激光与飞秒超短脉冲激光
2019 — Year of the Laser
Laserfest is a yearlong celebration of the
50th anniversary of the laser.
On May 16, 1960 , Theodore Maiman invented the
world's first laser, known as the "ruby laser”.
694.3nm
The laser is one of the greatest inventions of the
20th century— has revolutionized the way we live.
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
红宝石激光1960年Mamain发明 694.3nm
激光器三个主要部分：
增益介质──激光工作物质 上能级粒子数反转
谐振腔 ── 选模 限制波形和提供反馈、增益 稳定振荡
泵浦源 ── 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
H核对电子作用 3.51016W/cm2
红宝石激光
激光与现代科技
近十三年, 有七次 Nobel奖与激光有关
一)
二)
三)
四)
五)
激光冷却和捕获原子
超短激光观测分子中间态过程
快速晶体管和激光二极管发明
激光和磁阱实现玻色_爱恩斯坦冷却
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) 2019年 精密激光光谱和光学频率梳
七) 2009年 光纤通讯
2019年
2019年
2000年
2019年
2019年
激光与现代科技
* 物质研究的基本手段
高分辨率光谱 （窄线宽）
非线性光谱 （高强度）
超快光谱（飞秒脉冲）
激光冷却 ( 97年Nobel Prize)
精密光谱 (2019年Nobel Prize)
强场极端实验条件
* 光电技术与信息科学
光存储技术
光输入/输出设备
光电显示技术
光通讯技术
* 激光与生命和健康
DNA图谱识别和控制
光钳技术---单个细胞行为研究
激光手术刀
光合作用、育种
* 激光与国家安全
战略武器 化学激光
战术武器 精确制导、至盲武器，夜视仪，防护镜
* 激光与能源
U235分离 裂变
ICF
核聚变
机载激光武器(ABL)，
ABL的目标是研制装
在经过改造的波音
747飞机上安装激光
武器，用于从高空攻
击敌方的战区弹道导
弹。
激光分类：
1、工作介质
气体激光器：He-Ne, Ar+, CO, CO2, XeF, KrCl
固体激光器: Ruby, YAG, YLF, Ti:Sapphire
染料激光器: DCM, R6G
半导体激光：GaN, GaAs
自由电子激光：电子在周期静磁场中通过 相干辐射
2、激光特性
连续
脉冲 （ 调Q、锁模）
脉冲激光器进展
脉冲激光 ----- 提供时间和功率极端实验条件
60年代
Q-Switching
70年代
Modelocking 10-12 s(ps)
80年代
Colliding Pulse Modelocking 10-13 s ( sub-ps )
10-9 s (ns )
80年代后期 Kerr Lens Modelocking
最短的激光脉冲为 < 4 fs
10-15 s (fs )
激光振荡周期为T= 2.7fs
2019年 ——
百阿秒脉冲获得（x光波段）
2019年 ——
80阿秒脉冲获得（x光波段）
时间分辨测量
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
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）。
“照相”技术—— 分辨测量
1、 time resolution ——
important measure for science
Deep Blue clock
(10-9 s)
blinking (10-1 s)
1S
10-3S
10-6S
10-9S
10-12S
2019
1fs
fs time
resolved
lightning (10-4 s)
dissociation
(10-13 s)
电子相
关法
光学相关法
相
机
等
条纹相机
光电管
ns
光学相关法
ps
{
fs
二次谐波法
双光子荧光
克尔开关法
高阶相关法
as
飞
秒
时
间
分
辨
测
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
200fs后
ICN
100fs后
excitation
I + CN
解离态
吸
收
hn
200fs
t
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
超快时间分辨测量
Femtochemistry ---- Nobel Prize 2019
The Royal Swedish Academy of Sciences
has awarded the 2019 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 chemical reaction.
The Academy’s citation:
For his studies of the transition states of
chemical reactions using femtosecond spectroscopy
高功率的获得：飞秒短脉冲的放大
CPA : Chirped Pulse Amplifier
——
CPA
脉冲激光功率发展历史
(~1cm2 of Beam)
Pth 
hn

Dn g
钛宝石飞秒高功率激光基本特性：
波长：750 - 1100nm
超快 (4.0fs) ---- 万亿分之一秒
超强
聚焦强度
光
压
加速度
磁 场
100TW
1020W/cm2
自然界存在
3.5 ×1016W/cm2
1012bar
1021g
109Gauss
提供了极端实验条件
1bar
g
0.5Gauss
Fast Ignition Concept of ICF
( ICF --- inertial confinement fusion)
飞秒微加工与微制备
Laser-matter interaction with long pulse
Laser-matter interaction with ultrashort
pulse
超短激光和长脉冲激光作用的比较
A drilling in steel produced by 3.3ns pulses. A strong blur formation
occurs and solidified droplets stick
on the surface. Note the heataffected zone around the hole .
A drilling in steel produced by
200-fs pulses. Pulses energy is
decreased by nearly one order of
magnitude.
飞秒激光角膜切割
Flap cut by fs laser pulse
Flap cut by a mechanical
microkeratome
三维微制备——纳米牛与纳米弹簧
Ti:S 780nm, 150fs, 76MHz
1.4NA 高倍显微物镜聚焦
SCR500 resin ( JSR, Japan )
+ urethane acrylate (尿脘丙
烯酸脂）
光聚合分辨率 120nm
牛尺寸：10mm ×7mm
Nature, Vol. 412, 697.2019 （ H.B. Sun et al )
820nm,19mW
3pN
k = 8.2nN/m
a. 原始状态
b. 伸展状态
c. 阻尼振荡恢复曲线
高次谐波波产生
26fs, 800nm, 6×1015W/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
PRL 79 （2019）2967
Ne高次谐波信号
突破水窗极限
获得相干X光光源
He高次谐波信号
阿秒脉冲的获得
高次谐波——
规律性、完美性
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
结语
Femtochemistry ---- Nobel Prize 2019
“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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
Femtofabrication
Fs-SNOM
Femto…….，Atto… …