光学工程实验技术复习总结.pdf

光学工程实验技术课光学工程实验技术课 目录目录 光学工程实验技术课 1 材料表征与分析技术 1 分光光度计 3 光学镀膜 3 泵浦 探测实验技术 5 荧光光谱法 6 LED 封装 7 太阳能电池 9 显示技术 11 光电子集成与激光器件研究 13 条纹相机 14 光参量波长调谐 15 激光光谱测量技术 17 钛宝石自锁模飞秒激光脉冲的产生与诊断 18 钛宝石飞秒再生放大器原理 结构与控制 21 扫描近场光学显微镜 22 材料表征与分析技术材料表征与分析技术材料表征与分析技术材料表征与分析技术 扫描电子显微镜 SEM 原理 扫描电子显微镜是将电子枪发射出来的电子聚焦成很细的电子束 用此电子 束在样品表面进行逐行扫描 电子束激发样品表面发射二次电子 二次电子被收 集并转换成电信号 在荧光屏上同步扫描成像 由于样品表面形貌各异 发射二 次电子强度不同 对应在屏幕上亮度不同 得到表面形貌像 目前分辨率已达到 2nm 左右 扫描探针显微镜 SPM 原理 基于微观或介观范围的各种物理特性 通过原子线度的极细探针在被研究物 质的表面上方扫描时检测两者之间的相互作用 以得到被研究物质的表面特性 不同类型的 SPMSPM 之间的主要区别在于它们的针尖特性及其相应的针尖 样品 相互作用方式的不同 扫描隧道显微镜 STM 原理 STM 的工作原理来源于量子力学中的隧道贯穿原理 其核心是一个能在 样品表面上扫描 并与样品间有一定偏置电压 其直径为原子尺度的针尖 由于电子隧穿的几率与势垒 V r r 的宽度呈现负指数关系 当针尖和样品的 距离非常接近时 其间的势垒变得很薄 电子云相互重叠 在针尖和样品之 间施加一电压 电子就可以通过隧道效应由针尖转移到样品或从样品转移到 针尖 形成隧道电流 通过记录针尖与样 品间的隧道电流的变化就可以得到 样品表面形貌的信息 原子力显微镜 AFM 工作原理 它的工作原理是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定 另一端有一 微小的针尖 针尖与样品表面轻轻接触 由于针尖 尖端原子与样品表面原子 间存在极微弱的排斥力 通过在扫描时控制这种力的恒定 带有针尖的微悬 臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方 向起伏运动 利用光学检测法 可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化 从而可以获得样品表面形貌的信息 AFM不仅可以观察导体的表面形貌 还可 以观察非导体的表面形貌 弥补了STM只能观察导体的不足 X射线衍射的物相定性分析原理 制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化 将待分析物质 样品 的 衍射花样与之对照 从而确定物质的组成相 这就是物相定性分析的基本原理与 方法 材料表征与分析技术主要有显微分析技术 X射线衍射的物相定性分析 光 学测量等方法 其中显微分析技术包括光学显微镜 扫描电子显微镜和扫描探针 显微镜 根据扫针尖特性及其相应的针尖 样品相互作用方式的不同 有扫描 隧道显微镜 原子力显微镜 磁力显微镜和静电力显微镜等 光学测量主要通过 透射光谱 椭偏光谱 Raman光谱测量和计算机解谱分析实现 分光光度计分光光度计分光光度计分光光度计 