亚飞秒脉冲产生及控制

飞秒激光及其应用飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。

飞秒脉冲是如此的短，目前已经达到了4fs以内。

1飞秒（fs） ,即10-15s ,仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已；飞秒脉冲又是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大（CPA）技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦（TW，即1012W）甚至拍瓦（PW，即1015W）量级，其可聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。

飞秒激光完全是人类创造的奇迹。

近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，以及后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，虽然说脉冲宽度和能量的记录在不断刷新，但最大进展莫过于获得超飞秒脉冲变得轻而易举了。

桑迪亚国家实验室的R.Trebino 说:“过去10年中, （超快）技术已有显著改善, 钛蓝宝石激光器和现在的光纤激光器正在使这种(飞秒) 激光器的运转变得简洁和稳定。

这种激光器现在人们已可买到, 而10年前, 你却必须自己建立。

”根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。

它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。

飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。

它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。

飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 使人们可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子点和纳米晶体)中的载流子动力学。

在生物学方面,人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/ 探测技术, 研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。

超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。

飞秒超快光谱技术及其互补使用乔自文;高炳荣;陈岐岱;王海宇;王雷【摘要】Ultrafast spectroscopy techniques are powerful tools for exploring the excited-state processes of ma-terials.In this paper, we introduced femtosecond time-resolved fluorescence technique and femtosecond pump-probe technique in detail , including the fundamental principles of systems , optical paths and data processing metheds, as well as the advantage and disadvantage in different implemental schemes .At last, in order to re-veal the complementary role , we provided an example in which the scientific problems were solved comprehen-sively and reliably by combinative usage of the two systems .%超快光谱技术是研究物质激发态过程的重要手段，本文对飞秒时间分辨荧光技术和飞秒泵浦探测技术这两个重要的超快光谱技术进行了详细介绍，阐述了系统的原理、光路及数据处理方法，给出了不同的实现方法并比较了其优缺点。

最后通过一个实例说明这两个技术的互补性，通过结合使用两个系统，能够对科学问题进行更全面可靠的研究。

【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】12页(P588-599)【关键词】超快光谱;荧光上转换;泵浦探测【作者】乔自文;高炳荣;陈岐岱;王海宇;王雷【作者单位】吉林省电子信息产品监督检验研究院，吉林长春130021;吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点联合实验室，吉林长春130012;吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点联合实验室，吉林长春130012;吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点联合实验室，吉林长春130012;吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点联合实验室，吉林长春130012【正文语种】中文【中图分类】TN2491 引言分子原子中发生的大多数光物理过程都具有一定的时间尺度，比如原子核的运动，化学键的扭转等发生在飞秒到皮秒时间范围内，电荷分离和转移、能量传递等可发生在飞秒到纳秒时间尺度上，发光材料的荧光寿命一般在纳秒量级，生物中某些特殊的生理功能如捕光、储能等过程都发生在不同的时间尺度上。

超短脉冲的获取方法及应用超短脉冲是指时间长度非常短暂的电磁脉冲信号。

由于脉冲时间非常短，通常在皮秒（10^-12秒）甚至飞秒（10^-15秒）级别，超短脉冲具有极高的峰值功率和宽带频率特性，因此在科学研究和许多实际应用中得到了广泛关注。

要获取超短脉冲，一般采用以下几种方法：1. 模式锁定激光：最常见的方法是通过模式锁定技术获得超短脉冲激光。

模式锁定激光通过通过控制放大器和光纤等元件的特性，使光传播过程中不同模式的相位相互耦合，最终实现了超短脉冲的产生。

2. 非线性光学效应：通过利用非线性光学效应，如自相位调制（Self-Phase Modulation，SPM）、调制不稳定和双光子吸收等，可以将连续波光信号转化为超短脉冲。

这种方法适用于光纤而非气体激光介质。

3. 光学斯托克斯过程：通过非共线非相位匹配的非线性光学斯托克斯过程，将几个光子能量合并为一个光子，并使合并后的光子频率减小，从而得到超短脉冲。

这种方法常用于基于光学斯托克斯过程的光学放大器中。

超短脉冲在许多领域中具有广泛的应用，包括：1. 激光科学研究：超短脉冲激光可以提供极高的峰值功率和高能量密度，已广泛应用于激光物理、激光生物学、激光化学等领域的研究。

