發(fā)布時間：2020-01-28 00:01

【摘要】：當飛秒激光脈沖在空氣中傳播時,克爾自聚焦效應(yīng)使激光強度不斷增加,當其增大到一定值(原子或分子的電離閡值)之后,會使空氣中的原子和分子電離,產(chǎn)生大量等離子體,而等離子體對激光光束起到散焦作用,從而使得激光強度減小�？藸栕跃劢剐�(yīng)和等離子體散焦效應(yīng)同時存在,此消彼長,當它們達到動態(tài)平衡時,會形成很長的等離子體通道,這一過程又被稱為成絲。飛秒激光成絲過程中伴隨著光電離、超連續(xù)譜產(chǎn)生、太赫茲輻射、高次諧波發(fā)射、錐角輻射和熒光發(fā)射等非線性現(xiàn)象。研究這些現(xiàn)象,不僅在弄清超短激光脈沖與原子、分子相互作用機理以及激光脈沖在不同介質(zhì)環(huán)境中的傳輸規(guī)律等方面具有重要的學(xué)術(shù)價值,而且在天文、氣象以及國防等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用前景,如,遠程探測、誘導(dǎo)閃電、人工降雨、空氣波導(dǎo)等。這些誘人的應(yīng)用使飛秒激光成絲成為了近年來的研究熱點,人們在理論、實驗和應(yīng)用方面進行了深入的研究,并獲得了大量重要的結(jié)果。本博士學(xué)位論文主要從數(shù)值模擬和實驗測量兩方面對飛秒激光在空氣中的成絲開展了研究。在論文前三章,我們對飛秒激光成絲的基礎(chǔ)性工作進行了較為系統(tǒng)的介紹和總結(jié)。在第一章緒論部分,我們首先回顧了激光傳播的研究歷程和飛秒激光成絲的作用機理,接著結(jié)合飛秒激光成絲的意義對其應(yīng)用進行了介紹,最后總結(jié)了一些能有效控制成絲的方法。在第二章中,我們從描述飛秒激光成絲的模型出發(fā),介紹了成絲過程中發(fā)生的常見現(xiàn)象,其中包括了最近引起人們關(guān)注高階克爾效應(yīng)、成絲誘導(dǎo)熒光等現(xiàn)象。在第三章中,主要論述了在本論文中我們研究飛秒激光成絲所采用的理論和實驗方法。理論上,人們通過數(shù)值求解傳播方程來研究飛秒激光脈沖的成絲過程。目前,已經(jīng)發(fā)展了多種數(shù)值求解傳播方程的方法,在本論文所涉及的理論工作中,我們均采用有限差分法進行求解。關(guān)于飛秒激光成絲的理論研究很多,不過主要集中在常壓、低壓等環(huán)境中,很少涉及高壓、強電磁輻射等極端環(huán)境,本論文的理論工作主要偏重這方面的研究。在第四章中,我們研究了飛秒激光脈沖在較高氣壓下的傳播,發(fā)現(xiàn)群速色散(GVD)效應(yīng)對飛秒激光成絲過程影響很大,導(dǎo)致描述激光脈沖自聚焦的半經(jīng)驗Marburger公式不再適用。我們通過經(jīng)典的成像公式將色散長度引入Marburger公式中,提出了改進的Marburger公式,不僅能很好地解釋GVD效應(yīng)對脈沖潰縮位置的影響,而且與數(shù)值模擬結(jié)果很好地吻合。這一研究改變了長期以來被普遍接受的GVD效應(yīng)不足以影響激光脈沖在氣體中潰縮的觀點,有助于更全面地認識GVD效應(yīng)在傳播過程中所起的作用。在第五章中,我們將目光投向了近年來備受人們關(guān)注的高階克爾效應(yīng)(HOKE)。