在分光光度计中 将不同波长的光连续照射到一定浓度的样品溶液时 便 可得到特定波长光被吸收的强度 以波长 为横坐标 吸收强度A为纵坐标 可 得到该物质的吸收光谱曲线 利用该曲线进行物质定性 定量的分析 用紫外光 源测定无色物质的方法为紫外分光光度法 利用可见光光源测定有色物质的方法 为可见光光度法 以Beer Lambert定理为基础 样品的吸光值与样品浓度成正比 光学镀膜光学镀膜光学镀膜光学镀膜 光学真空镀膜机主要由真空系统 蒸发系统 膜厚监控系统组成 其中真 空系统由机械泵 扩散泵及真空室等组成 机械用于抽低真空 扩散泵用于抽中 高真空 蒸发系统将膜蒸发 以原子或分子形式淀积在被镀器件的表面 形成薄 膜 按照工作原理可以将蒸发系统分为三种 热蒸发 溅射 离子镀 热蒸发是 通过电阻加热 电子束加热 高频感应加热和激光加热等方法将材料加热从而使 其原子从表面逸出 膜厚监控系统主要分为光学 石英晶振两种膜厚监控系统 石英晶振主要利用石英晶体的压电效应和质量负荷效应 石英是离子型晶体 由 于结晶点阵的有规则分布 当发生机械变形晨 能产生电极化现象 即为压电效 应 石英晶体压电效应的固有频率取决于其几何尺寸 切割类型和厚度 当晶体 上镀了某种膜层后 使晶片厚度增加 则晶体的固有频率会相应衰减 即发生质 量负荷效应 光学摸厚监控是利用薄膜的透射率或反射率随薄膜光学厚度的变化 而变化的特性来进行监控的 通常可用极值法监控 即当薄膜光学厚度等于1 4 波长整数倍时 透射率或反射率出现极值 通过测量薄膜的透射率或反射率的极 值 可实现膜厚的监控 离子源可用于膜料蒸发时辅助沉积作用 由通气管导入大分子气体 Ar或者 O2 经过高压电离后注入真空室 轰击在被镀器件的表面 使器件的薄膜附着 更紧密 均匀 牢固 泵浦泵浦泵浦泵浦 探测实验技术探测实验技术探测实验技术探测实验技术 泵浦 探测技术可以得到准确的超快过程的信息 是最简单的飞秒光谱学方法 其泵浦光和探测光都是超短脉冲 通常采用周期严格相同的两个脉冲列来对样品 进行激发和探测 飞秒脉冲通过分束器得到这样的两束激光 泵浦脉冲激发样品 分子至激发态 处于基态的分子数目减少 材料的吸收系数降低 使得对应能态 的跃迁的吸收系数降低 探测光的透过率增大 经过一段有限的时间 随着载流 子因散射等机制离开探测的能态 分子从激发态逐渐回到基态 材料的吸收系数 将回复原来的数值 材料对探测光的吸收饱和效应慢慢减弱 对探测光的吸收也 随之增加 探测光透射率相应减少 随着载流子弛豫到价带底 透射率减少到最 初值 衰减时间就是载流子弛豫时间 通常由泵浦光和探测光共同作用于样品发 生三阶非线性效应 产生的信号很弱 容易被探测光的强背景所掩盖 利用斩波 器以固定频率 w 调制泵浦脉冲 引起样品吸收周期性的变化 锁相放大器检测出 含有这个频率的信号 即可扣除探测光的强背景 大大提高灵敏度 如图所示 探测光在一定的相对泵浦脉冲延时 t 下 探测器只记录该时刻的探测光强 不断 改变延时 t 不断作积分 平均 逐点记录 最终得到一条探测光强随延时变化 的时间分辨光谱曲线 这种方法对探测器响应速度的要求不高 但是要求实验 条件和样品变化过程可反复再现 脉冲的重复率越高 信噪比越好 荧光光谱法荧光光谱法荧光光谱法荧光光谱法 分子荧光与磷光 荧光发射 电子由第一激发单重态的最低振动能级辐射跃迁到基态 多为 S1 S0 跃迁 发持续时间约为 