激光等离子体系列实验课讲义 -...
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激光等离子体系列实验课讲义 （学生用书） 2013 年 5 月
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激光等离子体系列实验课讲义（学生用书）
2013 年 5 月
课程简介
超短超强激光与物质相互作用是一个内涵十分丰富的研究前沿，对于受控核
聚变、激光等离子体粒子加速、新型超短射线源产生、超快动力学过程探测、新
型光电器件设计等诸多研究和应用领域提供了强有力的支撑基础，是国际上前沿
研究重点之一。
此系列实验面向等离子体物理、光学、光学工程和凝聚态物理的学生，不但
可以巩固和加深学生所学习过的光学、非线性光学、激光原理、原子物理、电动
力学、固体物理、等离子体物理等课程；而且让学生通过实验学会将课本的理论
知识转化成实际的实验设计和操作；同时，通过对各门课程进行系统性的提取和
综合，学生可以学会对不同的课程融会和贯通，培养系统性地运用各类知识点进
行全面思考的能力。此外，通过本实验，还可以让学生从课本上基础的理论知识
顺利过渡到激光等离子体物理、超快科学、激光光谱学等研究前沿，为将来的进
一步发展打好基础。
“激光等离子体”系列实验的建设背景和思路可总结为：
1）与物理系新设置的激光等离子体相关专业配套；
2）与非线性光学、凝聚态物理等专业相互补充；
3）衔接超快科学、高能量密度物理等科研前沿；
4）培养学生综合应用能力（理论与实践相结合、各专业课知识融会贯
通）。
为此我们开设了“激光等离子体”系列实验课程，其中系列实验一是飞秒时
间分辨探测技术的基本实验，通过对超快热反射率的测量，了解飞秒泵浦-探测技
术的基本原理，为超高时间分辨的研究打下基础；系列实验二通过飞秒激光脉冲
与空气相互作用，观测和理解飞秒激光空气成丝这一典型的激光等离子体现象，
在选做实验中，将通过超快光阴影成像方法探测超短超强激光与靶相互作用后激
光等离子体的形成和演化过程，并为以后的高能量密度物理实验和科研工作奠定
基础。
1
目录
课程简介 ................................................................................................................. 0
目录 ......................................................................................................................... 1
前言 ......................................................................................................................... 3
第一章 绪论 ..................................................................................................... 4
1.1. 教学大纲 ................................................................................................. 4
1.1.1. 课程基本信息 ................................................................................. 4
1.1.2. 课程考核与成绩评定 ..................................................................... 5
1.2. 实验流程安排 ......................................................................................... 6
1.2.1. 激光安全考核 ................................................................................. 7
1.2.2. 实验预约 ......................................................................................... 7
1.2.3. 实验研究 ......................................................................................... 7
1.2.4. 实验记录 ......................................................................................... 9
1.2.5. 讨论课 ........................................................................................... 10
1.3. 如何准备实验 ....................................................................................... 11
1.4. 实验基本注意事项 ............................................................................... 12
1.5. 课程论文 ............................................................................................... 13
1.6. 文献调研 ............................................................................................... 15
1.7. 其他 ....................................................................................................... 16
1.7.1. 配套课程 ....................................................................................... 16
1.7.2. 实验精度要求 ............................................................................... 16
1.7.3. 团队合作与分工 ........................................................................... 16
第二章 实验室安全 ....................................................................................... 18
2.1. 激光安全 ................................................................................................... 18
2.1.1. 激光安全防护知识 ............................................................................ 18
2.1.2. 其他辐射安全防护 ............................................................................ 19
2.1.3. 激光安全考核自测题 ........................................................................ 19
2.1.4 激光安全思考题 ................................................................................. 23
2.2. 用电安全 ................................................................................................... 23
第三章 飞秒激光实验室基本常识................................................................ 25
3.1. 公用仪器设备与元器件 ........................................................................... 25
2
3.2. 光路调节 ................................................................................................... 29
3.3. 清洁和存放光学元件 ............................................................................... 34
第四章 激光等离子体基础知识 ................................................................... 43
4.1.飞秒激光 ..................................................................................................... 43
4.2. 等离子体 ................................................................................................... 43
4.3. 激光等离子体及其探测 ........................................................................... 44
4.4. 超快科学 ................................................................................................... 46
4.5. 参考文献 ................................................................................................... 48
第五章 系列实验一：超快热反射率研究 .................................................... 51
5.1. 飞秒激光与金属相互作用 ....................................................................... 51
5.2. 泵浦探测技术 ........................................................................................... 52
5.3. 实验内容 ................................................................................................... 54
5.4. 实验仪器 ................................................................................................... 56
5.5. 实验讨论 ................................................................................................... 58
5.6. 实验安排 ................................................................................................... 60
5.7. 选做实验 ................................................................................................... 60
5.7.1. 选做实验一：信噪比实验................................................................. 60
5.7.2. 选做实验二：金薄膜的超快动力学研究 ......................................... 62
5.8.参考文献 ..................................................................................................... 64
第六章 系列实验二：飞秒激光空气成丝 .................................................... 65
6.1. 飞秒激光空气成丝现象 ........................................................................... 65
6.2. 实验内容 ................................................................................................... 68
6.3. 实验仪器 ................................................................................................... 71
6.4. 实验讨论 ................................................................................................... 72
6.5.实验安排 ................................................................................................... 73
6.6. 参考文献 ................................................................................................... 74
附录一 激光等离子体实验课成绩自评表 .................................................... 75
附录二 激光等离子体实验室超净室管理规定 .................................................. 79
3
前言
物理系的基础物理实验，因涉及到全校理工科本科学生的教学，其建设一直
走在所有实验课程的前列，已成为国家级物理实验教学示范中心。但近 10 年来
物理系的专业实验教学基本没有得到投入，其发展基本上处于停滞状态，与当前
培养创新性研究型的人才培养要求严重不协调。2012 年以前物理系开设的专业实
验有 9 个，主要涉及光学与光学工程和凝聚态物理领域，关于天体与粒子物理专
业实验和等离子体专业实验仍是空白，这与物理学的主流领域和物理系的发展严
重不协调。
对比兄弟学校，中国科技大学物理专业实验设备齐全，实验内容几乎涵盖了
物理学主要领域，包括凝聚态物理、光学、核与粒子物理及等离子体物理等，可
开实验达 30 个以上。与其相比，我校物理专业实验规模较小，基础较为薄弱，
实验内容集中在光学与凝聚态物理领域，在内容体系和实验数量上都存在较大差
距。
同时，过去我校物理专业实验主要为单一性、重复性和验证性实验。由于实
验讲义对每个实验的实验目的、内容、步骤、数据获取与处理一应俱全, 并且教
师对实验步骤进行详细讲解，学生处于比较被动学习状态，学生在实验的过程中
经常是照着讲义一步一步做，不用独立思考，压抑了学生的个性发展和学习的积
极性，束缚了学生创新能力的发挥。
由于上述原因，物理系决定逐步淘汰一些单一性、重复性、验证性实验，新
建一些具有综合性、设计性、研究性、内容具有代表性的特色专业实验。要求基
于原有的和近几年组建的科研团队或课题组的人才队伍，特别是依据一些一流科
研平台和 新研究成果，提炼转化开发出适合本科生的专业实验；新开发实验内
容既体现物理概念的理解与物理规律的探索，有体现物理学前沿热点的发展动
态；同时具有可持续性、可操作性、安全性和高效性。
基于上述考虑，物理系激光等离子体教育部重点实验室决定开设本系列激光
等离子体实验 (Experiments of Laser Plasmas, ELP) ，从 2012 年秋季开始作为研
究型系列物理专业实验的一部分。
课程主要由激光安全知识、超快热反射率的测量（系列实验一）和飞秒激光
空气成丝（系列实验二）等三部分组成。其中实验一及实验二都是典型的研究型
实验，其原理（如飞秒泵浦-探测技术、超快热反射率、超快光阴影成像等）和设
备（如飞秒激光器、锁相放大器、高精度电动平移台、平衡探测器等）当前仍应
用于国际上的前沿热点研究；对于一二年级的研究生来说，他们也需要一两个月
的时间才能搭好类似的装置并完成研究性实验。为了避免因为学时数不够而再次
转变成“单一性、重复性和验证性实验”，我们在实验课程的设置中加入了新的
设计元素，尽可能地让同学们自己提出研究的内容（如不同的样品）、研究的方
案（如光路的设计、光丝长度的测量）、研究的手段（如平移台的电动控制、阴
影图的数据处理、能量的可变调节、信噪比的提高），面对未知的实验结果
(open-ended experiment)，自己动手查阅资料文献，组建研究团队，主持或参与讨
论，撰写合格的课程论文。
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第一章 绪论
激光等离子体涉及许多领域。作为与前沿研究密切结合的研究型实验课程，
我们选择了激光等离子体实验室稍为擅长的、反映基本原理的实验作为切入点，
并着重于飞秒激光的应用，即超快技术在激光等离子体探测中的应用。与自然科
学的其他分支类似，理论来源于对于实验现象的认知和验证，而这门课程就着重
于获得这些实验现象的“实验技术”和相应的原理。
我们假设选择这门课程的同学都是出于兴趣和对科研的求知态度，是希望通
过这门课提高自己动手和动脑能力的。如果你不是这么想的，应及时向主讲或助
教提出。
我们鼓励同学们通过这门实验课，体会并逐渐走上自主独立的求学和研究之
路。刚开始，同学们或许没有足够的时间和经验去设计安排实验的步骤和元件。
同时，同学们也不能像研究生们那样采用反复试验(trial-and-error)的方式来提高实
验技能和获取 佳实验数据。为了让同学们充分利用有限的实验时间，我们尽量
提供实验仪器、基本原理等的描述，但是大部分是以文献、说明书的形式出现
的，它们会被放在课程网站上，供有心的同学们下载阅读。我们不再提供具体详
尽的实验步骤，相反，我们将和每一组实验的同学在实验前单独讨论如何进行实
验。我们希望同学们牢记理解“为什么这样做”的重要性。对于有一定实验经验
的同学，可以选择更有挑战性的实验，因此我们安排了额外的自选实验（比如改
变样品、改变实验条件、甚至改变探测手段和实验方法）。
1.1. 教学大纲
1.1.1. 课程基本信息
课程网站：http://llp.sjtu.edu.cn/courses/elp
课程负责人（主讲）：陈洁（[email protected]）
2012 年助教：李鲁宁（实验一）、张喆林（实验二）
2013 年助教：江舟亚（实验一）、张喆林（实验二）
实验准备辅助：李鲁宁、傅费超、陈龙、李润泽、张喆林、江舟亚
实验室：专业物理楼 212 房间
休息室：专业物理楼 219 房间
激光室：专业物理楼 215 房间（非请勿入！）
开放时间：以小组为单位提前预约开放（详见”1.2. 实验流程安排”）
课程通知：见课程网站主页”通知公告”栏
5
1.1.2. 课程考核与成绩评定
评分由以下几部分组成：
项目 比例 相应章节
激光安全考核
5%
（一票否决，考核三次不通过，
该门实验为 0 分）
1.2.1.
2.1.3.
实验记录本评分 50% 1.2.4.
课程论文的个人贡献 20% 1.5.
平时实验的参与情况 20%
实验老师的平时印象分 5%
详细评定方法，请参考“附录一”。
以下行为，第一次发现后予以警告，第二次发现后成绩自动归零：
课程论文抄袭
伪造数据
剽窃或抄袭他人数据
不注明引文者
表 1‐1 课程考核与成绩评定
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1.2. 实验流程安排
图 1‐1 实验流程安排图
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1.2.1. 激光安全考核
主讲或助教发邮件给全体同学说明课程开放。
每位同学上网自学激光安全知识，必须仔细阅读激光安全的相关内
容：http://llp.sjtu.edu.cn/courses/elp/?page_id=23
每位同学将激光安全自测题（2.1.3.）的答案以 word 文件的形式发给
助教。
激光安全考核通过后方可参加实验。
1.2.2. 实验预约
实验预约请按以下流程进行：
主讲或助教发邮件给全体同学说明可以开始组队，并为每位同学设
置课程网站帐号（网名为姓名的拼音，无空格；初始密码为学号，
公布后请及时修改），以下工作以小组为单位。
自由组队：3-4 人为一组，选一人为组长，设置组名（取一个有特色
的、简洁的组名）；组员应有一定的特长（如实验设计、动手、组
织、写作、演讲交流能力强等等）。说明：未成功组队的同学应及
时联系助教安排组队。
开放预约：可预约的时间可以在课程网站”Calendar”栏下查看：
http://llp.sjtu.edu.cn/courses/elp/?page_id=20
实验预约：各组协调时间确认后，组长在网站”Calendar”栏下按照
格式发表回复进行预约。助教或主讲确认预约成功后，组长应将预
约成功的时间地点电邮各组员，并抄送主讲与助教，完成实验预
约。网站 Calendar 页面会显示某某小组预约成功的字样。
组长联系助教领取实验记录本（作为”绿色”实验，实验内容全部
上网，不再发放纸质版实验讲义）。
实验时间说明：
每个实验学时数为 18 学时，实际可能使用的时间要根据各组的实际
情况。每个实验分两次，第一次实验内容为“安全培训与实验讨
论”（4-5 小时），第二次实验内容为“正式实验”（7-8 小时），
二者顺序不得颠倒。
如果希望完成额外的选做实验，应与助教商量进行预约。
如果遇到仪器故障等不可抗拒的原因，我们将想办法修复，如实验
当日仪器无法修复，需重新进行实验预约，请同学们谅解。
1.2.3. 实验研究
1. 基本要求：
实验前必须到物理楼 219 房间先登记，与助教同时进入实验室；
实验结束必须经助教认可签名，方可离开实验室；
遵守实验室的安全规范，特别注意激光安全，严格遵照助教的安排。
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2. 实验登记本：登记本放置在物理楼 219 房间。
1） 登记本由学生填写部分
组名 – 3-4 人为一组，选一人为组长
学号 – 学生的学号
姓名 – 学生的名字
手机 – 学生的联系方式，事后有什么情况便于联系
专业 – 学生所属专业
预约时间 – 预约做实验的日期和时间
实验时间 – 实际开始至结束的日期和时间
实验名称 – 做实验的内容
2） 登记本由主讲或助教填写部分
主讲或助教检查备注 – 主讲或助教应当按实验室检查规范，检查
后签字。如果发现问题，应当填写好原因和处罚方式。
3. 实验安排：
1）首次实验前：各小组自行组织讨论（也可和助教讨论），查阅文献（可
参考 1.6.），并到实验室实地参观。各组员在自己的实验记录本上写下自己的看
法、见解、感受。在组长的实验记录本上写好预习报告#1（如何准备实验，可参
考 1.3.）：
简要说明本实验的基本思想和采用的实验方法和主要仪器
画出实验装置方框图（包括光路图）
列出预计要使用到的元件（包括光学元件及其他）
列出本组要做的基本实验内容
列出本组具体的实验步骤（包括实验条件，如光强、焦距等）
2）首次实验：进实验室后，主讲或助教检查后签字。实验中，各组员在自
己实验记录本上详细记录（如何做好实验，可参考实验注意事项章节）：
实验条件
实验步骤
观察到的实验现象
经测量获得的实验数据
出实验室前，请主讲或助教对实验记录查看后签字。
3）首次实验后，二次实验前：各小组自行组织讨论，也可和助教讨论，总
结实验中遇到的问题和拟实施的解决方法，缺少的元件（并请助教准备）。各组
员在自己的实验记录本上写下自己的看法、见解、感受。在组长的实验记录本上
写好预习报告#2：
简要总结首次实验的得失
列出预计要使用到需要补充的元件（包括光学元件及其他）
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列出该日本组要做的基本实验内容
列出本组优化后的实验步骤（包括实验条件）
反复以上两步直至完成实验。
1.2.4. 实验记录
尽管我们的实验是设计为以 3-4 人为单位的小组实验，但是我们要求每位同
学都有自己的实验记录本。在一个研究型实验室，实验记录本是属于研究室的财
产，关系到研究小组的可持续性发展。实验记录既是给自己，也是给他人看的。
实验记录本将用于记录以下内容：
个人的预习报告#1（包括实验目的、原理、草图、所用的仪器及其使用
说明、实验条件、参数、注意事项、参考文献等等）；
每次实验记录（包括与预习时不同之处、实际用到的仪器、实验现象、
实验数据、疑问、挫折、经验总结等等）；
实验的每次讨论记录（包括对你 有意义的讨论，你的思考、看法、见
解、感受等等）；
组长的记录本上应有额外的预习报告#1 以及#2（包括实验修改、新增元
件、选做实验内容等等）；
课程论文撰写的每次讨论记录（包括数据分析、误差分析、你的观点、
经过讨论后你认为正确的观点等等）；
课程论文的未尽事宜（包括你的保留观点、你对实验的建议和意见等
等）。
对实验记录本的要求如下：
实验记录本应有目录页和页码，收到记录本的第一天编辑好页码；每次
记录，必须写清记录日期；如果是讨论，写清参与的人；每次结束前在
目录页标注。
每次离开实验室前，应请主讲或助教对实验记录本查看后签字。
把所有和实验相关的内容写在实验记录本上，包括结论、运算过程等
等，不允许记录在一张分离的纸张上面。打印的实验数据/图可以订在相
应的记录页上。因此实验记录本可写得宽松一些，预留一段空间，让随
后有感想的你在相应的位置增加批注，批注也要注明日期。
记录用钢笔、水笔或圆珠笔，不可用铅笔（注：Cotton Paper 建议用铅
笔记录，可长时间保留）；如有错误，一条横线划去后在旁边更正，不
允许使用涂改液，不允许涂改记录（保持修改前后的内容都是他人可以
辨认的， 好说明你修改的理由）。
实验记录本不求工整，甚至可以当草稿本来做演算，但所有记录必须清
晰。
实验记录本绝对不允许抄袭。
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实验记录本的内容（不是实验结论或小论文）将占到个人 终成绩的
50%。因此请让我们看到你为进行这个实验所做出的努力，特别是你思
想的火花。
实验记录的相关内容还可以参考：
http://phylab.fudan.edu.cn/doku.php?id=course:modern:labbook
以上已经用很大的篇幅谈到实验记录本的内容和要求，可以看出我们对实验
记录本的重视。这里着重谈一下将来自己参加科研工作，其他一些数据记录的小
技巧:
在实验记录本的封面上写上记录本的标题、记录的起止时间、你的
名字、联系方式。如果有多本记录本，写上记录本编号。
记录的原则是：把所有数据都记在本子上。
及时整理数据记录本：把你认为重要的部分，换种颜色的笔框出
来，在目录页特别注明。
要不要留空白页的问题：学生实验是不允许留空白页的；但是实际
研究中，往往实验后有很多感悟，实验分析的过程甚至比实验数据
本身长得多，这时同一页的空白页就派上了用场，保持了数据和分
析的完整性；对于一个连续实验，观测多天的结果，要和过去的结
果进行比较，这时空白页就提供了一个相互比较的空间。
1.2.5. 讨论课
实验课程期间将组织不少于三次的集体讨论课，由课程老师主持。
第一次讨论课：在第一次实验课之前；介绍实验安排、内容和注意事项等。
第二次讨论课：在第二次实验课之后；介绍论文的撰写规范和注意事项，对
论文讨论部分进行指导。
第三次讨论课：在实验课程论文初稿完成之后；针对初稿中存在的问题提出
相应的修改意见。
除了以上三次必要的讨论课之外，同学们还应组织额外的小组讨论，多于三
次的小组讨论记录会有相应的奖励加分。
小组讨论至少包括：
实验前小组讨论：各小组成员在实验课正式上课之前进行一次小组讨论。讨
论内容是小组成员分工确定，选出一名小组长负责。此外还有实验内容的预习情
况，包括实验讲义上的基础内容，基本原理和预习思考题。本次讨论应记录在实
验记录本上面，作为实验预习报告，在实验课开始前交予助教核查。
第二次实验课前小组讨论：本讨论在第一次实验课之后与第二次实验课之前
进行，讨论的内容是第一次课遗留的思考题和第二次实验课的实验方案，同样需
要记录在实验记录本上交由助教核查。
课程论文撰写小组讨论：论文初稿和论文终稿的撰写都应组织小组讨论。
讨论中间如有疑问可以咨询助教和老师。
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1.3. 如何准备实验
为物理系高年级本科生开设的专业实验系列是各位同学接触科研前沿的窗
口，是各位同学第一次有机会独立地进行前沿科研实验。实验中所使用的各类器
材设备均与前沿科研活动的设备一致，因此希望同学们在进行实验之前做好充分
的准备，不要浪费了大好的设备资源。实验准备不充分或是在实验过程中散漫、
不遵守正常作业流程的同学会受到相应的严厉处罚。希望同学们按照如下几个方
面在正式做实验之前进行准备工作：
安全守则铭记于心，尤其是激光安全。在正式进入实验室之前，必须逐项
复习激光安全的各类要求，绝不做任何有可能导致危险结果的事情。
阅读实验相关的各类材料。实验网站中 Introduction / Safety / Basics 三个栏
目下是所有同学都必须详细认真阅读的。此后，针对具体选择是实验一还是实验
二阅读 Experiment I 或 Experiment II 栏目下的内容。弄清楚为什么做，做什
么，怎么做。此外，还可借助于维基百科搜索和学习一些自己希望深入了解的专
业名词或实验方法等。
规划好实验记录。应在实验记录本上记录下自己对这个实验理解，明确实验
的目的，需要测量或记录哪些数据，后期如何分析和处理数据等。
阅读仪器说明书，到实验现场提前熟悉仪器设备。所有仪器设备的说明书均
已在网站上公开，务必在实验开始前详细阅读。此外， 好能在实验开放的时段
前往实验室提前熟悉和了解下设备的实际情况。在进行了诸多纸上谈兵的前期调
研和学习后，实地考察能给你提供些直观的感受。注意：在激光运行时不可随意
开门进入实验室，必须先向助教报备并获得批准!
