激光光譜技術(shù)時(shí)間分辨光譜技術(shù)PPT課件

1、9.4 時(shí)間分辨光譜技術(shù)超短激光脈沖的產(chǎn)生超短激光脈沖的測(cè)量壽命測(cè)量第1頁/共38頁F 高速攝影：捕捉人眼看不到的動(dòng)作瞬間第2頁/共38頁F 時(shí)間分辨光譜：研究物理或化學(xué)的瞬態(tài)過程的光譜技術(shù)原子原子從激從激發(fā)態(tài)發(fā)態(tài)向下向下躍遷躍遷第3頁/共38頁F 時(shí)間單位（1）電子繞核運(yùn)動(dòng)周期，阿秒00v2 aorbit（2）能級(jí)躍遷時(shí)間，電子能級(jí)躍遷，約幾十阿秒12EE 第4頁/共38頁F 飛秒光譜諾貝爾獎(jiǎng) 1999年，Ahmed H. Zewail 由于利用飛秒光譜在實(shí)驗(yàn)上研究了化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)移過程而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 Marcos Dantus, Mark J. Rosker, and Ahmed H.

2、 Zewail, Real-time femtosecond probing of “transition states” in chemical reactions, Journal of Chemical Physics, 1987, 87(4): 2395.Ahmed H. Zewail, Laser femtochemistry, Science, 1988, 242: 1645-1653.第5頁/共38頁各種鎖模技術(shù)p主動(dòng)鎖模p被動(dòng)鎖模p自鎖模p同步泵浦p碰撞鎖模第6頁/共38頁縱模：與諧振腔長(zhǎng)度相關(guān)，描述激光波長(zhǎng)（1）多模激光輸出特性nLccckkkk211相鄰縱模頻率間隔第7頁/

3、共38頁F 如果增益曲線足夠?qū)?，通?？砂ǘ鄠€(gè)縱模輸出振幅： NNqqqqtiEtEexp輸出光強(qiáng)： 22expexp2qqqqqqqqNNqqtitiEEEtEtI第8頁/共38頁相位差不恒定： NNqqEtI2相位差恒定： 2/sin2/12sinexp00ttNtiEtE常數(shù)qq 1第9頁/共38頁鎖模使相鄰縱模的相位差恒定cLNNt2121122鎖模后的脈沖寬度，腔越短，使用的模數(shù)越多，脈沖寬度越小鎖模后峰值功率提高了2N+1倍第10頁/共38頁鎖模的一個(gè)例子非鎖模非鎖模鎖模鎖模第11頁/共38頁一種周期性調(diào)制諧振腔參量的方法，在諧振腔內(nèi)插入一個(gè)調(diào)制器，使調(diào)制器的調(diào)制頻率精確地等于縱模

4、間隔 （2）主動(dòng)鎖模振幅調(diào)制，也稱損耗調(diào)制相位調(diào)制，也稱頻率調(diào)制第12頁/共38頁F 振幅調(diào)制調(diào)制器產(chǎn)生的損耗(m1)： tmtamcos1 cmqqcmqqcqqmcqqtmEtmEtEtmtEtEsin2sin2sincos1sin縱模q調(diào)制后的振幅：產(chǎn)生兩個(gè)新的頻率，它們與原先縱模的相位差為0：mq第13頁/共38頁F 振幅調(diào)制（Cont.）如果調(diào)制器調(diào)制頻率Lcm/那么新產(chǎn)生的頻率也為激光縱模，就可實(shí)現(xiàn)前述原理的鎖模第14頁/共38頁F 相位調(diào)制調(diào)制相位為： tntbncos縱模q調(diào)制后的振幅為： tnttntEtntEtEnqnqqnqqcossinsincoscoscoscosco

5、s第15頁/共38頁F 相位調(diào)制（Cont.） tnEtnEtEtEnqqnqqqqcos2cos2cos .3cos3cos2cos2coscoscoscos3322110tnJEtnJEtnJEtnJEtnJEtnJEtnJEtEnqqnqqnqqnqqnqqnqqqq(1) n1：(2) N較大時(shí)：較大時(shí)：第16頁/共38頁F 主動(dòng)鎖模注意事項(xiàng)要嚴(yán)格控制端面反射，防止標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)減少模數(shù)，破壞鎖模效果調(diào)制器要放在腔內(nèi)靠反射鏡處，可得到最大的耦合效果，并且調(diào)制器在通光方向的尺寸應(yīng)盡量小調(diào)制器的頻率應(yīng)嚴(yán)格調(diào)諧到c/2L，否則會(huì)使激光器工作超過鎖模區(qū)而破壞鎖模第17頁/共38頁基于飽和吸收效應(yīng)的