10 7 10 9 s 发 射荧光的能量比分子吸收的能量小 波长长 磷光发射 电子由第一激发三重态的最低振动能级辐射跃基态 T1 S0 跃迁 发光速度很慢 约为 10 4 100 s 光照停 止后 可持续一段时间 激发光谱是指发光材料的某一发射光波长强度随激发光波长的变化 激发光谱说 明了对发光起作用的激发光的波长范围 发射光谱是指发光材料在某一波长激发 下 发光的能量随波长的变化 激发光谱与荧光发射光谱的关系 首先是 Stokes 位移 即是激发光谱与发射光谱之间的波长差值 发射光谱 的波长比激发光谱的长 振动弛豫消耗了能量 另外 发射光谱的形状与激发波 长无关 因为电子跃迁到不同激发态能级 吸收不同波长的能量 产生不同吸收 带 但均回到第一激发单重态的最低振动能级再跃迁回到基态 产生波长一定的 荧光 此外 还存在镜像规则 即通常荧光发射光谱与它的吸收光谱 与激发光 谱形状一样 成镜像对称关系 稀土荧光上转换发光机理 1 基态或激发态吸收 2 能量转移上转换 3 光子雪崩 4 横向弛豫基态或 激发态吸收 LEDLEDLEDLED 封装封装封装封装 发光原理 发光二极管主要是一个 p n 结注入器件 典型的是采用直接带隙半导体材料 在 器件中电子空穴对复合导致发光 图中 n 型区与 p 型区相比为重掺杂 n 型区 的电子向 p 型区扩散 而 p 型区的空穴则向 n 型区扩散 最后器件中费米能级 趋于一致 器件处于未加偏压条件下的平衡状态 器件中的耗尽层主要在结的 p 型一侧 n 型区的和 p 型区的之间有个能量差其中 V0 为内建电势 其方向由 n 型区指向 p 型区 正向偏压 V 时 LED 大部分电阻存在于耗尽层 所以大部分 的电压也主要是施加在耗尽层 此时内建势由原来的 V0 降到了V0 V 平 衡被打破 来自 n 型区的电子又开始向 p 型区扩散 即注入 由于 n 型区是重 掺杂 所以从 p 型区向 n 型区注入的空穴数远远小于从于 n 型区向 n 型区注入 的电子数 注入电子的复合也就是光子的自发辐射主要发生在耗尽层的 p 型一 侧 复合首先发生在耗尽层的 p 型一侧 其量大约是自由电子的自由扩散长度 Le 这种由于多数载流子的注入而引起的电子空穴对的复合发光被称为注入式电 子发光 LED 制备与结构 发光二极管的典型制备技术就是在适当的衬底上通过外延生长掺杂的半导体层 平面型的 p n 结是通过外延方法先在衬底上生长一层 n 然后再在 n 上生长一 层 p 型层 p 型层位于器件的表面 光就是通过 p 型层发射出来的 因此 p 型层 必须尽可能薄 使得光在发射出来的过程中尽量减少吸收引起的损失 为了确保 大多数的复合发生在 p 型层内 n 型层应采用重掺杂 产生白光的方法 1 将红 绿 蓝三基色 LED 组成一个象素 pixel 可得到白光 2 由蓝光 LED 芯片和可被蓝光激发的黄光荧光粉组成白光 LED 3 将蓝光 LED 芯片和可被蓝光激发的绿光和红光荧光粉组成白光 LED 4 用紫外光 LED 芯片和可被紫外光激发而发射红 绿 蓝三基色荧 光粉组成白光 LED 5 多量子阱 白光 LED LED 封装步骤 在 LED 封装基板上 点上银胶 注意胶量的控制 随后进行烧结使银胶固化 在这个过程中要注意固晶温度与时间的控制 避免出现爬胶漏电情况 接着进行 打线步骤 用铝丝或金丝焊机将电极连接到 LED 管芯上 以作电流注入的引线 