详细拟定实验步骤。在了解了仪器的使用方法、明确了实验原理、并现场考
察了实验装备之后，应详细拟定实验步骤并记录下来。每一步做什么，为什么这
么做，都应当十分明确。并且， 好能提供不止一种方法来做同样的事情，以应
对实验中可能越到的各类未预期到的情况。实验之前考虑的越周密细致，实验成
功的可能性就越大。
与助教或已有相关经验的同学讨论一下。当制定好实验步骤后，应该多与他
人讨论，完善自己的想法，明确一些没有搞清楚的问题。在进行实验的前一天夜
晚，应全程回顾实验的流程和操作方法，这样则可以在真正上“战场”时做到行
云流水，成竹在胸。
做好失败的准备。是的，实验过程中经常会遇到你未预期的事情，所以，请
随时做好失败的准备，不要泄气，多多思考，总能找到解决办法的。加油！
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1.4. 实验基本注意事项
谨记激光安全：
保护好眼睛，佩戴激光防护镜（即便佩戴了激光防护镜也不能直视激
光，切记！），一起做实验的同学应相互监督和提醒，保护自己的同时
也要注意他人。
实验使用的激光必须被限制在光学平台的范围内。
调整光学元件时，必须先挡住元件前的激光，调整到大概位置后再将激
光放入细调，并应预估激光的出射方向做好遮挡措施。
防止聚焦或未聚焦的激光长时间辐照纸类、布类或酒精等易燃物引起火
灾。
中途需暂时离开实验室时，必须用金属挡板在激光主入口处挡住光路。
实验室内不设凳子，实验全程必须保持站立姿势，严禁在光学平台伏案
写作！
注意水电安全和实验室规范：
不得携带任何饮料茶水等进入实验室。
明确实验室类各类插座和电器设备的参数，安全用电，严禁超载！
先动脑，后动手：
刚进实验室的同学一般都是手比脑快，在还没有想清楚要做什么的情况下，
已经动手调整仪器设备了，这是一种非常危险的习惯，必须克服和调整！在动手
进行每一个操作前，必须先经过大脑进行深入思考：为什么要动这个东西，根据
是什么？动了这一步会产生什么后果？这个后果我能否承担？切记要三思而后
行，不可瞎折腾！
及时联系助教：
遇到搞不清楚的问题或不确定的情况时，及时向助教提出或讨论，切记不要
自作主张。
爱护仪器设备：
根据说明书的要求操作仪器设备。爱护光学元器件，严格遵守清洁、使用和
保管流程，切记不可用手触摸任何光学表面或用嘴直接吹光学表面的灰尘等。预
估激光能量，防止烧坏元器件。
严肃专注：
激光实验室是非常危险的地方，严禁在实验室内嬉戏打闹、闲聊或做与实验
无关的事情。请珍惜各类设备资源，严肃、专心地做好实验，让自己得到 大程
度的锻炼，养成良好的实验习惯。
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做好实验数据的记录：
按照事先拟定的实验计划，逐项推进实验进度并做好数据记录，遇到未预计
的问题时，尽早设法解决，实在不行应暂停实验，切记蛮干。尽可能多地记录实
验过程中的各类参数。
1.5. 课程论文
课程论文分为口头报告和正式论文两种形式。
口头报告将在期末统一组织，口头报告将在期末统一组织，由每组派一/两名
代表进行讲演。2012-2013 学年暂不组织。
文字形式的课程论文应按照正式发表论文的形式来写。
每组交一份电子版课程论文，篇幅不限，但杜绝抄袭。
2012-2013 学年选课的同学请参照 Physical Review Letters 或 Physical
Review B 的写法，比如 PRB 是这样要求的
http://prb.aps.org/info/authors.html 。
Experimental results 和 Discussions 可以合成一部分。
报告以 Open Access 的形式上传到课程网站，在学期结束前可反复修改，
于学期的第 14 周截止。每位同学都可以阅读 Open Access 中已提交的论
文，并在课程网站 BBS 上提出自己的观点；如后提交的论文与前面的其
他组的论文有连续重复超过十个字的认定为抄袭。
由于相应文献上海交通大学都有购买其网络版，因此在这里我们不再有
sample reports。如果不了解如何使用文献资源库，可以到这里来：
http://www.lib.sjtu.edu.cn/view.do?id=509
Title中英文标题
（中文限 15字以内，
英文限 30 词以内）
题目应简练、清晰，但包含文章足够的信息量，避
免大众化[1]。
Authors & affiliations
作者与隶属机构
包括作者名字（排序）、通讯作者、隶属机构。在
注脚处写明作者分工，比如说明：
Designed research
Performed research
Analyzed data
Wrote the paper
Lead the team[2]
Going to present the oral report[2]
Abstract
中英文摘要
（中文限 250 字以内，
英文限 500词以内）
摘要应该简短，反映全文的主要观点。文献繁多，
一般说来研究者们会先通过摘要预判该文章是否值
得一读。
Keywords
中英文关键词
关键词是为了让对该工作感兴趣的人们通过简单的
几个词搜索迅速找到你的这篇文章。
表 1‐1 论文格式
14
（不小于 3个，不多于
5 个）
Introduction
背景介绍
这里至少应包含两部分内容：
1．实验目的（或动机）
2．实验结果的总结
有时，在这部分还会介绍实验背景：可以以历史发
展为线介绍科学家对该问题的看法；可以以不同实
验方法为线索来介绍；也可以以观点碰撞为例分析
主要的不同观点等等，异曲同工。
Experiments
仪器与实验步骤
这里主要介绍实验中主要仪器是怎么被使用的，比
如有时会附上光路图，有时会强调仪器的某些和实
验相关的性质（如飞秒激光器的脉冲宽度）。有时
会和“实验结果”一节合并写，有时会放在论文的
后，具体视情况或要求而定。
Experimental results 实
验结果
这里客观陈述你所观察到的实验现象和实验数据，
对应于“讨论”一节，不准备讨论的实验现象不需
要写。
有些不准备在“讨论”一节详细讨论的，但是对读
者理解有帮助的实验现象也可以稍微提一下。
有时会和“仪器与实验步骤”或“讨论”一节合并
写。
Discussions
讨论
这里是论文的重点，讨论的是你从实验现象中分析
的结果，它不是实验现象本身，而是它的本质。换
句话说，这里你要以简洁、有逻辑、令人信服的语
言来向你的读者解释（有时是说服你的读者）为什
么你得到这样的实验现象。[3]
“讨论”有时会提到暂时无法解释的现象，并建议
可能可以通过什么样的实验改进或其他实验方法进
行研究。
Conclusion
结论
结论部分要简洁，一般不超过 3 句话。
一般只要说明三件事：用什么方法、得到什么结
果、说明了什么（意义是什么）。
Acknowledgments
致谢
在这里以感恩的心感谢为你们提供帮助的人、机
构、资助来源（如本实验是 985 三期资助的）[4]。
有三种人应该感谢：
1．为你们提供实验帮助的人（如提供样品、测量样
品的一般性质、维护激光器等等）
2．为你们实验讨论提供建议的人（如理论指导、文
献建议等等）
3．为你们论文写作提供帮助的人（如阅读、指正、
校正等）
References
文献 请以 Physical Review Letter的文献引用方式为准
续表 1‐2
15
Figures 图
（至少一个，至多五
个）
图应有编号和题目（文字说明 caption）
Tables 表格
（至多五个） 表格应有编号和题目（文字说明 caption）
[1] 为了避免大众化的实验结果，我们将在每一组的实验里准备不同的样品。
为了确保大家 后都能够成功地得到实验结果，我们给大家足够的时间，甚至第
二次重做的机会。 [2] 作者分工不局限于此，在这里我们重点考察同学们是否能对他人和自己的
工作做出正确评价。 [3] 注意，我们一直强调要简洁，是希望你以独特的视角去看问题，千篇一律
的论文是没有意义的，因此可以避免重复一些废话。哪些是应该写在这篇论文
的，必须是由所有作者讨论过后达成共识的（Consensus）。这里特别说明
Consensus 并不一定要求所有人都同意，只是所有人不反对（包括赞同和弃
权）。对那些不同意也不反对的人，他们可以持保留意见，记录在自己的誓言记
录本中。 [4] 这里我们进一步考察同学们是否能对他人的参与做出正确评价，哪些是应
该列为作者的，哪些是需要致谢的。
1.6. 文献调研
上海交通大学图书馆都有文献调研（Literature Work）的报告和介绍：
http://www.lib.sjtu.edu.cn/view.do?id=509
因此文献调研本身不在这里涉及。在这里提几个问题让大家思考：
1．文献是不是越新越好？
2．新文献的测量数据是不是一定比老文献的测量数据更精确？
3．同样一个结果发表在 Physical Review Letters 或 Physical Review B 上，哪
种情况对作为读者的你帮助更大？
4．我得到的结果和文献值并不一致，在什么范围内我认为是可以接受的？
5．我得到的结果和文献值完全一致，精确到 后一位，我一定是对的吗？
6．不同的文献结果不一致，我该信谁的？是不是都可信？是不是都不可
信？
7．我对文献对实验结果的解释不赞同，我该怎么办？
8．这篇文献的实验细节写得很不清楚，我该怎么办？
续表 1‐2
16
1.7. 其他
1.7.1. 配套课程
内容 课程名称 授课年级及主讲教师
基本光学知识 光学 本科二年级-钱列加
激光基础知识 激光原理 本科四年级-钟晓霞
非线性光学转化
超连续光谱 非线性光学 研究生一年级-王辉
超快科学技术
飞秒泵浦-探测技术 超快科学 暂时停课
等离子体物理 等离子体物理 本科三年级-Nasr Hafz
激光等离子体
飞秒激光空气成丝 激光等离子体 研究生一年级-盛政明
飞秒激光与物质相互作用
超快热反射率
双温度模型
固体理论 研究生一年级-朱卡的
1.7.2. 实验精度要求
我们希望同学们学会根据实际情况（研究对象），选择合适的研究方法和精度
要求。先分析过程变化的快慢，再根据需求提出对时间分辨率（Temporal resolution）
的要求；先分析空间变化量，再提出对空间分辨率（Spatial resolution）和探测面积
的要求；在现有仪器无法满足的情况下，想办法解决问题。高精度的测量结果往往
需要更精密的测量仪器和更精巧的测量方法；而由于时间、仪器和经费的限制，这
些实验是为了帮助同学们了解前沿科学研究领域。因此这些实验设计为，可取得具
有一般精度的富有意义的实验结果；比如我们不要求获得优于 100 飞秒的时间分
辨率，但是在实验中可以获得优于 1 皮秒的时间分辨率，可以应用于观察典型金
属的超快热反射率变化。
1.7.3. 团队合作与分工
在实验中我们强调团队合作（Team work），分工与合作都是团队精神的体
现。
分工并不是说一些同学设计实验，一些同学做实验，另一些学生写论文，而
是希望同学们在实验过程中，从选题到成文，互相交流讨论，设计实验方法、提
出问题来共同研究和解决。因此，我们要求每位学生都有自己的思考和讨论笔
记。在提交论文时，写清每个人的贡献，按照个人对课程论文的贡献标注排序方
式，既是对自己和他人工作的认可，也是培养同学们学会正确评价的一种方式。
合作体现在实验的方方面面，包括我们模拟一个课题组的工作，由工作组长
组织下完成一个课题、撰写一篇论文。如何发挥每个人的优势，以其获得 佳的
表 1‐3 配套课程
17
效果，是在合作中每个人都需要探讨思考的问题。在对实验现象的认识有分歧
时，特别显示出一个精诚合作的团队所具有的优势。
对于一些同学来说，他们也希望培养自己的领导能力(Leadership)。我们针对
领导才能，在课程中设置了组长这个角色。他（她）对科研问题的眼光不一定是
敏锐的，对科研论文的撰写不一定是 擅长的，但应该是 能调动全组成员的
积极性的。
18
第二章 实验室安全 安全工作无小事，尤其是对于刚刚进入激光实验室的各位同学来说，保证自
己及他人的人身安全是重中之重！
请务必当心激光，千万不可大意，一时的不小心很可能就会造成终身无法挽
回的伤害，请务必详细阅读本部分的各项内容，尤其是激光安全（Laser
Safety）部分。
2.1. 激光安全
2.1.1. 激光安全防护知识
重要！IMPORTANT!
在进入激光室进行任何实验操作之
前，请务必认真阅读相关资料，增强安全
保护意识，提高自我防护技能。
Before you enter the laser room
and do any operation, please carefully
read the references about safety.
Enhance security awareness and
improve self-protection skills.
