飞秒科学

liangliang · 发表于 2004-2-19 04:34:00

大家好，我是新来的，想请教各位一个问题，飞秒科学到底是怎么回事，它的主要应用是什么

wncspring · 发表于 2004-2-19 12:34:00

飞秒是一时间单位,一飞秒就是 10-15次方秒，也就是1／1000万亿秒，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍。飞秒科学主要是研究飞秒激光的学科。

飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒。是人类目前在实验条件下所能获得的最短脉冲。这是飞秒激光的第一个特点。飞秒激光的第二个特点是具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，比目前全世界发电总功率还要多出百倍。飞秒激光的第三个特点是，它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。
飞秒激光的这些特性是如何实现的呢？高功率飞秒激光系统由四部分组成：振荡器、展宽器、放大器和压缩器。在振荡器内，利用一种特殊技术获得飞秒激光脉冲。展宽器将这个飞秒种子脉冲按不同波长在时间上拉开。放大器使这一展宽的脉冲获得充分能量。压缩器把放大后的不同成分的光谱再会聚到一起，恢复到飞秒宽度，从而形成具有极高瞬时功率的飞秒激光脉冲。
飞秒激光有什么用途呢？众所周知，物质是由分子和原子组成的，但是它们不是静止的，都在快速地运动着，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。基于这些科学上的发现，飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。特别值得提出的是，由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病变早期诊断、医学成象和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。
物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象：气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体。这种等离子体可以辐射出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光，产生β射线激光，产生正负电子对。
高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景。高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。利用飞秒激光能够非常有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火。从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。
过去的十年中，在产生和操纵极短激光脉冲方面的巨大进展己经为阿秒科学的发展铺平了道路。现在，可见或近红外的激光脉冲宽度的发展基本上己经到了极限，一般在两个光周期或5fs左右。要想进一步获得更短的脉仲，就需要采用更短的波长。值得庆幸的是，我们可以用高强度超短激光脉仲聚焦在合适的靶如氖气上，来获得类似激光的X光脉仲。这种用超短激光脉冲来产生更短X光脉仲的机制，是基于高次谐波产生原理。回为任何一个恢复力与位移有关的机械系统，都能在一定的共振频率上形成振荡，一个孤立的原子就是这样的系统，当以核的库仑力作为恢复力时，电于能够形成振荡。当这些电子在强光场作用下偏离平衡位置时，恢复力和外加电场力的相互作用就能使电子引起复杂的运动，其中就包含了频率远高于入射波频率的振荡。在运动中，电于就会辐射出高频电磁波，从而就能在X光波段产生入射激光的高次谐波。
通过采用飞秒激光脉冲产生软X光波段的辐射就有可能获得亚飞秒脉宽的X光脉仲。在这方面，有人产生并测量了脉宽小于驱动激光光周期的X光脉冲。
将轴上峰值强度为9 ×1014W／cm2的750nm、7fs脉冲激光束射入3mm长、200mbar的氖气中，产生一串极紫外和软X光谐波脉冲（14nm波长范围）。然后将此X光与一共线可见光束一起，通过一个锆带通滤光片，产生一个90eV的低发射谐波软X光，同时还有一个环状可见光束。以铝－硅反射镜聚焦和强化此软X光脉仲，对于可见光又会产生延迟。然后以此可见光和X光脉仲共同辐照一氪原子气体靶，产生最终的X光脉冲，持续时间为650士150as[2]。
此外，在阿秒测量的首次演示中，还曾以优于150as的精度追踪到可见光波中的电场振荡。X光抽运探测光谱学的这种分辨力很快就会导致直接研究超快过程，如电离或产生内壳层空穴。
现在，一个新的实验物理领域开始出现，即可以被称作阿秒科学的领域。
超短激光在光合作用方面的应用[3]
光系统Ⅱ（PSⅡ）颗粒复合物包含捕光天线LHCⅡ和核心天线CP43、CP47及反应中心D1－D2Cytb559复合物，在高等植物光合作用中，捕光天线HCⅡ的聚光色素分子高效吸收太阳能，通过辅助外周天线CP29和CP47把光能传递给核心天线CP43和CP47然后再由CP43和CP47分别把激发能传递到反应中心D1－D2Cytb559进行稳定的光化学反应，从.PSⅡ颗粒复合物中提纯出LHCⅡ后剩余的为PSⅡ核心复合物。
采用ICCDps、fs扫描成象光谱仪和飞秒时间分辨泵浦探测光谱仪进行光谱实时测量激发能传递光谱动力学研究，光源采用钛宝石飞秒激光器，输出100fs宽光脉冲，调谐在720nm～850nm倍频输出360nm～425nm基波功率约为300mW。另外还采用氩激光器514nm光锁模，得到100ps宽约500mW的光脉冲，采用信息处理Boxcar系统收集RC31034A光电倍增管输出的信号，进行处理，单色仪是SPEX270M，用于光谱成象扫描，通常样品激励后，有两道探测系统，一路用于光谱成象扫描，另外一路用于单光子计数测量。在进行LHCⅡ激发能传递光谱测量时，其浓度30μg/ml，处于273K。采用功率2mW～3mV的波长400nm～425nm偏振光激励，另外还采用氩离子激光器锁模产生100ps宽的514nm波长的激励光。利用ICCD皮秒扫描成象光谱仪获得的LHCⅡ荧光发射积分谱见图1采用飞秒时间分辨率泵浦探测光谱仪，在650nm～705nm:范围内逐点探测LHCⅡ激发能传递荧光光谱特性，并进行荧光衰减数据处理，见图2颗粒复合物的荧光发射光谱

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