飛秒激光在空氣、水溶液中的傳輸和成絲的光譜特性研究
發(fā)布時間：2021-07-14 14:17
隨著飛秒激光技術的快速發(fā)展,自從1995年飛秒激光成絲現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來,人們對不同氣體及凝聚態(tài)介質中的成絲現(xiàn)象進行了廣泛研究,不斷地揭開了飛秒激光成絲過程的面紗。飛秒激光脈沖在介質中傳播時,由于克爾自聚焦效應,激光強度會不斷增加,當其達到電離閾值后,通過多光子電離產生的大量等離子體會對激光光束起到散焦的作用,當兩者達到動態(tài)平衡時能夠得到很長的等離子體通道,在此過程中會產生超連續(xù)譜、熒光發(fā)射、錐角輻射以及太赫茲輻射等非線性效應,這些效應對遠程探測、人工降雨以及誘導閃電等諸多領域都具有重要的應用前景。盡管在過去的二十幾年間,飛秒激光脈沖在介質中成絲已經取得了很大的成功,但仍有問題亟待解決,如飛秒激光在真實大氣中傳播時,濕度、溫度、氣流等因素都會隨時發(fā)生變化;在液體環(huán)境中傳播時,溫度和各雜質含量等也會發(fā)生變化,這些因素對成絲過程都會產生較大的影響。在本文中,我們分析了不同因素對飛秒激光在空氣中成絲產生的熒光光譜以及在水中成絲時產生的超連續(xù)譜的影響,其主要研究內容如下:（1）我們對飛秒激光成絲過程中不同位置處的熒光發(fā)射情況進行了分析,并利用氮熒光光譜對成絲過程進行表征。我們發(fā)現(xiàn)等離子體細絲的長度...
【文章來源】：吉林大學吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：119 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
（a）飛秒激光成絲的自聚焦模型（b）飛秒激光成絲產生的等離子散焦模型[21]
生對折射率的貢獻是負的，使折射率變小，如圖 1.1(b)所示。從 1.1(a)和 1.1(b中可以觀察到等離子體的作用相比于自聚焦的作用是截然相反的，類似于一個凹透鏡，使光束發(fā)散，引起的折射率變化為：cr( , )( , )2r tn r tρρ = (1.2其中ρ(r,t)為自由電子密度，2 2cr 0 0=eρ ε m ω e（對于中心波長為800 nm的激光：ρc≈1.7×1021cm-3）是等離子體的臨界密度，ε0是真空介電常量，me是電子質量，是電子電量，ω0是激光中心頻率。當ρ>ρcr時，等離子體就不再透明。當激光脈沖在傳播過程中發(fā)生的克爾自聚焦效應和等離子體散焦效應達到動態(tài)平衡時，激光脈沖會以這種形式在介質中一直傳播下去，從而形成穩(wěn)定的等離子體通道，這也就是人們通常所指的等離子體細絲，如圖1.2所示。最終，由于等離子體的產生會對能量進行不斷的消耗，使得這兩個效應不再平衡，成絲將會終止。
而迅速產生大量的等離子體，等離子體的散焦作用會對脈沖后沿部分產生強烈的衍射,連續(xù)的長距離等離子體通道便很難形成。無法形成長距離的等離子體通道就意味著無法正常進行激光引雷的研究工作，自此，這方面的研究工作就被擱淺了。自從 1995 年實現(xiàn)了飛秒激光脈沖在空氣中產生長距離的等離子體細絲后，激光引雷技術迎來了新的希望[7]。自此，研究學者們重拾對激光引雷的研究。2002年，較為著名的研究莫過于法國 Mysyrowicz[37, 38]小組搭建的高壓閃電裝置，他們成功地通過等離子體細絲誘導間距為三米的兩個電極進行放電。在 2008 年，Kasparian[39]小組在美國新墨西哥州的野外進行了激光引雷的實驗，成功地向雷暴云發(fā)射飛秒激光脈沖，制造了云中的局部放電，如圖 1.3 所示。但是，該激光器產生的等離子體通道無法長時間的存在，并且在幾十米內就消失了，這意味著閃電無法被引到地面，因此，這項技術還存在一定的局限性。若想能夠實現(xiàn)云中的大規(guī)模放電，對激光參數(shù)的要求就更為苛刻，不僅激光脈沖能量要更大，等離子細絲的長度及壽命應該更長。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Group velocity dispersion effect on the collapse of femtosecond laser pulses in air: a revised form for Marburger’s law[J]. 李蘇宇,金明星. Chinese Optics Letters. 2015(12)