如超高时间分辨率的飞秒光谱学、非线性光学研究、光子晶体等。

2. 生命科学研究：超短脉冲激光在生物领域的应用主要包括生物成像、细胞操作和基因组研究等。

例如，基于多光子吸收现象的超短脉冲激光显微术成像技术可以实现高分辨率和深度成像，对生物、医学研究具有重要意义。

3. 材料加工与纳米制造：超短脉冲激光由于其极高的峰值功率和精细加工特性，已广泛应用于材料微加工、曲面精细加工、表面改性、激光蚀刻等领域。

还可以通过调控超短脉冲激光的参数，如能量密度、重复频率等，实现纳米材料制造、光子晶体制造等。

4. 高速通信技术：超短脉冲激光在光通信领域的应用主要是基于其游戏理论特性，提供了高速、高频宽的数据传输能力，如飞秒激光自由空间通信和光纤通信等。

飞秒激光技术1.激光器的基本原理激光器是20世纪60年代出现的一种新型光源。

激光具有四大特性：单色性好、方向性好、相干性好、能量集中。

1.1激光激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。

处于激发态的原子是不稳定的，在没有任何外界作用下，激发态原子会自发辐射而产生光子。

而在有外界作用下，则会增加两种新的形式：受激辐射和受激吸收。

激光是通过受激辐射来实现放大的光，而光和原子系统相互作用时，总是同时存在着自发辐射、受激辐射、受激吸收（在有外界作用下，自发辐射相对较弱，可以忽略）。

为了能产生激光，就必须使受激辐射强度超过受激吸收强度，即使高能态的原子数多于低能态的原子数。

我们把这种不同于平衡态粒子分布的状态称为粒子数反转分布。

也就是，要产生激光，必须实现粒子数反转分布。

1.2激光器的基本结构与工作原理粒子数反转分布是产生激光的一个必要条件，而要实现粒子数反转分布和产生激光还必须满足三个条件：第一、要有能形成粒子数反转分布的物质，即激活介质（这类物质具有合适的能级结构）；第二、要有必要的能量输入系统给激活介质能量，使尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态以实现粒子数反转，这一系统称作激励能源（或泵浦源）；第三、要有光的正反馈系统——光学谐振腔，当一定频率的光辐射通过粒子数反转分布的激活介质时，受激辐射的光子数多于受激吸收的光子数可使光辐射得到放大，要使这种光放大并且以一个副长光子感应产生一个受激发射光子的单次过程为主，还能形成高单色性高方向性高相干性和高亮度性的光放大，必须使用光学谐振腔。

因此，如图1所示，常用激光器由三部分组成：激活介质、激励能源、光学谐振腔。

只有具有亚稳态的物质才有可能实现粒子数反转，从而实现光放大。

因此，激活介质中必须存在一种特殊的能级——亚稳态能级。

如图2所示，在外界能源的激励下，基态E1上的粒子被抽运到激发态E3上，因而基态E1上的粒子数N1减少，由于激发态E3的寿命很短，粒子将通过碰撞，很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上，由于亚稳态E2寿命较长，其上就积累了大量粒子，N2不断增加。

飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。

飞秒脉冲时域宽度是如此的短，目前已经达到了4fs以内。

1飞秒（fs）,即10-15s ,仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已；飞秒脉冲又是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大（CPA）技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦（TW，即1012W）甚至拍瓦（PW，即1015W）量级，其聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。

飞秒激光完全是人类创造的奇迹。

近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，以及后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，虽然说脉冲宽度和能量的记录在不断刷新，但最大进展莫过于获得超飞秒脉冲变得轻而易举了。

桑迪亚国家实验室的R.Trebino说:“过去1 0年中,（超快）技术已有显著改善, 钛蓝宝石激光器和现在的光纤激光器正在使这种(飞秒) 激光器的运转变得简洁和稳定。

这种激光器现在人们已可买到, 而10年前, 你却必须自己建立。

”比如，著名的飞秒激光系统生产商美国Clark-MXR公司将产生高功率飞秒脉冲的所有部件全部集成到一个箱子里，采用掺铒光纤飞秒激光器作为种子源，加上无需调整（NO Tweak）的特殊设计，形成了世界上独一无二，超稳定、超紧凑的CPA2000系列钛宝石啁啾脉冲放大系统。

