超快光譜技術與應用

制成功世界上第一臺紅寶石激光器1960年制成功世界上第一臺紅寶石激光器是指顏色呈紅色的剛玉，主要成分是氧化鋁(Al2O3)Cr，主要為CrO，含量一般0.1~3%，最高者達4%。自然沒有鉻的寶石是藍色的藍寶 cccc ccccc1c1

相干長A2c A2c 高亮

10-3秒.相干長度可以理解為光源所 PA PA4N AN A發(fā)輻受激吸受激輻

Wlu激光---（基于）受激輻射的光Laser---LightAmplificationByStimulatedEmissionof5自發(fā)輻射與受激輻射的區(qū)自自發(fā)非相干各個原子、分子的輻不相干，方向無規(guī)方同頻方同頻受激輻相干光同偏同相位、hh與自發(fā)輻射不同，輻射一定要在外來光激發(fā)下發(fā)生，并發(fā)射一個與外來光子完全相同的光子，受激輻射光是相干光，受激輻射光加上6激光產生的必要條 下能級：盡量清空

NeEi

/受受激輻射要得到大于吸收作用必須輻射作要數(shù)能級的粒子數(shù)能級粒Nu理想能級結 >>i通常情況下不會 >>i7

Fast

Fastn

Fast 8激光器基本結構工作物質

泵浦源和光學諧振腔部 作的源泉泵浦源為在工作物質中實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布提供所需光學諧振腔則激光振蕩的建立提供正反饋 9激光器的①①氣體激光②體激光③液體激④半導體激⑤光纖激⑥化學激⑦自由電子激⑧Ｘ射線激光 （單色平面波超短脈沖

導出的基本關系：若復函數(shù)f(x)與F(k)構成即f*xfxx的概率密度，F(xiàn)*(k)F(k)/2π相當于k的概率密度，*表示差的乘積ΔxΔk不會小于某個常數(shù)（該常數(shù)的具體形式與fx）。激光介質的增益帶寬足夠寬：固體建立有利于激光器脈沖運轉的機制：調Q，鎖種獲 功率窄脈寬激光脈沖（巨

）的技術 年其誕生是激光發(fā)展史上的個重要突破。在此之前由于普通脈沖激光器輸出的弛豫振蕩，很難獲得借助調Ｑ技調Q原理---品質因數(shù)Q（電子學名詞）：器 能量的本Q 腔的激光0每秒損耗的激光低Q 損耗 不能起 能量積高Q值：損耗小，激光起振，輸出高能損耗 反射吸收衍射散

轉鏡電

介 聲

透射破壞全內反QQW0Wc/2n 0脈沖激光技術--調列的專門技術，將需要的那種組合模式鎖模激光器－獲得超短脈沖的技（）主動鎖 在腔內置入適當?shù)恼{制元件，啟動成功高，穩(wěn)定性好，不易失鎖電光調制聲光調制

）（需要高）（ 鎖 激光工作物質身的強飽

結構單；通常不能自啟動，穩(wěn)定性稍差，會失飽和吸收體 克爾透鏡鎖模（三）同步泵浦 用脈沖激光作泵浦光源，同步 大，產生不同波段鎖模脈比起調Q技術獲得的巨脈沖，它的脈寬更窄（可以達到飛秒峰值功率從頻域角度看縱模的相位鎖定， 鎖定的縱模越多，脈沖的寬度越前綴

BigKilo(k)MilliKilo(k)Micro(μ)

Mega Pico(p)Pico(p)f)Atto(a)

Giga飛

Peta(P)

二、時間分辨測量歷元前 80

天（小時（日晷秒（機械鐘03秒（

秒飛秒激脈沖短：10－15s

&名 時 光在真 過距納飛阿

1ns=10-9s1ps=10-121fs=10-15s1as=10-18

300.3 0.3

分子動電子的 (最短脈沖的理論極限=300nm～1fs=150nm～0.5fs(500全固態(tài)飛秒短脈沖激光器：摻鈦藍寶石激光

除了具有寬的增益帶，熱導率 時 ）等這些性質使其為超短 科 的飛秒激光系飛秒激光器工作時放大級Spitfire的工作實應用1：飛秒生化反應 日,瑞典 家H.Zewail,以表彰他在利用飛秒激光脈應用2：飛秒激光用于生物 術離開了板層刀，手術過程中發(fā)生交叉 術后視覺質量更秒激光可以精確地打開眼部組織分子鏈，作出更均勻更完美的角膜瓣，有效避免了板層刀制瓣能出現(xiàn)的醫(yī)源性像差等，避免了霧、下雨天以及夜晚開車等視物條件現(xiàn)的眩光模糊等情況讓近視者獲得趨完美－110LIKInts音應用3：阿秒脈沖的重要應用4：飛秒激光微制造目前倍受重視的信息、先進制造業(yè)材料科學與生物技 的技術來支撐。當前，微納米加技術主要是硅加工材難以實工藝復

加工尺寸的亞微米特性和 分辨加工材料的廣泛加工能量的低耗應用5：飛秒激光沉積技術與功能薄Femtosecondlaser:800nm,50fs,1KHz,PulsedlaserdepositionKrFLaser:248nm,20ns,50Hz,AnataseandRutileTiO2nanocrystalline

