超快光谱技术与应用

制成功世界上第一台红宝石激光器1960年制成功世界上第一台红宝石激光器是指颜色呈红色的刚玉，主要成分是氧化铝(Al2O3)Cr，主要为CrO，含量一般0.1~3%，最高者达4%。自然没有铬的宝石是蓝色的蓝宝 cccc ccccc1c1

相干长A2c A2c 高亮

10-3秒.相干长度可以理解为光源所 PA PA4N AN A发辐受激吸受激辐

Wlu激光---（基于）受激辐射的光Laser---LightAmplificationByStimulatedEmissionof5自发辐射与受激辐射的区自自发非相干各个原子、分子的辐不相干，方向无规方同频方同频受激辐相干光同偏同相位、hh与自发辐射不同，辐射一定要在外来光激发下发生，并发射一个与外来光子完全相同的光子，受激辐射光是相干光，受激辐射光加上6激光产生的必要条 下能级：尽量清空

NeEi

/受受激辐射要得到大于吸收作用必须辐射作要数能级的粒子数能级粒Nu理想能级结 >>i通常情况下不会 >>i7

Fast

Fastn

Fast 8激光器基本结构工作物质

泵浦源和光学谐振腔部 作的源泉泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需光学谐振腔则激光振荡的建立提供正反馈 9激光器的①①气体激光②体激光③液体激④半导体激⑤光纤激⑥化学激⑦自由电子激⑧Ｘ射线激光 （单色平面波超短脉冲

导出的基本关系：若复函数f(x)与F(k)构成即f*xfxx的概率密度，F*(k)F(k)/2π相当于k的概率密度，*表示差的乘积ΔxΔk不会小于某个常数（该常数的具体形式与fx）。激光介质的增益带宽足够宽：固体建立有利于激光器脉冲运转的机制：调Q，锁种获 功率窄脉宽激光脉冲（巨

）的技术 年其诞生是激光发展史上的个重要突破。在此之前由于普通脉冲激光器输出的弛豫振荡，很难获得借助调Ｑ技调Q原理---品质因数Q（电子学名词）：器 能量的本Q 腔的激光0每秒损耗的激光低Q 损耗 不能起 能量积高Q值：损耗小，激光起振，输出高能损耗 反射吸收衍射散

转镜电

介 声

透射破坏全内反QQW0Wc/2n 0脉冲激光技术--调列的专门技术，将需要的那种组合模式锁模激光器－获得超短脉冲的技（）主动锁 在腔内置入适当的调制元件，启动成功高，稳定性好，不易失锁电光调制声光调制

）（需要高）（ 锁 激光工作物质身的强饱

结构单；通常不能自启动，稳定性稍差，会失饱和吸收体 克尔透镜锁模（三）同步泵浦 用脉冲激光作泵浦光源，同步 大，产生不同波段锁模脉比起调Q技术获得的巨脉冲，它的脉宽更窄（可以达到飞秒峰值功率从频域角度看纵模的相位锁定， 锁定的纵模越多，脉冲的宽度越前缀

BigKilo(k)MilliKilo(k)Micro(µ)

Mega Pico(p)Pico(p)f)Atto(a)

Giga飞

Peta(P)

二、时间分辨测量历元前 80

天（小时（日晷秒（机械钟03秒（

秒飞秒激脉冲短：10－15s

&名 时 光在真 过距纳飞阿

1ns=10-9s1ps=10-121fs=10-15s1as=10-18

300.3 0.3

分子动电子的 (最短脉冲的理论极限=300nm～1fs=150nm～0.5fs(500全固态飞秒短脉冲激光器：掺钛蓝宝石激光

除了具有宽的增益带，热导率 时 ）等这些性质使其为超短 科 的飞秒激光系飞秒激光器工作时放大级Spitfire的工作实应用1：飞秒生化反应 日,瑞典 家H.Zewail,以表彰他在利用飞秒激光脉应用2：飞秒激光用于生物 术离开了板层刀，手术过程中发生交叉 术后视觉质量更秒激光可以精确地打开眼部组织分子链，作出更均匀更完美的角膜瓣，有效避免了板层刀制瓣能出现的医源性像差等，避免了雾、下雨天以及夜晚开车等视物条件现的眩光模糊等情况让近视者获得趋完美－110LIKInts音应用3：阿秒脉冲的重要应用4：飞秒激光微制造目前倍受重视的信息、先进制造业材料科学与生物技 的技术来支撑。当前，微纳米加技术主要是硅加工材难以实工艺复

加工尺寸的亚微米特性和 分辨加工材料的广泛加工能量的低耗应用5：飞秒激光沉积技术与功能薄Femtosecondlaser:800nm,50fs,1KHz,PulsedlaserdepositionKrFLaser:248nm,20ns,50Hz,AnataseandRutileTiO2nanocrystalline