在这个过程中要注意焊球质量与金线弧度 选择合适的荧光粉和合适的配比 用 量进行点荧光粉步骤 最后 在制作好的芯片上制作透镜结构 透镜结构应有合 适的折射率 不能存在气泡 控制透镜形状以获得所要的出光角 太阳能电池 太阳能电池 太阳能电池 太阳能电池 光电效应是指金属表面在光的照射下 金属表面的一个自由电子从入射光中吸收 一个光子后 就会得到能量 h 如果 h 大于电子从金属表面逸出时所需的逸 出功 A 这个电子就可从金属表面逸出 逸出的电子可被称为光电子 Dember 效应 也称 photodiffusion 效应 光照射在半导体表面 光子被吸收产生 电子 空穴对 则半导体表面的载流子浓度增加而向半导体内部扩散 但由于电 子与空穴的扩散系数不同 电子与空穴在空间的分布就不同 因此产生内建电场 形成实验可测量到的 Dember 电压 光伏效应 photovoltaic effect 是指半导体表面在光的照射下 光子的能量被吸收 让电子从价带跃迁到导带 实际使用的太阳电池主要是利用半导体的光伏效应制 作的 太阳电池作为光电转换器件必须具备的条件 1 入射光子能够被吸收产生电子 空穴对 2 电子 空穴对在复合前被分离 3 分开的电子与空穴能够传输到负载 太阳电池是指任何能将太阳光直接转换为电力的器件 主流是晶体 Si 太阳 电池 实现太阳光到电流转换的核心结构是晶体 Si 的 p n 结 在光照下条件下 由于内建电场的作用 在 p n 结附近产生的电子 空穴对被分离 电子向 n Si 区 漂移 空穴向 p Si 区漂移 从而产生从 n Si 区到 p Si 区的漂移电流 即所谓 的光电流 对于具有 n p 结构的晶体硅太阳电池而言 产生的光电流方向是 从 n Si 区到 p Si 区 p n 结的空间电荷区的内建电场的作用就是使入射光子产 生的电子 空穴对在复合之前被分离 并形成光电流通过金属电极给负载供电 如将太阳电池两端不连接任何负载 即开路 即可测得开路电压 以光伏效应为基础的太阳电池的光电流主要来自以下三个部分 1 空间电荷区的电子和空穴在内建电场作用下形成的漂移电流 2 n Si 区的少数载流子 空穴所形成的扩散电流 3 p Si 区的少数载流子 电子所形成的扩散电流 显示技术显示技术显示技术显示技术 CRT 阴极射线管显示器 显示终端主要由电子枪 偏转线圈 荫罩 荧光粉层和玻璃外壳五部 分组成 其工作原理就是当显像管内部的电子枪阴极发出的电子束 经强 度控制 聚焦和加速后变成细小的电子流 再经过偏转线圈的作用向正确 目标偏离 穿越荫罩的小孔或栅栏 轰击到荧光屏上的荧光粉 这时荧光 粉被启动 就发出光线来 R G B 三色荧光点被按不同比例强度的电子流 点亮 就会产生各种色彩 LCD 液晶显示器 其构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体 两片玻璃中间有许多垂直 和水平的细小电线 透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向 产生明暗的区 别 在不同电流电场作用下 液晶分子会做规则旋转90度排列 产生透光度的 差别 依此原理控制每个像素 将光线折射出来产生所需的图像 PDP 等离子显示器 其显示器工作原理是一种利用气体放电的显示技术 它采用了等离子 管作为发光元件 屏幕上每一个等离子管对应一个像素 大量的等离子管 