中文资料
Laser_Safety_CN（http://llp.sjtu.edu.cn/courses/elp/wp-
content/uploads/2012/08/Laser_Safety_CN.ppt）（PPT，2008
年 9 月由上海市激光技术研究所和中国上海测试中心激光行业测试
点制作）
Laser_Safety_Manual（http://llp.sjtu.edu.cn/courses/elp/wp-
content/uploads/2012/06/Laser_Safety_Manual.pdf） （实验室
激光安全手册 PDF，本册原稿为 MIT 的激光安全培训教材，2008
年 9 月由南开大学物理系吴强教授组翻译）
Laser_Safety_Training（http://llp.sjtu.edu.cn/courses/elp/wp-
content/uploads/2012/06/Laser_Safety_Training.pdf）（APS 光
电安全培训，2008 年 9 月由南开大学物理系吴强教授制作）
英文资料
Introduction_Laser_Safety
（http://llp.sjtu.edu.cn/courses/elp/wp-
content/uploads/2012/06/Introduction_Laser_Safety.ppt）
图 2‐1 激光安全防护标志
19
（PPT，尽管我们不知道作者是谁，但本文介绍了众多来自
Rockwell Laser Industries, Inc 激光损伤的案例)
Laser_Reference_Guide_LBL
（http://llp.sjtu.edu.cn/courses/elp/wp-
content/uploads/2012/06/Laser_Reference_Guide_LBL.pdf）
(PDF, 2011 年 1 月由 Lawrence Berkeley National Laboratory 的激
光安全专家 Ken Barat 制作，内容全面实用，提供借阅，征集翻译
中)
2.1.2. 其他辐射安全防护
激光安全亦属于辐射安全的一部分，因在本系列实验中极其重要，上面已单
独分配章节讲述。较强的激光聚焦后与固体或气体相互作用，有可能会产生 X 射
线、太赫兹波（THz）、高能电子或离子等各类辐射。因此，在实验区四周已增
加金属板进行相应防护。在实验中，如果需要查看实验区内部的情况，应先关闭
激光输入或将挡板至于靶区前端阻断打靶，确认光路切断后再进行查看。
2.1.3. 激光安全考核自测题
请将自测题的答案以 word 文档的方式发送给助教。
自测题一（2012-2013 年版）
1． 选择题：（选择正确答案，并逐一说明选择或不选的理由）
1） 以下哪些不允许带入激光实验室？
a) 手表
b) 激光防护眼镜
c) 钻石戒指
d) 银项链
e) 挡光板
f) 荧光卡片或激光观察卡
g) 凳子/椅子
2） 在调节光路时，以下哪些操作可以帮助我们防止/尽量减小激光伤害？
a) 尽可能使用 小的可操作激光能量进行调节
b) 先使用模拟光源进行粗调节
c) 事先进行激光培训
d) 不将光路设计在人眼的高度
e) 使用荧光卡片或激光观察卡
f) 使用荧光对准盘
g) 弯下腰来观察激光是不是照射在透镜的中心
参考答案
1：A:意外反射，C:意外反
射（折射），D:意外反射，
G:因为落座时人眼高度和激
光高度相仿。
2：G:此行为有可能会使激
光直射进入眼睛，是非常危
险的。
20
h) 在远处光斑中心处设置一个十字，再放入透镜，让聚焦/发散光斑的
中心在十字上
i) 大致调好光路后，先将激光挡住，再固定镜座；固定好后，打开激
光，利用镜架的旋钮进一步微调
3） 在实验一中，我们可以将 800nm 的激光经过倍频成为 400nm 作为探测
光，在实验中我们将选用哪一些激光防护眼镜：
http://www.thorlabschina.cn/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=7
62
a) LG1 绿色眼镜：可见光透射率 59%
b) LG2 绿色眼镜：可见光透射率 19%
c) LG3 橙色眼镜：可见光透射率 48%
d) LG4 蓝色眼镜：可见光透射率 12%
e) LG5 粉红色眼镜：可见光透射率 61%
f) LG6 透明眼镜：可见光透射率 93%
g) LG7 青色眼镜：可见光透射率 35%
h) LG8 绿色眼镜：可见光透射率 35%
i) LG9 琥珀色眼镜：可见光透射率 25%
4） 在实验一中，我发现 400nm 探测光的光强很弱，看不清楚，我应该：
a) 凑近一些盯着看清楚
b) 利用 VRC1 激光观察卡
c) 利用 VRC4 激光观察卡
d) 取下激光防护眼镜
5） 以下哪些激光光路，有可能造成对人体的激光损伤：
a) 镜面反射光
b) 漫反射光
c) 杂散光
d) 由激光观察卡上表面附着的塑料膜反射的光
e) 直射的光
f) 向上反射的光
g) 向下反射的光
6） 你的恋人在激光实验室外面等你一起吃饭，但你的实验还差一些才完
成，你会：
a) 马上挡上激光光路，和他（她）一道去吃饭
b) 通知你的同伴继续完成实验，你和他（她）一道去吃饭
c) 让他（她）到激光实验室里等你一会
d) 让他（她）在休息室等你做完实验
e) 其他
3：考虑到同时使用 800nm
和 400nm的激光，要求两
个波长下防护都能达到
OD6+ 所以选 i
4：a和 d显然是错误的，
而 c选项激光卡适用于红外
波段，适用波段错误。
5：对于 Class4 激光而言，
即使是漫反射和杂散光依然
会对人产生危害；而 d选
项，塑料膜的反射率约
4%， 手持激光观察卡，光
路方向不固定，有可能产生
意外反射。所有选项都有可
能。
6： 做一个负责任的人。注
意实验室实验时间里不允许
单独一人进行实验。
21
2． 英译中：
请选择 Introduction_Laser_Safety (ppt) 中以下任一页进行翻译，要求所选
页码的尾数与你学号尾数相同：
4-12， 19-23， 33-36 页
3． 思辨题：实验室的镜架镜座都进行了发黑处理，但是在中科院物理所的
“激光使用安全”中提到：激光实验室的墙壁不可涂黑， 好采用浅色而漫射的
涂料，以减少镜式反射。这两者是不是自相矛盾？请说说你的看法。
自测题二（2013-2014 年版）
1． 选择题：（选择正确答案，并逐一说明选择或不选的理由）
1） 将激光观察卡放置在光斑前，可以发出荧光，可以帮助我们观察光路，
以下哪些是正确的使用方法？
a) 将激光观察卡用于挡光；
b) 为了保护荧光物质不被破坏激光观察卡的表面有一层塑料保护膜，
由于手持激光观察卡时塑料保护膜会引起不确定的反射，于是将保
护膜撕掉；
c) 晃动激光观察卡，避免长时间激光照射在同一个位置；
d) 实验前，先准备好激光观察卡；
e) 由于可以通过激光观察卡来观察光路，因此不需要佩戴激光防护
镜。
2） 以下哪些操作是错误的？
a) 激光运行中，发现镜面上有灰尘，因此造成很强的散射，于是马上
用镜头纸把灰尘擦掉；
b) 银镜表面有灰尘，可是实验室里找不到酒精或丙酮，于是用纯净的
蒸馏水来擦拭镜面；
c) 由于戴着激光防护镜就不能直接观察光斑的位置和大小，光路调节
很麻烦，于是摘下防护镜进行调节；
d) 由于戴着激光防护镜，于是直视激光光斑；
e) 光路调节中，手机响了，似乎有人找你，于是马上拿出手机接电
话；
f) 在实验二中，我们需要粗略判断透镜的焦距，于是手持透镜放入光
路中，从而观察焦点的位置；
g) 根据傍轴近似，使用透镜时，激光应水平入射在透镜中心，于是弯
下腰来观察激光是不是照射在透镜的中心；
h) 尽管镜片反射率高，依然有部分光会透过镜片，为了避免反射，于
是在镜片的后面用黑色的纸片挡住漏出的光。
3） 在两个实验中，我们都将采用 800nm 的飞秒激光，在实验中我们将选用
哪一些激光防护眼镜：
http://www.thorlabschina.cn/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=762
思辨题： 激光伤害往往来
源于不可控的反射，如未固
定的镜架，手持的卡片等。
避免不可控的反射，是减少
激光伤害的有效手段。
镜架镜座一般由金属（如
铝）制作，放置于光路附
近，在光路调节时，一旦光
路调偏，很容易引起不可控
的反射，因此，应做发黑处
理，尽量减少镜面反射。
采用浅色涂料可以避免由于
吸收激光能量，温度过高而
损坏墙壁。此时还因采用漫
散射材料，减少镜面反射。
另外，当人瞳孔扩大时收集
到的光强会大大增加，对激
光实验而言，这是非常危险
的，采用浅色涂料且保持室
内明亮能使人瞳孔缩小，减
小伤害。
22
a) LG1 绿色眼镜：可见光透射率 59%
b) LG2 绿色眼镜：可见光透射率 19%
c) LG3 橙色眼镜：可见光透射率 48%
d) LG4 蓝色眼镜：可见光透射率 12%
e) LG5 粉红色眼镜：可见光透射率 61%
f) LG6 透明眼镜：可见光透射率 93%
g) LG7 青色眼镜：可见光透射率 35%
h) LG8 绿色眼镜：可见光透射率 35%
i) LG9 琥珀色眼镜：可见光透射率 25%
4） 在实验二中，我需要观察电脑屏幕上的光谱，但戴着激光防护镜我无法
分辨颜色，我应该：
a) 直接取下激光防护眼镜看
b) 先保存光谱，切断光路后，取下激光防护眼镜看
c) 调节电脑屏幕的颜色，戴着激光防护镜看
d) 将激光工作区与控制区隔离开来，确认安全后，取下激光防护眼镜
看
5） 激光的哪些参数是对人体造成激光损伤的主要因素：
a) 波长
b) 脉冲宽度
c) 平均功率
d) 峰值功率
e) 单脉冲能量
f) 重复频率
g) 偏振方向
h) 功率稳定性
i) 光斑指向性
6） 实验结束后，你会：
a) 摘下激光防护镜，放在光学平台上；
b) 马上看手表；
c) 将仪器和工具复原；
d) 检查实验记录；
e) 其他（请说明）。
2． 英译中：
请选择 Laser_Reference_Guide_LBL (pdf)中以下章节中任一页进行翻
译，要求所选页码的尾数与你学号尾数相同：
Chapter 2-6；Appendix A-C
3． 思辨题：我们常说激光会对人眼造成损伤，同时医学上却可以利用激光
进行矫正视力的手术。这两者是不是自相矛盾？请说说你的看法。
23
2.1.4 激光安全思考题
Q1：为什么说激光对眼睛的损伤是不可恢复的？
Q2：既然激光会对人眼造成伤害，为什么我们还有激光矫正视力手术？
Q3：在什么情况下晶状体会受激光伤害？
Q4：在什么情况下角膜会受激光伤害？激光损伤角膜的结果与近视类似吗？
Q5：OD 是什么意思？我们应选择 OD 多大的激光防护镜？
Q6：助教您展示的被打坏的激光防护镜真的是未焦距的激光损坏的吗？
Q7：激光向我眼睛照射来时，我马上闭眼或眨眼不行吗？
Q8：为什么“不要试图看清”激光照射的位置？
Q9：为什么我不能佩戴戒指进入激光实验室？
Q10：人眼对 800nm 光不敏感，为什么 800nm 激光还会造成人眼伤害呢？
Q11：人眼受激光损伤，是当时有感觉？还是几个小时以后有感觉？
Q12：无线电波与伽马射线对人眼没有危害吗？能举个例子吗？
Q13：平时看清东西的过程即将物体反射或发出的光聚焦在视网膜上，为什么
激光聚焦在视网膜上就会有危险？
Q14：激光防护眼镜有近视度数吗？
Q15：假如我已经直视了激光，如何进行紧急处理？
Q16：激光对皮肤的损伤是如何发生的？
Q17：为了保护皮肤，进入激光实验室需要佩戴手套吗？
Q18：光路调节时，需要开激光器吗？
Q19：人眼对 800nm 的光不敏感，我如何调节光路？
Q20：为什么要将激光衰减后用以调节光路？
Q21：为什么可以用荧光卡来观察 800nm 的光斑？
Q22：荧光卡使用时有哪些注意事项？
Q23：为什么不建议使用带有塑料保护膜的荧光卡片？
2.2. 用电安全
实验室用电安全须知 Electrical Safety
1. 实验室墙壁上的插头可以提供 380V 和 220V 两种规格的电压。其中，实
验中用到的是 220V 电源。
2. 每个 220V 电源的插孔是按照 大电流 10A 设计的，严禁接入超出功率的
用电器。进口产品可能使用 110V 或 220V 电源，确认后再使用。
3. 电源线、电源插头、信号线等各类线缆必须整洁摆放，不得随意纠缠放
置。
4. 所有需要落地的线缆必须使用线槽套住，并固定在地面，以免绊倒他人，
5. 需要接地的仪器设备，必须良好接地；光学平台应接地。
6. 天气干燥时，进入实验之前先触摸一些金属类物品释放静电，然后才能操
作仪器设备。
7. 暂时不使用的信号线、数据线、电源线等各类线缆应整洁存放。
24
8. 不使用湿手拔插电源线等。
25
第三章 飞秒激光实验室基本常识
3.1. 公用仪器设备与元器件
系列实验所涉及的仪器设备及元器件
（一）飞秒激光系统
实验中使用的这套飞秒激光系统由 Spectra Physics（已被 Newport 公司合
并）生产，包括振荡器、振荡器泵浦源、放大器、放大器泵浦源、3955 锁模、
延时器（TDG）和水冷系统等。可以提供的激光参数为：中心波长：800nm；脉
冲宽度：约 70fs；单脉能量：约 1mJ；重复频率：1kHz。
图 3‐1 飞秒激光系统
26
（二）自相关仪
与飞秒激光器配套的这台自相关仪用于测量激光的脉冲宽度。
使用手册下载（http://assets.newport.com/webDocuments-
EN/images/12080.PDF）
（三）功率计
图 3‐2 自相关仪
图 3‐3 功率计
27
用于测量飞秒激光器的输出功率。
使用手册下载（http://llp.sjtu.edu.cn/courses/elp/wp-
content/uploads/2012/08/407A.pdf）
四、其他元器件
除了上述主要的仪器设备外，在光路中还需要用到如下光学元器件，详见表
格。
名称 用途和注意事项
反射镜
1. 光学反射镜的主要作用是将激光束导引到我们所需的地
方。
2. 光学反射镜按照反射面的材料分类，有金属镀膜镜，介
质膜镜等。在本实验中，我们使用的是金属 Al 反射镜，
其特点是在较宽的波段内都有较好的反射率。
3. 光学反射镜按照入射光角度来分类有 45 度反射镜和 0 度
反射镜等。通常使用的都是 45 度反射镜，即入射光和反
射光成 90 度夹角。在本实验中使用的都是 45 度反射
镜。
4. 光学反射镜一般都是圆形，其直径通常为 1 英寸，即
2.54cm。在光斑较大的情况下可以选择更大反射镜。
5. 对于不同种类的激光，选择反射镜是应当考虑的损伤阈
值也不一样。由于飞秒激光的脉冲非常短，所以瞬时功
率很大，因此，应当选择损伤阈值较高的适合于飞秒激
光的镜片。
6. 在使用过程中，通常让激光打在反射镜的中心部分进行
反射，以免在调解反射镜姿态后，光斑会被反射镜边缘
切掉一部分。
7. 当反射镜表明有灰尘时，应先考虑用吹球吹去，较为顽
固的污渍应及时就沾湿了酒精或丙酮溶液的镜头纸擦
拭，具体方法请参见课程网站 Skills 系列的介绍。特别
注意：不同镀膜的镜子应当选择相应的合适的溶剂清
洗，以免镀膜被化学药剂腐蚀或破坏。
8. 绝对不可以用手触摸任何光学表面。
分束镜
1. 分束镜的主要作用是按照一定的比例将激光束分成两
束。常见的有 9:1 / 5:5 / 4:1 等。
2. 通常使用的分束镜都是 45 度入射的，其中一部分光 90
度反射，另一束光从镜子的衬底透射过去。
3. 分束镜的厚度通常不宜过厚，因为飞秒激光在镜子衬底
材料中传播时会因为色散效应而导致激光脉冲的宽度变
大。
表 3‐1 实验所需其他元件
28
透镜
1. 透镜有凸透镜、凹透镜、柱透镜等，即便是凸透镜或是
凹透镜也分为平凸、双凸、平凹、双凹等多种。其主要
用途是聚焦激光束、成像或是扩束缩束等。
2. 通常选择平凸或平凹透镜，即透镜的一面是平的，另一
面是凸的或是凹的。这类透镜球差更小，成像质量比双
凸或双凹要好。
3. 透镜使用的材料通常有玻璃、石英等。玻璃透镜较为便
宜，石英较贵，但损伤阈值高，而且在紫外波段有较好
的透射性。
4. 透镜成像的重要原则就是”旁轴条件”，即光束应尽量使用
透镜的中心部分正入射，这样才能取得更好的效果。
5. 平凸或平凹透镜在放入光路中时，应将凸面或是凹面向
着激光。
分光棱镜
1. 分光棱镜的主要作用是将光束中偏振不相同的两部分分
开，使其各自沿着不同的传播方向行径。
2. 常见的有格兰泰勒棱镜、沃拉斯顿棱镜等。
波片
1. 常用的波片是 1/2 波长或 1/4 波长两种。
2. 常见的用法是将波片与偏振分光棱镜组合起来，实现激
光能量的连续可调。
偏振片
1. 仅有沿着偏振方向的光才能通过，可用来检查激光的偏
振方向。
2. 偏振片的重要参数是消光比，即通过偏振片后水平和垂
直两种偏振方向光波的能量比。
3. 通常激光器出光口输出的光都是水平偏振的，除非是有
特殊应用的情况。
倍频晶体
1. 在 800nm 激光中常用的倍频晶体是 BBO 晶体。
2. BBO 分为一类相位匹配和二类相位匹配两种切割方式，
所不同的主要是输出光的基频和倍频两部分的偏振。
激光防护镜
佩戴后可在一定程度上保护眼睛的安全，但并不能 100%防止激
光伤害。其主要参数是可以防护的波长范围和 OD（定义了眼镜
对光强的衰减大小，越大越好，通常不应小于 6）。
光阑
1. 光阑主要用于光路的定位。
2. 光阑的同光孔径是一定范围内连续可调的。
3. 两点决定一条直线，所以，如果在光路中两个不同的位
置放置了光阑，并使光路通过这两个光阑的中心位置，
即可完成了光束的定位。下次实验室如果光路有所偏
移，只需要将两光阑前面的一对反射镜进行调节，是的
激光恢复到同时通过这两个光阑的状态，则无需将光路
中所有其他元件均重调一遍。
4. 光路中放置较多的光阑可以让我们更快地在光路偏移了
的情况下恢复。
5. 尽管放置过多的光阑可能会让我们的光路显得不够”高端”
和”专业”，但还是推荐多放些光阑，这样会为以后的维护
和调节带来很多方便。
续表 3‐1
29
6. 使用光阑时，其口径应当足够的大，以免切掉了光束的
边缘或引起衍射环等不利因素。
二维调节镜
架
1. 主要用来安装反射镜、分束镜或透镜。
2. 通常是安装 1 英寸直径的元件，也有大号镜架使用于大
光斑的镜片。
3. 具有水平和俯仰两个相互独立的调节旋钮。
4. 通常是先调节水平或者俯仰中的某一个维度到目的状
态，然后再调剩下的另一个维度。
支杆 用于和镜架相连，调整镜架相对于光学平台的高度
套筒 用于固定支杆
底座 用于和套筒相连，带有沟槽可用 M6 螺丝将套筒固定到光学平台
表面
支杆卡箍 用于固定支杆露出套筒部分的长度
光学平台 用于安放各类光学元件搭建实验光路。其基本特点是笨重而结
实，具有隔离震动和形变微小的特点，以保证光路的稳定性。
空调系统 用于保持实验室内部的恒温。
除湿机 用于保持实验室内部的恒湿，以免光学元器件尤其是易潮解的元
器件损坏。
3.2. 光路调节
