光脉冲是光的闪烁,特别是非常短的光脉冲通常由激光器(激光脉冲)产生,并以高度定向的辐射形式传递,即激光束。
由于光频率极高,当光的带宽跨越平均频率的显著部分时,光脉冲可以非常短暂(超短)。例如,具有300 THz中心频率(相当于1 μm波长)的高斯脉冲可以很容易地具有30 THz的带宽,这已经对应于约15飞秒的脉冲持续时间,如果脉冲是变换极限的话。
直接由激光器(被动模锁钛宝石激光器)产生的最短光脉冲持续时间约为5飞秒,仅对应于几个光周期(几个周期的脉冲)。应用于类似脉冲的脉冲压缩技术可以实现非常少飞秒的脉冲持续时间,而高次谐波产生甚至可以产生阿秒脉冲。另一方面,许多具有商业重要性的激光源(特别是Q开关激光器)产生纳秒脉冲(通常具有可观的脉冲能量),被认为是短脉冲但不是超短脉冲。纳秒脉冲(来自纳秒激光器)在激光材料加工等许多重要应用中也有很多重要作用。
根据所需的脉冲持续时间、脉冲能量和脉冲重复率,使用不同的脉冲产生、脉冲压缩和脉冲表征方法,总体上覆盖了极其广泛的参数范围。
一、高峰值功率和强度
由于脉冲持续时间短且具有强聚焦的潜力,即使在脉冲能量适中的情况下,光脉冲也可以用于产生极高的光强度。例如,仅具有10毫焦耳能量的10飞秒脉冲具有约1 TW(1千兆瓦)的峰值功率,相当于大约1000个大型核电站的总功率。这种功率可以轻松聚焦到直径仅为几微米的点上。因此,放大的超短脉冲对于高强度物理学非常重要,用于研究诸如多光子电离、高次谐波产生或产生阿秒持续时间的更短脉冲等现象。
二、光脉冲的表征
有各种方法可用于测量或在其他方面表征脉冲的持续时间。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,因为电子技术对于此类目的太慢了。
三、单发或重复脉冲产生
纳秒脉冲持续时间范围内的短激光脉冲典型地以单发模式(按需脉冲,脉冲之间有长且可能不规则的间隔)或重复模式生成,其脉冲重复率通常在千赫兹范围内。相比之下,超短脉冲(即持续时间在皮秒或飞秒范围内)通常以高重复频率的脉冲列形式生成,重复频率可以达到许多兆赫或甚至许多千兆赫。
四、脉冲串
在某些情况下,激光源不会产生周期性的脉冲序列,而是周期性的脉冲串序列,其中每个脉冲串由一些数量的短或超短脉冲组成。在较大的脉冲串中,可以具有高的脉冲重复率,例如兆赫或千兆赫范围内,而脉冲串的重复率可以更低,例如千赫兹范围甚至更低。
五、脉冲传播
媒介中的脉冲传播具有许多有趣的方面。透明介质中脉冲的峰值以群速度而不是相速度传播。色散可以导致脉冲的时间展宽(有时也可压缩)。对于高峰值强度,光非线性可以强烈影响脉冲传播;通常它们会导致脉冲展宽,但也有可能发生强非线性压缩。
除了实验测试外,还可以使用各种数值模拟方法研究脉冲传播的细节。在某些情况下,例如在单模光纤中的脉冲传播或具有固定高斯光束轮廓的自由空间传播中,可以忽略横向空间维度,仅考虑每个位置的复振幅随时间或频率的变化。研究完整的时空脉冲演化需要更复杂的数值模型。
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