中国科学家实现首例飞秒时间分辨近场光学系统

飞秒（fs）是一种超短时间单位，1fs=10^15s．近年来，随着飞秒脉冲激光技术的发展，飞秒时间分辨光谱技术在纳米材料动力学、化学反应动力学、光合作用等超快过程研究领域得到广泛应用．     

超高速分子摄影术——飞秒泵浦-探测方法在分子超快动力学研究中的应用

飞秒泵浦-探测技术是一种可以在原子运动时间尺度上实时观测化学反应的有力手段.利用飞秒泵浦-探测技术,可以实时观测化学反应过渡态,在分子层次上了解基元化学反应的过程和机理,从而深入地了解化学反应的本质和历程.文章介绍了飞秒泵浦-探测技术的基本原理以及在分子超快动力学研究中的应用,并结合作者所在研究小组的工作,展示了基于该技术的几种典型的飞秒光谱方法在分子超快动力学研究领域的主要成果.最后,展望了该技术的发展前景和方向.     

基于瞬态光栅频率分辨光学开关法测量飞秒脉冲的研究

超宽光谱的飞秒脉冲测量一直是超快激光领域的重要研究方向之一.常规的飞秒脉冲自相关方法是通过测量自相关倍频信号来获得,而倍频信号具有波长选择性,不同中心波长的飞秒脉冲测量需要更换不同的倍频晶体,十分不方便.因此,提出了一种改进型的瞬态光栅频率分辨光学开关(TG-FROG)方法用于测量飞秒脉冲.该方法结合四波混频和频率分辨光学开关方法,其基本过程是将待测脉冲分为三束,其中两束脉冲经过精密的延时控制并聚焦在光学介质上达到时空重合,利用三阶非线性效应产生稳定的瞬态光栅作为开关光;另一束脉冲作为探测光与产生的瞬态光栅进行相互作用产生一个信号光,使用光谱仪对该信号光的光谱与延迟时间进行测量,并通过反演迭代算法处理而获取待测飞秒脉冲的光谱与电场信息.该方法只需要待测光的功率密度达到三阶非线性效应就可以实现测量,因此可以应用于任意中心波长的飞秒脉冲测量.利用该方法对中心波长分别为800 nm, 400 nm的飞秒脉冲,以及超连续亚10 fs的周期量级超宽光谱飞秒脉冲进行了测量,并与常规的干涉自相关仪器测量结果进行了比较,所得测量结果基本一致.实验结果表明,建立的基于TG-FROG方法对不同中心波长,不同脉冲宽度的飞秒脉冲测量是十分有效的.     

噁嗪750激光染料分子在醇类溶剂中超快动力学研究

利用飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱技术,研究了噁嗪750激光染料分子在典型的醇类溶剂中超快动力学过程.实验发现两个超快动力学过程:飞秒量级的快速弛豫过程和皮秒量级的慢速弛豫过程.快速弛豫过程来源于分子内振动能量再分配(IVR)和溶剂分子超快惯性弛豫动力学过程,而慢速弛豫过程对应于溶剂化的扩散分子弛豫动力学过程.实验结果表明慢速弛豫过程的时间常数随醇溶剂分子间氢键键能的增强而增大.     

极紫外飞秒光学频率梳的产生与研究进展

飞秒光学频率梳对光学频率精密测量和超快科学的发展起到了至关重要的作用,而将其拓展至极紫外波段,即可作为阿秒脉冲、紫外非线性光学、电子跃迁光谱探测以及量子电动力学等研究的有力工具.极紫外飞秒光学频率梳需要通过高重复频率、高峰值功率的飞秒激光驱动高次谐波间接产生.本文从极紫外飞秒光学频率梳的产生原理出发,首先对其驱动源参数要求以及获取方式进行了介绍,分别对比了啁啾脉冲放大技术、光参量啁啾脉冲放大技术、光纤放大技术和飞秒共振增强放大技术用于驱动极紫外飞秒光学频率梳产生的优缺点及适用性.其次,针对共线和非共线产生高次谐波的两种方式,详细阐述了国际上常用的几种极紫外飞秒光学频率梳的耦合输出方法.最后,从基于飞秒共振增强腔、光参量啁啾脉冲放大器和由振荡器直接产生的极紫外飞秒光学频率梳三个角度出发,对其研究进展进行了综述,并对目前尚待优化的问题进行了总结.     