本页面列出的各类光路调节方法部分来自于汪治平教授研究组的网站
http://ltl.iams.sinica.edu.tw/ ，我们在此向汪老师及其团队表示衷心感谢！
（一）调节平行光经过一组光阑
目的：光学实验中，架设光路是基本的技术之一，本实验将认识架设光路会
使用到的机械元件如镜架，光阑等。并学习架设一 基本的光路：一平行桌面的
光束。同时学习如何调整镜子通过用光阑定义出来的光路。
注意事项：利用指高器调整光束与桌面平行时依靠人眼观察测量，误差较
大。延长 I1 和 I1 之间的距离以减小相对误差
架设图：
实验步骤：
1. 用马克笔在光学面包板上画出预设的光路如图 3-4 所示。
2. 安装 He-Ne 激光，M1，M2。He-Ne 激光射出光高度约为 15cm 且需打在 M1
的中心。
续表 3‐1
图 3‐4 平行光路调节图
30
3. 指高器放在靠近 M2 处，调整 M1 使激光达到指高器高度。指高器放在距离 M2
后一米处，调整 M2 达到指高器高度，重复此步骤数次，直到 M2 后的光平行
桌面且为 15cm 高。
4. 直角尺放在靠近 M2 处，调整 M1 使激光束被直角尺切一半。直角尺放在距离
M2 后约 1m 处，调整 M2 使激光被直角尺切一半，重复此步骤，直到 M2 后
的光路沿着预设的光路传播。
5. 安装 I1、I2，两个光阑间隔约 1m
（二）延迟光路的架设
目的:在一些使用激光的光学实验中，常常需要很快速的改变光程。我们可以
架设延迟光路来实现快速的改变光程同时又维持激光沿相同的光路传播的目的。
下面举例说明如何架设移动范围 50cm 的延迟光路。
注意事项：确保平移台移动轴，入射光线和出射光线保持在同一水平面且保
持平行
架设图：
实验步骤：
1. 用马克笔在光学面包板上画出预设的光路如图 3-5 所示。
2. 利用已经架设好的平行光，安装调整 M3、M4 利用直角尺和 15cm 指高器，使
激光束的高度为 15cm 且沿着预设的光路传播。
3. 将整个平移台放至 M4 之后
4. 将方形底板安装于平移台，在平移台上安装 M5，并在 I5 前安装光阑 I3。利用
指高器调整 M5 中心和光阑孔心距离桌面高度 15cm。
5. 将整个平移台放至 M4 之后，确保平移台可以移动 50cm 以上，目测 M5、M6
中心连线与平移台移动方向平行，固定平移台。
6. 安装 2 根 30cm 长的钢尺到平移台旁边，并用压条固定钢尺。
7. 调整平移台
a) 调整 M4 使光线通过 I3。
b) 将平移台沿钢尺移动到 60cm 后的位置，调整 M3 使激光通过 I3。
c) 重复 7 和 8 直到无论如何移动平移台，激光都能通过光阑。此时入射光
图 3‐5 延迟光路架设图
31
线与平移台的平移轴平行。
d) 利用指高器调整 M6 中心距桌面高度 15cm，安装 M6。M5、M6 角度约
为 90°
e) 利用指高器在光屏 15cm 高处画一横线与桌面平行
f) 将平移台移至靠近 M4 处调整 M5 使光斑落在光屏横线上，记下光斑位
置。
g) 将平移台向后移动 60cm，调整 M6 使光斑与记下位置重合。
h) 重复 f 和 g 步骤，直至无论如何移动平移台光线在光屏上不再移动。
8. 在平移台后约 1m 处放置光阑 I4。
9. 移动平移台检测光线是否一直通过 I3 和 I4。
（三）激光扩束（缩束）光路的架设
目的：在许多光学实验中，我们常常要求较大直径的激光光束，或是发散角
为零的激光光束。也就是说激光传播一段距离后仍不改变其激光光束的大小，这
样的激光光束我们称之为平行光束。下面举例说明如何利用两面平凸镜和一面平
凹与一面平凸的透镜组合来达成激光扩束。
注意事项：激光扩束的方法有许多种，选择 合适的方法以提高实验精度。
架设：
实验步骤：
1. 用马克笔在光学面包板上画出预设的光路如图 3-6 所示。
2. 利用前面搭建完成的光路，安装 M7、M8，并使激光打在 M7 的中心。
3. 利用 15cm 指高器，调整 M7、M8 使 M8 之后的光束高度为 15cm，且保证激
光打在 M8 的中心。
4. 调整 M7、M8 并利用直角尺使 M8 之后的光束沿着预设的光路传播。
5. 安装 I5、I6，两个光阑间隔约 1m。
6. 安装 L1：
a) 在 L1 后适当的距离标记光束的位置。
b) 放置 L1，L1 凸面朝平行光。
图 3‐6 扩束光路图
32
c) 调整 L1 上下左右位置使激光束位置回到步骤 a)中的标记点。
d) 调整 L1 镜架旋钮使 L1 的反射光打回 I5 的中间。
e) 重复 c)和 d)直到不需要调整为止。
7. 安装 L2：
a) L2 凸面朝平行光。
b) L1 和 L2 之间距离为 f1+f2。
c) L2 的底板安装方式：在 L2 底板前放置一把直尺，并使尺和预设光路夹
90°。
d) 调整 L2 上下左右位置使 I6 过中心（可适当圈小 I5）
e) 以白卡辅助，调整 L2 镜架旋钮式 L2 的反射光沿原路反射（可适当圈小
I5）。
f) 重复 d)和 e)直到都不需要再调整为止。
g) 固定 L2 的底板，然后将 15cm 铁尺安装至底板另一侧（如图 3-7）。
h) 做一张上面有刻度的白卡（单位：1mm）
i) 在 L2 后尽量靠近 L2 处及 L2 后 2m 处测量激光光束大小。松开固定 L2
的压条，移动 L2 前后使这两处的光点大小一样。
j) 调整好 L2 后，确认两处之间的光点大小皆一样。
8. 安装 L3、L4：
a) L3 平面朝平行光。
b) 其余步骤参考步骤 6、7。
（四）激光能量调节计的架设
目的：偏振片（polarizer）可以用来筛选特定方向的偏振光，而半波片能够
旋转线偏振光光学偏振方向，结合两种元件可组成能量调节器来实现控制激光输
出能量。下面我们举例说明如何校正半波片的角度以及改变半波片角度时观察能
量变化。
图 3‐7 底板和直尺
33
注意事项：由于本实验用到大量的非线性元件，注意晶体光轴，光偏振方向
和光入射方向的关系。
原理：以立方体偏振片为例，当一道线偏振光与偏振片光轴夹角为某个角度
时，水平偏振分量（p 偏振）会穿透，垂直偏振分量（s 偏振）会反射。如果激
光为 p 光时，在偏振片后面可得到 大能量输出；相反，如果为 s 偏振，则输出
能量 小。偏振片的消光比为水平偏振与垂直偏振的穿透率之比，可以用来估算
能量调节的范围。半波片有旋转线偏振光偏振方向的特性，当半波片光轴与激光
偏振方向平行时，激光的偏振方向不会偏转，将半波片旋转 45°可以使激光偏振
方向旋转 90°。旋转半波片可以调整激光水平偏振和垂直偏振分量的比例。将偏
振片与半波片的特性结合，可以实现控制激光输出能量的目的。
架设：
1. 用马克笔在光学面包板上画出预设光路如图 3-9 所示
2. 使用 534nm 绿色氦氖激光，使激光高度约为 15cm。
3. 在激光出口约 10cm 处架设偏振片（CP1），滤掉垂直偏振方向的光。调整偏
振片固定旋钮使 CP1 的反射光反射回激光器入口。
4. 调整偏振片固定器上的旋钮使垂直偏振光的高度与 15cm 登高器高度相等。
5. 用挡板遮住垂直偏振光。
图 3‐8 能量调节原理
图 3‐9 能量调节光路
34
6. 架设 M1、M2，使 M2 之后为平行光，并安装 I1、I2（I1 与 I2 间隔至少 50cm）。
7. 与 I1 后方安装半波片（WP）安装 WP 时请避开坏点，旋转 WP 的旋钮使反射
光打回 I1 的中心。
8. 于 I1 后方约 25cm 处架设另一个偏振片（CP2），架设方式与步骤与 3-4 相同。
9. 手持白卡与 CP2 后观察激光强度，旋转 WP 使白卡上的光点 暗，可是已调
整半波片的光轴垂直于激光的偏振方向，记录此时旋转台的刻度。
10. 放上光电二极管探测器，用示波器探测输出电压（光电二极管线性输出范围小
于 1V，所以要加入减光镜使测量电压小于 1V）。
11. 以步骤 9 记录的刻度为出发点，记录每 5°后测量得到的电压值，旋转 90°，
画出输出电压与角度曲线
3.3. 清洁和存放光学元件
（一）参考文献与视频
Cleaning method (From CVI Melles Griot and Auburn SeeWolf, LLC ):
Cleaning_methods http://llp.sjtu.edu.cn/courses/elp/wp-
content/uploads/2012/08/cleaning_methods.pdf (PDF version)
CVICleaningOptics http://llp.sjtu.edu.cn/courses/elp/wp-
content/uploads/2012/08/CVICleaningOptics.pdf (PDF version)
光学元件的安装和清洗教学视频（来源于汪治平老师研究组）单击下载视频
http://llp.sjtu.edu.cn/courses/elp/wp-content/uploads/2012/09/A1.mpg
以下光学元件清洁建议来自于 Thorlabs 的网站：
http://www.thorlabs.hk/tutorials.cfm?tabID=26066
（二）光学元件的操作和清洁教程
光学元件的特殊性质要求在处理光学元件时必须遵循特殊的程序，从而使其
性能和寿命达到 大化。在日常使用中，光学元件会接触灰尘，水和皮肤油脂等
污染物。这些污染物增加了光学表面的散射和对入射光的吸收，这会在光学表面
形成热点，造成永久性的损伤。镀膜的光学元件特别容易受到这种损害。
本指南的内容涵盖了适用于多种光学元件的常见处理和清洁程序。由于光学
元件的材料，尺寸，精致等因素不同，使用正确的处理和清洁方法非常重要。对
一种光学元件合适的方法却可能会破坏另一种光学元件。出于这种考虑，我们建
议您在清洁光学元件前完整地阅读本指南。如果您所使用的光学元件或其所属类
别没有在本指南中提到，请联系光学元件制造商咨询处理和清洁方法。
处理:通过使用合适的处理技术，可以减少清洁光学元件的次数，并提高它
们的使用寿命。请在干净，温度受控制的环境中打开光学元件。千万不要直接用
35
手处理光学元件，因为皮肤油脂会对光学元件表面产生永久性的伤害。相反的，
您可以带手套操作，对更小的光学元件，使用光学镊子或真空镊子会更方便。不
管用什么方法来夹光学元件，只能沿非光学表面夹持，比如光学元件的磨砂边
缘。
重要性：全息光栅，刻槽光栅，第一面没有保护的金属反射镜，和薄膜分光
镜等许多光学元件的光学表面决不能用手或者光学操作器材接触。这些表面特别
敏感，任何物理接触都会引起损伤。
警告：大多数晶体（比如方解石，分束器，铌酸锂晶体，和电光调制器）对
温度敏感，当暴露在热冲击环境中时会爆裂。因此，在打开之前一定要保证包装
和物品放置在温度稳定的环境中。这些晶体比普通的光学元件更加脆弱，所以在
清洁时操作也要更加地小心。
保存：千万不要把光学元件放置在硬质表面上，因为光学元件或者其表面上
的污染物都会把光学元件磨坏。相反，大多数光学元件应该用镜头纸包裹，并保
存在专门为光学元件设计的存储盒中。通常情况下，这些盒子会保存在低湿度，
洁净度高和温度受控制的环境中。光学元件很容易被划伤或者污染，并且一些光
学镀膜元件具有吸湿性，因此合适的存储对保护光学元件非常重要。
图 3‐10 光学元件取放
36
检查:一般情况下，在使用前和清洁的前后都需要检查光学元件的情况。因
为大多数污染物和表面缺陷的尺寸比较小，在检查光学元件时我们经常需要用到
放大设备。除了放大设备，有时我们还需要用一束比较亮的光来照射光学表面，
增强表面污染物和缺陷的镜面反射强度，这样可以更容易地发现污染物和缺陷。
当检查反射性镀膜表面时，光学元件需要举到与你视线平行的高度。光学元
件应与视线交叉，而不是垂直于观察光学表面，这样可以看到污染物，而不是反
图 3‐11 光学元件存放
3‐12 光学元件检查
37
射光。抛光表面，比如透镜，操作时需要垂直于你的视线，这样可以检查整个光
学元件的透光性。
如果在干净的光学表面有表面缺陷，可以用一个划痕标准盘对缺陷的尺寸进
行归类，即比较划痕标准盘上经过校准的缺陷的尺寸和光学元件表面缺陷的尺
寸。如果光学表面上的缺陷的尺寸超过了制造商的划痕规格要求，就需要更换该
光学元件，以达到预期的性能效果。
清洁程序：如果可能请务必阅读制造商推荐的清洁和操作程序。因为光学元
件的清洁全都涉及对光学元件的操作，所以在使用下面介绍的清洁指南下，请严
格按照相应的操作程序进行。如果清洁或操作不当，会对光学元件造成永久性的
损伤。
在清洁光学元件之前，请先检查光学元件来判断污染物的种类和严重程度。
这个检查步骤不能被跳过，因为光学元件的清洁过程通常包含溶剂和对光学表面
的物理接触，如果处理过于频繁可能会对光学元件造成伤害。
粘附有多种污染物的光学元件的清洁顺序非常重要，这样在移除一种污染物
时光学表面不会被其他污染物破坏。比如，如果一个光学元件同时被油污和灰尘
污染，那先擦拭油污会划伤光学表面。这是因为在擦拭时灰尘也会沿表面摩擦。
吹拭光学元件的表面:在做其他任何清洁技术之前，通常需要先吹走灰尘和
其他松散的污染物。这种方法需要使用惰性除尘气体罐或者鼓风球。不要直接用
嘴对着光学元件的表面吹，因为它很可能会把唾液沉积在光学表面上。
如果使用的是惰性除尘气体，请在使用前和使用的整个过程中都将气罐正
置。不要在使用前或使用时摇晃气罐。并且在吹气前将喷嘴远远地对准光学元
件。这些步骤有助于防止惰性气体推进剂沉积在光学表面上。如果您使用灌装气
体，将气罐远离光学元件大约 6 英寸，并使用短吹气方式。转动惰性气体罐的喷
嘴，使其喷嘴与光学元件的表面形成掠射角吹气。对于大尺寸的光学元件表面，
在光学表面沿着图八样式吹气。
这种清洁方法适用于几乎所有类型的光学元件。然而，对于某些光学元件，
比如全息光栅，刻划光栅，无保护金属反射镜，方解石偏振器，和薄膜分束器，
图 3‐13 吹拭光学元件表面
38
在物理接触下都可能会损伤，吹拭是唯一可用的清洁方法。由于这种清洁方法具
有无接触和不用溶剂的特点，它应该作为几乎所有光学元件清洁的第一步骤。
警告：薄膜分束器上 2 微米厚的硝化纤维膜特别脆弱，极易被表面上的空气
压力振碎。如果对这些光学元件使用灌装空气，需要确保瓶子离得够远，以防破
坏膜层。
警告：方解石偏振器上经过抛光的通光面非常微妙，如果吹的气体太接近其
表面会被破坏。
其它的清洁方法:如果吹拭光学元件表面还不够，下面介绍其他可行的清洁方
法及其材料。当清洁一个光学元件时，经常使用干净的擦拭纸和光学级别的溶
剂，以防止被其他污染物破坏。擦拭纸必须用合适的溶剂润湿，千万不能干燥使
用。可用的擦拭纸（出于柔软度的考虑）为纯棉（比如 Webril 擦拭纸或者棉
球），镜头纸，和棉签等涂敷器。
在清洁过程中采用的典型的溶剂有丙酮，甲醇，异丙酮和 TravelSAFE 精密
光学清洁剂。请谨慎使用所有这些溶剂，因为大多数溶剂都是有毒的，或易燃
的，或者两者兼有。在使用任何溶剂之前，请仔细阅读产品数据表盒 MSDS 表。
清洗光学元件:如果得到制造商的认可，可以通过浸泡在蒸馏水和光学皂中的
办法去除指纹和大的灰尘粒子。光学元件的浸泡时间不应长于除去污染物所必需
的时间。之后，用干净的蒸馏水清洗光学元件。根据光学元件类型可以选择拖放
擦拭纸（涂敷器）方法，将丙酮，甲醇，或者另一种迅速干燥的溶剂，比如
Travel SAFE 的精密光学清洁剂应用于光学元件来加速干燥。在干燥过程中避免
清洁溶剂形成小水滴，因为这经常会在光学表面留下水渍。
拖曳方法:拖曳方法可以用于清洁上面提到的任何表面的平坦光学表面。首
先，检查光学元件并确定污染物的位置。这样就可以事先规划拖的方向，有助于
尽快将污染物从光学元件的表面沾起，而不是拖过光学元件的表面。在检查之
后，放置并握紧光学元件，从而使表面上的侧向力比较弱，不会引起光学元件移
动。取一片新的，干净的镜头纸，并置于光学元件的上方（不接触），这样当你
拉动镜头纸时它将会掠过光学表面。然后再在镜头纸上滴一到两滴会快速挥发的
溶剂，并置于光学元件上方。溶剂的重量会促使镜头纸下垂接触光学表面。慢慢
地 速地拉动湿镜头纸滑过光学元件的表面，并小心避免镜头纸在表面拉起。继
续拉动镜头纸直到它离开光学表面。
正确的溶剂量会使镜头纸在整个拖动过程中保持湿润，在拖曳结束后又不会
在光学表面上留下任何可见的溶剂痕。检查光学元件，如果需要可以再次重复，
但每张镜头纸只能用一次。这种清洁方法是许多应用的首选，因为镜头纸只是轻
微接触光学表面。使用这种方法能成功地除去光学表面附着的微小颗粒和油脂。
高浓度的污染物往往需要反复多次地清理。
39
用镊子使用镜头纸或者涂敷器的方法:这种方法经常用于固定的或者曲面光
学元件，要求用溶剂清洁。先检查光学元件确定污染源的位置。规划好擦拭的路
径，使其在光学表面拖动大污染物的路径 短。如果镜头纸被使用过，必须对半
折叠镜头纸，保证与光学元件接触的面没有被使用过。用镊子夹紧镜头纸，以这
种方式流畅地擦过光学表面。然后滴两滴溶剂到镜头纸上。镜头纸要湿润但不能
滴水，如果加了太多的溶剂，甩甩镜头纸，把多余的溶剂都甩掉。镜头纸应该以
一个流畅的动作滑过光学表面。
在擦拭过程中，不断地，但是慢速地旋转镜头纸。这种连续地改变与光学表
面接触的部分，将旋转向上，远离任何有累积污染物的表面。在擦拭之后，检查
光学元件是否还有任何残留地污染物或者条纹，如果还有可以用一张新镜头纸继
续清洁光学表面。如果使用镜头纸上使用太多溶剂或者在光学表面上镜头纸擦拭
的边缘部分往往会有条纹。如果在镜头纸的边缘形成条纹，选择更大的涂敷器或
者规划一条可以连续擦拭的路径，来消除光学表面的擦拭痕迹。如果使用的是螺
旋或者蜿蜒的擦拭路径，可能需要使用挥发较慢的溶剂，从而保证在擦拭完成前
光学表面不会干。
图 3‐14 拖拽方法
40
用纤维擦拭纸清洁：纤维擦拭纸是柔软的纯棉的擦拭纸，非常推荐用于大多
数光学元件的清洁。它能很好地锁住溶剂，不会像镜头纸或者棉签那样很快挥
发，也不像其他擦拭物会迅速地分离。这些擦拭物的外边缘会留下一些皮棉，所
以在清洁时总是使用折叠边缘。
对于较小的光学元件，可以把纤维擦拭纸卷成锥体并折叠，用溶剂润湿其尖
端，使用这个点作为擦拭区域。对于较大的光学元件，先把擦拭纸分为三个部
分，每个部分大约为 2.6 英寸 x 4 英寸。选择合适的折叠长度使其折成 1.3 英寸 x
4 英寸。然后在末尾折叠大约 1 英寸。用溶剂湿润 后的折叠边缘，使用该边缘
擦拭或清洁光学表面。使用泵瓶来分配溶剂，方便一手拿着光学元件，另一手润
湿擦拭纸。
在清洁过程中，请佩戴手套或指套。一只手拿起光学元件，然后用纤维擦拭
纸轻轻地，连续地，并慢慢地擦拭光学元件的整个表面，防止产生条纹。为了避
免产生条纹，您可能需要调整溶剂量，擦拭时施加的力量，和/或者擦拭的速度。
擦拭的次数也会随溶剂的变化而变化。比如，如果使用丙酮，擦拭的速度需要比
使用酒精时稍微快一点，因为丙酮干燥得比较快。
光学操作和清洁工具：
手套: 当处理大多数未安装的光学元件时，手套显得非常重要。通常情况
下，操作光学元件的手套不是无绒棉就是无粉乳胶手套。.
