本文選題：飛秒強(qiáng)激光　切入點(diǎn)：光絲　出處：《西南交通大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：飛秒強(qiáng)激光氣體傳輸時(shí)產(chǎn)生的一系列線性和非線性效應(yīng)在現(xiàn)實(shí)中有許多潛在應(yīng)用,例如超連續(xù)譜激光探測(cè)與測(cè)量、高電壓放電控制與引導(dǎo)閃電、產(chǎn)生單光學(xué)周期脈沖與高次諧波。正因?yàn)檫@些誘人的潛在應(yīng)用,飛秒強(qiáng)激光氣體傳輸才成為熱門(mén)的研究課題。到目前為止,共有兩種物理模型來(lái)描述飛秒強(qiáng)激光的傳輸,一種是九十年代就開(kāi)始應(yīng)用的經(jīng)典模型,另一種是2010年之后才提出的包含高階克爾效應(yīng)的完整模型。經(jīng)典模型認(rèn)為飛秒強(qiáng)激光傳輸產(chǎn)生的光絲是由克爾自聚焦和等離子體散焦達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成的,而完整模型則認(rèn)為飛秒光絲是克爾自聚焦和高階克爾散焦達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的產(chǎn)物,等離子體的作用可以忽略。本論文采用此兩種模型,研究了飛秒強(qiáng)激光氣體傳輸五個(gè)方面的內(nèi)容。自V. Loriot等人測(cè)量了800 nm波長(zhǎng)激光的空氣介質(zhì)主要成分的高階非線性折射率之后,高階克爾效應(yīng)成為研究熱點(diǎn)。P. Bejot等人提出了包含高階克爾效應(yīng)的完整模型,認(rèn)為無(wú)論是聚焦過(guò)程還是散焦過(guò)程,克爾效應(yīng)都處于主導(dǎo)地位,這意味著自導(dǎo)過(guò)程不一定依賴等離子體。隨后關(guān)于經(jīng)典模型和完整模型誰(shuí)占主導(dǎo)地位進(jìn)行了大量的研究,但是沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論。我們采用兩種模型模擬飛秒強(qiáng)激光在空氣介質(zhì)中的傳輸,選取相同的初始參量,模擬結(jié)果顯示經(jīng)典模型峰值光強(qiáng)最大模擬值要比完整模型的峰值光強(qiáng)最大值高兩倍,而完整模型模擬出的光絲長(zhǎng)度約為經(jīng)典模型的兩倍。兩種模型的激光光強(qiáng)在光絲橫截面上的時(shí)空分布也不相同。由于實(shí)驗(yàn)條件限制,最新測(cè)得的含有高階克爾項(xiàng)的非線性折射率存在大約10%的上下浮動(dòng)范圍,非線性折射率會(huì)影響飛秒光絲的成絲特性,我們采用四組不同的折射率通過(guò)完整模型來(lái)研究其影響。峰值光強(qiáng)和軸上電子密度隨著折射率值的減小都是遞減的,而且折射率值越小,遞減的趨勢(shì)就越慢,光絲通道的長(zhǎng)度和半徑尺寸隨折射率的增加都是減小的。經(jīng)過(guò)分析光束傳輸?shù)讲煌恢玫墓鈴?qiáng)時(shí)空分布得出,非線性折射率不同,所產(chǎn)生的光強(qiáng)時(shí)空分布差別也較大。飛秒強(qiáng)激光波長(zhǎng)從紫外區(qū)域覆蓋到紅外區(qū)域,不同顏色的激光在氣體中傳輸會(huì)產(chǎn)生不同的光絲。到目前為止,只測(cè)量了波長(zhǎng)為800 nm激光對(duì)應(yīng)的主要空氣成分——氮?dú)�、氧氣和氬氣的高階非線性折射率,所以研究不同顏色激光成絲特性只能采用經(jīng)典模型。同時(shí)由于惰性氣體是單原子氣體,沒(méi)有拉曼散射也沒(méi)有分子氣體中分子締合與分子碎裂等效應(yīng),因此選取氬氣為傳輸介質(zhì)。通過(guò)固定入射激光的能量和入射峰值功率與自聚焦臨界功率比值來(lái)研究三種不同顏色的激光在氬氣介質(zhì)中的成絲現(xiàn)象。相同條件下,短波長(zhǎng)的激光脈沖在氬氣中傳輸時(shí)產(chǎn)生的峰值光強(qiáng)高,電子密度大。