光脉冲 Light pulses

2022-11-11 09:31:22 浏览:70

定义

光脉冲是闪光。 特别短的光脉冲通常由激光(激光脉冲)产生,并以激光束的形式传递,即具有高度定向的辐射。

由于极高的光学频率,当光带宽跨越平均频率的很大一部分时,光脉冲可能非常短(超短)。 例如,中心频率为 300 THz(对应于 1 μm 的波长)的高斯脉冲可以轻松具有 30 THz 的带宽,如果脉冲是变换限制的,这已经对应于 ≈ 15 fs 的脉冲持续时间。

直接在激光器中产生的最短光脉冲(被动锁模钛蓝宝石激光器)的持续时间约为 5 fs,仅对应于几个光周期(少数周期脉冲)。应用于类似脉冲的脉冲压缩技术达到很少飞秒的脉冲持续时间,高谐波产生甚至允许产生阿秒脉冲。 另一方面,许多具有重要商业价值的激光源(特别是Q开关激光器)产生纳秒脉冲(通常具有相当大的脉冲能量),这些脉冲被认为是短的,但不是超短的。 纳秒脉冲(来自纳秒激光器)也有许多重要的应用,例如在激光材料加工中。

根据所需的脉冲持续时间、脉冲能量和脉冲重复率,使用不同的脉冲生成、脉冲压缩和脉冲表征方法,总体上涵盖了极其广泛的参数范围。 有关详细信息,请参阅相应的文章,特别是有关脉冲表征的文章。

高峰值功率和强度

由于脉冲持续时间短和强聚焦的潜力,即使脉冲能量适中,光脉冲也可用于产生极高的光强度。 例如,只有10 mJ能量的10 fs脉冲的峰值功率量级为1 TW = 1000 GW,相当于大约1000个大型核电站的总功率。 这种功率可以很容易地聚焦到直径只有几微米的光斑上。 因此,放大的超短脉冲对于高强度物理非常重要,研究诸如多光子电离,高谐波产生或具有阿秒持续时间的更短脉冲的产生等现象。

光脉冲的表征

有多种方法可以测量达到的脉冲持续时间或在其他方面进行脉冲表征。 特别是对于测量超短脉冲的持续时间,纯光学技术非常重要,因为电子设备对于此类目的来说太慢了。

单次或重复脉冲生成

纳秒脉冲持续时间范围内的短激光脉冲通常在单脉冲状态下产生(按需脉冲,脉冲之间有长时间且可能不规则的中断)或以脉冲重复率的重复模式产生,脉冲重复率通常在千赫兹区域。 与此相反,超短脉冲(即持续时间在皮秒或飞秒区域)通常以脉冲序列的形式产生,具有许多兆赫甚至许多千兆赫兹的高重复频率。

脉冲爆发

在某些情况下,激光源不会产生周期性的脉冲序列,而是产生周期性的脉冲脉冲序列,其中每个脉冲串由一定数量的短脉冲或超短脉冲组成。 在较大的脉冲串中,可能具有较高的脉冲重复率,例如在兆赫兹或千兆赫兹区域,而突发的重复率可以低得多,例如在千赫兹区域甚至更低。

有关更多详细信息,请参阅有关突发模式激光器的文章。

脉冲传播

脉冲在培养基中的传播有许多有趣的方面。 透明介质中脉冲的峰值随群速度传播,而不是相速度。色散会导致脉冲的时间展宽(有时是压缩)。 对于高峰值强度,光学非线性会强烈影响脉冲传播;它们通常会导致脉冲展宽,但强非线性压缩也是可能的。

除了实验测试外,还可以通过各种数值模拟来研究脉冲传播的细节。 在某些情况下,例如对于单模光纤中的脉冲传播或具有固定高斯波束轮廓的自由空间传播,可以忽略横向空间维度,只考虑每个位置的复振幅与时间或频率的关系。 研究完整的时空脉冲演变需要更复杂的数值模型。

参考文献

[1] R. Paschotta, Field Guide to Laser Pulse Generation, SPIE Press, Bellingham, WA (2007)

脉冲

作          者: 泮桥成像光电商城

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