高等植物外周捕光天线LHCⅡ中的超快光动力学过程

利用飞秒抽运探测技术及时间分辨荧光(TRPL)等光谱技术对高等植物LHCⅡ中的超快光动力学过程进行了研究。在其时间分辨荧光光谱中表现出了明显的各向异性特性。实验上观察了LHCⅡ中色素间的能量传递过程,由飞秒动力学发现,单体内Chlb到邻近的Chla之间的能量传递在200～300fs的时间尺度,Chla激子带间的能量弛豫发生在几百飞秒,不同单体Chla分子间能量分布过程在几个皮秒。而时间分辨荧光和飞秒动力学过程中上百皮秒的慢过程归属于不同聚集体间的能量平衡过程或分子构象变化。     

强飞秒激光烧蚀石英玻璃的超快时间分辨光学诊断

采用超快时间分辨的光学诊断技术对飞秒激光脉冲烧蚀石英玻璃的动态过程进行了实验研究.首先,对烧蚀过程中石英玻璃外部的物质喷射进行了数字全息记录,获得了不同延迟时间下探测光的二维相位差分布图,并由此推断出了喷射物的成分和结构.此外,对石英玻璃内部的现象进行了时间分辨阴影图记录,从阴影图中观察到了石英玻璃内部的两个应力波的演化过程.这两个应力波与目标靶外部的两次物质喷射相关. 关键词： 脉冲数字全息 飞秒激光烧蚀 超快时间分辨 应力波     

基于光纤中超短脉冲非线性传输机理与特定光谱选择技术的多波长飞秒激光的产生

高集成、高可靠性宽调谐飞秒激光源在超快光谱学、量子光学及生物成像等研究与应用领域具有重要价值.如在生物多光子显微成像中,具有适中能量的宽调谐飞秒激光源不仅可满足多种生物组织荧光激发所需的峰值功率与激发波长,而且也可以显著提升非线性荧光产生效率、成像分辨率以及增大成像穿透深度.采用自主研发的高可靠性全保偏光纤飞秒激光器作为抽运源,基于低色散光纤中高峰值功率飞秒激光脉冲非线性传输引起的光谱加宽机制,本文开展了多波长全光纤飞秒激光产生技术研究.通过采用中心波长在980, 1000,1050, 1070与1100 nm的带通滤波片选择性地对单模光纤输出光谱中最左边与最右边光谱旁瓣进行滤波,在上述中心波长处分别可获得203, 195, 196, 187与194 fs的激光输出.本文提出的基于全光纤飞秒激光脉冲在单模光纤中非线性传输引起的光谱加宽机制与特定光谱选择技术的实验方案为高集成、高可靠性宽调谐飞秒激光源的实现提供了新的研究途径.     

非线性克尔效应对飞秒激光偏振的超快调制

研究了近红外飞秒激光的偏振在太赫兹频率的超快调制.利用抽运-探测光谱技术,通过改变两个脉冲之间的延迟时间可以控制光脉冲的旋转角.在Li：NaTb（WO₄）₂磁光晶体中观察到探测光的偏振随延迟时间变化的高速振荡,振荡信号的中心频率为0.19 THz.这种超快偏振调制现象可以解释为,抽运-探测实验构置中,前向传播的抽运光诱导的光学克尔非线性引起被晶体远端表面所反射的背向传播的探测光脉冲偏振面的额外旋转.通过改变抽运光的圆偏振旋性可以控制探测光调制信号的相位和振幅.实验结果表明,非线性光学克尔效应可以作为一种全新的手段,在磁光晶体中实现近红外飞秒激光以太赫兹频率的超快偏振调控.这将在超快磁光调制器等全光器件中得以应用.实验结果将有助于偏振依赖的超快动力学过程的研究.     

利用圆锥辐射优化飞秒荧光光谱的光学参量放大

基于非共线光学参量放大的飞秒时间分辨荧光光谱技术是一种新的超快光谱研究方法.文章研究了荧光放大的参量过程.超连续的种子光其瞬时光强可以被线性放大.由于系统高达107的放大能力,泵浦脉冲能量的微小不稳定性在最终放大输出信号中将产生很大起伏.提出了一种利用圆锥辐射作为参考消除此干扰的方法.研究表明,探测的荧光动力学曲线有显著改善.     

飞秒激光脉冲整形技术及其应用

通过频域上控制飞秒激光脉冲幅度、相位和偏振在时域上可以获得几乎任意形状的飞秒激光脉冲,这种飞秒激光脉冲整形技术可为研究光与原子分子非线性相互作用提供一种全新实验技术手段.本文介绍飞秒激光脉冲整形发展历史、技术方法、控制方式及其相关应用,并展望飞秒激光脉冲整形技术未来的发展方向.     

Numerical modeling and theoretical analysis of femtosecond laser tweezers

Optical trapping (also called optical tweezers) is a widespread technique, with a large number of applications in biology and other fields. Taking femtosecond laser pulses as a sampling of CW light, we theoretically demonstrate the feasibility of femtosecond laser tweezers and present the formulae of the induced forces which femtosecond laser pulses exert on micrometer-sized spheres. We also demonstrate the stability condition for femtosecond laser tweezers. As an example, we present the numerical results for a sphere with a radius of 10 mm.     

Nonlinear discrete optics in femtosecond laser-written photonic lattices

In recent years, photonic lattices fabricated by the femtosecond laser direct writing technique in fused silica have emerged as the tool of choice for the experimental investigation of light propagation in discrete optical systems with Kerr nonlinearity. In this article, we review the recent results of our research conducted in this field and present our latest findings on the reflection of transversely propagating light at kinks in planar photonic lattices with detuned pivotal site.     

