实验简介

惯性约束聚变(ICF)能为人类提供丰富、经济、安全的能源,开展该领域研究工作无论是对国民经济、军事应用,还是对基础研究探索都有着重要而特殊的意义。我国“点火工程”的大型激光装置神光II的建成并投入运行,标志着我国大型强激光和激光核聚变研究跨上一个新台阶,对提高我国的综合国力具有重要意义。其中在ICF实验研究中,强激光与材料相互作用的研究对于进一步提升ICF性能升至关重要,特别是将与国家战略安全重大需求密切相关的最新科学进展引入到实验教学中,不仅能让学生感受前沿科学,更有助于将正确的价值追求、理想信念和家国情怀有效地传递给学生。

用于强激光下材料超快动力学测量的泵浦探测技术在实际生活中有很多实际的应用,艾哈迈德﹒泽维尔(Ahmed H. Zewail)通过泵浦-探测研究了ICN解离出I原子的动力学演化过程,获得了1999年诺贝尔化学奖。此外,由于泵浦-探测技术可以提供电子能级、载流子动力学等信息,在多个材料和物理研究领域起到至关重要的作用。

但强激光下材料超快动力学实体实验装置需要稳定的实验环境,例如需要一定级别的恒温、恒湿超净间;其次整套实验装置的价格也比较昂贵,同时要实现高精度、高灵敏度的超快过程的测量,对光电器件的要求也非常高。更为重要的是,脉冲激光器的激光强度是非常高的,非常容易对操作人员的眼睛造成永久性的伤害,具有相当的危险性,属于“高危、高风险、高成本”实验。

虽然激光与材料相互作用后在宏观上表现为材料的吸收与折射影响,但是相互作用过程非常抽象,涉及到材料内部电子的跃迁与弛豫过程,而该过程又是超快(皮秒或飞秒)变化过程,实现这个超快过程探测的技术原理也比较复杂。通过本虚拟仿真实验,不仅能较好地掌握时间分辨超快激光泵浦探测原理与搭建,同时也能学会利用材料透射率曲线分析材料内部电子的运动过程,直观理解吸收系数和折射率变化与材料内部电子实时踪迹之间的关系,是一个综合创新实验,能有效地提升学生创新能力。

通过本实验的学习,达到以下教学目标:

1.      学生获取适应新时代物理实践方面的基本理论、基本知识和基本技能,提升学生自主物理学习的广度和深度,培养探索未知、追求真理、勇攀高峰的责任感和使命感。

2.      使学生掌握常见光学器件和光路的功能与调节;掌握材料吸收和折射的基本原理;掌握双光子吸收、激发态吸收的等物理能级模型的原理;理解并能运用时间延迟实现技术;掌握测量材料超快过程的时间分辨泵浦探测原理;学会分析时间分辨泵浦探测的测量结果,并获得材料内电子运动过程。

3.      使学生具备融会贯通,自主研究的能力,培养团队精神,表达能力和沟通能力。