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二维光谱学之飞秒激光2

已有 2486 次阅读 2013-10-5 06:02 |个人分类:二维光谱学|系统分类:科研笔记| 激光

  以上说了许多似乎不相关的东西,主要的意思是,产生脉冲的方式可以通过周期性地让连续光通过或者不通过。然而这种方式对于生成超快级别的激光脉冲不是很有帮助。现在最快的触发器能达到GHz级别,换成时间大约是纳秒级别,但是更快一些就难了,不仅难而且产生的光束会越来越弱。秒、毫秒、微秒、纳秒、皮秒、飞秒甚至埃秒,后者都只有前者的千分之一。飞秒是10-15秒,我们人类是活在秒的世界里,而分子基本上是活在飞秒的世界里。超快激光能量很高,所以它们的脉冲不是靠机械斩波器能实现的,而是用了另外一种方式。不是做减法,而是做加法。这就要牵涉到光的属性。光是电磁波,理论上绝对单色的光(或者说光谱是个Delta函数)其变化电磁场对于时间及空间是个完美的正弦函数,也就是说它的电磁场强会以完美的周期变大变小(振动)但是最大值永远保持不变而且在时间上无限延伸,这就是连续光。由于不同振动频率的光场强变化的步调不一致,当它们碰到一起时,有些地方的场强会增加,有些地方会减小,如果我们把许许多多频率不同的光叠在一起,然后设定在一个时间点上大家都达到最大值,那么将会出现的情形是比这个点早一些的或晚一些的场强都会减小,超过一定时间距离场强就减为零,也就是完全抵消。这么说可能有些抽象,但其实就是光的干涉现象(参照水波的干涉),只是以前我们说起干涉都会想到单色光,但是在这儿各种颜色的光都能使得场强或长或消。说到底光不过是在真空或介质中行进的电磁波,这些电磁波颜色各异甚至看不见,但本质上是一样的。在我们的直觉里,可见光与无线电波与X-射线是非常不同的,但是要知道我们人类对自然界的感知是通过我们的感官也就是某种仪器处理过的,已经不是本来的样子。电磁波在真空中走就跟水波在水中走是一样的,可见光与无线电波的区别不过是涟漪(高频)与海浪(低频)的区别。

  了解了这些,我们就知道了超快激光的基本原理就是靠各色光的叠加,叠加的光频率越多(也就是波谱越宽),可能生成的脉冲就越短,与物质的作用也越迅速越快,不拖泥带水。所以从原理来看,飞秒激光打从生下来就是五彩缤纷的,不像我们传统里认识的单调的单色光。激光,单色性不一定就好!然而飞秒激光的诞生并不是一帆风顺的,其中有许多的技术难题,最致命的一点就是如何获得极宽的光谱。到目前为止,能实现直接产生飞秒激光的增益晶体并不多,一般都用的掺钛蓝宝石(Ti:Sapphire)。蓝宝石的成分是氧化铝,这种宝石形态的也叫刚玉,不见得就是蓝色,这货就是很剔透的红色。用这种晶体直接产生的飞秒激光的主色是偏暗的红色,波长约为800nm。如果你到实验室,可不要觉得它很暗很弱而瞧它不起,它只是“看上去”很暗,因为已经有点超出人眼可以观察的区域了。人只能看到红橙黄绿青蓝紫,在红色的这边以外,俗称“红外”。800nm已经算是红外光了。要亮瞎人的双眼根本用不着多么光芒四射,切记切记。




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