飞秒激光剥蚀电感耦合等离子体质谱在地球科学中的应用进展

激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)是原位微区元素含量和同位素比值分析测试的主流技术, 已被广泛应用于地球科学等相关领域。飞秒激光剥蚀系统由于其极短的激光脉宽大大降低甚至消除了传统纳秒激光剥蚀产生的热效应导致的元素分馏问题,在非基体匹配分析等方面显示出巨大发展潜力,已成为当前LA-ICP-MS技术的一个新的发展趋势和研究热点。介绍了飞秒激光剥蚀系统的基本特征(飞秒激光及产生原理、当前商用飞秒激光器种类),重点阐述了飞秒激光剥蚀地球科学样品的机理(样品对激光能量的吸收方式、气溶胶的产生和粒度分布特征、剥蚀坑的形貌特征等),评述了飞秒激光剥蚀在改善分析性能方面的独特优势,最后总结了近十几年来它在地球科学样品元素含量和同位素比值分析中的实际应用,并展望了该技术的应用前景。     

不同波长飞秒脉冲的相位测量

飞秒脉冲技术的不断发展能够较方便地产生不同波段和结构特性的飞秒脉冲. 对已有的改进型零附加相位光谱相位相干电场重构系统进行优化整合,使之胜任不同特性飞秒脉冲的测量. 利用该系统测量了两台飞秒激光系统输出不同波长的脉冲及其通过厚度为80 mm的BK7玻璃块而得到的啁啾脉冲. 实验结果表明,该系统的适用范围较宽. 关键词： 光谱相位相干直接电场重构法 飞秒脉冲测量 波长     

飞秒光纤激光相干合成技术最新进展

飞秒光纤激光器具有平均功率高、散热性能佳、光束质量好和空间体积小等优势,在基础研究、工业加工、生物医疗等方面得到越来越广泛的应用.相干合成技术能够有效克服光纤中有害的非线性效应和热效应的影响,进一步提高飞秒光纤激光器输出的脉冲能量和平均功率.本文介绍高功率飞秒光纤激光器相干合成的基本技术路线,重点阐述相干合成技术中关于填充孔径相干合成与平铺孔径相干合成的最新研究进展,并详细介绍相干合成技术中不同类型主动相位锁定技术的基本原理.相信在不远的将来,飞秒光纤激光相干合成系统的单脉冲能量和平均功率将不断攀升,从而开创许多崭新的研究领域.     

Control of interaction between femtosecond dark solitons in inhomogeneous optical fibers

In this paper, we present exact femtosecond one- and two-dark soliton solutions for a variable-coefficient higher-order nonlinear Schrödinger equation via modified Hirota method. The propagation and interaction of femtosecond dark solitons are investigated in inhomogeneous fiber systems. Elastic collision, bound oscillation and parallel propagation can be achieved in both Gaussian distributed parameter system and exponentially periodic distributed parameter system by choosing the appropriate distributed parameters and soliton parameters. The results may be beneficial to the realization of interaction control of femtosecond dark solitons in communication systems.     

强光场下非共振双光子跃迁相干控制

利用飞秒激光脉冲相位整形技术,从理论和实验两方面,对强激光场下分子体系苝溶液中非共振双光子跃迁的相干控制进行了研究。通过对飞秒激光脉冲进行相位扫描和余弦相位调制,发现分子体系中非共振双光子的跃迁几率能够被削弱,但不能完全消除。分子体系中非共振双光子跃迁的相干控制受到激光光场的形状和分子吸收谱谱宽的影响;与原子体系相比,分子体系中非共振双光子跃迁相干控制的调制效率降低。     

PPLN晶体差频测量飞秒激光脉冲的载波包络相移

在飞秒激光频率梳系统中，通常采用自参考技术测量飞秒激光脉冲的载波包络相移，但该技术需要采用光子晶体光纤进行光谱扩展从而增加了系统的不稳定性，这种技术已经制约了高稳定度的飞秒激光频率梳的发展.采用PPLN晶体差频法测量了宽谱钛宝石振荡器输出的7fs激光脉冲的载波包络频移，得到了大于30dB的拍频信号，为研制无光纤的新一代高稳定度光学频率梳奠定了基础.     

Stretched pulse Yb(3+)silica fiber laser

We report what we believe to be the first results on short-pulse generation in Yb(3+) :silica fiber. By applying the stretched pulse technique in a unidirectional, polarization-switch Yb(3+) fiber laser incorporating a prism-based dispersive delay line, we obtain self-start mode locking and 100-pJ pulses that can be compressed to give clean chirp-free <100-fs pulses. We believe such sources to have great potential for use not only in all-solid-state, high-power femtosecond pulse systems based on Yb(3+) :silica glass but also as seeds for conventional Nd(3+) :glass amplifier chains.