激光与飞秒超短脉冲激光

激光与飞秒超短脉冲激光OnMay16,1960,TheodoreMaimaninventedtheworld'sfirstlaser,knownastherubylaser”.2010—YearoftheLaserLaserfestisayearlongcelebrationofthe50thanniversaryofthelaser.Thelaserisoneofthegreatestinventionsofthe20thcentury—hasrevolutionizedthewaywelive.694.3nm激光发展史LASER---LightAmplificationforStimulatedEmissionofRadiation受激发射的光放大产生的辐射理论基础1958年Townes、Schawlow提出（汤斯，巴索夫，普罗霍罗夫64年Nobel奖）（肖洛，布洛姆伯根，西格巴恩81年Nobel奖）第一台激光器红宝石激光1960年Mamain发明694.3nm激光器三个主要部分：增益介质──激光工作物质上能级粒子数反转谐振腔──选模限制波形和提供反馈、增益稳定振荡泵浦源──提供能量1stLaserSystem-----RubyLaserT.H.Maimanetal,Phys.Rev.123(1961)1151-1157激光特性单色性：有选择反馈放大振荡线宽窄He-NeDl/l=10-13;Kr86Dl/l=10-8方向性：谐振腔沿腔轴传播的模式振荡He-Ne2q=10-3rad相干性：单色性、方向性好相干性He-NeLc=107cmKr86Lc=10cm超强、超快性:脉宽4.0fs,光强度1021-22W/cm2H核对电子作用3.51016W/cm2红宝石激光激光与现代科技近十三年,有七次Nobel奖与激光有关一)1997年激光冷却和捕获原子二)1999年超短激光观测分子中间态过程三)2000年快速晶体管和激光二极管发明四)2001年激光和磁阱实现玻色_爱恩斯坦冷却五)2002年大分子结构解析法中介质辅助激光分析和飞行时间质谱六)2005年精密激光光谱和光学频率梳七)2009年光纤通讯激光与现代科技*物质研究的基本手段高分辨率光谱（窄线宽）非线性光谱（高强度）超快光谱（飞秒脉冲）激光冷却(97年NobelPrize)精密光谱(2005年NobelPrize)强场极端实验条件*光电技术与信息科学光存储技术光输入/输出设备光电显示技术光通讯技术*激光与生命和健康DNA图谱识别和控制光钳技术---单个细胞行为研究激光手术刀光合作用、育种*激光与国家安全战略武器化学激光战术武器精确制导、至盲武器，夜视仪，防护镜*激光与能源U235分离裂变ICF核聚变机载激光武器(ABL)，ABL的目标是研制装在经过改造的波音747飞机上安装激光武器，用于从高空攻击敌方的战区弹道导弹。激光分类：1、工作介质气体激光器：He-Ne,Ar+,CO,CO2,XeF,KrCl固体激光器:Ruby,YAG,YLF,Ti:Sapphire染料激光器:DCM,R6G半导体激光：GaN,GaAs自由电子激光：电子在周期静磁场中通过相干辐射2、激光特性连续脉冲（调Q、锁模）脉冲激光器进展60年代Q-Switching10-9s(ns)70年代Modelocking10-12s(ps)80年代CollidingPulseModelocking10-13s(sub-ps)80年代后期KerrLensModelocking10-15s(fs)最短的激光脉冲为4fs激光振荡周期为T=2.7fs2001年——百阿秒脉冲获得（x光波段）2008年——80阿秒脉冲获得（x光波段）脉冲激光-----提供时间和功率极端实验条件1872年，摄影师EadweardMuybridge首次拍摄到飞驰奔马的运动（24部照相机，相隔1英尺，1/1000秒快门）。时间分辨测量二百年前$25000赌博——某一时刻，马的四蹄是否同时离地？“过渡态”——马腾空时刻“照相”技术——分辨测量1S200210-3S10-9S10-6S10-12S1fsblinking(10-1s)DeepBlueclock(10-9s)lightning(10-4s)dissociation(10-13s)1、timeresolution——importantmeasureforsciencefstimeresolvednspsfsas光电管条纹相机光学相关法电子相关法光学相关法二次谐波法双光子荧光克尔开关法高阶相关法{相机等飞秒时间分辨测量1987年，Zewail完成第一个飞秒化学实验fspump—probe:pump（强光）将ICN激发到解离态上probe（弱光）波长对应CN自由基的吸收excitation100fs后200fs后ICNI+CNt200fs吸收hn解离态人类第一次直接从实验上观测到化学反应过程——JCP经典文章Femtochemistry----NobelPrize1999TheRoyalSwedishAcademyofScienceshasawardedthe1999NobelPrizeinChemistrytoProf.AhmedH.Zewail(CIT),forshowingthatitispossiblewithrapidlasertechniquetoseehowatomsinamoleculemoveduringachemicalreaction.TheAcademy’scitation:Forhisstudiesofthetransitionstatesofchemicalreactionsusingfemtosecondspectroscopy超快时间分辨测量高功率的获得：飞秒短脉冲的放大——CPACPA:ChirpedPulseAmplifier脉冲激光功率发展历史(~1cm2ofBeam)gthnnDhP钛宝石飞秒高功率激光基本特性：波长：750-1100nm超快(4.0fs)----万亿分之一秒超强100TW自然界存在聚焦强度1020W/cm23.5×1016W/cm2光压1012bar1bar加速度1021gg磁场109Gauss0.5Gauss提供了极端实验条件FastIgnitionConceptofICF(ICF---inertialconfinementfusion)超短激光和长脉冲激光作用的比较Laser-matterinteractionwithlongpulseLaser-matterinteractionwithultrashortpulse飞秒微加工与微制备Adrillinginsteelproducedby3.3-nspulses.Astrongblurformationoccursandsolidifieddropletsstickonthesurface.Notetheheat-affectedzonearoundthehole.Adrillinginsteelproducedby200-fspulses.Pulsesenergyisdecreasedbynearlyoneorderofmagnitude.飞秒激光角膜切割FlapcutbyfslaserpulseFlapcutbyamechanicalmicrokeratomeNature,Vol.412,697.2001（H.B.Sunetal)三维微制备——纳米牛与纳米弹簧Ti:S780nm,150fs,76MHz1.4NA高倍显微物镜聚焦光聚合分辨率120nm牛尺寸：10mm×7mmSCR500resin(JSR,Japan)+urethaneacrylate(尿脘丙烯酸脂）a.原始状态b.伸展状态c.阻尼振荡恢复曲线820nm,19mW3pNk=8.2nN/m26fs,800nm,6×1015W/cm2Ne(21.6eV):4.9nm(253eV)163次He(24.6eV):2.4nm(518eV)333次100fs脉宽：Ne119次，He239次Ne高次谐波信号PRL79（1997）2967高次谐波波产生He高次谐波信号突破水窗极限获得相干X光光源阿秒脉冲的获得30——7.5nm谐波辐射与激光纵模结构相似相干迭加10as脉宽输出11-19次谐波合成得到250as脉冲高次谐波——规律性、完美性Femtochemistry----NobelPrize1999“Zewail教授的飞秒激光技术可以和伽利略使用的望远镜相比，Zewail教授将其望远镜对准了科学的最前沿，致力于用飞秒激光对准在分子世界中运动的一切。我们现在可以研究分子中原子的实际运动：目击分子的诞生和分解。”——本特诺顿教授（诺贝尔奖化学委员会主席）NewNobelPrizepossibilityFemtosecondIntenseFieldPhysicsFemtobiologyFemtomedicineFemtofabricationFs-SNOMFemto…….，Atto……结语