6、一種鎖模方式在諧振腔內(nèi)插入飽和吸收染料池，染料池緊挨反射鏡要求：(a) 染料的吸收波長(zhǎng)與激光波長(zhǎng)重合或接近 (b) 染料吸收線寬大于或等于激光線寬 (c) 馳豫時(shí)間要短于脈沖在腔內(nèi)往返一周的時(shí)間（3）被動(dòng)鎖模第18頁/共38頁F 被動(dòng)鎖模的物理過程線性放大階段自然選模非線性吸收階段強(qiáng)脈沖迅速增長(zhǎng)非線性放大階段小脈沖全被抑制第19頁/共38頁自鎖模，直接利用激光介質(zhì)的非線性效應(yīng)保持各個(gè)振蕩縱模頻率的等間隔分布同步泵浦，采用一臺(tái)主動(dòng)鎖模激光器的脈沖序列泵浦另一臺(tái)激光器來獲得窄脈沖 （4）其它鎖模第20頁/共38頁一個(gè)問題M 在某一波長(zhǎng)所產(chǎn)生的最短脈寬有理論極限，即脈沖延續(xù)時(shí)間要大于光子振蕩周期。F

7、問題：可見光波段能否產(chǎn)生阿秒（1018秒）脈沖？I回答：不能，因?yàn)榭梢姽獾恼袷幹芷跒門=/c210-15秒，阿秒脈沖要在X射線或深紫外區(qū)才能產(chǎn)生。第21頁/共38頁（1）光電管與示波器探測(cè)技術(shù)）光電管與示波器探測(cè)技術(shù)（2）條紋相機(jī)）條紋相機(jī)（3）相關(guān)測(cè)量）相關(guān)測(cè)量第22頁/共38頁示波器：Tektronix示波器，帶寬6GHz，可測(cè)200 ps的脈沖PIN二極管，響應(yīng)時(shí)間為20 ps可測(cè)量幾百皮秒的脈沖，無法達(dá)到亞皮秒量級(jí)（1）光電管與示波器探測(cè)技術(shù)第23頁/共38頁可達(dá)皮秒量級(jí)，不適合于連續(xù)鎖模激光器，價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜（2）條紋相機(jī)條紋相機(jī)將光脈沖的時(shí)間軸轉(zhuǎn)化為了熒光屏的空間軸第24頁/共

8、38頁把對(duì)脈沖的瞬時(shí)測(cè)量變成測(cè)量具有相對(duì)延遲的兩個(gè)脈沖乘積的時(shí)間積分 （3）相關(guān)測(cè)量第25頁/共38頁（1）光脈沖一分為二，產(chǎn)生相位延遲，再將兩脈沖疊加 221,tEtEtI dttITatIaSTTL2/2/, 222122212,2,2TTNLtItIIIadttITaS（2）用線性探測(cè)器檢測(cè)光脈沖（3）通常利用二次諧波第26頁/共38頁實(shí)驗(yàn)裝置用于改變相位延遲檢測(cè)二次諧波第27頁/共38頁雙光子熒光法，熒光強(qiáng)度與脈沖重合程度相關(guān)第28頁/共38頁F 它是時(shí)間分辨光譜的重要應(yīng)用F通過壽命測(cè)量可獲得躍遷幾率、吸收截面、碰撞截面等物理量F測(cè)量方法有：(1) 頻域測(cè)量法(2) 相移法(3) 單脈

9、沖激發(fā)法(4) 延遲符合技術(shù)(5) 快離子束法(6) 條紋相機(jī)(7) 泵浦探測(cè)技術(shù)第29頁/共38頁在均勻增寬體系中，光譜的時(shí)域和頻域滿足傅立葉變換關(guān)系，通過測(cè)量譜線寬度估計(jì)壽命（1）頻域測(cè)量法 dtetSSdeStStiti2121第30頁/共38頁適合于指數(shù)衰減過程的壽命估計(jì)（2）相移法ttaIIikexc20cossin1ttabIIkmefffl2220cossin11exckINb00ikikeffAB 1efftan受調(diào)制的入射光接收到的熒光熒光相對(duì)于入射光的相位移動(dòng)滿足：第31頁/共38頁用單脈沖激發(fā)樣品，然后探測(cè)熒光衰減（3）單脈沖激發(fā)第32頁/共38頁用重復(fù)率高的短脈沖激發(fā)，然后探測(cè)一段時(shí)間內(nèi)熒光光子幾率的時(shí)間分布（4）延遲符合法第33頁/共38頁將時(shí)間轉(zhuǎn)化為位置的測(cè)量方式（5）快離子束法第34頁/共38頁使用最廣泛的壽命探測(cè)技術(shù)用超短脈沖