Rutile

2025303540455055 ZnO透過透過率0

0

波長

具有更好的發(fā)光性350 450 550 從而

reflection

nn變化R,T，polarization 平臺為例 課題也是光與物質相互作用超快過程最活躍最有生命力的領域之。這是因為這項研究包括了半導體中激發(fā)、弛豫輸運和復合等許多基本物理過程，大大推動半導理基礎學科的發(fā)展更為重要的是這些研究推電子學、光電子學的發(fā)展

導體半導體 速件性極最取于導材的快過。聲子彈散過會壞向干因此量子器件的性能在很大地上決于彈性射時測定約4p假設子的均運速度2.5x107cm/s，因襲只有當器件尺寸小1米，其性能才不會到射程影因此載弛過對了半體本理性器件應用有十分要意。 干區(qū)(CheenRegie)：超短脈沖激發(fā)半導體受激發(fā)系統(tǒng)與產生激發(fā)的電磁場保持相當好的相位關系半導體中的相現(xiàn)象很好地驗證了量子力學的基本理半導體 壞相干性的散射過程發(fā)生在fs和ps的級因此相干現(xiàn)象的究必須用fs和s技術來進行。其中的主要散射過程有動量散射、載流子載流子散射空穴與光學聲散射對GaAs來說，如果激發(fā)能量足夠，會發(fā)生載流子由Γ至谷X谷的谷間散射非熱載流子區(qū)(Non-ThermalRegime)：載流子在退相后是一個非熱力學的分，即載流子不能用具有特征溫度的熱力學分布函數(shù)來描述。非熱力學區(qū)的時間量≤2ps，在這一時間域發(fā)生的主要散射過程有電子-空穴散射，電聲子散射等果子帶間距大于LO聲子能量，將發(fā)生子帶散熱載流子區(qū)(Hot-CarrierRegimefs，電子和空穴達到熱平衡的時間則在ps量級，而與晶格達到熱平衡則需要數(shù)百ps區(qū)的時間量度約1～l00ps。等溫IsothermalRegimel00ps)：等溫區(qū)載流子、聲子等都已達熱平衡。載流子將通過各種輻射和非輻射途徑復泵浦－探測時間分辨光譜的基本分reflection

泵浦光引起的激發(fā)材料的折射率、吸收系數(shù)變化以及偏振面的時間分時間分辨反射光時間分辨透（吸收）光時間分辨磁光光時時間分辨熒光光譜：長熒 ：可用超快光電探測器；短的熒 ：泵浦－探 Faraay首先發(fā)現(xiàn)了磁光效應他發(fā)現(xiàn)當外加磁場加在玻璃樣品上時透射光的偏振將發(fā)生旋轉，隨并不夠平整因而實驗結果不能使人信服 在觀察偏振光從拋光過的電磁鐵磁極反出來時發(fā)現(xiàn)了磁光克爾效應(magneto-opticKerreffect)。法法拉第磁光效應：一束線偏振光在磁場作用下通過磁光材料時它的面將發(fā)生旋轉旋轉角θ正比于磁場沿著偏振光通過材料路徑的線積分＝VBl；式中V：材料的費爾德（Verdet）常1985年MoogBade位學進行鐵超薄的磁克爾成功地得到一原子厚度性物的磁且提出了以表面磁光克爾效應(surfacemagneto-opticKerreffect)用在面磁學的研由此方的磁測靈敏度可以達到一個原子層度，且儀可以置于 真作所以成表面學的要研方。磁光效應的宏觀經(jīng)典描述是基于磁性介質的介電特性，其介可以表示成 iQ y0

n 微觀：微觀：物質的電子能帶與態(tài)密宏觀：介質的介電光、電器件應 反應復折射率的實部（通長說的折射率） 磁光法拉第效應（磁致旋光現(xiàn)象）：反應復折射率的虛狀態(tài)不同,磁光克爾效應可縱向克爾效應其半體自旋子學是以自旋作為信息載體的新興前沿學科其研究 子旋的 度以實現(xiàn)信息的加工處理和 與處理要求電子自旋極化態(tài)有足夠長的的相干性保持與調控是重的先條件。維半體量子結構中電子與自旋相干力學以及域發(fā)展的 科學問題，國內外都非常重視這研進。－－ 的研究方向之 脈沖激光泵浦探測(pprobe)的方法由具有飛秒時間分辨故能在幾百飛秒內完成，這種現(xiàn)象被稱為超快退磁。飛秒脈沖激光瞬態(tài)調制磁性材料的磁晶各向異性，含豐富的物理內容，涉及到如電子、晶格和自旋間在非平衡態(tài)－－ 的研究方向之超快磁光信 ：以(Ga,Mn)As為

化方向，可以做成四態(tài)器，使存 (GaM)As中的鐵磁相互作用是以空制載流子濃度就能控制這種相作用超快光激超快光激發(fā)與磁材料與飛秒磁 光場與磁性材料電子、自旋體系的相干與非相耦合與 s中自旋弛豫與0

MeasuredatTimeevolutionofswitchingfield 100200300400500表明光生極化載流子可有效調控GaMnAs的磁各向異GaMnAs中平面內四個磁化狀態(tài)可以