉冲的测量

主要的参考书

有这四本

前两本是我们用的主要参考书

另外在这个里头

要先感谢一下课件中引用的图片

及相关资料的作者及单位

有些未加标注

敬请原谅 谢谢大家

我们先讲第一部分

绪论

首先 先问一下什么是超短脉冲激光

大家知道激光运行的时候

有两个运行方式

一个是连续运转方式

就像这个光一样

它是一直连着出来的

还有一种是脉冲光的方式

就是这个光

是在一闪一闪的

就叫脉冲光

那怎么来定义这个超短脉冲激光呢

脉冲的宽 窄 长 短

怎么来定义

我们用脉冲宽度来定义

本门课主要涉及到的是

皮秒和飞秒脉冲激光

对于阿秒脉冲激光

也叫超短脉冲

但是它的技术跟我们不太一样了

所以本门课只是讲的飞秒脉冲激光

有些是皮秒脉冲激光

皮秒 飞秒是什么概念呢

大家看一下这个图

第一条是时间的尺度

时间尺度来分

我们从最右边开始看

大家知道

一秒钟的概念

滴答

就是一秒

那么比一秒种少十的三次方数量级

就是毫秒

再往下

是微秒

再往下三个数量级

是纳秒

再往下三个数量级

就是皮秒

所以皮秒是十的负十二次方秒

飞秒呢

就是十的负十五次方秒

所以本门课主要是讨论的

飞秒脉冲激光的产生以及它的特性

再往下

十的负十八次方秒

就是阿秒了

这个我们说过

不是本门课堂的内容了

在尺度上另外再讲一下

往大里走的尺度

以功率为例

从左边开始

叫十的三次方瓦

叫千瓦

再往上是MW GW TW

现在能够产生的最强的脉冲

是PW量级

是十的十五次方数量级

再下面一个问题就是

为什么要研究超短脉冲

大家平时说过一个词叫

白驹过隙

我们形容时间的快

那么这个白驹过隙是怎么过去的

是吧

我们想要看到它是

头朝左 还是头朝右

它的这个蹄子是

左蹄子先在前头

还是右蹄子先在前头

我们想看一下这个白驹

怎么过的这个隙呢

这个问题实际上在

很早以前就有人研究

就是在1872年的时候

这个农场主叫“Stanford”

