(超短脉冲激光测量方法与应用的研究 59页 31128字 包括开题报告 文献综述 任务书 外文翻译 程序 电路图 答辩记录等）)

摘 要

本论文综述了超短激光脉冲的发展历程，即超短脉冲激光经历的四个发展阶段；介绍了超短脉冲的产生方法之一的锁模技术，并对常见的几种锁模方法（主动锁模，被动锁模，同步泵浦锁模，自锁模）进行了简单介绍；特别详细地介绍了飞秒激光器的种类及其工作原理以及飞秒激光的产生过程。然后在这个基础上，对皮秒激光测量方法，飞秒激光测量方法和阿秒激光测量方法逐一进行了介绍，特别详细地介绍了目前国际上公认的测量飞秒脉冲的两种方法，即频率分辨光学开关法和光谱相位相干电场重构法，并对二者的优缺点进行了比较。
研究超短脉冲的测量方法，是为了更好地利用超短脉冲。所以在最后，本文对超短脉冲，特别是飞秒激光，在诸多领域的应用作了介绍。由于飞秒激光最具有代表性，因此本论文着重围绕飞秒激光展开论述，其中，飞秒脉冲激光的最新的两种测量方法，即频率分辨光学开关法和光谱相位相干电场重构法，是本论文的重点。


关键词：皮秒脉冲测量；飞秒脉冲测量；频率分辨光学开关法；光谱相位相干电场重构法；阿秒脉冲测量。



Abstract

Evolution in the development of ultrashort laser pulses is reviewed.The mode-locking,one methods of the generating of ultrashort laser pulses, is introduced.And the generating process of femosecond laser is presented in detail.Then the measuring techniques of picosecond pulses，femosecond pulses and attosecond pulses are described, respectively, with a focus on two methods of the frequency-resolved optical gating(FROG) and the spectral phase interferometry for direct electri-field reconstruction(SPIDER).FROG is in comparison with SPIDER.
To study the ultrashort laser pulses is to make the best of them.So the qpplications of ultrashort laser pulses are also described in the end.And as the representative of ultrashort laser pulses, femosecond pulses is the focus in this article

Key words: picosecond pulses measurement;femosecond pulses measurement; FROG;SPIDER;attosecond pulses measurement.


目 录
0.前言 1
0.1国内外研究现状 1
0.2 研究超短脉冲的意义 3
1.超短脉冲激光的发展历程 4
2.超短脉冲激光的产生 5
2.1锁模的基本原理 5
2.2 锁模的种类 6
2.2.1 主动锁模 6
2.2.2 被动锁模 8
2.2.3 同步泵浦锁模 9
2.2.4 光克尔透镜锁模 10
2.3飞秒脉冲激光的产生 10
2.3.1飞秒脉冲激光器 10
2.3.2 飞秒激光产生的原理 11
3.超短脉冲激光的测量方法 12
3.1皮秒激光测量方法 12
3.1.1直接测量法 12
3.1.2间接测量法 12
3.2飞秒激光测量方法 12
3.2.1频率分辨光学开关法（FROG） 13
3.2.2 光谱位相相干电场重构法（SPIDER） 17
3.2.3 FROG与SPIDER的比较 18
3.3 阿秒激光测量方法 19
4.超短脉冲激光的应用 20
4.1皮秒激光的应用 20
4.2飞秒激光的应用 20
4.2.1半导体量子阱中的飞秒相干控制 20
4.2.2 飞秒激光控制化学与生物学 21
4.2.3　fs 激光飞行质谱DNA 排序 21
4.2.4 飞秒激光治疗 21
4.3 阿秒激光的应用 22
5.结束语 23
参考文献 24
致谢 26
英文文献翻译原文1 27
英文文献翻译译文1 30
英文文献翻译原文2 34
英文文献翻译译文2 37
附件1 毕业设计任务书
附件2 开题报告
附件3 文献综述
附件4 验收登记表
附件5 答辩记录表
附件6 评语（评分）表