图 3‐15 用镊子使用镜头纸
擦拭光学元件
41
镊子：光学镊子和真空镊子常被用来处理更小的光学元件。光学镊子是设计
用来夹小而坚硬的物体，不会滑落和增加触感。另外，光学镊子的尖端经过专门
设计，用一种减少光学元件划伤风险的材料（比如碳树脂）制作的。真空镊子使
用吸盘来夹光学元件。通常会有各式各样的尖端，设计用来固定不同形状和尺寸
的光学零件。此外，使用真空镊子来夹光学元件后，许多用户发现用它来夹光学
元件更方便。因为跟传统的光学镊子相比，可以不用考虑施加在光学元件上的合
适的压力。
纤维擦拭纸：用纯棉制作，这些擦拭纸能用来清洁光学元件或其他任何元件
的表面。虽然边缘可能会掉绒粒子，这是可以避免的，如果将其折叠并用折叠的
边缘清洁光学元件。这种擦拭纸也可用作柔软表面，可以放置光学元件。
镜头纸：镜头纸是用来处理和清洁光学元件，因为它提供了一个柔软非腐蚀
的表面，可以安全地接触许多种类型的光学表面。在把光学元件放置在储物盒
前，也经常用镜头纸来包裹光学零件。
光学存储盒：光学存储盒通常有泡沫或者模压塑料填充物。这些填充物可以
保证光学元件不会在盒子里面移动，光学表面不会接触坚硬的表面。在保存在光
学存储盒之前，大多数光学元件都应该用镜头纸包装。对于较小的光学元件，折
叠镜头纸来包装光学元件会比包裹它更容易。
放大器: 放大器和小型放大镜可以让用户仔细检查更小的光学元件。它们对
确定光学表面的清洁度和完整性来说非常重要，帮助选择合适的清洁程序。另
外，如果在放大镜下发现损伤，就应该替换该光学元件。
划痕标准盘: 大多数光学元件有制造商的具体划痕公差，用来归类表面的光
学质量。划痕标准盘上有一系列经过校准的光学缺陷，帮助用来确定划痕的厚度
和深度。通过比较光学元件和划痕标准板上的缺陷，可以确定该光学元件是否符
合制造商的规格。如果规格不能满足要求，就需要退回或更换。
惰性除尘气体: 压缩的惰性除尘气体非常适合用于清洁灰尘和其他不是粘附
在光学表面的污染物。其他可供选择的气体源还有鼓风球。压缩的惰性除尘气体
能提供持续地高气压气体流，可以从光学表面吹走污染物。然而，由于气体是从
加压罐中释放，通常会比周围环境温度要低，会造成光学元件表面温度降低。另
外，压缩气体流可能含有气罐推进剂，会沉积在光学元件的表面。鼓风球避免了
温度和推进剂问题，但是吹到光学表面的空气可能会含有污染物，可能会也可能
不会附着在光学表面。对于那些表面不能接触的光学元件来说，吹拭是唯一可用
的清洁方法。
钳子: 钳子是一种很小的，可锁定的夹具，通常在一些清洁程序中用来夹镜
头纸。因为钳子很容易会划伤光学表面，所以确保钳子不会接触光学元件就变得
特别重要。
棉签涂敷器 （一些用户会决定避免使用钳子，而使用棉签类涂敷器作为代
替品。它们通常是 6 英寸（15 厘米）长得木签，在其中一头带有脱脂棉，在各种
清洁过程中用作涂敷器。这些涂敷器非常适合用于清洁较小的光学表面，比如连
接的光纤头。对于更大的表面，清洁后可能很难不留下条纹。注意：棉签涂敷器
42
不是 Q-尖端或者其他药店应用品。它是光学级产品，用在光学元件上不会留下污
染物，同时它的材料（通常是棉）中没有药店产品所含有的磨料纤维。
光学清洗剂：我们有各种各样的光学清洗剂，包括蒸馏水，丙酮，甲醇和异
丙酮。有时会在蒸馏水中加一些温和的肥皂。新的清洗剂还有精密光学清洁剂，
光纤制备液，和光纤清洁剂。只使用光学级溶剂是非常重要的。如果溶剂中含有
污染物，那么在清洁过程中污染物会沉积在光学表面。由于溶剂的潜在伤害，在
光学元件上只使用制造商认可的溶剂是至关重要的。比如，许多光学粘附物会溶
解在丙酮中，所以使用丙酮来清洁这些光学元件可能会造成永久性的损伤。
重要注意事项：
在清洁前一定要保证光学元件是冷却的。
请务必在任何时候都遵循处理技术要点。
不能浸泡双胶合光学元件
当使用清洁剂时要十分谨慎。有一些可能是有毒或者易燃的，所以在操作之
前要仔细阅读标签。对光学元件进行妥善合理地操作和清洁，会增加它们的寿
命。
43
第四章 激光等离子体基础知识
4.1.飞秒激光
激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写为
LASER），是受激辐射光放大的意思。激光器有三个主要的组成部分——激活介
质、泵浦源和谐振腔，泵浦源对激光器溃入能量，激活介质（或者称为工作介
质）在吸收馈入的能量后在谐振腔的作用下形成稳定的激光输出。详情可以参见[1, 2]
随着技术的发展，激光分为两个方向继续发展，一个方向是研制高平均功率
激光器，另一个是研制超短激光脉宽、具有超高峰值功率的激光器。在我们的实
验中要用到的飞秒激光器就是属于第二种。
脉冲激光我们用脉冲宽度、峰值功率、重复频率、平均功率、单脉冲能量等
等参数去描述它[3, 4]。皮秒及更短的激光脉冲一般被称为超短脉冲（Ultrashort
pulse）。实验中采用的飞秒激光器是 Spectra Physics 公司生产的，其输出的中心
波长是 800nm，脉冲宽度是 70fs，重复频率是 1kHz，单脉冲能量是 1mJ。
从人类实现红宝石激光器以来，作为基础物理的一个领域，激光短脉冲化的
研究得到了快速的发展。由于激光短脉冲具有超短、超强和很好的聚焦能力，使
得它在各个科技领域都具有独特的优势，飞秒激光就是在激光脉冲短化的进程中
发展起来的。
飞秒激光首先是在染料激光器中利用碰撞脉冲锁模的原理得到的。1981 年，
贝尔实验室首次利用对撞锁模技术产生了几十飞秒的激光脉冲[5]，1985 年，获得
27 飞秒的激光脉冲[6]。1991 年，Spence 等人首次向世人展示了自锁模钛宝石激
光器，通过在钛宝石激光器的谐振腔中插入棱镜来补偿色散，获得了 60 飞秒的激
光脉冲[7]。随后，为了克服飞秒激光放大时固体激光物质所产生的自聚焦效应，人
们又开发了啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification, CPA）技术，1994 年，
基于此技术人们获得了小于 10 飞秒的脉冲[8]。到今天，飞秒激光的脉冲已经可以
达到 3 飞秒左右[9]，而几十飞秒获几百飞秒的激光器早已成为科技界商业化的产
品。
飞秒激光多采用啁啾脉冲放大技术来获得超高的峰值功率，甚至可以达到百
太瓦（TW，即 1012W）、拍瓦（PW，即 1015W）的量级；拍瓦级的能量聚焦强
度就相当于将太阳辐射的所有能量都聚焦在针尖般大小后能量密度。
4.2. 等离子体
等离子体（Plasma)，是一种由自由电子和带电离子为主要成分构成的新的物
质形态，广泛存在与宇宙中，常常被视为物质的第四态，称为等离子体态。等离
子体就是一团运动着的带电粒子组成的类似气体的系统，具有很高的电导率并且
与电磁场存在很强的耦合作用。不仅存在于遥远的宇宙空间重，在我们的日常生
活中也不乏等离子体的存在——如通电发光的日光灯管中的惰性气体，雷雨天一
道道划破天际的闪电，极地绚丽的极光等等。
44
严格来说，等离子体是内部高速运动着的气体团，等离子体的总带电量仍是
中性的，中性的原子由于受到高强度的电场或者磁场的作用，外层的电子获得了
较大的动能然后脱离了原子核形成了自由的电子和离子[10]。
等离子体具有这样一些性质：首先，等离子体能够屏蔽外界施加的电势，称
为“德拜屏蔽”，将外加电势衰减到原来的 1/e 倍的距离称为“德拜半径” ，
等离子体中任意粒子为中心，“德拜半径”围成一个“德拜球”。其次，由于气
体粒子自由运动，总会相互碰撞，带电粒子每次与中性粒子碰撞所需平均时间为
τ，等离子体本征震荡频率为 pe ，等离子体满足以下三个条件：
1、等离子体的大小线度 l 远大于其“德拜半径” ；
2、等离子体中每个“德拜球”内的带电粒子数远大于 1；
3、 1pe 。
郑春开在《等离子体物理》[11]这本书第 28 页中指出，“并非任何带电粒子
组成的体系都是等离子体”，并给出等离子体比较科学、完整、统一的定义如
下：
“等离子体是由大量正负带电粒子组成的（有时还有中性粒子）、在空间尺
度 ≫ 和时间尺度 1/ pe 具有准电中性的、在电磁及其他长程力作用下粒
子的运动和行为是以集体效应为主的体系”。
4.3. 激光等离子体及其探测
我们知道光强是跟电场强度的平方成正比的[12]，高强度的激光就伴随着高强
度的电磁场，当超短超强激光与物质相互作用时，就可以利用激光在实验室中产生
神秘的等离子体态，称为激光等离子体（Laser Plasma）。
思考题：实验中采用的飞秒激光脉冲是单脉冲 1mJ，脉宽为 70fs，重复频率
为 1kHz，这样的激光可以产生多大的电场强度？这样的电场是否足以把电子电离
出来？
1961 年巴索夫提出利用高功率激光辐射加热稠密等离子体至热核聚变温度，
从而引发可控惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion, ICF）过程，这开创了激
光等离子体这门新的物理学科，从此开展有目的性的相关研究[10, 13]。 初的实验
研究在功率密度小于1010 W/cm2下进行的，目前人们正朝向超高强度（>1022W/cm2）
下激光等离子体的性质及应用的理论与实验研究。 例如，在欧洲，在 CPA 技术发
明人 G. Mourou 的推动下，正在启动一个庞大的超强激光设施（Extreme Light
Infrastructure，ELI）计划，可提供大于 1023W/ cm2 的功率密度，该计划以阿秒科
学、激光粒子加速器物理、光核物理、真空物理等极端条件基础物理问题为主要研
究方向。由于激光功率密度高，其产生的等离子密度远高于固体密度，激光等离子
体物理又称为高能量密度物理（High Energy Density Physics, HEDP）。
随着超短脉冲强激光技术的快速发展，目前超短脉冲强激光与物质相互作用
可以产生从太赫兹到 X 射线各个能段的电磁辐射，还可以用来产生超短脉冲的高
45
能电子束和离子束。与传统基于加速器装置产生的高能电子和辐射源相比，强激光
束产生的高能电子和辐射光源具有如下重要特征[14-16]：
（1）超强的加速电场：和传统加速器通常几十 MV/m 的加速梯度相比，等
离子体内电场的梯度将提高 3 个数量级，这将极大地减小加速器和辐射光源的尺
寸，形成紧凑型的台面装置。
（2）超短的时间尺度：在超短激光脉冲的激发下，这些高能电子和辐射源
将具有低至飞秒（10-15秒）甚至阿秒（10-18 秒）的时间尺度，可以提供比传统的
加速器和同步辐射源的时间分辨至少高 2 个数量级。
（3）高束流密度：无论是产生的电子束，还是辐射源，都具有极高的峰值
束流密度。譬如高能电子束流密度达到几十千安（所谓阿尔芬极限电流），超过
加速器 3 个数量级以上，因此可以提供与第三代同步辐射源峰值亮度相比拟的超
快 X 光辐射以及输出功率与自由电子激光相比拟的 THz 辐射。
（4）优秀的自准直性：在激光等离子体加速过程中，由于极强的自生磁场
的同步产生，伴随着高能电子的加速形成电子束的自准直或辐射的相干性，这在
实际应用中将不再需要外加的磁场对束流进行约束，将极大地简化装置、降低造
价。
（5）天然的共生性：在低密度等离子体电子加速和高密度等离子体离子加
速过程中，都可同时产生高能电子束、高能离子束、台面同步辐射光源和 THz 光
源等。这就克服了传统加速器和辐射源输出比较单一的缺点。
（6）极强的可调谐性：实验中只需要改变参与强激光与等离子体相互作用
的靶的形态和激光脉冲参数，就可以方便、快捷地获得不同种类和波段的高能电
子或辐射源。
激光等离子体的实验诊断主要分为两类：被动探测和主动探测[17]。
1. 被动探测：测量相互作用后的产物（如高能粒子和光谱发射）。
（1）通过对高能粒子的产生份额、空间角分布、能谱分布的测量，可以推
断激光等离子体相互作用的主要过程。涉及到的诊断设备主要有，记录粒子的强
度和角分布的 LiF 热释光探测器、IP 成像板、菲涅尔波带板、CR39 波片等；测
量粒子能量的各种谱仪如电子谱仪、离子谱仪、质子谱仪静电分析仪等。
（2）等离子体发射光的谐波诊断法，可以初步获等离子体的一些参数，判
断激光能量的吸收机制。涉及到的诊断设备有各种光谱仪、条纹相机、CCD 等。
系列实验二通过测量飞秒激光与气体相互作用后激光等离子体的发射光谱，
帮助同学们了解被动探测法。
2. 主动探测：探针法（探针一般为光，近年来发展了超短电子束和质子
束），测量激光等离子的演化过程，如激发态原子、分子或离子及其形成的电磁
场的寿命，以及快速弛豫过程的寿命，从而深入理解激光等离子体形成和演化的
基本动力学过程。
（1）激光探针法作为主动诊断方法，对等离子体的原有状态不产生影响，
可以通过分析探针光穿过等离子体后的强度、相位、偏振态的变化及散射等情
46
况，得到等离子体信息，从而推断各种参量不稳定、瑞利-泰勒不稳定性等的产
生。
阴影法[18]、纹影法[19]、Moire 偏折法[20]可以测等离子体整体形貌及
密度梯度。
干涉法可以得到电子密度[21]。干涉仪种类繁多，针对激光等离子体
具有空间尺度小、存在时间短以及具有高度不均 性等特点，常用
于实验诊断的有双光束干涉仪、Nomarski 偏振干涉仪和全息干涉
仪。
（2）Thomson 散射：是另外一种主动的光学探针法，测量等离子体中的带
电粒子在探针光电磁场作用下发生的再辐射[22]。
（3）超短高能带电粒子束诊断法[23-26]： 近几年，人们提出用高能质子束
诊断等离子体，初步给出惯性约束聚变中压缩靶丸内部的结构，在激光等离子体
作用临界面附近的精细诊断仍很困难。超短高能电子束，由于其对电磁场变化的
敏感性，可用于探测激光等离子体瞬态电磁场的产生机制。
主动探测法一般基于泵浦-探测技术，实验一通过对反射率变化（即反射光
强度的改变）的超高时间分辨测量帮助同学们理解这一方法。
4.4. 超快科学
反映物质世界表象的 本质的过程发生在分子和原子内部，其相应的时间尺
度在皮秒（10-12 秒，picosecond，ps）、飞秒（10-15 秒，femtosecond，fs）甚至阿
秒（10-18 秒，attosecond，as）量级，因此被称为超快过程（Ultrafast process）。原
子核内振动的时间尺度则更短。早在二十多年前，科学界就认识到，如果在皮秒至
飞秒时间尺度下能得到物质的结构信息，将会对我们理解物理、化学和生物系统具
有极大的意义[27-29]。随着超短超强激光技术的发展，人们对物质世界的研究获得了
前所未有的新手段。
我们都知道，要测量一个动态过程量，就必须要达到比这个量本身更小的分辨
率，也就是说，能够分辨的 小时间间隔t 必须小于所研究过程的时间尺度 T。例
如要看到子弹出膛的瞬间，就需要精确到毫秒量级的高速相机。人们对于时间精度
的掌控取决于所用材料的限制，机械控制的高速快门可达到一毫秒甚至几百微秒，
而电子仪器的时间响应能达到几纳秒，但是比纳秒更短的时间呢？
飞秒脉冲的持续时间是如此之短，所触发的部分过程的时间尺度在飞秒至皮
秒量级，以至于没有任何电子器件可以直接探测如此快速的变化过程。对于皮秒至
飞秒的动态过程， 常用的是泵浦-探测技术（pump-probe technique），它被用来
观测物质内部的超快动力学。利用超快科学技术进行超快探测的原理是将时间分
辨率的测量转化为空间分辨率的测量。如今的步进电机已经可以精确到微米量级，
因此只要在空间上控制步进电机，就可以不借助超快光电器件而达到飞秒量级的
时间分辨率。
在泵浦-探测技术中，超短激光经过一个分束镜分成两束光，一束较强，作为
泵浦光，另一束较弱，作为探测光（泵浦和探测光同源，因此具有天然的同步性）。
首先，泵浦光打到样品的表面，使其激发到非平衡态，然后，样品逐渐弛豫，直到
47
达到一个新的平衡态。这整个弛豫过程虽然很快，但可以通过向样品发出探测光来
进行检测，记录被激发后样品的瞬时状态。通过控制延时平移台，可以调节两束光
的相对时间延迟 ∆t，这样就可以获得样品激发态随时间演化的函数。泵浦-探测技
术将在 5.2.中详细介绍。
泵浦探测技术[30]中泵浦和探测并不仅仅局限于光，作为泵浦源可以是 THz，
X 射线等，而作为探测源的也可以是电子，质子，X 射线等。近十几年来，作为
探针的电子和 X 射线得到了巨大的发展，超强光场驱动的高能粒子束和辐射源都
可以在超快探测中找到其潜在的应用。这种基于超快激光的粒子和辐射源兼具超
高时间和空间分辨能力，改变了传统的“静态”研究模式，可以在原子时空尺度
上（百飞秒和亚毫埃量级）直接观测物质结构的“动态”变化。以超快电子衍射
为例，可以用于探测金属或半导体在极端条件下的各种超快过程和结构变化，例
如多伦多大学 Miller 组用于研究晶体铝在飞秒激光脉冲作用下的超快固液相变过
程[31, 32]；佛罗里达州立大学 Cao 组则利用其在室温下测量电子的 Grüneisen 常
数，而传统方法测量该常数需要在几十 K 的低温条件下进行[33, 34]。超快电子衍射
还适用于研究对象如生物样品的无损探测，其装置体积小、成本低、结构紧凑，
特别适合高校开展前沿的超快科学技术研究。
另一方面，超快结构动力学的“复合”研究概念也在逐步形成，即同时利用
超快电子、X 射线、太赫兹波甚至中子源对物质变化进行多方位探测。这种“复
合”研究的方式克服了传统“单一”探测模式样品及测量范围局限性大等缺点；
各种超快探测方式互相补充，相互印证。如超快电子衍射可用于超薄膜动力学研
究和表面分析[35]，而超快 X 射线衍射适用于研究较厚膜和固体深层动态结构变
化。超快电子衍射技术由于其散射截面是 X 射线的百万倍，特别适合气体分子和
电荷密度分布等领域的研究，如加州理工学院 Zewail 组用于研究 CH2I2中 C-I 键
的断裂过程以及化学反应过程中非辐射的“暗结构”[36, 37]。而超快 X 射线散射和
吸收光谱可用于研究液态中生物和化学反应中瞬态结构、化学价态和配位数变化
等信息并以此研究反应机理。这些超快探测手段将结构动力学研究带入原子空间
和飞秒时间尺度，开启了分子动力学多方位超快动态研究的新领域。
图 4‐1 超快电子衍射装置
