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飛秒激光的簡介

發布時間:2023-01-17 11:41:08 瀏覽量:4857 作者:Wilson

正文


飛秒激光的簡介


前言:飛秒激光的特點:脈衝(chong) 寬度短,脈衝(chong) 峰值功率高,覆蓋頻譜範圍廣。


一、飛秒激光的簡介


飛秒激光脈衝(chong) 的持續時間10-15 s,即飛秒(Femtosecond——fs),它相當於(yu) 電子纏繞原子核半周的時間,以光速計算,在1 fs的時間內(nei) ,光傳(chuan) 播了0.3 um,可見飛秒這一單位的時間之微。這樣微小的時間在我們(men) 所看到的宏觀s界裏是無法找到它的蹤跡的。但是,在由基本粒子所組成的微觀s界裏,其運動狀態的改變常常發生在飛秒這樣較短的時刻,如分子的能量轉移、化學鍵的破裂和形成、原子的橫向弛豫和縱向弛豫,半導體(ti) 中載流子激發和複合等。正是由於(yu) 這個(ge) 緣故,在飛秒激光誕生後的相當長的一段時間內(nei) ,飛秒激光主要是用來研究物理、化學領域微觀過程超快現象的一個(ge) 技術,從(cong) 而在物理、化學和生物領域完成了大量的超快過程的研究,發現了大量的新的超快現象,解釋了大量原子、分子微觀運動規律,成為(wei) 多個(ge) 基礎學科研究領域中相當引人矚目並獲得累累成果的研究方向。


二、飛秒激光的功率


飛秒激光的峰值功率是指脈衝(chong) 持續時間內(nei) 所具有的瞬時功率,即E/r,E為(wei) 飛秒脈衝(chong) 包絡內(nei) 所攜帶的能量,r為(wei) 飛秒脈衝(chong) 包絡的j大值一半所應對的時間寬度。由於(yu) r為(wei) 極短的10-15 s量級,即使其攜帶的能量為(wei) 毫焦耳量級(10-3 J),其峰值功率也高達1012 W(TW,太瓦)以上。目前的飛秒激光放大係統可以輸出高達1015 W(即PW,拍瓦)峰值功率的飛秒激光。如此強峰值功率的飛秒激光脈衝(chong) ,聚焦之後其焦點區域內(nei) 所具有的電場強度已經遠遠超過原子和對其價(jia) 電子的庫侖(lun) 力。在其作用下,任何固態和氣態物質都會(hui) 在瞬間變成等離子體(ti) 。由此發展起來的超快強激光物理正在形成強場物理研究領域一個(ge) 新的分支,並被国产成人在线观看免费网站到激光受控核聚變、同步輻射加速器等大科學工程中。正在興(xing) 起的飛秒激光微納精細加工技術,也正是利用了飛秒激光超高峰值功率這一特點,在晶格熱傳(chuan) 導過程還來不及發生時,飛秒激光已經在微納尺度內(nei) 完成去除物質或使其改性的物理過程後,揚長而去。


圖1.飛秒激光器外觀圖紙


三、飛秒激光的波長


當前由飛秒激光器直接輸出的波長主要集中在0.8-1.5 um的近紅外波段,但是由它激發而產(chan) 生的飛秒激光脈衝(chong) 激光卻覆蓋了從(cong) X射線太赫茲(zi) 這一廣闊領域,利用強飛秒激光和電子束相互作用的湯姆遜散射效應,可以產(chan) 生相幹的硬X射線,波長達0.4 Å。飛秒強激光與(yu) 惰性氣體(ti) 原子相互作用而引發的高次諧波,可獲得軟X波段的相幹輻射,波長可覆蓋十納米至幾納米。飛秒激光在晶體(ti) 中的二倍頻四倍頻、六倍頻效應可將近紅外的飛秒激光變換至可見、紫外、極紫外和真空紫外,直至150 nm,與(yu) 高次諧波的軟X波段相接。利用飛秒激光在晶體(ti) 中的參量振蕩參量放大過程中,可以在近紅外,甚至紅外波段實現寬頻譜範圍的調諧。除此之外,利用飛秒激光在非線性介質中的傳(chuan) 輸,可以發生自相位調製四波混頻孤子自頻移超連續等多種非線性效應,這些效應都可以使飛秒激光器輸出的光脈衝(chong) 從(cong) 單一波長變換到紫外至紅外波段。特別值得提出的是,太赫茲(zi) 波這一在大分子領域具有国产成人在线观看免费网站價(jia) 值的亞(ya) 毫米波長的輻射,在人類征服了X射線-紫外-可見-紅外-無線電波的漫長時間後,終於(yu) 在20世紀80年代,借助飛秒激光技術,實現了10 um-3 mm波段的相幹輻射。飛秒激光覆蓋光譜範圍較廣的另一層含義(yi) 是,飛秒脈衝(chong) 內(nei) 包含著數量較大的分立的相幹光譜成分。一個(ge) 脈衝(chong) 寬度數十飛秒的脈衝(chong) 可以包含高達百萬(wan) 個(ge) 頻譜成分,相當於(yu) 上百萬(wan) 個(ge) 具有不同中心波長的保持相等頻率間隔的連續波激光器。


圖2.飛秒激光器在切割材料示意圖


結語:高功率飛秒激光在醫學、超精細微加工、高密度信息存儲(chu) 和記錄方麵都有著很好的發展前。高功率飛秒激光還可以將大氣擊穿,從(cong) 而製造放電通道,實現人工引雷。利用飛秒激光能夠非常有效地加速電子,使加速器的規模得到上千倍的壓縮。此外,高功率飛秒激光與(yu) 物質相互作用,能夠產(chan) 生足夠數量的中子,實現激光受控核聚變的快速點火,從(cong) 而為(wei) 人類實現新一代能源開辟一條嶄新的途徑。


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