Rutile

2025303540455055 ZnO透过透过率0

0

波长

具有更好的发光性350 450 550 从而

reflection

nn变化R,T，polarization 平台为例 课题也是光与物质相互作用超快过程最活跃最有生命力的领域之。这是因为这项研究包括了半导体中激发、弛豫输运和复合等许多基本物理过程，大大推动半导理基础学科的发展更为重要的是这些研究推电子学、光电子学的发展

导体半导体 速件性极最取于导材的快过。声子弹散过会坏向干因此量子器件的性能在很大地上决于弹性射时测定约4p假设子的均运速度2.5x107cm/s，因袭只有当器件尺寸小1米，其性能才不会到射程影因此载弛过对了半体本理性器件应用有十分要意。 干区(CheenRegie)：超短脉冲激发半导体受激发系统与产生激发的电磁场保持相当好的相位关系半导体中的相现象很好地验证了量子力学的基本理半导体 坏相干性的散射过程发生在fs和ps的级因此相干现象的究必须用fs和s技术来进行。其中的主要散射过程有动量散射、载流子载流子散射空穴与光学声散射对GaAs来说，如果激发能量足够，会发生载流子由Γ至谷X谷的谷间散射非热载流子区(Non-ThermalRegime)：载流子在退相后是一个非热力学的分，即载流子不能用具有特征温度的热力学分布函数来描述。非热力学区的时间量≤2ps，在这一时间域发生的主要散射过程有电子-空穴散射，电声子散射等果子带间距大于LO声子能量，将发生子带散热载流子区(Hot-CarrierRegimefs，电子和空穴达到热平衡的时间则在ps量级，而与晶格达到热平衡则需要数百ps区的时间量度约1～l00ps。等温IsothermalRegimel00ps)：等温区载流子、声子等都已达热平衡。载流子将通过各种辐射和非辐射途径复泵浦－探测时间分辨光谱的基本分reflection

泵浦光引起的激发材料的折射率、吸收系数变化以及偏振面的时间分时间分辨反射光时间分辨透（吸收）光时间分辨磁光光时时间分辨荧光光谱：长荧 ：可用超快光电探测器；短的荧 ：泵浦－探 Faraay首先发现了磁光效应他发现当外加磁场加在玻璃样品上时透射光的偏振将发生旋转，随并不够平整因而实验結果不能使人信服 在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反出来时发现了磁光克尔效应(magneto-opticKerreffect)。法法拉第磁光效应：一束线偏振光在磁场作用下通过磁光材料时它的面将发生旋转旋转角θ正比于磁场沿着偏振光通过材料路径的线积分＝VBl；式中V：材料的费尔德（Verdet）常1985年MoogBade位学进行铁超薄的磁克尔成功地得到一原子厚度性物的磁且提出了以表面磁光克尔效应(surfacemagneto-opticKerreffect)用在面磁学的研由此方的磁测灵敏度可以达到一个原子层度，且仪可以置于 真作所以成表面学的要研方。磁光效应的宏观经典描述是基于磁性介质的介电特性，其介可以表示成 iQ y0

n 微观：微观：物质的电子能带与态密宏观：介质的介电光、电器件应 反应复折射率的实部（通长说的折射率） 磁光法拉第效应（磁致旋光现象）：反应复折射率的虚状态不同,磁光克尔效应可纵向克尔效应其半体自旋子学是以自旋作为信息载体的新兴前沿学科其研究 子旋的 度以实现信息的加工处理和 与处理要求电子自旋极化态有足够长的的相干性保持与调控是重的先条件。维半体量子结构中电子与自旋相干力学以及域发展的 科学问题，国内外都非常重视这研进。－－ 的研究方向之 脉冲激光泵浦探测(pprobe)的方法由具有飞秒时间分辨故能在几百飞秒内完成，这种现象被称为超快退磁。飞秒脉冲激光瞬态调制磁性材料的磁晶各向异性，含丰富的物理内容，涉及到如电子、晶格和自旋间在非平衡态－－ 的研究方向之超快磁光信 ：以(Ga,Mn)As为

化方向，可以做成四态器，使存 (GaM)As中的铁磁相互作用是以空制载流子浓度就能控制这种相作用超快光激超快光激发与磁材料与飞秒磁 光场与磁性材料电子、自旋体系的相干与非相耦合与 s中自旋弛豫与0

MeasuredatTimeevolutionofswitchingfield 100200300400500表明光生极化载流子可有效调控GaMnAs的磁各向异GaMnAs中平面内四个磁化状态可以