48
4.5. 参考文献
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51
第五章 系列实验一：超快热反射率研究
5.1. 飞秒激光与金属相互作用
光的反射是大家非常熟悉的一个物理概念，反射率从微观上大致可以这样解
释，粒子系统中存在不同的能级系统，在光入射到粒子中时，能级中电子会吸收
光子然后又跃迁回刚才的能级释放光子。
任何物质都有其反射率，课本上所呈现的物质反射率大多都是一个常数，这
些常数都是在一定条件下满足的，比如温度、压强、光特定波长等。根据测定的
反射率，可以通过 Fresnel function 计算物质的折射率和电解质常数等物质本身的
性质，推断第一性原理能态结构甚至电子自旋等。而这特定的条件就是我们实验
的一个研究手段。实验中，我们通过 800nm 飞秒激光激发样品表面，实际上就是
改变样品的表面温度（平衡后温度变化几十 K 左右），而样品表面温度能量的传
递是一个非常快的过程，大概在皮秒量级，需要具有亚皮秒量级时间分辨能力的
探测系统，这是我们采用飞秒泵浦-探测技术的原因。而飞秒激光的出现使这些研
究成为可能。
在本实验中，样品是金属薄膜，其物理状态可以用其表面的瞬态热反射率来
表征，由此可以研究超快热动力学过程。在飞秒时域内，金属中电子温度和晶格
温度非平衡状态已经非常显著了，利用飞秒泵浦-探测技术研究金属薄膜的超快动
力学过程和非平衡热传导，可以推动微观尺度热物理的发展，也在激光微加工与
镀膜等应用技术领域有着现实意义。
微观非平衡热输运过程的理论研究在 1950 年代就开始了，Kaganov 等人
早给出了非平衡热输运过程的理论解释，发现在电子和晶格系统中存在能量交换，
两者之间会出现非平衡热现象，并对电子-声子耦合系数进行了理论推导[1]。1974
年，Anisimov 等人改进了 Kaganov 的理论，预测了在超短脉冲激光加热金属时，
非平衡热输运过程的发生条件，提出了双温度模型（TTM）[2]。他们假设：金属在
超短脉冲激光辐照时存在非平衡热输运过程，金属内存在电子和晶格两个温度体
系。在非平衡热输运过程中，金属中的自由电子先吸收激光能量，然后通过电子-
声子耦合作用将能量传递给晶格，同时电子和晶格以扩散的方式将能量从表面传
递到金属材料的更深入的地方。1987 年，Allen 基于以上理论推导出了电子-声子
耦合系数计算公式，奠定了非平衡热传递的理论基础[3]。1990 年，Brorson 等人测
量了多种金属中的电子-声子耦合系数，证明了由 Eesley 提出的 FTTR 技术可以
用来测量金属和超导体中的电子-声子耦合系数的计算公式，首次通过实验方法验
证了理论值[4]。
飞秒激光与金属[5-8]或半导体[9]材料相互作用，能量传递大致总结为以下过程：
光子-电子相互作用：激光与样品表面的电子相互作用，金属中的表层
电子（价电子）首先吸收激光能量并温度急剧上升，形成超热电子，
时间尺度为激光脉冲宽度量级；
52
电子-电子相互作用：超热电子向样品内部传播与其他冷电子相互作
用，形成热电子，使得金属中的全部自由电子达到热平衡状态，时间
尺度在百飞秒量级；此时晶格还处于未扰状态，即电子与晶格处于不
同的温度状态，可使用双温度模型进行描述。
电子-声子相互作用：通过电子-声子耦合，热电子又将能量传递给晶
格（样品为金属），使晶格温度升高， 终二者达到热平衡状态，电
子-声子耦合过程的时间通常为皮秒量级，这个时间尺度在我们所要
研究的范围内。
样品-环境相互作用：随后样品与环境交换能量温度降低，回到初始状
态。
金属薄膜在泵浦光的激发下，电子温度和晶格温度变化，引起薄膜表面反射率
R 改变。变化关系为∆R a∆T b∆T，这样就可以通过测量表面反射率而反推
出电子温度和晶格温度的变化，进一步利用双温度模型可以得到薄膜样品内能量
传递过程和晶格动力学过程。
思考题：
1. 金膜在被 800 纳米激光泵浦后，反射率会升高或降低？为什么？
2. 激光与样品相互作用后，为什么光子把能量传递给电子而不是晶格？
5.2. 泵浦探测技术
人类的感觉器官所能直接认知的范围是十分有限的，当时间尺度再短一些，
单凭人类的感觉器官已经无法分辨出其中所蕴含的信息了。随着人类的进步和科
技的发展，我们发明了大量的先进仪器和方法，这不仅扩展了人类自身感觉器官
的认知和能力范围，也使得人类和其他动物有了根本性的区别。1877 年，
Eadweard 等人利用频闪照相术终于第一次使得人类“看”清楚了马蹄的运动过
程。这一工具的发明使得人类可以直接认知的时间尺度扩展到了毫秒量级。不
过，当我们希望了解更短时间尺度内的信息时，比如飞秒或是皮秒量级的时间尺
度，就必须得发展新的工具和方法了，我们这里要介绍的就是其中比较有代表性
的一类技术——泵浦探测技术（Pump-probe technique）。
关键词：泵浦脉冲、探测脉
冲、时间延迟线、时间零
点、空间重合、时间重合
图 5-1 来源：维基百科
53
泵浦探测技术的基本原理如下：首先，在某一时刻将样品泵浦（通常使用激
光脉冲）到某一激发态，然后，在不同的时刻利用探针与样品相互作用并使用探
测设备记录下来，这样，即可记录下样品经过激发后的动力学过程。利用不同的
泵浦和探测组合，可以进行各种各样的泵浦探测实验，如：光泵浦-光探测、光泵
浦-电子探测、光泵浦-X 射线探测、光泵浦-THz 探测、X 射线泵浦-光探测、THz
泵浦-光探测等。这些不同的泵浦和探测的组合虽然可以用于研究多种多样具有不
同特点的问题，但他们的基本原理都是一样的，只是使用了不同的泵浦-探测组合
而已，在本系列实验中，我们要使用的是基于飞秒光泵浦-光探测的实验方法。
上图是泵浦探测技术的示意图：泵浦脉冲（可以是激光，也可以是 THz 等其
他方式）的主要目的是用于激发样品的某一超快过程并设定时间零点 t0。探测脉
冲（可以使用激光，也可以使用电子或 X 射线等其他方式）则在相对于时间零点
t0之后的其他若干延迟时刻（如图中 t1-t3）对样品进行拍照，并利用探测器将每
一延迟时刻的信息记录下来。这些延迟时刻是利用光程差来实现的。在光泵浦光
探测的情形下，泵浦光和探测光的光程每相差 1 微米，他们在时间上的先后顺序
就相差 3.3fs. 因此，选择合适的光路延迟，就可以获取相应的若干延迟时刻的样
品信息，简单来说，就是用空间换时间。
严格上讲，时间零点是指泵浦脉冲和探针脉冲同时到达样品区域的那一刻，
然而，这一刻通常是无法真正精确确定的。在实际实验中使用的时间零点是这样
确定的：当泵浦脉冲和探测脉冲在空间上重合后（即探测脉冲所探测的样品区域
一定是在泵浦脉冲所泵浦的样品区域以内），再粗略调整延迟线找到泵浦脉冲和
探测脉冲时间重合的大概位置（时间重合是指泵浦脉冲和探测脉冲同时到达样品
区域，对光泵浦-光探测实验而言就是使得泵浦脉冲和探测脉冲所走的路程相
同，对于光泵浦-电子探测的实验则不然，为什么？），然后，在此位置前后利
用探针脉冲采集一系列数据，进行分析和比对后，找到实验现象（数据）开始发
生变化的那一时刻并将其选定为时间零点，比如：在超快光阴影成像实验中，泵
浦光击穿空气产生等离子体，前后调整时间延迟线，当探针光拍摄到的照片上开
始出现等离子体痕迹的时刻即为时间零点。时间零点选定以后，所有的延迟时刻
均是相对于这一位置而言的。
在每一个延迟时刻泵浦脉冲和探测脉冲都是成对出现的。如果泵浦脉冲激发
的是一个可逆过程（比如：金属反射率的变化），那么，可以在某一个延迟时刻
利用探针光重复采集大量的图样进行叠加，从而提高该延迟时刻的数据信噪比，
图 5‐2 来源：Professor
Jianming Cao, Florida State
University
54
使其符合进行数据分析的要求，这一类型的实验方法在诸多问题中都得到了大量
的应用。如果泵浦脉冲激发的是一个不可逆的过程，即进行单发的泵浦探测实
验，则每一发泵浦后都需要更新样品或泵浦区域。
泵浦探测实验是一种时间分辨率极高的实验方法，其时间分辨率主要由泵浦
脉冲和探针脉冲的脉冲宽度所决定，因此，使用飞秒激光泵浦-飞秒激光探测的实
验可以很容易达到百飞秒量级的时间分辨率。当使用不同的泵浦-探测组合时，有
时还需要考虑泵浦脉冲和探测脉冲在样品中的传播速度不一致所导致的速度失配
问题，这将引起的时间分辨率的下降，如光泵浦-电子探测实验。同时，泵浦脉冲
和探针脉冲在趋近样品区域时的几何构形（如二者的光路共线或有一定夹角等）
也会对时间分辨率有一定的影响。
下面是结合系列实验，向大家提出的几个思考题：
1. 在研究可逆过程的实验中，通常在同一时间延迟时刻利用很多发探测脉
冲进行积累以提高信噪比，因此，激光器的重复频率越高就越能尽快地
采集到符合信噪比要求的数据。那么，是不是激光脉冲的重复频率越高
就越好？为什么？
2. 照相机的快门通常在毫秒量级，因此，照相机可以捕捉到速度比毫秒慢
的过程，否则就会引起拍摄主体（比如正在快速运动的运动员）的模
糊。在光阴影成像实验中，我们同样使用了一个光电耦合照相机
（Charge couple device，CCD）对泵浦激光激发的等离子体进行拍照，
快门时间（积分时间）绝对远大于几个毫秒，却为什么可以拍出来反应
皮秒甚至飞秒量级内的过程？
3. 超快热反射率实验中，探测器所反映出的噪声主要来自于哪些方面？激
光等离子体光阴影成像中，CCD 所拍摄图像上的噪声又主要来自于哪些
方面？
4. 在本系列实验中，泵浦和探测都使用的是超短脉冲，那么，使用连续光
或辐射源是否也可以做泵浦探测实验？为什么要使用超短脉冲（飞秒脉
冲）？
5.3. 实验内容
（一）实验准备
完成基本的激光安全培训与实验室使用用户须知
对实验中所涉及到的基本仪器有一定的了解
对本次实验的理论有一定的掌握
查找预习光学实验基本元件的调节方法
（二）实验装置
实验室已经搭建了超快热反射率的光泵浦-光探测测量系统，该系统建立于大
气环境中，操作方便。实验中所用激光光源中心波长为 800nm，重复频率 1000Hz，
脉冲宽度 70-100fs，采用典型的泵浦-探测光路。
55
在本实验中，由激光器发射出的飞秒脉冲，被 7:3 分束镜分成两束，较强的
一束作为泵浦光，经过延时平移台后激发样品的动力学过程；较弱的一束作为探
测光探测样品表面反射率的变化。时间分辨探测是通过平移台改变泵浦光光程来
实现泵浦光与探测光到达样品的时间差来实现不同时刻的测量。为实现整个时间
尺度（1ns 左右）的探测，我们需要移动平移台 150mm 来完成测量。
本实验中，将研究飞秒激光脉冲与铝纳米薄膜相互作用后的超快动力学过程[10, 11]，泵浦脉冲与探测脉冲均为 800nm。二分之一波片配合线性偏振棱镜（PBS）
用于调节泵浦光能量，不同泵浦光能量，激光泵浦样品的程度也是不一样的。
（三）实验步骤
1.首先调节探测光聚焦与样品之间的距离。使探测光的焦点处于样品表面，
注意探测光强度不能太大，否则将打坏样品表面。
2.调节泵浦光的聚焦镜位置，使泵浦光光斑能量和大小合适。
3.调节泵浦光与探测光的空间重合。
4.调节探测光进入光探测器，通过示波器查看光探测器输出强度，调节探测
光强度使输出值在 1V 左右。
5. （如有需要）打开斩波器与锁相放大器，连接好各 BNC 线。
6.移动平移台，寻找时间零点。
7.进行整个平移台量程的时间段扫描，多次测量，记录数据。
（四）数据分析
图 5‐3 实验光路图
56
对于入射强度为 Ii 的探测光，经过样品反射后，被光电探测器接收并转化为
电压信号。光电探测器得到的信号包括三个方面：Ir（反射光的强度）， Ib（背
景杂散光），In（噪声，由光电探测器的不稳定性引起）。通过遮挡探测光，但
保留泵浦光，可以测量 Ib 与 In的总和。假设在时间零点之前和之后，反射光的强
度分别为 Ir与 Ir’， 只要将两者相减就可以得到我们需要的 Is（信号光），这里
信号光的含义是在泵浦光激发样品后，样品表面反射率改变所引起的反射强度的
改变量。
反射率：
瞬态反射率变化：Δ
瞬态反射率变化率：
5.4. 实验仪器
（一）离子溅射镀膜机
这个古老的离子溅射镀膜机可以在衬底上镀金膜，千万不要小看了这些比你
年纪还要大的老设备，很多时候他们都是品质、严谨、坚固和历史的代名词。是
实验一的配套设备。
使用手册下载（http://llp.sjtu.edu.cn/courses/elp/wp-content/uploads/2012/08/IB-
3-Manual.pdf）
图 5‐4 镀膜机
57
（二）锁相放大器
利用锁相放大器可以将淹没在噪声中的有用信号提取出来。是实验一的配套
设备。
使用手册下载（http://www.signalrecovery.com/download/197852-A-MNL-
C.pdf）
（三）斩波器
可以将重复频率为千赫兹的激光脉冲序列斩成其他重复率（如 500Hz
等）。是实验一的配套设备。
图 5‐5 锁相放大器
图 5‐6 斩波器
58
使用手册下载（http://www.signalrecovery.com/download/190508-A-MNL-
B.pdf）
5.5. 实验讨论
讨论部分需要同学在所掌握的知识下发挥自己的想象力和能动性，并通过查
阅文献得到验证。在此只是抛砖引玉，提出几个问题供实验预习：
1.所得到的反射率随时间变化曲线，时间零点之前是什么意思？ 曲线变化各
段的意义？其变化所持续的时间尺度又有什么含义？
2.前面提到过，反射率由多个条件决定，比如假设我们改变波长，泵浦波
长？探测波长？ 会有什么后果？
3.样品都有一个损伤阈值，在低于此阈值下，泵浦能量对现象是怎样的影响
呢？
4. 自行查阅铝的反射率曲线。在 800nm 附近，铝的反射率有较大的变化，
为什么？
5.不同金属样品（如铝、金、银等），800nm 激光泵浦后，样品对 800nm 探
测光的反射率改变趋势是否一致？不一致，又是为什么？
通过思考希望能有更多的实验想法。其他供实验前后思考和准备的问题如
下：
问题类型 问题内容
激光参数 Q1：出光口处的激光强度是多大？（单位：W/cm2）
Q2: 激光脉冲的波长、谱宽、脉冲宽度、能量、光斑大小是多少？
实验目的
Q1：什么是泵浦‐探测技术？
Q2：为什么要探测金属膜的超快热反射率变化？
Q3：泵浦‐探测技术有哪些应用？
实验现象
Q1: 为什么激光太强，铝膜会被打坏？ 打坏时表现为什么？“打
坏”时发生什么物理过程？
Q2：为什么打坏的区域不能作为样品区域？
Q3：激光与金属相互作用，电子被激发是否可认为是瞬时的？
Q4：铝膜在被 800 纳米激光泵浦后，反射率会升高或降低为什
么？
Q5：光电探测器读取的是什么信号？
Q6：我们将观测到什么样的突变信号？
Q7：为什么本实验中要求探测的过程是可重复的？如何从实验现
象和数据上判断获得的信号是可重复的？
实验原理
实验讨论
Q1：什么是“时间零点”？
Q2：金属膜的反射率为什么会发生变化？
Q3：800 纳米（1.55 电子伏特）进行泵浦为什么会引起铝膜的反
射率变化？
Q4：为什么要如此精确地进行探测？
Q5：光电探测器的工作原理是什么？光电探头将光信号转化为电
压信号的是响应曲线是线性的吗？
表 5‐1 思考题
59
Q6：为什么泵浦‐探测技术要强调两者的同步？在这个实验中，我
们是如何实现两者的同步？
Q7：既然说光电效应发生的尺度很短，在飞秒量级，为什么光电
探测器中光电信号的转化过程是纳秒量级的？
Q8：噪声的来源分别有哪些来源？哪些可以减小甚至消除？哪些
噪声会和信号一起被放大？
Q9：泵浦‐探测实验的时间分辨率是由哪些因素决定的？本实验
可达到的 小时间分辨率是不是由平移台的精度决定的？
Q10：数据处理时，是否需要将电压信号再转化为光强？
实验操作
Q1：什么是伺服镜系统？为什么要采用伺服镜系统而不用一个反
射镜将激光导入光路？如何利用伺服镜系统调整光路？
Q2：如何既“快”又“准”地寻找“时间零点”？
Q3：泵浦和探测的时序有什么要求？实验上如何满足这样的要
求？
Q4：为什么在实验前，要先测量泵浦和探测的光程？
Q5：如何通过延迟平移台实现泵浦/探测的时间差？
Q6：可以探测的 长延迟时间是多少？
Q7：如何确认泵浦与探测同时到达样品？
Q8：助教希望我们培养和仪器设备的感情，为什么又要求我们不
要对着光学元件说话呢？
Q9：请介绍搭建光路的基本步骤。
Q10：为什么要使用精密的光学延迟台？
Q11：在光路中，如何区分哪一路是探测，哪一路是泵浦？
Q12：为什么要求泵浦和探测在空间上重合？在哪里它们必须重
合？
Q13：泵浦和探测光斑的大小有什么讲究？为什么探测光的聚焦
要小？
Q14：为什么在光路中要加入光阑？如何保证光是沿着预定的路
线前进的？
Q15：改变激光能量的方法有哪些？
Q19：为什么要将探测光斑调节至肉眼可以分辨，但不太亮？如
何用可变衰减片调节探测光能量？
Q20：为什么要用塑料套罩住光学元件？
Q21：为什么分光后用 70%的能量作为泵浦光？而 30%的能量作
为探测光？
Q22：为什么要求探测光要弱？
Q23：如何选择采样密度？（光程改变的密度）
Q24：如何确定测量次数？
续表 5‐1
60
5.6. 实验安排
本实验分两次课进行。
课次 时长 内容
第一次 约 5 小时
包括：（计划在一个上午或者一个下午完成。）
1. 激光安全培训及实验原理与技术讲解，约 3 小时
2. 学生操作实践练习，约 2 小时
注：本节课不使用主激光器。
第二次 约 7 小时
包括：（计划在一天内完成）
1. 上午：调节光路并寻找时间零点，约 3 小时。
2. 下午：采集多组数据并现场简单处理，约 4 小时。
注：本节课将使用主激光器，此前要求学生必须通过激
光安全考核，否则实验内容延后。
课后 要求学生以小组为单位，在课后进行讨论，并将讨论内
容与心得写在实验记录本上面。
5.7. 选做实验
5.7.1. 选做实验一：信噪比实验
当实验中反射率的变化率较小时，10-4-10-3，我们需要采用以下技术来消除
背景及噪声对实验精度的影响，提高实验的信噪比：
锁相放大技术：通过锁相放大技术将微弱信号从强的背景噪声中提
取出来。另外通过引入恒定不变的背景光作为参考光增加锁模精