这种商品化的系统不需要飞秒专家来操作，完全可以广泛应用于科研和工业上的许多领域里。

根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。

它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。

飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。

它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。

第7卷　第4期2014年8月　 中国光学 Chinese Optics Vol.7　No.4Aug.2014 收稿日期:2014⁃03⁃18;修订日期:2014⁃05⁃15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.21273096)文章编号　2095⁃1531(2014)04⁃0588⁃12飞秒超快光谱技术及其互补使用乔自文1,高炳荣2,陈岐岱2,王海宇2∗,王　雷2(1.吉林省电子信息产品监督检验研究院,吉林长春130021;2.吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点联合实验室,吉林长春130012)摘要:超快光谱技术是研究物质激发态过程的重要手段,本文对飞秒时间分辨荧光技术和飞秒泵浦探测技术这两个重要的超快光谱技术进行了详细介绍,阐述了系统的原理、光路及数据处理方法,给出了不同的实现方法并比较了其优缺点。

最后通过一个实例说明这两个技术的互补性,通过结合使用两个系统,能够对科学问题进行更全面可靠的研究。

关　键　词:超快光谱;荧光上转换;泵浦探测中图分类号:TN249 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20140704.0588Ultrafast spectroscopy techniques and their complementary usagesQIAO Zi⁃wen 1,GAO Bing⁃rong 2,CHEN Qi⁃dai 2,WANG Hai⁃yu 2∗,WANG Lei 2(1.Electronic Information Products Supervision Inspection Institute ofJilin Province ,Changchun 130021,China ;2.State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics ,College of Electronic Science and Engineering ,Jilin University ,Changchun 130012,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :haiyu_wang@Abstract :Ultrafast spectroscopy techniques are powerful tools for exploring the excited⁃state processes of ma⁃terials.In this paper,we introduced femtosecond time⁃resolved fluorescence technique and femtosecond pump⁃probe technique in detail,including the fundamental principles of systems,optical paths and data processing metheds,as well as the advantage and disadvantage in different implemental schemes.At last,in order to re⁃veal the complementary role,we provided an example in which the scientific problems were solved comprehen⁃sively and reliably by combinative usage of the two systems.Key words :ultrafast spectroscopy;fluorescence upconversion;pump⁃probe1　引　言 分子原子中发生的大多数光物理过程都具有一定的时间尺度,比如原子核的运动,化学键的扭转等发生在飞秒到皮秒时间范围内,电荷分离和转移、能量传递等可发生在飞秒到纳秒时间尺度上,发光材料的荧光寿命一般在纳秒量级,生物中某些特殊的生理功能如捕光、储能等过程都发生在不同的时间尺度上。

飞秒激光及其应用进展超短脉冲时代是从1960年代末1970年代初提出激光锁模技术时开始的，短短的20年后，出现了主动锁模，被动锁模，脉冲碰撞锁模（CPM），相加脉冲锁模等，锁模技术可以将脉冲缩短到皮秒是10-12秒甚至飞秒10-15秒。

在1980年代中期出现的自锁模技术和非线性啁啾脉冲放大技术，使我们真正进入了超短脉冲的时代。

利用这种技术可以产生一个高密度，高强度和高温高压领域是实验室天体物理在极端条件下，光与物质相互作用的极端物理条件，并提供了一个强大的高亮度X射线产生的重大科学研究手段。

此外，在第二十世纪90年代末，还发现飞秒激光的介质效应产生的长脉冲激光的独特性质有所不同，如区域、热效应小，空间选择性的作用，这些独特的性能，在许多领域有重要的应用价值，如微型光子器件的制造，医药，精细操作，三维度的光存储，纳米生物技术，纳米医学，这些应用已经引起了国内外的广泛关注。