排列在一起构成整个全屏幕 屏幕以玻璃作为基板 基板间隔一定距离 四周经气密性封接形成一个个放电空间 放电空间内充入氖 氙等混合惰 性气体作为工作媒质 在两块玻璃基板的内侧面上涂有金属氧化物导电薄 膜作激励电极 当向电极上加入电压 放电空间内的混合气体便发生等离 子体放电现象 气体等离子体放电产生紫外线 紫外线激发荧光屏 荧光 屏发射出可见光 显现出图像 当使用涂有三原色 也称三基色 荧光粉的荧 光屏时 紫外线激发荧光屏 荧光屏发出的光则呈红 绿 蓝三原色 当 每一原色单元实现256级灰度后再进行混色 便实现彩色显示 OLED 有机发光二极管 其基本结构是由一薄而透明具半导体特性的有机材料铟锡氧化物涂 层 与电力的正极相连 再加上另一个金属阴极 包成如三明治的结构 当有电流通过时 这些有机材料就会发光 依其配方不同产生红 绿和蓝 RGB 三原色 构成基本色彩 E PAPER 电子纸 目前实现电子纸技术的途径主要包括有胆固醇液晶显示技术 电泳显 示技术 EPD 以及电润湿显示技术等 其中以电泳显示技术为最有前途 的技术途径 其显示的工作原理是靠浸在透明或彩色液体之中的电离子移 动 即通过翻转或流动的微粒子来使像素变亮或变暗 并可以被制作在玻 璃 金属或塑料衬底上 FED 场发射显示器 场致电子发射又称为冷电子发射 只需要在阴极表面加一个强电场 不需要任何附加的能量 就能使阴极内的电子具有足够的能量从表面逸出 其工作原理是使用电场自发射阴极材料的尖端放出电子来轰击屏幕上的荧 光粉 启动荧光粉而发光 FED 在每一个荧光点后面不到3mm 处都放置了 成千上万个极小的电子发射器 同时用场发射技术作为电子来源 可以用 于平面显示器 光电子集成与激光器件研究光电子集成与激光器件研究光电子集成与激光器件研究光电子集成与激光器件研究 光纤与普通波导的耦合 1 模轮廓相同或者接近 模式要匹配 2 两者要共轴 在一个水平面上 角度一样 光纤与纳米线的耦合 倏逝波的耦合 1 将光纤一端拉成尖锥形 锥的直径与纳米线直径一样 2 两者的接触长度正好在合适的时候耦合度高 条纹相机条纹相机条纹相机条纹相机 当被测的信号经过光学透镜聚焦在狭缝处形成图像 然后在光电阴极上进 行光电转换 形成一维空间分布的电子束 再经加速网加速和聚焦电极聚焦 送 入偏转系统 当电子束进入偏转系统后 外电路控制的扫描电压由高到低线性递 减 电子束偏转角度在偏压作用下不断变化 进入微通道板型 MCP 的像增强 器不同位置 在此被增强后去轰击荧光屏 形成荧光图像 采集系统利用摄像机 CCD 将荧光图像转化为数字信号 传输给计算机进行后期的显示与处理 结 果最早到达荧光屏的电子所产生的图像就被显示在荧光屏的最高位置 反之最晚 到达的电子就位于荧光屏的最下端 也就是说 荧光屏的垂直方向成为了入射光 的时间轴 水平方向体现了入射光的空间位置 亮度反映了光的强度 下图显示 了整个条纹相机的工作原理 光参量波长调谐光参量波长调谐光参量波长调谐光参量波长调谐 光学参量放大与振荡均是二阶非线性光学混频过程 光学参量放大是指 在非线性晶体中入射一束圆频率为 p 的较强激光 称泵浦光 同时又入射一束 圆频率为s s 不等于 p 的较弱激光 称信号光 则在一定条件下信号光会得到放 大 此即光学参量放大 同时会产生频率为 i p s 的闲置光 若设置一种对信号 光 或同时对闲置光 反馈的装置 则和普通放大器经过反馈装置转化为振荡器 