【摘要】：當(dāng)飛秒激光脈沖在空氣中傳播時(shí),克爾自聚焦效應(yīng)使激光強(qiáng)度不斷增加,當(dāng)其增大到一定值(原子或分子的電離閡值)之后,會(huì)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(duì)激光光束起到散焦作用,從而使得激光強(qiáng)度減小�？藸栕跃劢剐�(yīng)和等離子體散焦效應(yīng)同時(shí)存在,此消彼長,當(dāng)它們達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),會(huì)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(jī)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(jià)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(yuǎn)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(diǎn),人們在理論、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用方面進(jìn)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(shí)驗(yàn)測量兩方面對(duì)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(duì)飛秒激光成絲的基礎(chǔ)性工作進(jìn)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(jī)理,接著結(jié)合飛秒激光成絲的意義對(duì)其應(yīng)用進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(qiáng)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(duì)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(yàn)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(jìn)的Marburger公式,不僅能很好地解釋GVD效應(yīng)對(duì)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(diǎn),有助于更全面地認(rèn)識(shí)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(duì)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(shí),得到的電子密度與鉗制強(qiáng)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(shí)了電離計(jì)算的不準(zhǔn)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(qiáng)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(duì)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(jí)。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(huì)對(duì)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(dāng)空氣中含有激發(fā)態(tài)分子時(shí),會(huì)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(duì)激光強(qiáng)度時(shí)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(huì)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(qiáng)等信息。此外,通過研究成絲過程中的熒光發(fā)射還可以對(duì)超短脈沖激光與原子分子相互作用機(jī)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(duì)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(jìn)行了研究。盡管兩束脈沖在時(shí)域上沒有重疊,但是前一束脈沖產(chǎn)生的等離子體會(huì)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(jìn)而影響成絲過程中的熒光強(qiáng)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?dú)馐强諝獾闹饕煞?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(jī)制還沒有被完全弄清楚。在第八章至第十章中,我們對(duì)氮熒光的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了討論。在第八章中,我們研究了激光偏振特性對(duì)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(duì)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(huì)開啟碰撞激發(fā)通道,引起更強(qiáng)的熒光發(fā)射；而對(duì)于391 nm譜線,N2+和N+均對(duì)其發(fā)射有貢獻(xiàn)。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(gè)方向上的強(qiáng)度均相同,而來自N2+熒光的強(qiáng)度在平行于激光偏振方向強(qiáng)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(hào)強(qiáng)度隨著氣壓線性增強(qiáng)表明碰撞引起的系間竄越機(jī)制也不是產(chǎn)生N2(C3Πu+)的主要機(jī)制。綜合上述因素,我們提出了直接系間竄越機(jī)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(duì)其產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了討論。然而在實(shí)際應(yīng)用中(如,遠(yuǎn)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(duì)氮熒光的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了討論。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚焦透鏡焦距較小時(shí),來自N2+的熒光在線偏振激光作用下更強(qiáng),而來自N2的熒光則在圓偏振激光的作用下更強(qiáng),這一現(xiàn)象表明在N2(C3Πu+)的形成過程中,解離復(fù)合機(jī)制并不起主導(dǎo)作用,進(jìn)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(jī)制的認(rèn)識(shí)。
【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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)逡逑中觀察到了水平傳播的激光可レッ產(chǎn)生長達(dá)２邋ｋｍ的絲如果激光進(jìn)行豎直傳逡逑播，則會(huì)觀察到更長的絲ｆｉｓ’Ｗ。不過，隨著海拔的增加，氣壓在減小，當(dāng)氣壓小逡逑于某一值之后，激光就無法成絲了，這會(huì)限制成絲的實(shí)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(shí)驗(yàn)室也：ｏｌｅ邋Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，邋Ｐａｌａｉｓｅａｕ）中進(jìn)行的紅外巧００邋ｎｍ）激光光束傳逡逑播實(shí)驗(yàn)．絲的主要性質(zhì)ｔＷ；熱中必的直徑約為１００／ｍｉ，強(qiáng)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(gè)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(jī)理逡逑當(dāng)飛秒激光脈沖在空氣中傳播時(shí)，氣體中的原子或分子會(huì)發(fā)生極化，引起與逡逑入射光強(qiáng)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(duì)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(shí)存在，此消彼長，，逡逑當(dāng)它們達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，激光束會(huì)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(qiáng)激光光束聚焦－散焦循環(huán)示意圖：實(shí)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(dāng)入射激光的初始功率大于自聚焦的臨界功率巧對(duì)于商斯型光束，逡逑其自聚焦臨界功率為巧，＝３．７７＾／８兀。。。，，而對(duì)于其他形狀的光束，雖然也會(huì)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(gè)值小。例如對(duì)于逡逑Ｔｏｗｎｅｓ光束
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O437


本文編號(hào)：2573814