这位老先生呢

他养了一些马

他想知道这个马在跑的过程中

这个马蹄子是怎么样来往前走的

他就委托右上角这个

Muybridge先生说

给我拍一些照片

好 Muybridge先生就

研制了一套设备

那么它的这个分辨率呢

是在六十分之一秒

在这个数量级上

就拍到了我们看到的这个图

大家可以清楚的看到

赛马在跑的过程中

它的马蹄子是什么状态

这个 其实就是脉冲的超快起源

就是你要想探测一个快速运转的东西

那么你一定自己

脉冲光源及探测器要足够快才行

所以呢

我们就研究超快激光器

看一下超短脉冲激光的特征

特征之一

就是脉冲宽度极窄

窄到什么程度呢

刚才大家也说了

我们研究的是飞秒脉冲

是十的负十五次方量级

这个十的负十五次方

就相当于电子绕原子核半周的时间

因此 可以给我们提供

微观世界超快过程的研究工具

还有一个特征

就是峰值功率极高

大家知道

脉冲变得非常窄

就相当于剑

变得越来越薄

那么它越来越锋利 是吧

这个时候在压窄脉冲的同时

它的峰值变得非常的高

这个就是它的特征之二

高到多少呢

可以到十的十五次方瓦

如果我们把它聚焦

就可以到十的十八次方

到十的二十一次方瓦每厘米的平方

那大家又知道

在这个库伦场力

实际上库伦场力的

强度是在五乘十的九次方伏每厘米

而我们提供的超短脉冲激光

可以到十的十一次方伏每厘米

因此可以做一些

提供一些极端的物理条件

在日常生活中

我们也可以做各种应用

比方说

激光微加工

对于这个脉冲的发展过程

我们给两个概念

一个是脉宽的发展过程

这个图大家可以看得到

横轴是年代

纵轴是脉冲宽度

脉宽是随着年代的增加

宽度是逐渐降低的

从锁模的方式来说呢

是从主动锁模到被动锁模

到碰撞脉冲锁模

以及最后的克尔自锁模

那么脉冲就从微秒 皮秒

一直降到阿秒数量级

在这个过程中

值得一提的是

在91年的钛宝石激光器中

产生了60fs的脉冲

这个是在圣安德鲁大学产生的

在这个之后

飞秒脉冲的脉宽

压窄过程极速地发展

到目前为止

最窄的

直接产生的脉冲是4.5-fs

这个是脉冲长得这个样子

是在01年产生的

那么我们说

不是直接产生的脉冲

它的脉宽可以更窄

可以到阿秒数量级

这个就是另外一门课的研究内容了

另外一个呢就是它的峰值功率

我们可以说

提供到PW数量级

峰值功率呢

它的这个发展过程也是这样的

我们看到横轴仍然是年代

纵轴是峰值功率的提高

从下往上走

这里头有两条线

这个蓝线代表的是

长脉冲的峰值功率增长的过程

红颜色的线是代表的是

超短脉冲峰值功率增长过程

我们课主要讨论的是超短脉冲

因此我们是沿着这个

红颜色这条曲线往上走

需要值得提的一个是

超短脉冲它在放大的过程中

遇到一个瓶颈

就是刚才说的

这个峰值功率太高了

那么如果它的能量再接着长大

那么它打到任何一个介质上

就是打到哪就把哪给破坏掉了

这个时候呢

脉冲就没有办法再接着放大

在这个时候

经历了很长时间

那么莫罗先生提出来一个叫

啁啾脉冲放大技术

用了这个技术之后

峰值功率就接着提高了

因此呢

现在的超短脉冲峰值功率

可以提高到多少呢

叫十个PW数量级

大家看这条曲线图

这个里头获得的最高的峰值功率的

就是我们的国家SIOM做的

在18年它们获得了十PW

也是目前国际上最高的一个水平

因此

这个技术在2018年获得了诺贝尔奖

中间这位就是Mourou先生

他和右边Strickland

他们两个共同获得的原因就是

高密度超短光学脉冲的产生方法

三位获奖者中

左边这位先生Ashkin

他是因为用超短脉冲做成的镊子

叫光镊

发明了光镊并且其在生物系统中的应用

获奖

因此呢

因为有这两个特性

一个是极窄

一个是峰值功率极高

因此超短脉冲有一些应用

第一个应用是比较有标志性的

就是在1999年获得的化学诺贝尔奖

他因为什么获奖呢

是因为超快光谱学

也就是在时间上

有一个时间超分辨率的光谱学应用