一样 不需入射信号光 这个只受到泵光作用的晶体也会自激振荡而发出频率分 别为 s 和 i 的信号光和闲置光 此即光学参量振荡 通常 泵光的功率密度必须大 于泵浦阈值时振荡才会产生 频率为 p 的泵浦光经过非线性晶体后 部分地转变 为频率分别为 s 和 i 的信号光与闲置光 因此 输出的激光含有 p s 和 i 三个 成分 腔镜 M1 和 M2 构成了对信号光 s 的反馈 成为谐振光学谐振腔 光学参量放大与振荡可看作是泵光与信号光及闲置光反复差频的结果 即在 非线性晶体的作用 泵光与信号光差频得到频率为 i p s 的闲置光 一旦闲置光 产生 泵浦光与闲置光差频又得到频率为 s p i 的信号光 结果 泵浦光不断转 化为信号光与闲置光 见光学混频 相位匹配和调谐过程 相位匹配和调谐过程 这类光学差频过程必须满足所谓位相匹配条件 因此产生光学参量放大或 振 荡 的一 定条件 也就 是反复差 频过程所要 满足的位相 匹配条件 k p k i k s k p k i k s 其中 k p k p k s k s k i k i 分别为泵光 信号光和闲置光的波矢 当这三束光共线传播时 则转化为要求泵光 信号光和闲置光在晶体中的折射率 满足 sip nnn sip 利用非线性晶体本身的双折射性质实现光学参量放大或振荡的位相匹配 例 如 对于非线性晶体是负单轴晶的情形 当三束光共线传播时 可选择光的偏振 方向使泵光为非寻常光 信号光和闲置光为寻常光 当晶体光轴相对光束传播方 向的夹角 改变时 三束光的折射率都会发生不同的变化 因此当 p s 和 i 均 一定时便会有一恰当的角度 使位相匹配条件满足 另一方面 对于任意一个 角 当泵频 p 一定时 必有相应数值的信号光频 率 s 及闲置光频率 i 满足位相匹配条件 从而使这些频率的激光得以产生 于是 连续改变 角 便会发出频率连续改变的激光 这样 利用参量振荡器就可实现 激光频率的连续调谐 这种调谐方式称为角调谐 此外当 一定时 由于温度的 改变 三束光的折射率也会有不同的改变 因而可起到改变 同样的作用 用改 变温度来实现激光频率调谐 称为温度调谐 常用的参量振荡晶体还有碘酸锂 铌酸锂等等 激光光谱测量技术激光光谱测量技术激光光谱测量技术激光光谱测量技术 脉冲宽度与相位测量技术 示波器 ns 量级 条纹相机 ps 200fs 量级 自相关 几个 fs 量级 FROG 技术 SPIDER 技术 FROG 技术 二次谐波产生 FROG 技术 SHG FROG 技术通过测量二次谐波信号的光谱特 性图并通过运用一个相位修补运算法则加工处理这个光谱图就得到了脉冲的振 幅相位特性 另外还发展了和频 SFM 差频 DFM 和交叉相关探测的 FROG 技术 其基本原理与 SHG FROG 相同 SPIDER 技术 一种可以直接测量飞秒脉冲的振幅强度和相位的技术 它把光谱剪取干涉测量法 用于频率来混合输入脉冲的一对同样的但频率调制过的复制品 然后把记录下的 干涉图样送往一个数据倒置程序来获得脉冲的信息特性 时间分辨光谱技术 时间分辨光谱技术 条纹相机 200fs 25ps 荧光上转换技术 激光脉冲宽度分辨率 克尔门技术 分辨率与高阶非线性材料响应有关 约 200fs 光电探测器光电探测器 光电池 光阴极管 光电二极管 三极管 光电倍增管 电荷耦合 探测器 微弱信号测量仪器 锁相放大器微弱信号测量仪器 锁相放大器 