飞秒激光其超短脉冲，超强峰值功率和高聚焦能力，因能够实现超精细和维微加工的特点获得了广泛关注和深入研究，所以飞秒激光技术发展迅速。

一、飞秒激光简介激光曾被人类视为神秘之光并已被广泛使用。

飞秒激光是近年来科学家们通过探究发现的更特殊的激光，简称FS是一种近红外光以脉冲形式运行，很短的时间，是衡量时间的标准尺度的长度。

1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，即10-15秒。

飞秒激光有以下三个特点：1、利用飞秒激光获得的脉冲要比利用电子学方法获得的最短脉冲还短几千倍。

2、具有比目前全世界发电总功率还要多出百倍的瞬时功率，可达百万亿瓦。

3、空间区域可以集中到比头发的直径还要小，使周围的核力量的电场强度比其他电子还高几倍。

二、飞秒激光的发展历史飞秒激光的发展可分为四个阶段，目前已经历了前三个阶段正在进入第四个阶段。

60年代中后期的10-9～10-10s第一阶段是飞秒激光的早期阶段，其主要特点是建立锁模的理论和实验研究的各种各样的夹紧方法。

第二阶段是基于各种各样的锁模逐渐趋向于成熟的理论和方法为主要特征的70年代的10-11～10-12s，这个阶段皮秒（10-12）初步应用于化学和物理的领域。

飞秒瞬态吸收光谱原理飞秒瞬态吸收光谱原理是一种用来研究分子、材料等的超快动力学过程的实验方法。

它通过测量物质在飞秒时间尺度上的光响应来揭示和研究分子、材料的电子、振动等激发态及其能级结构、动力学过程等。

飞秒瞬态吸收光谱利用的是分子在受到激光脉冲作用后吸收光的特性。

它的工作原理可以概括为以下几个步骤：通过激光器产生飞秒脉冲，飞秒脉冲的特点是时间极短，一般在飞秒量级（1飞秒等于10的-15次方秒）。

然后，这个飞秒脉冲被分成两个，一个作为参考光束，一个经过物质样品后被吸收或散射，称为探测光束。

接下来，参考光束和探测光束被聚焦在样品上，当两束光交叠时，探测光束中的光子会被样品吸收或散射。

如果样品中存在吸收或散射的过程，那么探测光束中就会减弱或改变。

通过检测探测光束的强度变化，可以得到样品对不同波长光的吸收或散射光谱，进而揭示其中所包含的信息。

飞秒瞬态吸收光谱的原理可以解释为何样品在不同激发过程中吸收或散射光的变化。

当样品受到飞秒脉冲激发时，分子的电子、振动等能级结构会发生变化，从而导致样品对光的吸收、散射等光学性质的变化。

通过研究样品在不同时间延迟下的吸收光谱，可以了解和揭示样品中的超快动力学过程，例如电子乙型-电子乙型（ES-ES）过程、电荷转移过程等。

同时，飞秒瞬态吸收光谱还可以研究材料在不同光激发下的反应动力学过程，如光化学反应、光生电荷转移等。

飞秒瞬态吸收光谱具有高时间分辨率和高灵敏度的特点，可以用来研究物质的超快动态行为。

它在化学、物理、材料科学等领域有着广泛的应用，例如研究光感材料、光催化反应、光生物学等。

总之，飞秒瞬态吸收光谱原理通过测量物质在飞秒时间尺度上的光响应，揭示和研究分子、材料的激发态及其能级结构、动力学过程等。

其原理包括激光脉冲的产生、参考光束和探测光束的交叠、通过光强度变化获得吸收光谱等步骤。

这种技术具有高时间分辨率和高灵敏度的特点，是研究超快动力学过程的重要实验手段。

飞秒激光加工原理
飞秒激光加工是一种高精度、高效率的加工技术，其原理是利用飞秒激光的特殊性质进行材料的切割、打孔、刻蚀等加工。

飞秒激光是一种具有极短脉冲宽度的激光，其脉冲宽度一般在飞秒（10^-15秒）量级。

相较于传统的纳秒激光，飞秒激光的脉冲宽度更短，能量密度更高，能够在极短的时间内将能量集中在一个小区域。

飞秒激光加工的原理主要包括以下几个方面：
1. 光吸收：当飞秒激光与材料相互作用时，激光能量会被材料吸收。

在飞秒时间尺度内，激光能量被局限在一个很小的区域内，形成高能量密度。

2. 非线性光学效应：由于飞秒激光的高能量密度，材料处于非线性光学效应的状态。

在这种状态下，材料的光学性质会发生变化，例如倍频效应、色散效应等。

这些效应使得飞秒激光能够实现高精度的加工。

3. 等离子体产生：高能量的飞秒激光与材料作用时，会产生等离子体。

等离子体是由电子和离子组成的带电粒子体系，其特点是温度较高、密度较大。

等离子体对材料的加工起到了至关重要的作用。