主要是将超快技术应用在化学反应中

可以观察到分子中的原子如何移动

并且可以控制原子的移动

因此获得了99年的化学诺贝尔奖

另外一个标志性的工作呢

就是在2014年

也是化学诺贝尔奖

是由于超分辨率荧光显微技术

这个超分辨是在空间中的超分辨率

它的获奖原因就是让我们看清了细菌

大家知道细菌呢

大概是在一个微米

小一点的是在零点几个微米

大一点的是在几个微米的这个数量级

那么就是用这个超分辨率显微技术

可以看到细菌长什么模样

大家可能有一个疑问

说这个是物理学的东西

为什么是获得化学诺贝尔奖

因为我们拿的是超分辨率显微镜呢

是主要用在了化学领域中

因此它是获得化学诺贝尔奖

除此之外呢

我们也有一些

日常生活中也有一些超短脉冲的应用

比方说在微加工中

我们先看一下这个微加工中

长脉冲和短脉冲加工出来的器件

有什么不一样

这个图可以看到

上面的是一个长脉冲

也是一个脉冲串

它打到这个介质中呢

因为这个介质和这个脉冲相互作用

介质就会先被加热

他会融化

融化了之后

它里头的小颗粒被打出来

因此 加工出来的这个器件呢

打出来的这个孔

边上就不太齐

另外一个

它边上会有一些堆积

如果用这个短脉冲

就我们说的超短脉冲的话

大家刚才知道了它的力量

已经超过了库伦键的力量了

因此光与物质相互作用的时候

它是把物质直接打出来

就有点像我们说的汽化过程

因此它打出来的这个器件的边

是非常齐的

打出来的孔

就像这样子的这个孔

所以对比一下左边和右边这个孔

明显看到右边这个加工

加工的更好

这个也好理解 是吧

就相当于

我们举个日常例子

比方说拿一个手术刀

手术刀它是非常锋利的

所以它切东西会切的边很齐

如果用一个斧子来切的话

就切的不太齐了 是吧

所以这个原因就是这样子的

因此呢

有很多的应用

第一个 我们可以做微纳器件

这个微纳器件微到多少呢

大家看一下这个图

上面有一个小的横标

这个横标是五个微米

所以加工出来这个齿轮

它的尺寸是在

大概是五个微米的这个数量级

五个微米是什么概念

大家知道我们的头发丝

一般是在七十到八十个微米这个尺寸上

所以就相当于是在这个头发丝的

十分之一到二十分之一的尺寸上

可以刻出齿轮来

这个就是微加工的一个典型应用

还有一个呢

就是大家现在都拿手机

手机前面那个屏幕

实际上也是现在拿这个

超短脉冲来加工出来的

这个大家之前也有一个概念

我们日常生活中以前

划玻璃都拿一个玻璃刀

那么玻璃刀划的时候

如果你掌握不好

就有可能把这个玻璃给压碎了

就算是可以划出来之后

那个边也不太齐 是吧

这个时候就容易把手

你摸一下 这手就会划一下

所以就要拿砂纸打磨它

那么打磨的时候

其实就是一个浪费 对不对

一个是浪费人力

另外你打磨掉的这个材料

其实也是一个浪费

那现在呢

如果做手机屏的切割的话

我们用这个超短脉冲

就可以直接切出来这个屏幕了

一次性加工

还有一个就是大家用的

跟我们日常生活中比较相关的

就是眼睛的矫正

可以用飞秒脉冲矫正近视眼

或者是矫正曲率不合规定的地方

其它的应用包括这个

光通讯

现在上网码速这么快

网速这么快

原因是什么呢

因为码速快

码速是一秒钟之内

我们可以发送多少个脉冲

那脉冲当然越窄

它的码速是越高的

所以超短脉冲也可以用在这个里头

当然还有激光测距

以及最后这幅图呢

我们提一下

最后这幅图就是

如果提供的这个脉冲

峰值功率极高的时候

可以做激光核聚变的源

激光核聚变就是一个清洁能源了

因此 超短脉冲有很多的应用

我们就不再一一列举了

这个

下一个时代我们说过了

是一个阿秒脉冲

阿秒脉冲和飞秒脉冲的区别在哪呢

飞秒脉冲是可以

观察 操控 分子 原子的运动

而阿秒脉冲呢

是可以跟踪电子的运动

这个数量级就不再一样了

另外还有一个朝着努力的方向

就是刚才说的提供极强的光强

这个极端光场

那么上海光机所

现在下一个目标

可以达到100PW的数量级

就可以提供更强的手段来做一些