度。
改变偏振方向：通过改变泵浦光和探测光的不同偏振方向来消除泵
浦光所带来的无规律杂散光的影响，提高信噪比。
泵浦光通过斩波器，在 340Hz 的频率下被调制，斩波器将连续的泵浦光斩成
占空比为 1:1 的断续方波信号，并作为参考信号输入到锁相放大器中进行积分。实
验中，反射率的改变量在 0.1%量级信号改变非常小。这是我们采用锁相放大器的
原因。锁相放大器与斩波器配合使用，首先斩波器将泵浦光调制成某一特性频率的
光，再激发样品，这样探测光探测样品被激发的区域后就含有这个特定频率的信
号，通过锁相放大器就可以把这微弱的信号放大输出。
如果我们在实验中不用斩波器频率，而直接用激光器频率锁膜得到反射率变
化如图 5-7 黑线所示，通过斩波器 340Hz 锁相后，反射率变化如蓝色所示可以看
出两者在相同泵浦强度下，变化趋势没有太大改变而经过锁相放大器 340Hz 锁模
后，信噪比得到了显著提高，铝薄膜中的相干声子振荡过程可以清晰得到反映。
表 5‐2 实验安排
61
0 10 20 30 40 501.470
1.475
1.480
1.485
1.490
1.495
1.500
A
bso
lute
R /
mv
Time Delay /ps
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
0.045
0.050
Relative R
/mv
with 1000 Hz pump beam and 1000 Hz probe beam with 340 Hz pump beam and 1000 Hz probe beam
另外由于在时间零点之前，探测光并不含有 340Hz 频率的信号，这样锁相放
大器不能在时间零点之前锁模，为此我们从泵浦光引入强度几乎不变的参考光，
强制锁相放大器锁模，这样实现时间零点的寻找。这其实给信号一定稳定强度的
背景。
-5 0 5 10 15 20 25-5
0
5
10
15
20
25
30
35
(
v)
Delay time (ps)
25.3 33 43.5 53.3 57.2
scattering intensity(v)
scattering intensity VS signal
-5 0 5 10 15 20 25-5
0
5
10
15
20
25
30
I (v
)
Delay Time (ps)
41.4 64.5 90.3 103 153 164 (v)
Reference Intensity
reference intensity VS signal
锁相放大器测得的数值强度包含以下几个部分：
图 5‐7 信噪比对比图
图 5‐8 散射光与参照光对信
号的影响
62
0
' ' ' ' '
0
r p s
r p s
I I I I N
I I I I N
其中I 为参照光，I 为泵浦光杂散光，I 为所需的信号光，N 为噪声。在时间
零点前后，I I ,I I 0,N N N 0 。但在此还需验证参照光与泵浦光
杂散光对信号强度的影响。如图 X，可以看出，在不改变探测光和泵浦光强度
下，改变散射光的强度和改变参照光强度对实验的结果影响很小。
思考题：
1．为什么不用示波器直接读取光电探测器的信号？锁相放大器的工作原理
是什么？锁相放大器输出的是什么信号？
2．为什么要使用锁相放大器？锁相放大器与斩波器是如何配合使用的。
3．激光脉冲是 1000Hz 的，为什么将斩波器设置为 220Hz 或 340Hz？设为
500Hz 可以吗？
4．斩波器的功能是什么呢？是不是反射率开始发生变化的时候开始斩断光
路？
5．斩波器为什么不放在分光镜之前呢？
6．斩波器为什么放在泵浦光路中？可以放在探测光路中吗？
7．如何改变探测光的偏振方向？偏振方向与信噪比的提高有何联系？
8．如何消除探测光不稳定性对反射率变化测量的影响？
9．为什么会观测到振荡信号？
5.7.2. 选做实验二：金薄膜的超快动力学研究
金是贵金属中的典型，飞秒激光与金相互作用后的动力学过程一般可作为双
温度模型的典型范例。本实验将制备并观测 20nm 厚金膜在 800nm 泵浦-800nm 探
测下反射率的变化，研究了电子温度与晶格温度的弛豫过程。
实验内容包括：
图 5‐9 多晶金样品的电子显
微镜照片
63
1. 样品制备及表征：样品是通过离子溅射在 1mm 厚的白宝石表面上制备的
20nm 厚金膜，在 TEM 下观测，金膜成纳米颗粒状，分布比较均 。
0 100 200 300 400 500 600 700-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
R/R
(10
-3)
Delay Time (ps)
0 10 20 30-6
-4
-2
0
=6.2ps
2. 光泵浦-光探测实验：分别测量无镀膜以及镀金膜白宝石超快热反射率变
化。
典型实验结果：金膜在受到 800nm 飞秒激光泵浦后，800nm 反射率变化如图
四所示。反射率在 1ps 内快速下降，这是电子与电子相互作用过程；而随后经过
6.2ps 恢复到一平衡状态，这个过程是电子声子相互耦合的过程。在空气中经过
500ps，金晶格中的能量耗散到环境（衬底、空气）中去，反射率恢复到泵浦前
的状态。20nm 厚金膜对 800nm 激光有部分穿透，但在保持实验条件不变，测量
无镀膜白宝石反射率变化的空白实验中未观测到相应的现象，表明该反射率变化
是飞秒激光与金膜相互作用的结果。实验中观测到 1ps，12ps，23.3ps 三处的反
射率下降，间隔约 11ps，这是由于激光穿透金膜到达衬底的白宝石，通过白宝石
后表面发生了部分反射再次加热了金膜。白宝石在 800nm 光入射时折射率为
1.76，光来回两次通过蓝宝石厚度后加热金膜，计算得时间为 11.7ps，和实验中
的 11ps 吻合。该实验进一步证明了每次泵浦是相对独立的过程，反射率变化主
要是由于电子温度影响，这和 J. Hohlfeld 二次泵浦得到的结果类似。
实验初步结论：实验表明金的反射率下降主要是由电子的温度升高引起，电
子/电子、电子/声子相互作用和金晶格能量耗散的特征时间分别为 1ps, 6.2ps 和
500ps。
其他建议：某些样品在空气中容易发生氧化或其他变质老化过程，建议搭建
适用于真空环境下操作的超快热反射率的光泵浦-光探测测量系统。
图 5‐10 测量长时间金薄膜
反射率的变化
64
5.8.参考文献
1. Kaganov, M., I. Lifshitz, and L. Tanatarov, Relaxation between
electrons and the crystalline lattice. Sov. Phys. JETP, 1957. 4, 173.
2. Anisimov, S., B. Kapeliovich, and T. Perel’Man, Electron emission from
metal surfaces exposed to ultrashort laser pulses. Zh. Eksp. Teor. Fiz, 1974. 66,
375.
3. Allen, P.B., Theory of thermal relaxation of electrons in metals.
Physical Review Letters, 1987. 59, 1460.
4. Brorson, S., A. Kazeroonian, J. Moodera, D. Face, T. Cheng, E. Ippen,
M. Dresselhaus, and G. Dresselhaus, Femtosecond room‐temperature
measurement of the electron‐phonon coupling constant γ in metallic
superconductors. Physical Review Letters, 1990. 64, 2172.
5. Richardson, C.J.K. and J.B. Spicer, Short‐time thermoelastic
contributions to picosecond‐time scale reflectivity measurements of metals.
Applied Physics Letters, 2002. 80, 2895.
6. Wang, X.Y. and M.C. Downer, Femtosecond time‐resolved reflectivity
of hydrodynamically expanding metal surfaces. Opt. Lett., 1992. 17, 1450.
7. Garl, T., E.G. Gamaly, D. Boschetto, A.V. Rode, B. Luther‐Davies, and A.
Rousse, Birth and decay of coherent optical phonons in femtosecond‐laser‐excited
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8. Hohlfeld, J., S.S. Wellershoff, J. Gudde, U. Conrad, V. Jahnke, and E.
Matthias, Electron and lattice dynamics following optical excitation of metals.
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9. Shank, C.V., R. Yen, and C. Hirlimann, Time‐Resolved Reflectivity
Measurements of Femtosecond‐Optical‐Pulse‐Induced Phase Transitions in Silicon.
Physical Review Letters, 1983. 50, 454.
10. Guo, C., G. Rodriguez, A. Lobad, and A.J. Taylor, Structural phase
transition of aluminum induced by electronic excitation. Physical Review Letters,
2000. 84, 4493.
11. Kandyla, M., T. Shih, and E. Mazur, Femtosecond dynamics of the
laser‐induced solid‐to‐liquid phase transition in aluminum. Physical Review B,
2007. 75, 214107.
65
第六章 系列实验二：飞秒激光空气成丝
6.1. 飞秒激光空气成丝现象
当激光的功率达到一定的阈值时，飞秒激光在光学介质中传输会产生一种独
特的非线性光学现象，即成丝现象。飞秒激光脉冲在大气中可实现超过光束瑞利
长度很多倍的长距离传输， 这是因为自聚焦效应和电离空气后产生的等离子体
带来的散焦效应共同作用而达到一种动态平衡， 使得飞秒激光脉冲在空气中形
成很长的、较为稳定的激光通道。飞秒脉冲在惰性气体或者凝聚态物质中传输时
也会发生相应的成丝现象。
飞秒激光在空气中传输时，由于空气的光克尔效应而发生自聚焦现象。所谓
光克尔效应是指空气的折射率随入射光强而变化，这是一种三阶的非线性效应。
此时空气折射率随激光强度变化的分布为：
其中 n 为空气的折射率，n0为线性折射率，n2 为折射率随光强的变化系
数，I 为激光强度。详情可以参见[1, 2]。
对于空气 n2 > 0。假设激光光束截面的强度分布为高斯型，那么光束中心的
折射率要高于边缘部分， 此时空气对入射光束呈现正透镜效果。当激光的功率
超过空气中的自聚焦阈值功率 Pcr(一般为几个 GW)时，光束就会发生自聚焦现
象。随着光束直径的减小，光强度增强，当光束中的光强度达到 1013-1014W / cm2
时会导致空气的电离，从而产生大量的等离子体[3, 4]。
由等离子体带来的折射率的变化为
其中 ω0为激光脉冲的中心频率，e 和 me 分别为电子的电量和质量，Ne 为
电子密度。由上面的公式可以看出，等离子体的产生使折射率减小。因此对于激
光光束来说，光强度较高的部分所产生的等离子体的密度较高，相应的折射率较
小。由此可见，等离子体对激光光束具有散焦作用[5]。
当自聚焦效应与等离子体散焦以及光束衍射作用达到一种动态平衡的时候，
飞秒激光便会在空气中形成很长的、较为稳定的激光通道，可称之为光丝。通道
内电子密度可达 1016～1018 cm-3，激光强度 大为 1014 W / cm2，典型的光丝直径
为 80～120μm。
关于飞秒激光脉冲在空气中成丝的动态过程的描述有不同的解释，其中 早
提出的是移动焦点模型，其原理如图 6-1 所示，图中横坐标为时间，纵坐标 Pin/Pcr
为入射光功率与自聚焦临界功率阀值的比值，z 为焦点出现的位置。如图所示，
时间范围 tA～tD内的激光脉冲(Pin/Pcr>l )均可在空气中发生自聚焦，且不同功率部
分经自聚焦后所形成的焦点位置也不相同，功率越高，聚焦距离越短。同时，不
同功率部分所对应的时刻并不相同，所以介质中首先观测到的焦点(图中 B 点)并
66
不是由脉冲的峰值处(tc)产生，而是脉冲前沿的 tB处经自聚焦后产生的。焦点 B
产生后分裂为两个，其中一个以高于光速的速度向前运动，其距离随时间的变化
曲线为 BA，该部分的焦点对应入射脉冲的 tA～tB部分；另一个焦点先向后运
动，对应距离随时间变化曲线为肮以及入射脉冲的 tB～tc部分，在达到 小距离
C(对应脉冲峰值 tc)后又向前运动，其距离随时间的变化曲线为 CD，对应入射脉
冲的 tc～tD 部分。当 z→∞时，U 形曲线的两个分支的斜率都趋近于光速。需要指
出的是，U 形曲线的一只 BA 在 B 点附近的斜率会出现大于光速的情况，但这并
不违背狭义相对论，因为不同时刻的焦点实际上起源于输入脉冲的不同部位的自
聚焦。
用以描述飞秒激光脉冲在空气中成丝的动态过程的另一种比较直观的模型
是”slice-by-slice self-focusing” 模型，该模型是在移动焦点模型的基础上发展起来
的，其原理如图 6-2 所示。图中横坐标为激光脉冲传输距离，纵坐标为光功率与
自聚焦的临界功率阀值的比值。如图所示，沿传输方向将飞秒激光脉冲分为若干
光片， 对于光功率 P/Pcr>1 的光片均可在空气中发生自居焦效应。每一个光片到
达自聚焦焦点处的距离 Zf可用公式进行计算：
其中 k 为脉冲中心波长对应的波数，α0为光束截面半径(峰值的 1/ e 处全宽
度)，P 每一个光片对应的光功率，Pcr为空气中自聚焦的临界功率阀值，其具体数
值可以利用下式计算：
其中也为飞秒激光脉冲对应的中心波长，n0为空气的线性折射率，n2为折射
率随光强的变化系数。
图 6‐1 移动焦点模型
67
根据公式可知，具有不同光功率的光片经自聚焦后形成焦点的距离是不同
的，且焦点的距离随功率的增加而减小。不同的焦点之间就可以形成光丝。
由于在实验上测得的光丝能量只占激光能量的一小部分，上述模型的解释很
好的符合这一结果。但这一模型无法解释光丝在几何焦点后的传输，主要原因
是：这一模型没有考虑等离子体的产生和脉冲不同时间层上的耦合，而在激光光
强达到空气电离阈值后，就会产生低密度等离子体，脉冲在时间上会出现非常强
的耦合，从而大大改变了脉冲后沿的传输[6]。
为了更好地解释飞秒激光在空气中的成丝现象，Mlejnek 于 1998 年提出空
间动态补偿模型，更好地完善了移动焦点模型[7]。此模型的解释涉及更深奥的理
论，这里并不详述，有兴趣的同学可以查阅参考文献。
本实验将飞秒激光在空气中直接聚焦成丝，探测激光成丝的光谱并用 CCD
对其直接成像。实验中光丝的发射光谱，反映了激光与等离子体相互作用后所发
生的具体物理过程。
激光等离子体相互作用的本质是激光的强电场将空气分子电离，期间电子在
不同能级之间的跃迁会放射或吸收电磁波。如果某一个物理过程在激光等离子体
相互作用中大量发生，反映在光谱上的表现就是一个特定波长处具有很高峰值的
峰，这个波长是特征的，而峰与峰之间峰值的比例就是对应物理过程发生的比
重。例如波长 777nm 处的高峰，就是 N 原子的一级电离峰，其峰值极高，原因
在于其一，此物理过程是空气电离的主要物理过程；其二，空气中 N 原子的比重
大。除此之外，还有其他强度不同的峰值，都可以在读取其对应的波长后查阅
资料获知其对应什么样的物理过程[8, 9]。
光丝的光谱除了强度各异的峰值之外，在可见光范围内（400nm~700nm）
有一段很宽的连续白光谱，这一段白光谱是由于强激光在空气中的非线性效应产
生的光脉冲急剧展宽造成的，称之为“超连续谱”[10, 11]。超连续谱的本质是由于
激光场的三阶非线性效应，使得光介质的折射率随光强的增加而线性增大，
n=n0+n2*I，我们知道光在介质中的传播速度随光频和折射率变化而变化，因而在
光丝中传播的激光其不同频率组分会因各自速度不同而引起整个脉冲形状的改
变，就是所谓的的“自相位调制”。根据自相位调制理论，脉冲前沿光强递增，
造成脉冲向长波长方向展宽，脉冲后沿光强递减,造成脉冲向短波方向展宽。此外
图 6‐2“Slice‐by‐slice self‐
focusing”模型
68
还有电离子复合及光束自陡峭等作用，使展宽部分主要集中于短波段。对此相关
感兴趣的同学可以查阅相关参考文献
（http://llp.sjtu.edu.cn/courses/elp/?page_id=229）
6.2. 实验内容
（一）注意事项
1. 必须经过激光安全培训并通过考核。
2. 通过预习，了解本实验的理论基础和实验仪器的基本操作方法。