4. 自聚焦效应：由于飞秒激光能量密度高，其光束在传播过程中会发生自聚焦效应。

即在激光聚焦的区域内，激光光束会变
得更为紧凑、高密度。

这种自聚焦效应使得飞秒激光能够在材料表面产生高能量密度的焦点，实现精细加工。

综上所述，飞秒激光加工利用飞秒激光独特的特性，通过光吸收、非线性光学效应、等离子体产生和自聚焦效应等方式进行高精度的加工。

这种加工技术在微电子、生物医学、光电子等领域具有广泛的应用前景。

515nm 飞秒激光原理515nm飞秒激光是一种特殊波长的激光，具有许多应用领域，如生物医学、材料加工和科学研究等。

本文将介绍515nm飞秒激光的原理和基本特点。

一、激光发射原理：激光是一种聚焦的、高度单色性和相干性的光波。

1. 基本原理：515nm飞秒激光是通过受激辐射原理产生的。

当物质处于激发态时，经过一系列过程，电子会由高能级跃迁到较低能级，释放出光子。

这些光子随后与其他激发态原子或分子相互作用，刺激它们也释放出光子，形成激光增益。

2. 飞秒脉冲：515nm飞秒激光具有极短的脉冲宽度，一般在飞秒量级（百万分之一秒）以下。

飞秒激光的超短脉冲时间使其能够在非常短的时间内释放能量，从而实现对材料的精细控制。

二、515nm波长特点：515nm是绿光的一种特定波长。

与传统的532nm激光相比，515nm 激光具有以下特点：1. 化学特性：515nm激光更容易与生物和化学物质相互作用，这对于生物医学研究和治疗非常重要。

2. 吸收特性：515nm激光在某些材料中的吸收率较高，使其在材料表面的微观加工和切割中具有优势。

3. 环境适应性：515nm激光在大气中的传播和散射相对较小，使其在户外和长距离应用中能够保持较高的光束质量。

三、应用领域：515nm飞秒激光在多个领域中有广泛应用：1. 生物医学：515nm激光在生物组织成像、眼科治疗和皮肤治疗等领域具有重要意义。

2. 材料加工：515nm激光可以用于对材料的微观加工、切割和打孔等，广泛应用于半导体、电子元件和光学器件的制造。

3. 科学研究：515nm激光在分子光谱学、量子物理学和原子物理学中发挥重要作用，为研究人员提供了独特的实验工具。

结论：515nm飞秒激光是一种特殊波长的激光，利用受激辐射原理产生。

其飞秒脉冲宽度和515nm波长的特点使其具有许多独特的应用领域，如生物医学、材料加工和科学研究等。

继续深入研究和应用515nm 飞秒激光将为相关领域的发展带来更多的机遇和挑战。

飞秒激光原理飞秒激光是一种波长1053nm的神奇之光，它的种种优势已经成功应用于各个领域，眼科手术也不例外。

但是，飞秒激光到底是通过什么原理来矫正近视的呢?飞秒激光手术的原理有两个，一个是光传输原理，一个是光爆破原理。

首先，看看飞秒激光手术的光传输原理：手术前医生将患者的基本信息资料和手术数据输入电脑(包括激光聚焦的深度，也就是锥镜镜片底部到激光聚焦点的距离;角膜瓣的直径、蒂的大小和宽度;激光切削的能量等)。

手术中医生操作飞秒激光机，用锥镜将角膜固定，从而保持激光头到角膜组织中激光聚焦点的精确距离。

激光聚焦的深度，也就是锥镜镜片底部到激光聚焦点的距离，飞秒激光机按照医生设定的模式传输激光脉冲，在角膜上进行各种靶向切削。

简要地说，飞秒激光的光传输原理给我们印象最深的是光传输的精确定向性和精确定位性。

其次，再来看看飞秒激光手术的光爆破原理：激光脉冲聚焦到角膜组织中，产生光爆破;每一个脉冲的光爆破，产生一个微离子，每一个微离子，蒸发大约1微米的角膜组织;蒸发角膜组织产生扩展的水泡和CO2气泡，水泡和气泡被角膜组织吸收，角膜组织因此被分离。

电脑控制的光学传输系统产生成千上万的激光脉冲，成千上万的激光脉冲按照密集的等宽度等间距的篱笆墙式的光栅模式，在同一深度聚焦，产生光爆破，在角膜组织中形成一层微小直径的气泡，使角膜组织分离，形成相应的分离面，也就是飞秒激光的切削面。

LASIK手术中制作角膜瓣就是运用的这种切削模式形成水平的分离面和垂直面。

激光脉冲还可以在角膜组织中进行任何角度和任何范围的堆砌聚焦，形成角度不同，范围不同的组织分离，所以，飞秒激光可以在角膜移植手术和lasik手术中对角膜进行片状切削，制作精美的植片和角膜瓣;也可以在角膜基质环植入手术中对角膜进行点状雕琢，制作隧道。

以上是飞秒激光矫治近视眼手术的两大原理，正是它神奇的优势使得飞秒激光矫治近视效果更加卓越。