[2]Intense broadband THz generation from femtosecond laser filamentation[J]. Tie-Jun Wang,Shuai Yuan,Yanping Chen,See Leang Chin. Chinese Optics Letters. 2013(01)
[3]等離子體通道的聲學診斷方法[J]. 郝作強,張杰,俞進. 物理. 2004(06)
本文編號：3284305
【文章來源】：吉林大學吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：119 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
（a）飛秒激光成絲的自聚焦模型（b）飛秒激光成絲產生的等離子散焦模型[21]
生對折射率的貢獻是負的，使折射率變小，如圖 1.1(b)所示。從 1.1(a)和 1.1(b中可以觀察到等離子體的作用相比于自聚焦的作用是截然相反的，類似于一個凹透鏡，使光束發(fā)散，引起的折射率變化為：cr( , )( , )2r tn r tρρ = (1.2其中ρ(r,t)為自由電子密度，2 2cr 0 0=eρ ε m ω e（對于中心波長為800 nm的激光：ρc≈1.7×1021cm-3）是等離子體的臨界密度，ε0是真空介電常量，me是電子質量，是電子電量，ω0是激光中心頻率。當ρ>ρcr時，等離子體就不再透明。當激光脈沖在傳播過程中發(fā)生的克爾自聚焦效應和等離子體散焦效應達到動態(tài)平衡時，激光脈沖會以這種形式在介質中一直傳播下去，從而形成穩(wěn)定的等離子體通道，這也就是人們通常所指的等離子體細絲，如圖1.2所示。最終，由于等離子體的產生會對能量進行不斷的消耗，使得這兩個效應不再平衡，成絲將會終止。
而迅速產生大量的等離子體，等離子體的散焦作用會對脈沖后沿部分產生強烈的衍射,連續(xù)的長距離等離子體通道便很難形成。無法形成長距離的等離子體通道就意味著無法正常進行激光引雷的研究工作，自此，這方面的研究工作就被擱淺了。自從 1995 年實現(xiàn)了飛秒激光脈沖在空氣中產生長距離的等離子體細絲后，激光引雷技術迎來了新的希望[7]。自此，研究學者們重拾對激光引雷的研究。2002年，較為著名的研究莫過于法國 Mysyrowicz[37, 38]小組搭建的高壓閃電裝置，他們成功地通過等離子體細絲誘導間距為三米的兩個電極進行放電。在 2008 年，Kasparian[39]小組在美國新墨西哥州的野外進行了激光引雷的實驗，成功地向雷暴云發(fā)射飛秒激光脈沖，制造了云中的局部放電，如圖 1.3 所示。但是，該激光器產生的等離子體通道無法長時間的存在，并且在幾十米內就消失了，這意味著閃電無法被引到地面，因此，這項技術還存在一定的局限性。若想能夠實現(xiàn)云中的大規(guī)模放電，對激光參數(shù)的要求就更為苛刻，不僅激光脈沖能量要更大，等離子細絲的長度及壽命應該更長。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Group velocity dispersion effect on the collapse of femtosecond laser pulses in air: a revised form for Marburger’s law[J]. 李蘇宇,金明星. Chinese Optics Letters. 2015(12)
[2]Intense broadband THz generation from femtosecond laser filamentation[J]. Tie-Jun Wang,Shuai Yuan,Yanping Chen,See Leang Chin. Chinese Optics Letters. 2013(01)
[3]等離子體通道的聲學診斷方法[J]. 郝作強,張杰,俞進. 物理. 2004(06)
本文編號：3284305
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