《瞬态光学》PPT课件.ppt

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1、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。,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,高速摄影仪器的分类,光机式高速相机,间歇式,光学补偿式,转镜式,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,鼓轮式,网格式,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,间歇式高

2、速相机,光学补偿式高速相机,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,转镜式高速相机,转镜式高速相机光学原理图,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,光电子类高速相机,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,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,闪光高速摄影相机

3、,玻璃气体放电管,陶瓷气体放电管,气体放电管,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,克尔快门,克尔效应,变像管相机原理图,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,变像管高速相机,两次小爆炸,蜜蜂“吐舌”,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。,二 超短脉冲激

4、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上升过程,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。,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。,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

5、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（5109V/cm）的光场，为人类开辟了一个新的研究领域强场物理。,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,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。

6、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。,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。,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

7、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,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

8、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。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。,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.20 世纪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

9、围.80 年代中,对撞锁模环形染料激光器的脉冲宽度达到了27 fs.1986 年,中科院西安光机所的陈国夫同志在英国进修期间,利用对撞锁模环形染料激光器创造了19 fs 的当时国际最短记录.,1超短激光脉冲的发展历史,1990 年,国际上出现了被动锁模钛宝石飞秒激光器.钛宝石增益带宽宽,因而调谐范围宽(6501100 nm),适用于产生超短脉冲(理论上可以支持产生3 fs 的脉冲),由它构成的飞秒激光器可靠性高、使用方便,掀起了国际上发展飞秒激光技术与应用飞秒脉冲的热潮.1995 年,钛宝石固体飞秒激光器产生的脉冲宽度降至8 fs;1996 年,西安光机所的许林在奥地利产生了7.5 fs 的超

10、短激光脉冲;1996 年,毕业于西安光机所的魏志义博士在荷兰创造了全固态腔倒空压缩后4.5 fs 的记录;1998 年,西安光机所的程昭则在奥地利利用亚毫焦耳的25 fs 的脉冲产生了强白光连续谱,将其近红外部分用超宽带啁啾镜腔外压缩,得了4 fs 的最佳结果.这些都是当时的国际最高指标.,2 超短激光脉冲技术当前达到的水平,3 超短激光脉冲技术的发展趋势,飞秒激光,飞秒激光的产生,超快科学（探测认识某些超快物理过程）物理 化学 生物学,超快技术 电子学（光电取样）光通讯 成像 共焦显微 OCT,飞秒激光的放大,超快超强科学（创造一个极端物理条件）飞秒等离子体 强场下电子的相对论运动 Self

11、channeling相对论自聚焦 千兆巴激光压力 尾场等离子体波,未来科学技术新突破,未来科学技术新突破,飞秒相干x射线及x激光（高次谐波，汤姆逊效应）x光显微术,x光印刷术,x光照相 激光热核聚变快速点火 激光粒子加速器 THz毫米波技术 云层放电,超高速计算机 超高速光通讯 生物技术（合成生物分子）医学（OCT）微加工技术,飞秒激光应用概述,飞秒和阿秒科学的用途,基于这些科学上的发现，飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。特别值得提出的是，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其独特的优

12、点和不可替代的作用。,众所周知，物质是由分子和原子组成的，但是它们不是静止的，都在快速地运动着，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。,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的激光。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，产生射线激光，产生正负电子对。高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景。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、发电厂因天然

13、雷击而造成的灾难性破坏。利用飞秒激光能够非常有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩。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。从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。,汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研究用飞秒激光加工更好的发动机喷油嘴。密执安大学飞秒激光专家珀容克说：尽管这方面工作已取得不少进展，但很多任务厂已将这一技术列为保密项目。IBM公司已将一种飞秒激光系统用于大规模集成电路芯片的光刻工艺中。用飞秒激光进行切割，几乎没有热传递。这种激光束能安全地切割高爆炸药。飞秒激光有希望作为一种冷处理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮弹及其它武器。

14、,随着研究的拓展，飞秒化学已经渗透到许多领域，不仅对分子束而且在表面化学方面（如理解和改良催化剂）、液体和溶剂方面、聚合物方面（如导体材料）等都得到应用。另一个重要的应用领域是生命科学方面飞秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。飞秒激光甚至可用于基因疗法，德国弗里德里克希勒大学的科学家用它就老鼠的细胞进行试验。,加州一家公司去年售出了40台飞秒激光视力矫正系统，它们帮助完成了2万次手术。目前人们在研究如何将飞秒激光用于牙科治疗。有科学家发现，利用超短脉冲激光能去掉牙的一小块，而不影响周围的物质。人们期待着无痛、且可保护周围健康珐琅质的超短激光牙科术的出现。中科院上海光机所

15、等国内机构也在这一科学前沿取得了若干初步进展。当前，该领域无论在理论上还是在实验上都处在出现重大突破的前夜。,化学分子在飞秒激光作用下的分离过程,飞秒激光典型应用激光受控核聚变,神光装置的惯性约束聚变(ICF)靶场系统,飞秒激光典型应用微纳米加工,纳米电子学：,纳米光刻：线宽100nm，深度1.5nm 修复光掩膜 制造光波导和微通道 纳米孔，纳米缝，纳米针孔的制造,纳米局域改性,超高密度信息记录写入功率密度为：4.71013W/cm2读出功率密度为：8.2 1012W/cm2 最大信息密度 1012bit/cm2,飞秒激光典型应用 飞秒激光高空间分辨率在信息技术和纳米技术中的应用,美国INTRALASE飞秒激光系统,德国蔡司CRS-Master波前相差系统,美国威视WaveScan波前相差系统,钛宝石飞秒激光系统,