主要研究了多光子電離(MPI)截面的不確定性對高階克爾模型適用性的影響,發(fā)現(xiàn)在MPI截面較大的情況下,考慮和忽略HOKE時,得到的電子密度與鉗制強度非常接近,在這種情況下,即便HOKE存在,等離子體產(chǎn)生以及伴隨的散焦作用足以掩蓋其作用,從而證實了電離計算的不準確是導(dǎo)致高階克爾模型和經(jīng)典模型出現(xiàn)差異的因素。此外,在脈沖潰縮位置處,根據(jù)軸上電子密度和最大光強隨激光脈寬的變化,我們提出了判斷哪種模型更為適用的判據(jù)。對于高層大氣,存在著各種波段的電磁波輻射,尤其是在短波長電磁波的作用下,其中的氣體分子(如氧氣)很容易被激發(fā)到較高的能級。而處于激發(fā)態(tài)的分子電離截面大,很容易發(fā)生電離,必然會對飛秒激光脈沖在其中的傳播造成影響。在第六章中,我們數(shù)值模擬了飛秒激光脈沖在含有激發(fā)態(tài)氧分子的空氣中成絲。結(jié)果表明,當空氣中含有激發(fā)態(tài)分子時,會影響飛秒激光脈沖在其中的傳播過程,而且激發(fā)態(tài)分子越多,對激光強度時間和空間分布的影響越大,呈現(xiàn)與中性氣體中成絲不同的現(xiàn)象。飛秒激光成絲過程中產(chǎn)生的等離子體會經(jīng)歷復(fù)雜的躍遷,輻射特征熒光。利用等離子體熒光不僅能定性表征成絲過程,還能定量獲取等離子體密度、光強等信息。此外,通過研究成絲過程中的熒光發(fā)射還可以對超短脈沖激光與原子分子相互作用機制以及等離子體環(huán)境中原子分子的輻射特性有更深入的了解。在第七章中,我們利用等離子體熒光表征成絲過程,對波長為400和800 nm的兩束共線飛秒激光脈沖在空氣中的成絲進行了研究。盡管兩束脈沖在時域上沒有重疊,但是前一束脈沖產(chǎn)生的等離子體會與后一束脈沖相互作用,從而影響成絲過程。而且控制兩束脈沖的能量以及它們之間的延遲,每束脈沖在成絲過程中所起的作用不一樣,進而影響成絲過程中的熒光強度以及絲的長度。這一研究為控制激光成絲提供了一種有效的途徑。氮氣是空氣的主要成分,也是空氣激光最主要的工作物質(zhì)。不過,飛秒激光成絲過程中氮熒光的產(chǎn)生機制還沒有被完全弄清楚。在第八章至第十章中,我們對氮熒光的產(chǎn)生機制進行了討論。在第八章中,我們研究了激光偏振特性對等離子體熒光發(fā)射的影響,發(fā)現(xiàn)在不同偏振特性的激光作用下,391 nm譜線與其他譜線的發(fā)射行為存在著明顯差異。通過分析各條譜線的來源,我們對這一現(xiàn)象給出了解釋。337,357,380和428 nm等譜線主要來自N2和N2+,在圓偏振激光作用下會開啟碰撞激發(fā)通道,引起更強的熒光發(fā)射；而對于391 nm譜線,N2+和N+均對其發(fā)射有貢獻。正是N+的光發(fā)射與碰撞激發(fā)之間的競爭關(guān)系,使得391 nm譜線與其它譜線的發(fā)射行為不同。在第九章中,我們測定了線偏振飛秒激光脈沖成絲過程中等離子體熒光發(fā)射的徑向角分布,發(fā)現(xiàn)來自N2和N2+熒光發(fā)射的角分布明顯不同：N2熒光在各個方向上的強度均相同,而來自N2+熒光的強度在平行于激光偏振方向強于垂直于激光偏振方向。來自N2的熒光的各向同性意味著在N2(C3Πu+)的形成中解離復(fù)合并不起主導(dǎo)作用。此外,337 nm信號強度隨著氣壓線性增強表明碰撞引起的系間竄越機制也不是產(chǎn)生N2(C3Πu+)的主要機制。綜合上述因素,我們提出了直接系間竄越機制。盡管目前未能給出直接的證據(jù),但前人的工作表明其具有合理性。