（简要阐述实验原理，并说明核心要素的仿真度）

产生超快激光脉冲的激光器为固态钛-蓝宝石激光器，利用增益介质和锁模技术，可以实现飞秒量级的超快激光脉冲。超快激光脉冲在时序上电场幅度持续时间非常短，如下图所示：

 

图1：超快激光脉冲的电场（左）和频谱关系（右）

 

震荡电场幅度的平方（红色包络线）时序上在几个飞秒以下。飞秒脉冲对应的频谱很宽，频谱宽度可达到几百个纳米。此飞秒激光脉冲产生的原理就是锁模技术，如下图所示：

 

图2：超快激光脉冲锁模示意图

在锁模情况下，即所包含各个频率的电磁波同相位输出的时候，根据傅里叶变换原理，这时的激光脉冲时序最短。当激光脉冲在空间传播时，光学元件的色散特性以及不同波长引起的传播相位不一样，脉冲必然会被 “拉长”，即时序变长。

 

激光器四个部分(锁模、展宽、放大、压缩)组成的完整光路如下：

 

图1

飞秒激光脉冲的产生和放大流程

 

图2

 

图3 利用飞秒激光获取单层石墨烯

 

如图3所示：利用飞秒激光获取无瑕疵石墨烯

1. 图示准备：建立10层以AB堆叠的六边形石墨烯模型（AB堆叠是指相邻层石墨烯六边形的中心为碳原子的六角石墨烯），每一层是8X4的六边形结构（8是锯齿状的边，4是扶手椅状的边），也就是说一层一共136个碳原子。最简单的视角可以是正视视角，然后可以加一个俯视视角（缺少加激光后每层的碳原子位置变化的数据，因为变化不仅会产生在层间距，原子间键长也会变化），最好是做成3D的可以提升视觉体验。

2. 激光波长选择：只对800nm的电场激光模拟，若选择其他波长，效果不明显。

3. 激光最大振幅（激光强度）选择：选择3.4V/A的电场激光模拟，如果大于此值，石墨烯将被破坏。

4. 激光半满宽（激光时长）选择：小于10fs（5fs为例）的激光加在材料上，最外两层在激光线慢慢开始层间距变大，但仍会回到之前的位置做震动；10fs的激光加在材料上，最外两层在激光线慢慢开始层间距变大，并在大约11fs开始剥落；45fs的激光加在材料上，最外两层在激光线慢慢开始层间距变大，并在大约50fs开始剥落；大于45fs（100fs为例）的激光加在材料上，最外几层在激光线几乎同时慢慢开始层间距变大，并脱落。

5. 开始演示

6. 还原演示：将演示还原到没进行任何选择前。

 

图4： 飞秒激光诱导纳米材料的新特性展示

 

如图4所示： 碳纳米管外加横向电场可以在管内产生场的增强现象

1. 碳纳米管直径选择：（8,0）碳纳米管一圈有8个苯环，管直径为6.34A，轴向没有错位，轴向有相互交错的5层，也就是一共有96个碳原子；（14,0）碳纳米管一圈有12个苯环，管直径为11.1A，轴向没有错位，轴向有相互交错的5层，也就是一共有168个碳原子。每个图示至少需要一个俯视图，可以增加一个正视图，最好可以是3D的。

2. 激光最大振幅（激光强度）选择：0.07V/A；0.012V/A。 

3. 激光波长选择：591nm；800nm；822nm。

4. 显示外加电场矢量：可以开关外加电场矢量，用蓝色显示，在整个视图显示。

5. 显示总电场矢量：可以开关总矢量，用红色显示，在整个视图显示。

6. 显示电子密度：可以开关电子密度显示，碳纳米管对于外场的相应可能主要是因为电子气的特定相应，可能与碳纳米管的碳原子变化不大。

7. 开始演示：在（8,0；0.07V/A；591 nm）条件下，总电场矢量随外加电场矢量振荡变化，并且增强最明显；在（8,0；0.07V/A；800nm）条件下，虽然几乎完全可以屏蔽电场，但总电场矢量仍有随外加电场矢量的微小振荡变化；在（14,0；0.012V/A；822nm）条件下，总电场矢量随外加电场矢量振荡变化，并且增强最明显。

8. 还原演示：将演示还原到没进行任何选择前。

9. 实验说明（文字）：碳纳米管外加横向电场可以在管内产生场的增强现象。

图5： 金刚石顶砧工作示意图

 

如图5所示：激光散射原位测量金刚石压腔超高压仿真实验

实验步骤：

1. 制作高压密封系统。采用金属铍材料加工作制作高压封垫，选取硅油、4:1的甲醇-乙醇混合液等作为传压介质，组成金刚石压腔高压密封系统。

2. 组装金刚压腔装置。将金刚石压砧放入一级加载装置的底座中，将金属铍封垫放在清洗好的金刚石压砧的台面上，将样品和选取的直径２０～５０μｍ的圆形红宝石颗粒放入高压密封腔中，组装好金刚石压腔装置。

3. 搭建压力标定光学系统。按照激光散射原位测量金刚石压腔超高压虚拟仿真实验工作原理图（图2），搭建红宝石压力标定的光学系统。

4. 激光激发产生荧光。激光器发射的激光通过反射镜反射到半透的棱镜中。此时激光一半反射到金刚石压腔装置高压密封系统中的样品上，红宝石受激发产生荧光，通过半透棱镜透射，利用光谱仪进行荧光光谱采集，并通过软件呈现出来。光路中的物镜是长焦镜头，目的是聚焦激光及会聚发散的样品荧光。

5. 光路调节。用CCD观察并调节样品是否在激光斑点上，并据此调节光路中的各个仪器元件的位置和高度。

6. 成像清晰度调节。利用滤光片滤掉激光，通过长焦镜头，放大成像，在CCD中观察样品状态，使CCD成像清晰。

7. 光谱采集。确认样品正确位置后，取下CCD成像的反射镜，让样品荧光直接射入光谱仪进行采集，记录每次实验时即一定压力下红宝石R1荧光线的峰位坐标值。

8. 改变压力。取下金刚压腔装置，增加压力，返回第四步继续。

9. 改变传压介质。在高压密封腔中添加硅油，重复以上步骤。

10. 数据记录和处理。记录每次实验时即一定压力下红宝石R1荧光线的峰位坐标值，利用压力与R1荧光线红移量的关系标定压力。其计算公式如下

        （1）

和非静水压下的校准公式

        （2）

 

其中是红移量。比较分析静水压和非静水压下情况异同。

 

图6：托卡马克磁场示意图

 

知识点：