同时锁定被测信号的频率和相位 这样 噪音的频率既要落在通带之内 又要相 位相同的几率就大大减小 此外 锁相放大等效噪音带宽远小于选频放大带宽 从而使锁相放大中的噪音受到强烈抑制 利用锁相放大可检测出噪音比信号大 4 6 量级的微弱光电信号 利用一个与信号重复频率一致的参考信号 对含有噪 声的信号进行取样处理 利用相关原理 信号经过多次重复提取 使噪声的统计 平均趋于 0 获得 干净 的信号 微弱信号测量仪器 光子计数器微弱信号测量仪器 光子计数器 当选用渡越时间短的光电倍增管时 可得到对应于光子流数目 光子数 的电脉 冲数 对电脉冲的计数表示了光子数目亦即对应的弱光强度 此即光子计数方法 是目前测量弱光最灵敏的方法 钛宝石自锁模飞秒激光脉冲的产生与诊断钛宝石自锁模飞秒激光脉冲的产生与诊断钛宝石自锁模飞秒激光脉冲的产生与诊断钛宝石自锁模飞秒激光脉冲的产生与诊断 基于基于 FDMNFDMNFDMNFDMN 效应的谐振腔设计优化分析 效应的谐振腔设计优化分析 钛宝石增益介质有较强的克尔自聚焦效应 类似于透镜的作用 腔内横模光 斑半径随光强变化而变化 利用该效应使得腔内光强最大的脉冲起伏在往返传播 时的损耗最小或者增益最大 从而优先得到放大而形成超短脉冲 实现由连续运 转过渡到锁模状态 频率依赖腔模效应包括频率依赖的腔模尺寸效应 FDMS 和频率依赖的腔 模不共轴效应 FDMN FDMS 是指在谐振腔中不同频率成分光斑大小不一致 是非线性克尔效应在空间域的表现 FDMN 是指不同频率成分光轴不重叠 是 由介质横向色散引起的 自相位调制 SPM 使频谱展宽主要发生在脉冲的前后沿 自振幅调制 SAM 效应在脉冲峰值附近显著 FDMS 效应限制了高低频成分的增益 硬光阑锁模较难得到短的飞秒脉冲 普遍利用软光阑锁模获得亚十飞秒脉冲 输出镜处 FDMN 使输出光中不同频率 成分光轴不重合 输出频谱在空间不均匀分布晶体内的 FDMN 影响高 低频成 分与泵浦光的耦合 增益有效距离 Leff 不能得到足够的增益 不利频谱展宽 小信号光斑的相对变化 a 横模调制度 a 0 P w a 0 P w 将亚腔的某一参数设为可调量 在激光器锁模后 可以在保持锁模状态的前 提下 朝 值减少的方向适当调节晶体的位置 从而削弱晶体内 FDMN 效应对 脉冲展宽的不利影响 以利于脉冲频谱展宽 产生更短脉冲 在实验中 泵浦光 束略大于初始腔模光斑 在激光介质软光阑中激光锁模后 保持腔内折叠镜内距 离 l1 l2 的长度不变 而适当改变晶体的位置 在下稳区的上半区附近 晶体内 调制度 a 0 得到腔模半径随光功率增强而增大的增益调制锁模 由于 FDMS 效应 对软 硬光阑锁模 都会限制频谱的展宽 提出基于下 稳区上边界的空间增益调制锁模方案 减弱 FDMS 的影响 基于 FDMN 效应对 于频谱展宽的限制作用 分析亚腔参数与 FDMN 效应的关系 提出锁模后改变 亚腔参数以减弱 FDMN 展宽频谱 这种增益锁模优点 这种增益锁模优点 1 有利于增强自相位调制频谱展宽 晶体内部 0 腔模光斑半径 增益饱和 净增益 腔内功率 SPM 2 有利于减弱 FDMN 效应的负面作用 不同频率成分在晶体内部的耦合 SPM 不同频率成分腔模与泵浦光束的耦合 使更多的频率成分在腔内的振荡过程 中获得足够的增益 脉冲频谱得以展宽 3 减弱了 FDMS 效应对频谱展宽的限制作用 整个频谱成分的光斑都小于或接近泵浦光束 