【摘要】：本文圍繞整形飛秒光場作用下材料的響應特性進行了深入研究，包括硅材料在飛秒雙脈沖作用下的燒蝕過程、整形的飛秒激光大氣中的成絲傳播、整形的飛秒脈沖在K9玻璃內產(chǎn)生的非線性效應。此外，本文使用遺傳算法對用于燒蝕產(chǎn)物粒子探測的反射式飛行時間質譜儀電場結構進行了優(yōu)化，并進行了實驗驗證。具體研究結果如下： 1.使用雙飛秒脈沖激光燒蝕半導體硅，研究等離子體的發(fā)射熒光強度隨樣品位置以及雙脈沖延遲時間之間的變化關系。實驗分別在高低兩個能量下進行的。研究發(fā)現(xiàn)：在相同焦點位置處，熒光強度隨雙脈沖延遲時間的增加出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，高低能量下變化趨勢相同。這是第一束脈沖與樣品作用產(chǎn)生的等離子體以及液化的表面與第二束脈沖之間的相互作用導致的結果。熒光強度隨樣品位置的變化中出現(xiàn)了雙增強區(qū)：樣品位置處于激光焦點時，熒光強度并不是最大值，而是一個凹陷；當樣品位于兩側位置時，熒光強度都高于焦點位置處。熒光強度隨樣品位置的變化是激光在大氣中傳播發(fā)生非線性克爾效應導致的，自聚焦或自散焦效應直接改變激光在傳播方向的能量分布，導致了雙增強區(qū)的出現(xiàn)。研究結果表明，雙脈沖激光比單脈沖激光更利于燒蝕；通過改變樣品距離激光焦點的位置以及雙脈沖之間的延遲時間，可以實現(xiàn)對燒蝕效率的一定控制。 2.使用整形飛秒脈沖在大氣中成絲，并結合遺傳算法，對所成光絲的長度進行了優(yōu)化。其中包括三部分工作：首先，本文使用開環(huán)控制方法對正弦位相的參數(shù)A和T進行了一定范圍的掃描，觀察對應整形脈沖生成光絲長度隨兩個參數(shù)的變化關系，發(fā)現(xiàn)掃描的正弦位相對應的整形脈沖產(chǎn)生的光絲長度都小于變換極限脈沖產(chǎn)生的。然后，本文使用閉環(huán)遺傳算法對正弦位相產(chǎn)生的光絲長度進行優(yōu)化，尋找到了能使光絲長度比變換極限脈沖作用時的長度增加約9%的整形脈沖。最后，本文使用閉環(huán)遺傳算法對由隨機位相生成的整形脈沖產(chǎn)生的光絲長度進行優(yōu)化，尋找到了使光絲長度增加約50%的整形脈沖。這些結果證實了以下幾點：第一，大氣成絲對光脈沖的形狀是敏感的，光脈沖形狀的微小變化會導致成絲長度的很大抖動；第二，與變換極限脈沖相比，某些整形脈沖可以增加大氣中光絲的長度，最多可實現(xiàn)約50%的增加；第三，在尋找有利于成絲的整形脈沖的工作中，閉環(huán)控制方法比開環(huán)控制方法更有效。 3.使用整形飛秒脈沖研究了K9玻璃的光限幅特性。主要包括以下兩部分工作：一是固定樣品在特定位置，使用開環(huán)控制方法變換正弦位相的三個參數(shù)A、T和，研究相應整形脈沖的吸收率隨三個參數(shù)的變化關系。研究結果表明，改變參數(shù)A改變了脈沖序列中子脈沖的個數(shù)，從而改變了整形脈沖中能量分布，影響了非線性吸收的效率；前置脈沖引起的材料各向異性會改變后續(xù)脈沖通過材料時的吸收效率，改變參數(shù)T改變了子脈沖間距，從而前置脈沖對后續(xù)脈沖的影響也發(fā)生了改變；改變參數(shù)改變了激光光譜位相在頻域上的位置，從而對材料的多光子吸收過程產(chǎn)生影響。第二部分工作是結合閉環(huán)遺傳算法，對正弦位相調制的整形脈沖的非線性吸收進行優(yōu)化。在變換極限脈沖作用下，K9玻璃幾乎沒有吸收。而在尋找到的最終整形脈沖作用下，材料對其的吸收率達到了4%。 4.使用遺傳算法對用于燒蝕產(chǎn)物粒子探測的反射式飛行時間質譜儀的分辨率進行了模擬優(yōu)化和相應的實驗驗證。本文選取了不`同的初始離子狀態(tài)進行了模擬優(yōu)化。在尋找到的最優(yōu)電壓組合下，質譜儀的電場結構對初始離子狀態(tài)不同造成的飛行時間差異實現(xiàn)了很好的補償。例如，在模擬實際實驗條件的優(yōu)化計算時，初始粒子狀態(tài)為45個不同質量數(shù)、有一定空間分布、具有一定初速度的粒子團。優(yōu)化結果得到的時間分辨率根據(jù)質量數(shù)的不同而不同，最低的為30512，而最高的達到了45635。在實驗中，使用模擬優(yōu)化尋找到的最優(yōu)電壓組合，本文獲得了較高分辨率的氙氣質譜，其中Xe132峰的時間分辨率為20968，驗證了模擬結果的正確性。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O437
【圖文】：

TBP）可以很好的解釋一個脈沖與變換極限脈沖之間的差別。沖的時間延遲和光譜寬度的乘積：TBP= t 分別是脈沖時域和頻域截面的半高全寬值。另一種評估脈沖與差別的方法是復雜度[1]。復雜度定義為時域或頻域最大特性與 t / t / 圖解示意如圖 1.1 所示。時間 帶寬乘積與復雜度之間是成正譜有： TBP/4ln2

3圖 1.2 脈沖整形圖集[2]：（a）傅立葉變換脈沖，（b）啁啾脈沖，（c）三次位相，（d）π 位相，（e）雙脈沖序列。第一列表示的是頻域的強度和位相，第二列表示時域的強度，第三列表示的是 Wigner 方程，第四列是光譜圖。光譜位相是決定脈沖復雜度，即脈沖形狀的主要因素。將光譜位相展開成泰勒多項式可以更清晰的了解每項的作用：(0) (1) (2) 2 (3) 30 0 0 0 0 0 01 1( ) ( ) ( ) ( )2 6 (4) 4 ( )0 0 0 01 1( ) ( )24 !n nn （1.5）

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本文編號：2736459