在第八章和第九章中,我們通過測定飛秒激光成絲過程中氮熒光的側(cè)向發(fā)射對其產(chǎn)生機制進行了討論。然而在實際應(yīng)用中(如,遠程探測),需要的是后向發(fā)射的熒光。在第十章中,我們通過測量后向發(fā)射的熒光,對氮熒光的產(chǎn)生機制進行了討論。我們發(fā)現(xiàn)當聚焦透鏡焦距較小時,來自N2+的熒光在線偏振激光作用下更強,而來自N2的熒光則在圓偏振激光的作用下更強,這一現(xiàn)象表明在N2(C3Πu+)的形成過程中,解離復(fù)合機制并不起主導(dǎo)作用,進一步支持了第九章的結(jié)論。這些研究工作有助于成絲過程中氮熒光發(fā)射機制的認識。
【圖文】：

過程被稱為成絲或者自引導(dǎo)傳播。不久，法國應(yīng)用光學(xué)實驗室（Ｌａｂｏｒａｔｏｉｒｅ逡逑ｄ’Ｏｐｔｉｑｕｅ邋ＡｐｐｌｉｑｕＳｅ）的研究人員發(fā)現(xiàn)飛巧激光可Ｗ產(chǎn)生長度超過５０邋ｍ的絲如逡逑圖１．１所示，隨后這一長度又增大到１００邋ｍｔＷ。２００３年春天Ｍ６ｃｈａｉｎ等人在實驗逡逑中觀察到了水平傳播的激光可レッ產(chǎn)生長達２邋ｋｍ的絲如果激光進行豎直傳逡逑播，則會觀察到更長的絲ｆｉｓ’Ｗ。不過，隨著海拔的增加，氣壓在減小，當氣壓小逡逑于某一值之后，激光就無法成絲了，這會限制成絲的實際應(yīng)用。不過，后來人們逡逑利用ＴｅｒａｍｏｂｉｌｅＷ激光光束，在９邋ｋｍ的高空依然能觀察成絲。逡逑ＨＨｎ逡逑圖１．１．邋（ａ）應(yīng)用光學(xué)實驗室也：ｏｌｅ邋Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，邋Ｐａｌａｉｓｅａｕ）中進行的紅外巧００邋ｎｍ）激光光束傳逡逑播實驗．絲的主要性質(zhì)ｔＷ；熱中必的直徑約為１００／ｍｉ，強度約為？＾１０＂Ｗ／ｃｍ２，產(chǎn)生的電逡逑子等離子體密度約為ｌ0ｉｅ邋ｃｍ—３邋Ｗ及白光連續(xù)譜。（ｂＭ專播５０邋ｍ之后的光束圖像，圖中顯示逡逑直徑為１００的絲的中也有一個白色亮斑。逡逑沾逡逑１．２飛秒澈光氣體中的傳播及成絲機理逡逑當飛秒激光脈沖在空氣中傳播時，氣體中的原子或分子會發(fā)生極化，引起與逡逑入射光強成正比的介質(zhì)非線性折射率的響應(yīng)變化：逡逑Ａｎ（ｒ

激光中也頻率和真空介電常量，對于波長為８００邋ｎｍ的激光：ｐｃｃｌ．７ｘｌ０２＇ｃｍ－３）。逡逑在激光傳播過程中，克爾自聚焦效應(yīng)和等離子體散焦效應(yīng)同時存在，此消彼長，，逡逑當它們達到動態(tài)平衡時，激光束會在空氣中形成很長的等離子體通道，如圖１．３逡逑所示，送就是通常所指的絲。逡逑一＇自聚焦邋散焦逡逑邐虧一，邐＞逡逑邐等離子體邐＾逡逑絲（ｆｉｌａｍｅｒｒｔ）逡逑圖１．３．強激光光束聚焦－散焦循環(huán)示意圖：實線表示光束中屯、的直徑，虛線為激光脈沖的傳逡逑播軸，授色區(qū)域表示產(chǎn)生的等離子體，這些周期性結(jié)構(gòu)所覆蓋的距離就是通常所指的成絲長逡逑度。逡逑只有當入射激光的初始功率大于自聚焦的臨界功率巧對于商斯型光束，逡逑其自聚焦臨界功率為巧，＝３．７７＾／８兀。。。，，而對于其他形狀的光束，雖然也會在逡逑自聚焦過程中發(fā)生潰縮，但是它們的自聚焦臨界功率往往比這個值小。例如對于逡逑Ｔｏｗｎｅｓ光束
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O437


本文編號：2573814