3. 实验室内不允许进食以及饮水。
（二）实验光路
（三）实验内容与方法示意图
1. 透镜焦距估测：
方法一：将头顶上的日光灯管发出的光视作平行光，手持透镜在光学平台上
方，调整到平台上出现日光灯的清晰地像，则认为此时透镜到平台的距离为透镜
的焦距。
方法二：将小手电置于透镜上方，其余操作同方法一，当平台上呈现清晰的
与手电大小相当的灯泡的像，则认为此时透镜到平台的距离的一半为透镜的焦
距。
2. 成丝长度估算：
几何方法：在已知激光功率密度与透镜焦距的情况下，可以从几何上粗略地
估测成丝的长度。具体方法如下：
图 6‐3 实验光路图
图 6‐4 成丝长度估算图
69
如上图所示，激光的功率密度与光口径的平方成反比，由此可由相似三角形
法算出在何处激光功率密度达到成丝的强度（图中红框），相应求出光丝的大致
长度。
3. 理论模型计算（选做）：根据移动焦点模型给出的公式
可以从理论上估算光丝的长度。在此模型下，只有当激光功率密度 P 大于空
气电离阈值 Pcr时才能产生等离子体形成光丝，所以光丝出现于 P=Pmax~Pcr之间，
求出相应的 Zf，其差值就是光丝的长度。
4. 激光成丝现象观察
对于本实验所使用的激光，只需要用一个凸透镜聚焦，就可以直接用肉眼看
到成丝现象，伴随着还有比较刺耳的噪声（想一想，为什么？），观察的时候应
注意安全。
注意到在佩带激光眼镜的情况下让能够观察到成丝现象以及成丝后的光斑，
说明激光束的光谱成分在成丝后发生了改变。在激光光束质量较好的情况下，可
看到成丝后的光斑是不同颜色分开的环形分布。
成丝的亮度与激光参数紧密相关，尤其是飞秒激光的脉宽。脉宽越窄，成丝
的亮度越高，成丝后光斑的形状越好，如果成丝后光斑出现大幅跳动，或者形状
杂乱，说明激光光束质量不好。如下图中光丝后的光斑，可以从色彩分布和圆斑
的完整度中看出光束质量对实验现象的巨大影响。
5. 空气中光丝的光谱探测
图 6‐5 光束质量对实验的影
响
图 6‐6 光丝的光谱探测
70
本实验从激光成丝的侧向采集光谱，使用一个短焦距凸透镜收集信号耦合到
光纤探头中。注意光纤探头的采集截面十分狭小，所以少许偏差就无法采集到信
号。因此在手动微调时应尽量小心仔细。
我们使用专用的光谱采集处理程序对采集到的信号进行处理，如果信号较弱
或者跳动较大，可以改变采集信号的积分时间和平均次数，常用积分时间 2000
毫秒，平均不少于 20 次为宜。
6. 空气中光丝的成像与长度测量
由于光丝本身具有很高的能量密度，因此直接测量光丝的长度是不现实的。
这里要求学生自行思考设计测量光丝长度的方法。
由于简洁测量势必引入误差，因此在本实验中并不对测量精度有很高的要
求，但是同学们必须思考分析自己设计的测量方法会引入多大的误差。误差分析
在实验中是必不可少的一部分。
7.（选做）前向光丝光谱测量
对于能够出色完成课程要求内容的同学，如果对本实验的进一步研究有兴
趣，则可以尝试完成选做的实验内容。
通过前面观察光丝后光斑的颜色可以发现，扩散开来的光斑内部不同波长的
光分布并不是均 的，因此，我们从光丝的侧向收集光谱数据，并不能够很好的
反映整个光丝内部的物理过程，我们采集到的绝大多数是等离子体通道 外层光
谱信号。事实上，飞秒激光空气成丝后发散的光在很大的立体角范围内有着各不
相同的分布，光谱中的频率组分所占的比重也不相同。所以使用光纤探头收集的
角度变化也会影响到实验结果。
本实验的难点在于我们使用的光纤光谱仪的损伤阈值较低，如何控制在前向
收集光谱的同时保证光谱仪不被强激光伤害，是本选做实验的难点。此外，有兴
图 6‐7 光丝光谱（取自选修
本课程的学生课程论文，可
见实验得到的光丝光谱覆盖
了整个可见光区域，其中包
含的物理原理是值得我们深
究的）
71
趣有能力的同学也可以尝试在各个不同的角度采集光谱，并比较数据讨论光丝后
光斑分布情况的成因。
6.3. 实验仪器
本实验所使用的仪器设备较少，但是比较贵重，要求同学们尽量爱惜，小心
使用。
仪器设备设备 用途简介
主激光器
产生单脉冲能量 1mJ，中心波长 800nm，脉宽 70fs 的 Class
IV 级激光，是本实验使用的主激光。激光器位于实验室隔壁
的超净间内（专业物理楼 215 室）。
平凸透镜 用于聚焦激光与收集信号
光纤光谱仪 用于测量光丝的发射光谱型号为 Ocean Optics USB650 或
者 Avantes
显微物镜头 用于成像放大
CCD KOCA 工业级，用于对光丝进行成像
手动平移台 用于测量光丝的长度，使用千分尺读数
表 6‐1 实验设备
图 6‐8 光纤光谱仪
72
6.4. 实验讨论
预习时的思考题：
1. 请列举本实验所使用的激光参数（如中心波长，重复频率，单脉冲能量
等），出光口激光光斑直径 8mm，试计算激光功率密度。
2. 试说明什么是激光的“非线性”。
3. 为什么实验室不允许戴手表，项链，戒指等配饰？
4. 列举本实验要用到的仪器设备及其功能。
5. 宇宙中有超过 95%的物质（非暗物质）都是等离子体，试列举你们认识中
有哪些等离子体存在。
其他思考题供实验讨论及撰写课程论文使用：
问题类型 问题内容
激光参数 Q1：出光口处的激光强度是多大？（单位：W/cm2）
Q2: 激光脉冲的波长、谱宽、脉冲宽度、能量、光斑大小是多少？
实验目的 Q1：为什么要测量光丝的光谱？
Q2：为什么要观测光丝的长度？
实验现象
Q1: 为什么在实验中可以看到明亮的光丝？
Q2: 为什么在近红外及紫外区会观察到尖锐的谱线？
Q3: 为什么在可见光区会形成很宽的光谱？
Q4: 光丝的长度与激光强度有什么关系？
Q5：成丝的长度到底有多长？
Q6：成丝的位置和透镜焦距有什么关系？
Q7：火红的太阳是不是等离子体发光？
实验原理
实验讨论
Q1： 什么是等离子体？什么是激光等离子体？激光与等离子体
相互作用中涉及哪些物理过程？
Q2：什么是自聚焦现象？
Q3：什么是自相位调制？
Q4：什么是超连续现象？
Q5：在实验中使用 CCD 摄像机拍摄光丝的图像，CCD 将光信号转
化图像信号的原理是什么？
Q6：激光电离后，电子/离子复合时发射的电磁波为何是可见的？
Q7: 等离子体通道的寿命多长？
Q8：激光的光斑大小在传播过程中会发生什么变化？在地球上
1mm 的光斑照射到月球上后的尺度多大？
实验操作
Q1：既然超短超强激光有自聚焦现象，为什么实验中我们还要使
用平凸透镜进行聚焦？平凸透镜哪一面朝向激光入射方向，为什
么？
Q2: 飞秒激光空气成丝时，焦距的选择有什么考虑？
Q3：我们在哪里观测光丝的光谱？
Q4：CCD 为什么不能拍摄光丝形成和消失的过程？
Q5： 我们用 CCD 拍摄光丝时，应该在哪里成像？
Q6：怎么拍摄小尺寸物体的像？如针尖的像。
Q7：如何对 CCD 的像的大小进行定标？
表 6‐2 思考题
73
Q8：如何测量光丝的长度？
Q9：能不能用手机拍摄激光光丝？
Q10：CCD 前的透镜组有哪些参数可以调节？
Q11：什么是伺服镜系统？
6.5.实验安排
本实验分两次课进行。
课次 时长 内容
第一次 约 4 小时
包括：（计划在一个上午或者一个下午完成。）
1. 激光安全培训及实验原理与技术讲解，约 2 小时
2. 学生操作实践练习，约 2 小时
注：本节课不使用主激光器。
第二次 约 8 小时
包括：（计划在一天内完成）
1. 上午：成丝现象的展示与光谱测量，约 4 小时，含选
作内容。
2. 下午：成丝拍照并测量长度，约 4 小时，含选作内容。
注：本节课将使用主激光器，此前要求学生必须通过激
光安全考核，否则实验内容延后。
课后 要求学生以小组为单位，在课后进行讨论，并将讨论内
容与心得写在实验记录本上面。
表 6‐3 实验安排
74
6.6. 参考文献
1. Boyd, R.W., Nonlinear Optics. 2008: Academic Press.
2. Y.R.Shen, The Principles of Nonlinear Optics. 1984, New York: Wiley.
3. 刘岩, 空气中飞秒激光成丝过程中的激光脉冲诊断方法研究, 2011,
南开大学.
4. Matijo?ius, A., J. Trull, P. Di Trapani, A. Dubietis, R. Piskarskas, A.
Varanavi?ius, and A. Piskarskas, Nonlinear space‐time dynamics ofultrashort wave
packets in water. Opt. Lett., 2004. 29, 1123.
5. Esarey, E., P. Sprangle, J. Krall, and A. Ting, Self‐focusing and guiding of
short laser pulses in ionizing gases and plasmas. Quantum Electronics, IEEE
Journal of, 1997. 33, 1879.
6. 奚婷婷, 超强飞秒激光在大气中传输的理论研究, 中科院物理研究
所.
7. Mlejnek, M., E.M. Wright, and J.V. Moloney, Dynamic spatial
replenishment of femtosecond pulses propagating in air. Optics letters, 1998. 23.
8. 鲁 欣, 奚., 李英竣, 张 杰, 超短超强脉冲激光在空气中产生的
电离通道的寿命研究. 物理学报, 2004. 53, 3404.
9. 段作梁, 陈., 方宗豹, 王兴涛, 李儒新, 林礼煌, 徐至展, 1kHz飞秒
激光脉冲在空气中传输成丝的演化过程. 物理学报, 2004. 53, 473.
10. Hao, Z.Q., J. Zhang, Y.T. Li, X. Lu, X.H. Yuan, Z.Y. Zheng, Z.H. Wang, W.J.
Ling, and Z.Y. Wei, Prolongation of the fluorescence lifetime of plasma channels in
air induced by femtosecond laser pulses. Applied Physics B‐Lasers and Optics,
2005. 80, 627.
11. Couairon, A. and A. Mysyrowicz, Femtosecond filamentation in
transparent media. Physics Reports, 2007. 441.
续表 6‐2
75
附录一 激光等离子体实验课成绩自评表
学号：
分
类 分项 高
分
起
评
分
增减分细则 分值 增减分
累积 增减分情况说明
分项自评
分
教师
核查
激
光
安
全
考
核
5
分
激光
安全 5 4
严重错误，每个扣 1 分 -1
全部正确，加 1 分 +1
未按时提交，每次扣 1分 -1
考核三次不合格，该门课程零分 中止项
平
时
分
5
分
激光
安全 5 5
出现存在严重激光安全隐患的行
为，给予严重警告，每次扣 2 分 -2
三次出现存在严重激光安全隐患的
行为或发生激光安全事故，该门课
程零分
中止项
实
验
记
录
本
50
分
实验
记录
本完
整性
3 3
实验记录本未编页码，扣 1分 -1
实验记录本缺页，每缺一页扣 1 分 -1
实验记录本无时间记录，1分/次 -1
第一
次预
习报
告
5 3
个人实验记录本上无预习报告#1，
扣 3 分 -3
个人实验记录本上有详尽的实验光
路图，加 1 分 +1
个人实验记录本上无实验原理等基
本内容，扣 1分 -1
个人实验记录本上无实验老师的签
名，扣 1分 -1
个人实验记录本上有精彩的个人思
考，每项加 1分 +1
第二
次预
习报
告
7 5
本组组长或个人的实验记录本上都
无预习报告#2，扣 5 分 -5
本组组长或个人的实验记录本上都
无实验光路图，扣 1 分 -1
本组组长或个人的实验记录本上都
无拟采用的实验参数，扣 1分 -1
本组组长或个人实验记录本上都无
实验原理等基本内容，扣 1分 -1
76
个人实验记录本上至少应有 2 道思
考题的答案，每少一道扣 1分 -1
个人实验记录本上无实验老师的签
名，扣 1分 -1
本组组长的实验记录本上有新的研
究思路或实验方案，集体加 2 分 +2
个人实验记录本上有组长的实验记
录本上的新的思路&方案，加 2 分 +2
个人实验记录本上有精彩的个人思
考，每项加 1分 +1
第一
次实
验记
录
5 3
个人实验记录本上无任何实验记
录，扣 3分 -3
个人实验记录本上实验结果和本组
其他人员不一致，扣 3分 -3
个人实验记录本上缺失部分实验结
果，每项扣 1分 -1
个人实验记录本上对删改处进行合
理说明，加 1分，不累积加分 +1
个人实验记录本上对实验过程进行
详尽的记录，加 1 分 +1
个人实验记录本上对实验结果有初
步的分析和合理的推测，加 1 分 +1
第二
次实
验记
录
10 7
个人实验记录本上无任何实验记
录，扣 7分 -7
个人实验记录本上实验结果和本组
其他人员不一致，扣 7分 -7
个人实验记录本上缺失部分实验结
果，每项扣 1分 -1
个人实验记录本上对删改处进行合
理说明，加 1分，不累积加分 +1
个人实验记录本上对实验过程进行
详尽的记录，加 1 分 +1
个人实验记录本上对实验结果有初
步的分析和合理的推测，1分/项 +1
讨论
和个
人思
考
20 12
实验前后至少应有 4 次讨论，缺少
1 次讨论记录扣 3 分 -3
多于 4 次的实验讨论，每次加 1
分， 多加分不超过 5分 +1
个人实验记录本上无对报告初稿提
交前的讨论的个人贡献，扣 2 分 -2
个人实验记录本上无对报告终稿提
交前的讨论的个人贡献，扣 2 分 -2
个人实验记录本上对实验结果有详
细的分析或合理的解释，1分/项 +1
77
第二次实验后，个人实验记录本上
有新的研究思路或实验方案，每项
加 3 分
+3
个人实验记录本上有正确的误差分
析，每项加 1分 +1
平
时
实
验
的
参
与
情
况
20
分
课程
参与
情况
10 7
上课迟到早退，每次扣 1 分 -1
第一次实验课未到，扣 7 分 -7
第二次实验课未到，该门课程零分 中止项
讨论课未到，扣 2 分 -2
实验的主要操作者，每次加 1 分 +1
基本未参与实验操作，每次扣 2 分 -2
佳实验数据组，全组集体加 1 分 +1
报告
初稿
提交
情况
（集
体
项）
10 6
未按时提交，晚交 1 天扣 1分，
高扣 3 分 -1
未对实验原始数据做进一步处理，
扣 3 分 -3
除影像外，图无坐标、单位、图
例、标题等基本要素，每个图扣 1
分
-1
无标题、作者、摘要、关键词、参
考文献等，每项扣 1 分 -1
对实验结果有不同于其他组的独特
的分析，每项加 1 分 +1
对实验误差进行分析，每项加 1 分 +1
对实验中存在的问题提出有意义的
看法和建设性意见，每项加 1 分 +1
实
验
报
告
贡
献
2
0
分
报告
终稿
的提
交情
况
（集
体
项）
15 10
未按时提交，晚交 1 天扣 1分，
高扣 3 分 -1
用英文撰写论文，加 3分 +3
未在论文中说明每个人的贡献，扣
1 分 -1
除影像外，图无坐标、单位、图
例、标题等基本要素，扣 1分/图 -1
作者顺序与初稿不一致但未做出合
理说明，扣 1分 -1
无标题、作者、摘要、关键词、引
言、实验、结果、讨论、结论、致
谢、参考文献等基础部分 1分/项
-1
全文结构混乱，图表使用混乱或重
复表述等，每项扣 1 分 -1
文献引用未按照要求的格式、文献
在论文中编号混乱等，扣 1分 -1
无实验装置图，扣 1 分 -1
78
图、表或文字中与他人相同但未注
明出处，每项扣 1 分 -1
对实验结果有不同于各组（含本
组）初稿的独特的分析，1分/项 +1
对实验误差进行合理的有说服力的
分析，每项加 1 分 +1
对实验中存在暂时无法解释的现象
或数据提出设想性实验和建设性意
见，每项加 1分
+1
报告
终稿
的个
人贡
献
5 0
论文中提出的观点、意见、建议在
个人记录本中有相对应的内容，每
项加 1 分，说明论文 XX 页 XX 行
XX 观点来自于个人记录本中 XX 页
中记录
+1
在 BBS 上对其他组的论文初稿有精
彩的评论，每项加 1 分 +1
论文的第一作者，加 1分 +1
论文的通讯作者或组长，加 1 分，
不重复加分 +1
总
计 100 65 0 0
79
附录二 激光等离子体实验室超净室管理规定
上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室
超净室管理规定（初版）
1. 实验室新进人员须先接受相关培训，方可进入超净室相应实验区工作；进入激光室或二百太瓦激光器压缩室区域必须征得该区域负责人同意。
2. 外来人员原则上不允许进入超净室；参观、施工或进行联合实验等特殊情况须经实验室主任或副主任同意并登记后，方可在本室人员陪同下入内。
3. 进入风淋间之前，应在换装区按规范穿戴本室提供的超净服和鞋帽；身着超净服时仅限在超净室及换装区活动。
4. 严禁将食品饮料、箱包、衣服、木制品、快递及产品外包装等带入超净室，随身物品可暂存在储物柜。
5. 仪器工具等需在换装区外清洁后方可带入超净室，真空内用品须做无油处理。
6. 使用仪器必须遵守该仪器的使用规范和安全守则，并填写使用记录。
7. 如在超净室内施工或首次使用大功率电源，必须事先通知到全部相关人员。
8. 不可单独在超净室工作；不得在超净室内嬉戏、打闹或做与工作无关的事情。
9. 请保持超净室整洁；每个工作日结束后，应及时整理工具并清理废弃物。
10. 在工作过程中若需使用易燃易爆、毒害性、腐蚀性等危险化学试剂，必须在通风橱内操作、通知其他在场人员并做好防护。
11. 本规定自颁布之日起实施。如有违反，视情节轻重给予通报批评及禁止进入超净室一周或一周以上的处罚。