短波長(zhǎng)的飛秒強(qiáng)激光脈沖形成的光絲通道不僅細(xì)長(zhǎng)而且穩(wěn)定,更重要的是,光束半徑內(nèi)能量與總能量比值起伏較小,有利于長(zhǎng)距離傳輸。飛秒強(qiáng)激光氣體傳輸時(shí),電子密度的時(shí)空分布是變化的。電子密度主要由四種效應(yīng)來(lái)決定,它們是光電離效應(yīng)、雪崩電離效應(yīng)、電子粘附效應(yīng)和電子復(fù)合效應(yīng)。大多數(shù)的數(shù)值模擬都考慮了光電離效應(yīng),但是考慮雪崩電離效應(yīng)、電子粘附效應(yīng)和電子復(fù)合效應(yīng)的比較少,尤其是后兩種效應(yīng),多數(shù)學(xué)者都將之省略了。入射激光的時(shí)間脈寬范圍從10 fs至300 fs,電子粘附效應(yīng)和復(fù)合效應(yīng)應(yīng)該會(huì)有所差別,更重要的是,在高壓環(huán)境中粘附效應(yīng)和復(fù)合效應(yīng)的作用還比較重要。本文應(yīng)用完整模型分別在氬氣介質(zhì)和空氣介質(zhì)中研究了不同氣體壓強(qiáng)和入射激光脈寬條件下產(chǎn)生的電子密度對(duì)飛秒光絲的影響。在氬氣介質(zhì)和空氣介質(zhì)中,考慮壓強(qiáng)因素時(shí),上述后三種效應(yīng)的影響都是從初始的基本為零迅速增長(zhǎng),最后達(dá)到穩(wěn)定。在后三種效應(yīng)中,雪崩電離的影響強(qiáng)度要比電子粘附效應(yīng)和電子復(fù)合效應(yīng)的強(qiáng)度稍微高一些。空氣介質(zhì)中的電子密度值對(duì)壓強(qiáng)這一因素不如氬氣中的電子密度值對(duì)此因素敏感,在兩種介質(zhì)中,高壓環(huán)境的模擬需要考慮此三種效應(yīng)。至于入射激光脈寬這一因素,盡管覆蓋了10 fs至300 fs這么大的范圍,但是后三種效應(yīng)對(duì)飛秒光絲的影響還是特別小,可以忽略不計(jì)。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境中,不少學(xué)者使用經(jīng)典模型和含有高階克爾效應(yīng)的完整模型研究了飛秒強(qiáng)激光的成絲現(xiàn)象；在多變氣壓環(huán)境中,以往學(xué)者主要采用經(jīng)典模型。本文采用完整模型與經(jīng)典模型相對(duì)比的方法,研究不同壓強(qiáng)環(huán)境和延遲克爾效應(yīng)對(duì)飛秒成絲現(xiàn)象的影響。結(jié)果顯示,壓強(qiáng)對(duì)飛秒強(qiáng)激光傳輸產(chǎn)生的影響很大。最重要的數(shù)值結(jié)果就是,對(duì)兩種模型來(lái)說(shuō),飛秒光絲長(zhǎng)度與壓強(qiáng)成反比關(guān)系、光絲半徑與壓強(qiáng)平方根成反比關(guān)系,同時(shí),隨著壓強(qiáng)增加,光絲所含能量會(huì)減少。壓強(qiáng)尤其對(duì)脈寬較短的激光脈沖影響嚴(yán)重,甚至在脈寬很短時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生光絲。另一方面,在0.5倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓至4倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓范圍內(nèi),完整模型模擬的光絲長(zhǎng)度為經(jīng)典模型模擬值的兩倍,這可以用來(lái)區(qū)分高階克爾效應(yīng)和等離子體散焦效應(yīng)誰(shuí)起主導(dǎo)作用。無(wú)論是完整模型還是經(jīng)典模型,延遲克爾效應(yīng)都沒(méi)有改變光強(qiáng)箝位,只改變光強(qiáng)箝位出現(xiàn)的位置,即推遲了飛秒光絲的起始位置,但是并沒(méi)有改變光絲的長(zhǎng)度和橫向尺寸。延遲克爾效應(yīng)還降低了電子密度。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN24

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