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1、激光与飞秒超短脉冲激光On May 16, 1960 , Theodore Maiman invented the worlds first laser, known as the ruby laser”.2010 Year of the Laser Laserfest is a yearlong celebration of the 50th anniversary of the laser. The laser is one of the greatest inventions of the 20th century has revolutionized the way we live.6
2、94.3nm激光发展史激光发展史LASER- Light Amplification for Stimulated Emission of Radiation受激发射的光放大产生的辐射理论基础1958年Townes、Schawlow提出（汤斯，巴索夫，普罗霍罗夫 64年Nobel奖）（肖洛，布洛姆伯根，西格巴恩 81年Nobel奖）第一台激光器第一台激光器 红宝石激光红宝石激光19601960年年MamainMamain发明发明 694.3nm694.3nm l激光器三个主要部分：激光器三个主要部分：增益介质增益介质激光工作物质激光工作物质 上能级粒子数反转上能级粒子数反转 谐振腔谐振腔 选模
3、选模 限制波形和提供反馈、增益限制波形和提供反馈、增益 稳定振荡稳定振荡 泵浦源泵浦源 提供能量提供能量1st Laser System - Ruby Laser T. H. Maiman et al, Phys. Rev. 123 (1961) 1151-1157激光特性单色性： 有选择反馈放大振荡 线宽窄 He-Ne Dl/l =10-13 ; Kr86 Dl/l=10-8 方向性： 谐振腔 沿腔轴传播的模式振荡He-Ne 2q=10-3rad相干性：单色性、方向性 好相干性He-Ne Lc=107cm Kr86 Lc=10cm超强、超快性:脉宽4.0fs, 光强度1021-22W/cm2
4、H核对电子作用 3.51016W/cm2 红宝石激光激光与现代科技激光与现代科技 近十三年近十三年, 有七次有七次 Nobel奖与激光有关奖与激光有关一) 1997年 激光冷却和捕获原子二) 1999年 超短激光观测分子中间态过程三) 2000年 快速晶体管和激光二极管发明四) 2001年 激光和磁阱实现玻色_爱恩斯坦冷却五) 2002年 大分子结构解析法中介质辅助激光分析 和飞行时间质谱六) 2005年 精密激光光谱和光学频率梳七) 2009年 光纤通讯激光与现代科技激光与现代科技* 物质研究的基本手段物质研究的基本手段高分辨率光谱高分辨率光谱 （窄线宽）（窄线宽）非线性光谱非线性光谱（高强
5、度）（高强度）超快光谱（飞秒脉冲）超快光谱（飞秒脉冲）激光冷却激光冷却 ( 97年年Nobel Prize)精密光谱精密光谱 (2005年年Nobel Prize)强场极端实验条件强场极端实验条件* 光电技术与信息科学光电技术与信息科学光存储技术光存储技术光输入光输入/输出设备输出设备光电显示技术光电显示技术光通讯技术光通讯技术* 激光与生命和健康激光与生命和健康DNA图谱识别和控制图谱识别和控制光钳技术光钳技术-单个细胞行为研究单个细胞行为研究激光手术刀激光手术刀光合作用、育种光合作用、育种* 激光与国家安全激光与国家安全战略武器战略武器 化学激光化学激光战术武器战术武器 精确制导、至盲武器
6、，夜视仪，防护镜精确制导、至盲武器，夜视仪，防护镜* 激光与能源激光与能源 U235分离分离 裂变裂变ICF 核聚变核聚变机载激光武器机载激光武器(ABL)(ABL)，ABLABL的目标是研制的目标是研制装在经过改造的波音装在经过改造的波音747747飞机上安装激光飞机上安装激光武器，用于从高空攻武器，用于从高空攻击敌方的战区弹道导击敌方的战区弹道导弹。弹。 激光分类：激光分类：1、工作介质、工作介质气体激光器：气体激光器：He-Ne, Ar+, CO, CO2, XeF, KrCl固体激光器固体激光器: Ruby, YAG, YLF, Ti:Sapphire染料激光器染料激光器: DCM,
7、R6G半导体激光：半导体激光：GaN, GaAs自由电子激光：电子在周期静磁场中通过自由电子激光：电子在周期静磁场中通过 相干辐射相干辐射2、激光特性、激光特性 连续连续 脉冲脉冲 （ 调调Q、锁模锁模）脉冲激光器进展脉冲激光器进展60年代年代 Q-Switching 10-9 s (ns )70年代年代 Modelocking 10-12 s(ps)80年代年代 Colliding Pulse Modelocking 10-13 s ( sub-ps )80年代后期年代后期 Kerr Lens Modelocking 10-15 s (fs )最短的激光脉冲为最短的激光脉冲为 4 fs 激光
8、振荡周期为激光振荡周期为T= 2.7fs 2001年年 百阿秒脉冲获得（百阿秒脉冲获得（x光波段）光波段）2008年年 80阿秒脉冲获得（阿秒脉冲获得（x光波段）光波段）脉冲激光脉冲激光 - 提供时间和功率极端实验条件1872年，摄影师Eadweard Muybridge首次拍摄到飞驰奔马的运动（24部照相机，相隔1英尺，1/1000秒快门）。时间分辨测量时间分辨测量二百年前二百年前$25000赌博 某一时刻，马的四蹄是否同时离地？“过渡态”马腾空时刻“照相”技术 分辨测量1S200210-3S10-9S10-6S10-12S1fsblinking (10-1 s)Deep Blue cloc