更加极端的应用

好 下面呢

我们介绍一下超短脉冲激光器的分类

超短脉冲激光器的分类

我们按不同的标准来分

如果按照这个材料来分的话

大家都知道

有固体激光器 有光纤激光器

有半导体激光器 还有染料激光器

如果按照脉冲的产生方式来分

又分为调Q脉冲和锁模脉冲

那么这两种方式

虽然都是产生的脉冲

但是它们的产生脉冲机制是不一样的

因此产生的脉冲宽窄也不一样

调Q脉冲呢

一般的来说

获得的脉宽是在微秒到纳秒数量级

锁模脉冲

一般呢

它的数量级是在皮秒到飞秒数量级

因此本门课主要讨论的是

由锁模技术产生的

皮秒到飞秒量级的脉冲

如果按这个锁模的方式来分呢

又分为

有主动调制锁模和被动调制锁模

本门课呢

对于被动调制锁模可能讲的更多一些

这个就是本门课的主要的目标

大家先看一下染料激光器

染料激光器

其实在超短脉冲方面

它其实是做出了很大贡献的

另外一个染料的优点

就是在可见光波段

它几乎是连续的

你想要的哪个波长都可以

但是染料激光器呢

也有一些缺点

首先 染料会褪色

因此它需要不断的换染料

不断的换染料的话

如果放在液体中

就会有一个液体的流动系统

这样系统就不太稳定

也不太方便

还有一个原因呢

大部分染料都是有毒的

所以染料激光器呢

目前用的不是很多

但是它曾经在80年代的时候

染料激光器的锁模脉冲

就已经获得了二十几个飞秒的脉冲了

还有一个呢

就是光泵半导体激光器

这个有点类似于固体激光器

我们主要本门课想介绍的

一个是钛宝石激光器

看一下这个系统

这个系统中有几个元器件

首先说因为它是激光器

所以它要有增益介质

就是这个钛宝石

当然激光器要有谐振腔

所以这个系统中有四个镜子作为它的谐振腔

还有呢

就是要产生这个脉冲

要有一个色散补偿系统

就是系统中的棱镜对

最后一个器件呢

就是可饱和吸收体

因为在这个超短脉冲中

有的时候它是不太容易自己启动的

所以引入了一个可饱和吸收体

作为自启动器件

但是实际上后来

这个可饱和吸收体也参与了锁模

依据这个系统里头的器件呢

有几个机制

有增益 损耗

还有系统的色散

还有系统的非线性

那么增益 色散 非线性呢

主要是由于这个钛宝石介质来引起的

另外还有呢

可饱和吸收效应

还有一个色散补偿机制

所以本门课主要是围绕着

这几个概念来展开的

我们再给一个光纤激光器的例子

光纤激光器我们举两个例子

一个是掺铒光纤激光器

掺铒光纤激光器

因为它的波长是在1.55微米

因此呢

光纤本身提供的是反常色散

所以它一般产生的脉冲

都是传统孤子脉冲

另外一种呢

是掺镱激光器

掺镱激光器呢

它的波长是在1微米附近

因此它提供的是

这个正色散系统

所以它们两个的系统略微有点不一样

我们看一下左边这个掺铒光纤激光器

它的这个器件有谁呢

主要有 还是刚才说的

泵浦源 这个LD

那么把泵浦源耦合进系统中

用的是波分复用器 WDM

然后增益介质用的是Er-fiber

掺铒光纤

后面再顺着走

下来这个有一个光隔离器

因为这是一个环形腔

所以要让光呢

在里头是沿着某一个方向来运转的

所以加了一个隔离器

其实就是一个单向器

还有呢

有一个偏振控制系统

另外要有一个输出 是吧

产生了激光以后

要让它输出去

这是它的几个器件

再看右边的图和左边的图

有什么不一样呢

右边有一个可饱和吸收体

因为我们说

在这个

正色散介质中

是需要有一个可饱和吸收体

来进行锁模的

并且里头还有一个滤波器

并且呢也有色散补偿器件

所以从机制来说

看最后一行

这个机制其实跟刚才的固体激光器

基本上是一样的

也是包括增益 损耗 色散

非线性 可饱和吸收 以及滤波

因为这个增益和损耗呢

在激光器那一部分

我们已经讲了很多

所以本门课呢

主要是讨论色散 非线性

可饱和吸收 以及滤波的作用

这就是本门课的主要内容

因此呢我们围绕这些内容

分了相应的章节

就是下面给的这几个章节

好

本章我们就介绍到这里

谢谢大家