超短脉冲激光技术ppt课件

5．6 (3)一．概述 (3)1．飞秒激光脉冲的特性 (3)2．飞秒脉冲的传输 (5)3．光束空间传输 (6)4．脉冲传输的数值模拟 (6)5．时空效应 (9)5.1自相位调制 (10)5.2相位调制对有限光束的影响——自聚焦 (11)二．飞秒光学 (13)1．简介 (13)2．色散元件 (13)2.1 膜层色散 (13)2.2 材料体色散 (13)2.3 角色散元件 (14)3．群速度色散的补偿及控制 (14)4．聚焦元件 (16)4.1 透镜的色差 (16)4.2 脉冲畸变与PTD效应 (16)三．飞秒激光器 (18)1．锁模简介 (18)2．克尔透镜锁模 (18)3．飞秒激光振荡器 (20)4．光纤孤子激光器 (21)四．飞秒脉冲的放大与压缩 (23)1．简介 (23)2．飞秒脉冲放大的困难 (25)3．啁啾脉冲放大技术 (26)4．CP A放大器的设计 (27)4.1 CP A激光系统的工作脉宽 (27)4.2 高增益的前置放大器 (27)4.3 装置的色散控制 (28)4.4 设计多程CP A放大器的理论模型 (31)五．脉冲整形 (34)1．脉冲整形 (34)2．飞秒光脉冲整形的物理基础 (34)(1)线性滤波 (34)(2)脉冲整形装置 (35)(3)脉冲整形的控制 (38)3．几种典型的空间光调制器 (39)(1)可编程液晶空间光调制器(LC SLM) (39)A．电寻址方式 (39)B．光寻址方式 (40)(2)声光调制器 (41)(3)变形镜 (41)4．脉冲压缩 (42)2.1 波导介质中的SPM (42)2.2 级联非线性压缩脉冲 (43)六．脉冲时间诊断技术 (45)1．强度相关 (45)(1) 多次平均测量 (45)(2) 单次工作方式 (47)(3) 三次相关法 (48)2．干涉相关 (49)3．脉冲振幅与位相的重建 (50)七．大口径高功率激光装置 (53)1．高能量的PW钛宝石/钕玻璃混合系统 (55)2．关键技术问题 (56)2.1 高阶色散 (57)2.2 光谱窄化和漂移引起的光谱畸变 (57)2.3 非线性自位相调制SPM (58)2.4 自发辐射放大ASE (58)3．光参量啁啾脉冲放大(OPCPA) (58)3.1 大口径高能钕玻璃泵浦的OPCPA 系统 (62)3.2 小口径低能量高重复率OPCPA 系统 (63)4．展望 (64)4.1 峰值功率的理论极限 (64)4.2 光学元件的限制 (65)4.3 非线性B积分的限制 (65)5．6一． 概述1． 飞秒激光脉冲的特性飞秒（15110fs s −=）激光最早出现于70年代初。