0.前言
0.1国内外研究现状
激光的出现是二十世纪最重要的发现之。激光一出现即以其高度的方向性、相干性以及高强度而受到各方面的重视并迅速获得应用。自从60年代中期实现固体激光器的锁模以来，激光脉冲的宽度经历皮秒，飞秒量级，目前已向阿秒量级进军[1,2]。
自从1991年，斯潘塞[3]等人使用棱镜对补偿钛宝石激光器谐振腔中的色散，获得了60 fs的脉冲以来，许多国际科研小组加入了研究超短脉冲激光的竞争，看谁能把脉冲做得最短。除了圣安德鲁大学的斯播塞科研小组，还有华盛顿州立大学莫内恩(M. Murnane )小组、康乃尔大学的外斯(F. Wise)小组、维也纳工业大学的克劳斯(F. Krausz)小组，以及伦敦大学帝国学院的泰勒(R.Taylor)小组。先是华盛顿州立大学作出32 fs (1992)和17 fs (1993),随后康乃尔大学的13 fs (1993)，接着又是华盛顿州立大学的11 fs (1994)[4]。1997年，后来居上的瑞士联邦工业大学凯勒(U. Keller)小组，采用色散镜与棱镜对相结合的方法得到6. 5 fs脉冲;荷兰格罗宁根大学的魏斯玛(D. A.Wiersma)小组把腔倒空的飞秒脉冲射入光纤，获得了超宽带光谱，然后压缩成5 fs的脉冲;意大利米兰工业大学的西维特利币（De Silvetri）等人展宽光谱的方法是空心光波导里面充入惰性气体，再用棱镜对和色散镜压缩，得到了4.5 fs的脉冲[5]。
我国很重视发展飞秒脉冲技术。早在1991年就启动了“八五”攀登计划项目:“飞秒激光技术与超快过程研究” ；在西安光学精密机械研究所和中山大学分别设立了国家重点瞬态过程实验室和超快光谱实验室，实施863计划，跟踪国际飞秒技术的发展。北京物理所、长春物理所、天津大学和北京工业大学等单位也有飞秒光谱和飞秒脉冲激光器的研究，西安光学精密机械研究所曾作出过15 fs的钛宝石锁模脉冲，上海光学精密机械研究所作出过45 fs放大压缩后的脉冲，上海光学精密机械研究所在钛宝石激光材料和其他固体激光材料方面有独特的贡献。1996年，毕业于西安光机所的魏志义博士在荷兰创造了全固态腔倒空压缩后4.5 fs的记录，而1998年，西安光机所的程昭则在奥地利利用超宽带啁啾镜腔外压缩，获得了4 fs的最佳结果[6]。 1999年度诺贝尔化学奖授予从事飞秒化学研究的美藉埃及人A. H. Zewail,这无疑进一步刺激了超快过程研究的发展和超短脉冲激光技术的进步。当前这个领域达到的水平大体如下：
（1）用掺钛蓝宝石激光系统产生的最短光脉冲脉宽已几乎接近理论极限
3fs，而峰值功率可高达100 TW。
（2）出现了用半导体激光器(LD)泵浦的全固体化的飞秒激光器，使飞秒
激光器体积更小、工作更稳定、寿命更长、使用更方便。
（3）出现了全光纤的超短脉冲激光器
（4）发展了单次或重复频率10 Hz的桌上型TW级固体飞秒激光器，取代了原来体积庞大、价格昂贵、投资高出数十倍的高功率飞秒激光系统。。这类系统的峰值功率已达100TW 以上, 可以提供1020W /cm 2 的功率密度, 为开展强场物理研究创造了条件。目前已经利用25fs的高功率激光脉冲在氦气中实现了221 次的高次谐波, 从而获得了相干的可调谐的已进入水窗范围的X 射线。
超短激光脉冲自诞生以来一直朝着更短更强及波段更宽的方向发展。超短激光脉冲为人类提供了强有力的研究超快现象的手段，应用领域日趋扩大。作为评价和应用超短脉冲的前提，测量技术和超短脉冲的产生技术本身具有同等的重要意义。纵观超短激光脉冲测量技术的发展历史，其进步与超短激光脉冲产生技术的发展是分不开的。因此研究探索超短激光脉冲测量技术，完整准确地了解脉冲的宽度、相位及形状信息，是超快技术研究中非常重要的内容。
对于皮秒脉冲，目前国际上已有两种皮秒分辨率的可直接测量的仪器。一种是高速示波器，可以实现对50ps以上周期光脉冲信号的测量；另一种是条纹相机，它的最高分辨率为2ps。
20世纪80年代中期，超短激光技术从皮秒进入飞秒阶段，使当时通用的双
光子荧光法、条纹相机等测量技术无法适用，仅有自相关法延用至今[7]。用目前普遍使用的自相关法和光谱仪，已经粗略可以获得脉冲的宽度，以及若干位相调制或惆啾的信息。然而，到了20世纪90年代中期，飞秒激光技术已经发展到这样
的阶段，即脉冲宽度窄到10飞秒以下;飞秒脉冲的放大、频率转换和脉冲整形技术日渐成熟;特别是飞秒脉冲在许多领域中正逐渐得到应用，如光通讯、生物学中的光合作用、化学中的分子反应动力学、物理学和材料科学中的高激发态寿命及电子空穴对的复合驰豫时间、医学中的光摄、超精细机械加工、高技术中的高密度信息存储和激光受控核聚变的快速点火等。这些过程都会导致飞秒脉冲具有复杂的时间和光谱性质。对此自相关法就无能为力了。
正是由于飞秒激光技术基础和应用研究的需要，20世纪90年代中后期新的
测量技术应运而生。最近几年，随着超短光脉冲测量方法的进步，好几种能够完
全、简易、快速地刻画激光脉冲的技术已经发展起来了。其中最常用的两种方法是频率分辨光学开关法（FROG）和光谱位相相干电场重构法（SPIDER）。
FROG和SPIDER作为最新的超短脉冲测量方法，突破了传统自相关方法的局限，能够实时完成脉冲强度和相位的测量。FROG技术结合了先进脉冲测量技术的精确性和传统自相关仪的简捷和通用性；而SPIDER技术易于实施，对光谱的不敏感和简单的非迭代脉冲重建算法更适合测量小于10fs的光脉冲。目前这两种方法已成为超快光学研究和应用的有力工具，对这些方法的深入研究必将推动超快激光技术及其在各种应用领域中的大力发展[8]。
0.2 研究超短脉冲的意义
基于超短脉冲激光的信息的超快速获取是一种超快科学技术, 是当前信息科学的前沿, 具有强烈的渗透性和带动性。由于目前化学、生物、材料等学科的研究已深入到纳米、分子和原子尺度, 在这个层次上, 绝大多数现象都是超快过程, 需要有超高时间、空间分辨能力的测试手段, 即信息的超快速获取手段才能研究, 因而超短脉冲激光技术的渗透性与带动性更加突出。
激光自出现以来一直朝着提高功率、扩展波长范围、缩短脉冲宽度以及全固态化、小型化以至微型化方向发展。目前, 它已经深入到国民经济、国防建设与人们日常生活的大多数领域, 成为人们认识世界、改造世界、保卫国家、提高生活质量的有力工具。
超短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人微观超快过程领域，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、高／超高强度科学与技术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．超短脉冲激光还将应用于信息的传输、处理与存贮方面[6]。

