第十一章时间分辨光谱课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,自由讨论：,1，什么是Fourier变换？,2，什么是光泵？,3，描述脉冲光的物理参量有哪些？单位分别是什么？,4，什么是幅度调制？可以利用什么办法实现？会出现什么结果？,5，什么是光的相干？,6，测量脉冲光的仪器有哪些？,第十一章 时间分辨激光光谱,超短激光脉冲的产生,超短激光脉冲的测量,寿命测量,Pump-probe技术,光谱分辨：,时间分辨：,空间分辨,高分辨,Fourier变换,取自数学手册p.188,高斯线型,半高宽,半周期,超快现象,激发态的消激发；,非平衡态向热平衡态的弛豫；,分子预解离；,飞秒化学；,视觉过程；,光合作用；,.,第9.1节 超短激光脉冲的产生,非相干光源的脉冲宽度受激发（放电）电子线路脉宽的限制,(ms, ns),；,而超短光脉冲的产生借助于激光的相干性，可远小于电学脉宽也可以小于泵浦光脉冲,(fs, as)。,一、脉冲激光的时间线型,脉冲激发P,p,(t)导致脉冲粒子数反转,N(t)，从而产生脉冲,激光输出P,L,(t)，但是激光P,L,(t),又降低粒子数反转,N(t),P,p,(t),N(t) ,受激发射,激光,P,L,(t),N(t) ,i, ,k, ,p,宽脉冲激光,染料激光器,i, ,k, ,k,自熄火激光,N,2,激光器,I, ,k, ,p,多尖峰脉冲激光,灯泵红宝石激光器,泵浦光上升时间,基态i 粒子数保持，激发态k粒子容易清除，在光泵光减少之前，激光已经停止,和泵浦光步调一致，稳定光脉冲,粒子数反转快速建立，受激辐射破坏粒子数反转,二、调Q,高损耗、低Q值,低损耗、高Q值,目的：,消除尖峰效应，产生强的窄脉冲激光。,原理：,抽运过程中Q值低，当反转粒子数达到最大值时突然提高Q值，此时增益比降低了的阈值高许多，振荡场迅速建立，产生雪崩过程，受激辐射很快耗尽反转粒子数。,1，快速转动腔镜，实现Q开关,2，利用电光效应调Q,电光效应：,电场使晶体的介电张量发生变化，导致折射率,n变化（光率体发生畸变）。,二次(平方)电光效应Kerr效应,一次(线性)电光效应Pockel 效应,偏振旋转角,a，实验装置图,b，短脉冲图,P1, P2偏振方向交叉：,三、腔倒空,目的：,从CW激光器中产生脉冲序列,原理：,连续运转 (CW) 时Q值高，激光输出小，腔内功率高；突然降低Q值，腔内储存的能量很快释放，形成脉冲。,第一次经过晶体：,折射,透射,第二次M3反射经过晶体：,折射,透射,折射率正比于声波调制幅度,经过M2, prism反射输出,虚线,缺点：,在脉冲线性里面，包含 频率调制信号,脉宽,脉冲重复率,举例,四、激光器的锁模,目的：,获得更窄更强的激光脉冲,原理：,在一般的脉冲或调Q激光器中，各振荡纵模独立输出能量，模之间的位相关系不固定，输出为,功率,相加(mP)。锁模是使各振荡模满足频域相干叠加条件：（1）模间隔一定；（2）相对位相固定。这样多纵模在腔内,时间相干、振幅叠加,，使得总功率出现时间上相对集中,短脉冲,(ps),。,主动锁模：用电光、声光元件,进行调幅（损耗）、调相。,被动锁模：放置饱和吸收材料于腔内,自发锁模：多个纵模间的非线性作用,调Q：,几十,几百倍 2L / c,腔倒空：, 2L / c,锁模：,2L / mc (m为模数),模间距,（周期）,自由光谱程,主动锁模,调制器振幅（损耗）调制,单色光,幅度调制频率,两边带,腔模,如果调制频率等于腔模间隔,如果多次经过声光调制器,这些模式相干震荡，相位耦合，在t时候到达最大时，经过2d/c时也到达最大,声光调制器,调制幅度,透过光强,透过光强幅度,如果,对应下一个腔模频率,增益宽度,模式间隔,震荡模式数量,输出光强总幅度,对应下一个腔模幅度,模式间隔,脉宽,5个模式锁定,15个模式锁定,被动锁模,腔内非线性饱和吸收材料的周期性饱和,原理（起伏模型）：,自发辐射（光强无规起伏）,非线性饱和效应,吸收材料对弱的吸收大对强的吸收小 产生周期脉冲,(ps),吸收材料,脉宽,线宽,用锁模激光做同步泵浦,用脉冲激光器L,1,去泵浦另一激光器L,2,，,激光器L,1,的脉冲重复间隔,激光器L,2,的脉冲重复间隔,同步泵浦,L,1,L,2,由于饱和效应，输出脉冲比泵浦脉冲短：,可以获得1ps的光脉冲,脉宽,氩离子激光器泵浦,燃料激光器输出,不同方式产生短脉冲激光,五、飞秒激光的产生,1、碰撞脉冲锁模（colliding-pulse mode locking, CPM）,在环形腔中，放大A1和吸收A2点间距为总长的1/4。