超短脉冲技术的原理与应用引言超短脉冲技术是一种在相对时间尺度上产生非常短脉冲的技术。

它具有很高的时间分辨率和能量浓度，被广泛应用于多个领域。

本文将介绍超短脉冲技术的原理及其在不同领域中的应用。

超短脉冲技术的原理超短脉冲技术的原理基于光的时间调制性质。

通过优化光学元件和脉冲发生器的设计，可以产生非常短的脉冲。

以下是超短脉冲技术的主要原理：1.【原理1】光的色散补偿：在光经过不同材料或器件时，会因为折射率的不同而引起色散。

超短脉冲技术利用特殊的光学元件来补偿色散，使得在光经过时不会引起时间延迟。

2.【原理2】光纤拉伸：光纤拉伸技术可以将宽频带的光脉冲缩短。

通过拉伸光纤，光的不同频率被拉宽，从而实现宽频带的短脉冲。

3.【原理3】自发放射：自发放射是一个自然现象，它是由于原子或分子在受到外界激发后发射出光。

通过利用自发放射现象，可以产生非常短的脉冲。

超短脉冲技术在激光领域的应用超短脉冲技术在激光领域有广泛的应用。

以下是几个主要的应用领域：•材料加工：超短脉冲激光在材料加工中具有优越性能。

由于脉冲时间非常短，光的能量集中在一个非常小的空间范围内，可以实现精确的加工。

超短脉冲激光已经在微细加工、孔加工、锡焊接等领域得到广泛应用。

•光谱学研究：超短脉冲激光可以产生宽频谱的光，适用于光谱学研究。

通过测量光的频谱，可以获得物质的吸收、发射等信息。

超短脉冲激光在分子光谱学、固态物理等领域的研究中发挥着重要作用。

•生物医学影像：超短脉冲激光可用于生物医学影像的研究。

超短脉冲激光的短脉冲宽度和高峰值功率可以提供高分辨率的成像。

它被广泛应用于皮肤病学、眼科学和神经科学等领域。

超短脉冲技术在通信领域的应用超短脉冲技术在通信领域也具有重要的应用价值。

以下是几个主要的应用领域：•光纤通信：超短脉冲技术可以实现光纤通信中的高速数据传输。

由于脉冲时间短，可以将信号传输速率提高到数十Gbps甚至更高。

超短脉冲光纤通信已经成为现代通信系统的重要组成部分。

超短脉冲激光及其生命科学应用超短脉冲激光是一种异于常规光学的强激光，其脉冲时间对于纳秒甚至皮秒数量级。

由于超短脉冲激光的输出功率非常高，可以在极短时间内将能量输送到最小的空间尺度，因此被广泛应用于各种科学领域，特别是生命科学。

本文将详细介绍超短脉冲激光的原理、技术及其在生命科学方面的应用。

一、超短脉冲激光的原理和技术超短脉冲激光的基本原理是：利用激光器产生强、短脉冲的光束，该光束的时间尺度只有皮秒至纳秒级别，将其聚焦到微观物体上，利用光子的 Photoelectric Effect 和 Comptown Scattering 强度效应产生极高的能量密度，对物体进行加工处理或研究。

通常这种激光采用躯体非线性光学效应来形成及放大，最终通过光学混频技术得到皮秒脉冲出射。

同时，为了增加脉冲能量，将脉冲进行非线性增强，并采用 Afocal 技术来控制脉冲聚焦的光学系统，使得其聚焦到最小的尺度上。

此外，配合一些超水平前处理器和后处理器等器件，为此类激光创新性地提供了后向再注入供激光针对性标记和加工等应用方向。

二、超短脉冲激光在生命科学方面的应用由于超短脉冲激光具有极高的激光功率和空间分辨率，常用于生命科学的诸如光学成像、分子成像、组织切片和细胞操作等领域，其特色在于分子的精细加工和对个体的准确处理等方向。

此外，超短脉冲激光在神经科学方面的应用也非常广泛，通过操纵神经元功能和神经成像的技术，为研究基础和疾病相关的神经生理机制提供了有力的支持和帮助。

1. 光学成像超短脉冲激光可以提供高分辨率的光学成像技术。

对于生物体内部的显微组织学成像，超短脉冲激光可以使成像分辨率进一步提高，同时电子倍增器与 CCD 探测器联用也大大提高了光敏度和数据采集速度，为细胞与组织学成像提供了前所未有的精度。

2. 分子成像超短脉冲激光能够通过分子的振动和转变等特性，形成对分子的成像。

基于受激 Raman 散射、非线性光学倍频和荧光信号探测的原理，超短脉冲激光可以成像蛋白质、核苷酸和其他分子。

5．6用于快点火的超短强脉冲激光技术一．概述1． 飞秒激光脉冲的特性15110fs s −=飞秒（）激光最早出现于70年代初。

同传统的激光技术相类似，飞秒激光的发展也是和光学材料紧密相关的。

宽带的掺钛宝石激光晶体的出现，促进了飞秒激光在90-年代的飞速发展。

至今飞秒激光在宽带上可以小于4fs ，非常接近单个光波振荡周期。

另一方面，激光脉冲的峰值功率已经超过拍瓦（），相应的光波聚焦光强超过，相当于将所有覆盖于地球表面的太阳能辐射集中到3015110PW W =m μ21210/W cm 的小孔内所获得的强度。

因此，脉冲极短和强度极高的飞秒激光将显示独特的光波特性，并且将创造研究重大科学问题的新途径。

由于飞秒激光的脉冲宽度和光波振荡周期相近，其振幅和位相在相当的时间尺度上发生变化。

飞秒激光将显示出不同于其它较长脉冲的传输特性，光波的谱域相位()φω会显著的影响时域振幅分布或激光脉冲。

例如，50fs 脉宽的飞秒激光经过1cm 的光学玻璃线性传输，将展宽至约100fs 。

这种特性被称为群速度色散效应。

对于大多数光学透明介质，群速度色散仅在飞秒时间尺度上是重要的。

为清晰地说明群速度的概念，可以讨论光波由二列频率稍有不同的平面波组成的情况： 11220012[()][()]00[(())]0()()()2cos ())i k z t i k z t i k z t E t E t E t E e E e E k z t e k ωωωωωωω−−−=+=+Δ=Δ−Δ （1）其中211[()()]2k k k ωωΔ=−211()2ωωωΔ=− 021()21ωωω=+ 上式表明具有多个频率成分的光波的传输和单色平面波相比较，有很大的不同。

它是以中心频率0ω为载频的载波，而其振幅则成为随时间变化的振幅（Fig 1）。

载波表征整个光波的相位信息，其传递速度被定义为相速度。

振幅包洛体现了光波能量的信息，表征了多个频率成分的整体（群）行为，其随 时间变化的速度被定义为群速度p V g V ：g V k ω∂=∂ （2（a ）） p V k ω=（2（b ））图1. 脉冲光波的振幅包洛与载波群速度仅对于脉冲光波才是有意义的。