1.超短脉冲激光的发展历程
自本世纪60 年代诞生第一台激光器以来,由于激光作为一种新型的光源具有以前光源所不具有的一系列优点,如单色性好,相干性好,高亮度等。从而使激光技术得到飞速发展,其中发展的一个重要方向是向着输出脉冲宽度越来越的方向发展,这一领域大致可以分为四个发展阶段[9]。
60 年代中期10 - 9～10 - 10 s为第一阶段,其特征是各种锁模理论的建立和各种锁模方法的试验探索。这属于超短激光脉冲的初始阶段。
70 年代中后期10 - 11 ～10 - 12 s 为第二阶段,其特征是各种锁模方式和理(如主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模等) 逐步成熟,并在物理和化学领域展开了皮秒(10 - 12 s) 级的初步应用。
80 年代为第三阶段,其主要特征是脉冲宽度已进入飞秒(10 - 15 s) 阶段。它是以所谓碰撞锁模染料激光器为主要代表,该激光器就其基本的锁模原理来说依然为被动锁模,在锁模机理和方法上并没有根本突破,但是由于脉冲的碰撞效应,使该激光器不仅能够产生,而且能够稳定地运转在飞秒量级。这展开了超快激光极其重要和十分活跃的新研究领域—飞秒激光技术与科学。
90 年代初开始了超短激光脉冲的第四阶段。这一阶段的主要特征并不表现脉冲宽度的进一步压缩,而是在产生飞秒激光的介质方面有新突破。自70 年代初开始,领导超短脉冲产生一直是以有机染料为介质的激光器，而在1991年英国圣. 安德鲁大学的Spence 等人首次向人们介绍了由锁模钛宝石激光器产生60fs 脉冲的进展,使固体激光器突然闯入这一领域,由于这种激光器具有很高的增益带宽,容易获得很短的飞秒脉冲,可调谐范围宽、输出功率高、结构简单(与普通激光器几乎没有区别) 、性能稳定、寿命长、无污染（染料激光器中的染料需要喷成薄膜状,有毒性） ,克服了染料激光器的缺点,大有一举取代飞秒染料激光器的势头。
进入二十一世纪,在产生和操纵超短激光脉冲方面取得了巨大的进步,这也为向更短数量级阿秒(10-18 s) 激光脉冲科学的发展铺平了道路[10]。目前已向阿秒量级进军。