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超短脉冲

脉宽为皮秒或者更短的光脉冲为超短脉冲。在光学中,光的超短脉冲是指延续时间在飞秒(10负15次方秒)数量级或更短的电磁脉冲。

在光学中,光的超短脉冲是指延续时间在飞秒(10负15次方秒)数量级或更短的电磁脉冲。Ahmed H. Zewall 利用超短脉冲观察化学反应,开辟了飞秒化学而获得1999年的化学诺贝尔奖。

这样的脉冲有宽带(broadband)的光谱。可用锁模(mode-locked)振荡产生。它们通常用在超快事件研究中。超短脉冲的放大常要求 chirped脉冲放大;避免损伤放大器的放大介质(gain medium)。

这些脉冲用高峰强度(较正确地说,辐照度)来表征。它一般导致在物质内的非线性相互作用,包括空气。非线性光学研究这些过程。

在专业文献中,“超短”系指飞秒到微微秒范围。虽然这样的脉冲不保持人工产生脉冲的最短记录;但X光脉冲的阿秒延续时间已有记录。

锁模激光器,特别是被动锁模的锁模激光器,产生的光脉冲可以是非常短的。对于“超短”的范围并没有严格的定义,但一般来说超短脉冲的脉宽最多也就数十皮秒,大多数情况下,其脉宽为飞秒量级。

需要注意的是与超短脉冲经常出现的一个概念为“超快”(ultrafast),事实上超短脉冲并没有比更长的脉冲具有更快的速度,只是超短脉冲通常可以用来研究超快过程(参阅超快光学),也可以用于高速光学数据传输。后者的高速指的是高传输速率,而不是高传输速度。

超短脉冲通常通过被动锁模激光器产生,但有时也利用光参量放大器(可能是使用超连续进行输入)或自由电子激光器。有时也可以利用更长的脉冲进行脉冲压缩得到超短脉冲。超快激光器一文列出了超短脉冲产生的方法和特征,其中包括仅有几个光学周期的脉冲产生。

超短脉冲通常是以激光束的形式产生的。本质上来说,它们可以被集中到很小的光斑,但是多种限制因素在超短脉冲尤其是几个周期的脉冲时产生很大的影响。例如,这种脉冲的超宽的光学带宽会导致透镜材料的色散产生很大问题,从而导致了聚焦时的色差问题,这种问题需要进行特殊校正技术进行解决。这还会导致复杂的时空问题,使得聚焦的脉冲脉宽比聚焦前的脉宽大。针对这种扭曲的措施包括使用反射或衍射(而不是折射)的光学设计以及各种像差的仔细补偿,如使用合适的镜头组合 [1]

超短脉冲在介质中的传播会引起一系列有趣的现象,在涉及到光学非线性时尤为明显。这些现象可以用模拟脉冲传播的方法进行研究。相关的物理效应包括色散,克尔效应,拉曼散射,增益饱和等等。

有多种方法用于脉冲基本参数的测量来进行脉冲的表征,不仅仅包括基本的参数如脉冲脉宽,还有是“完整”表征如整个时域上的电场和谱相位。这些结果可以以各种方式,例如时间上或频域上的函数以及光谱图。


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