9、k(10-9 s)lightning (10-4 s)dissociation (10-13 s) 1、 time resolution important measure for science fs time resolvednspsfsas光电管条纹相机光学相关法电子相关法光学相关法二次谐波法双光子荧光克尔开关法高阶相关法相机等飞飞秒秒时时间间分分辨辨测测量量1987年， Zewail完成第一个飞秒化学实验fs pump probe:pump （强光） 将 ICN激发到解离态上probe （弱光） 波长对应 CN 自由基的吸收excitation100fs后200fs后ICNI + CN
10、t200fs吸收hn解离态人类第一次直接从实验上观测到化学反应过程JCP 经典文章经典文章Femtochemistry - Nobel Prize 1999The Royal Swedish Academy of Sciences has awarded the 1999 Nobel Prize in Chemistry to Prof. Ahmed H. Zewail ( CIT), for showing that it is possible with rapid laser technique to see how atoms in a molecule move during a c
11、hemical reaction.The Academys citation:For his studies of the transition states of chemical reactions using femtosecond spectroscopy超快时间分辨测量超快时间分辨测量高功率的获得：飞秒短脉冲的放大高功率的获得：飞秒短脉冲的放大CPACPA : Chirped Pulse Amplifier脉冲激光功率发展历史 (1cm2 of Beam)钛宝石飞秒高功率激光钛宝石飞秒高功率激光基本特性：基本特性： 波长：750 - 1100nm 超快超快 (4.0fs) - 万亿分
12、之一秒万亿分之一秒 超强超强 100TW 自然界存在自然界存在聚焦强度1020W/cm2 3.5 1016W/cm2光 压 1012bar 1bar 加速度 1021g g磁 场109Gauss 0.5Gauss提供了极端实验条件提供了极端实验条件Fast Ignition Concept of ICF ( ICF - inertial confinement fusion)超短激光和长脉冲激光作用的比较超短激光和长脉冲激光作用的比较Laser-matter interaction with long pulse Laser-matter interaction with ultrashort
13、 pulse飞秒微加工与微制备飞秒微加工与微制备A drilling in steel produced by 3.3-ns pulses. A strong blur formation occurs and solidified droplets stick on the surface. Note the heat-affected zone around the hole .A drilling in steel produced by 200-fs pulses. Pulses energy is decreased by nearly one order of magnitude.
14、飞秒激光角膜切割飞秒激光角膜切割Flap cut by fs laser pulseFlap cut by a mechanical microkeratomeNature, Vol. 412, 697.2001 （ H.B. Sun et al )三维微制备纳米牛与纳米弹簧Ti:S 780nm, 150fs, 76MHz1.4NA 高倍显微物镜聚焦光聚合分辨率 120nm牛尺寸：10mm 7mmSCR500 resin ( JSR, Japan ) + urethane acrylate (尿脘丙烯酸脂）a. 原始状态b. 伸展状态c. 阻尼振荡恢复曲线820nm,19mW3pNk = 8.
15、2nN/m26fs, 800nm, 61015W/cm2 Ne (21.6eV ) : 4.9nm (253eV) 163次 He (24.6eV): 2.4nm (518eV) 333次100fs脉宽： Ne 119次， He 239次Ne高次谐波信号PRL 79 （1997）2967高次谐波波产生高次谐波波产生He高次谐波信号突破水窗极限 获得相干X光光源阿秒脉冲的获得阿秒脉冲的获得30 7.5nm 谐波辐射与激光纵模结构相似相干迭加 10as脉宽输出11-19次谐波合成得到250as脉冲高次谐波高次谐波 规律性、完美性规律性、完美性Femtochemistry - Nobel Prize 1999“Zewail教授的飞秒激光技术可以和伽利略使用的望远镜相比，Zewail教授将其望远镜对准了科学的最前沿，致力于用飞秒激光对准在分子世界中运动的一切。我们现在可以研究分子中原子的实际运动：目击分子的诞生和分解。” 本特本特 诺顿教授（诺贝尔奖化学委员会主席）诺顿教授（诺贝尔奖化学委员会主席）New Nobel Prize possibility Femtosecond Intense Field Physics Femtobiology Femtomedicine FemtofabricationFs-SNOMFemto.，Atto 结语结语