各自获得增益的差别相对较小 对 于频谱的高 低频展宽成分而言 一方面 在光脉冲腔模的光腰位置附近 脉冲 的增益饱和程度会因腔模光斑半径的增加而减弱 容易得到大的增益 另一方面 由于泵浦光和腔模光束的共焦参数较大 可以在晶体内部沿光轴方向的较长一段 距离获得较高的增益 钛宝石飞秒再生放大器原理 结构与控制钛宝石飞秒再生放大器原理 结构与控制钛宝石飞秒再生放大器原理 结构与控制钛宝石飞秒再生放大器原理 结构与控制 高能激光仅靠激光振荡器来获取一般是很困难的 因为提高激光器的输出功 率 能量 和其他指标 如光束发散角 单色性 脉宽 调制性能等 要求是相矛 盾的 故要保持激光束优良的特性 又要获得具有高功率的激光 就要在原有的 振荡器激光的基础上运用激光再生放大器 在超短脉冲的激光放大情况下 飞秒 脉冲的放大 不能直接进行 因为当输出功率很高时 工作物质就有被破坏的可 能 更重要的是 在能量升高的情况下 放大介质的非线性效应也会随之增大 飞秒脉冲就会被限制 从而导致脉冲被展宽 或者出现放大脉冲畸变和放大器元 件的损伤 可采取特殊的啁啾脉冲放大 CPA 技术避免畸变和元件的损伤而限制输出能 量 啁啾脉冲放大 CPA 技术是用来对超短脉冲进行放大的一项技术 该技术 通过控制色散对放大系统的脉宽产生几个量级的展宽作用 从而减小了峰值功 率 在最后放大时 频率 啁啾 过程转变方向 利用色散可将脉冲压缩到最初 的脉宽 由于压缩过程不经过放大器 所以不会损坏放大器元件 也不会产生畸 变 首先 通过色散元件将飞秒脉冲展宽为皮秒量级 这时脉冲的峰值功率强度将大 大降低 但单个脉冲的总能量不变 其次 将这个低峰值强度的脉冲由纳焦水平 的能量放大到焦尔水平的强度 最后 频率啁啾过程转变方向 利用色散将脉冲 压缩 使恢复为原来的脉宽 由于总能量变大 峰值强度将随脉宽的变窄而极大 地提高 从而得到超高峰值功率的超短脉冲 为了使压缩后的高峰值功率光脉冲 有很高的脉冲保真度 必须使展宽器和压缩器以及放大器中的光谱位相值大小相 等 符号相反 从而可以相互抵消 因此 一般飞秒激光放大器分为三部分 展 宽部分 放大部分 压缩部分 正群延色散 就是频率高的光谱分量的传播被延迟 逐渐被推移到脉冲的后 部 因此脉冲被展宽了 利用光栅的正色散特性可将激光的脉冲展宽 激光脉冲 入射到第一个光栅上 经光栅色散后反射到第二个光栅上 由第二个光栅色散后 入射到平面反射镜再由反射镜沿原路返回到输入端 由于光栅的色散作用 脉冲 光谱中波长较长的部分 如红光 将比波长较短的部分 如蓝光 经过的距离要 长 因而具有较长的时间延迟 使脉冲得到展宽 如果脉冲本来就是上啁啾 也就是脉冲的频率随时间而增加 因此高频分量本来就集中在脉冲的后部 那么 通过正色散介质后 高频分量被延迟得更多 脉冲变得更宽 负群延色散 就是 频率低的光谱分量的传播被延迟 逐渐被推移到脉冲的后部 因此脉冲被压缩了 这样的脉冲通过符号与啁啾相反的色散介质后 脉宽会被压缩得很窄 这就是脉 冲压缩原理 扫描近场光学显微镜扫描近场光学显微镜扫描近场光学显微镜扫描近场光学显微镜 瑞利判据 当一个点物的象的最亮处与临近另一点物的象的第一个零点重合时 此两点物的刚好分辨 称此时的两点物间的距离为成象系统的分辨率 有效放大率指放大的图象中人眼能分辨的细节是成象系统可分辨的 虚放大率指放大的图象中人眼可分辨的细节是成象系统不可分辨的 提高分辨率途径 减小波长