两相反方向传播的光脉冲在吸收A2处叠加。形成相涨相干，形成驻波。,1，吸收介质薄，光通过时间短400fs,(d100um),2，在驻波中，光强吸收少，光弱吸收大,脉冲压窄。,两脉冲部分重叠，光强和吸收调制大,两脉冲完全重叠，光强和吸收调制小,2、Kerr透镜锁模Kerr lens mode locking, KLM,( 20ps：,光二极管 (PIN)直接探测, ps,：,条纹相机, ps：,相关测量,Photocathode:,photo, electron,Acceleration Voltage U,: electron to z direction,Deflection plate:,deflection in y direction,Luminescent:,get the image,一、条纹相机,Deflection voltage:,电场扫描，成像系统y方向上的位置取决于电子到达偏转电场时间,光脉冲经过色谱仪后，在x方向产生色散,成像系统不同x位置相应不同波长脉冲分布,y方向脉宽,x方向色散,商用条纹相机Y 方向偏转速度：,1cm/100ps 1cm/10ns,Y 方向偏转速度：,1cm/100ps,相机空间分辨率：,0.1mm,时间分辨率：,1ps,用条纹相机记录的间隔为4ps的两fs脉冲,例如,二、光学相关仪,探测器线性响应,探测时间常数,（响应时间）,T,脉宽,每个模式具有不同的周期,Fourier 变换,两束光相干,如果对光进行二倍频,一阶相关函数,（幅度相关）,二阶相关函数,（强度相关）,两种方法测脉宽,干涉自相关,非平行强度相关,时间常数为T 的线性探测器信号与脉宽 无关，也就不能给出脉冲 的信息。,1，干涉自相关,Michel 干涉,非线性晶体,归一化函数,上包络,下包络,2，非平行强度关联,如果两光以角度聚焦到非线性晶体,满足一定的相位条件（只有来自两不同光束的双光子才满足相位条件）。,则背景消除，没有干涉信号，只探测到等于脉宽的包络信号。,背景,没有消除背景,消除背景,不同线型的脉冲,高斯,方波,单一噪声,连续噪声,0.883 ?,自相关宽度,脉宽,频宽,FROG技术,(Frequency-Resolved Optical Gating Technique),特色,： 测量 3 阶自相关，可测非对称脉冲,Gate光泵浦非线性晶体，控制probe光的通过,相当一个逻辑gate 的作用,第9.3节 用激光测量寿命,测量寿命的用途：,1，通过探测自发辐射寿命和自发辐射光强，探测激发态总的跃迁几率和某具体两能级间的跃迁几率,2，通过光经过吸收后的衰减，获得粒子数数目,3，获得碰撞几率,B粒子密度,碰撞截面,平均速度,约和质量,有效寿命,辐射寿命,气压,探测寿命,k态n态,k态碰撞截面,光的能量密度,Einstein常数,1，相移方法测量寿命,幅度调制频率,（Pockel cell）,测量平均,有效寿命,相移,调制频率,样品,激光,荧光,激光 和荧光相对相移,时延门控 BOXCAR,通过控制不同脉冲延迟，测量在寿命时间内的荧光衰减或者吸收,2，单脉冲激发,时延符合单光子计数测量寿命内原子数目衰减,探测光弱,单光子,激光脉冲和荧光之间：,进行时间幅度转换（光脉冲,start; 荧光stop,）,通道上的计数,正比与荧光光子数,Channel, U(t)时间,Pulse rate, 光子计数粒子数,荧光,光脉冲,时间,幅度转换,时间幅度转换（TAC）:,开始,结束,Stop 和start控制也可以调换,（光脉冲,stop; 荧光start,）,光脉冲,荧光,Na,2,分子寿命测量,第9.4节 Pump-probe技术,对于R,C, 对应原子原子的跃迁,RR,C, 对应分子分子跃迁,从激发态分子漏到基态原子的位置,分子能谱衰减,分子经过R,c,时，漏到原子态,2，实时观察分子震荡行为,a,震荡,震荡,双光子泵浦,分子在势阱中震荡为10,-13,10,-15,s,通常的探测只能探测平均行为,单光子探测,自电离,双光子激发在内拐点，单光子激发在外拐点（大的Franc-Cordon系数）。,b,单光子泵浦,双光子探测,（电离）,单光子激发在内拐点，双光子激发在外拐点（大的Franc-Cordon系数）。,a, b时间差,振动周期,b,a,a,b最大值点相差半个震荡周期,解释分子在内拐点和外拐点振动周期,