飛秒激光成絲現(xiàn)象中光強(qiáng)鉗制效應(yīng)研究.pdf

1、在透明介質(zhì)中傳輸?shù)娘w秒激光，當(dāng)其峰值功率足夠高時(shí)，可以保持很高的強(qiáng)度傳輸很長的距離而不產(chǎn)生發(fā)散，并電離介質(zhì)分子從而形成一條很長的等離子體通道，這種獨(dú)特的非線性光學(xué)現(xiàn)象被稱為激光成絲。由于激光成絲的內(nèi)部蘊(yùn)含著豐富的物理過程，并且在激光引雷、大氣遠(yuǎn)程探測(cè)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，近年來逐漸成為科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)熱門的前沿課題。激光成絲的主要物理機(jī)制是光克爾自聚焦效應(yīng)和等離子體散焦效應(yīng)二者之間動(dòng)態(tài)平衡，這種平衡也導(dǎo)致了其內(nèi)部的峰值光強(qiáng)約為一個(gè)常數(shù)，

2、這一現(xiàn)象被稱為光強(qiáng)鉗制效應(yīng)。
　　 本論文針對(duì)光絲內(nèi)的光強(qiáng)鉗制效應(yīng)開展了一系列理論以及實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了TW量級(jí)激光在不同氣體中以及雙絲干涉過程中的光強(qiáng)鉗制效應(yīng)；提出了一種全新的測(cè)量光絲內(nèi)峰值光強(qiáng)的方法；在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了光絲發(fā)射熒光的超穩(wěn)定性，并通過理論模擬成功解釋了光強(qiáng)鉗制效應(yīng)是導(dǎo)致該穩(wěn)定性的主要原因。
　　 本文研究了飛秒激光在空氣中和氬氣中激光成絲內(nèi)部的光強(qiáng)鉗制現(xiàn)象，根據(jù)激光成絲側(cè)向輻射熒光光譜的斯塔克展寬，計(jì)算出成絲

3、內(nèi)部的等離子體密度，結(jié)合電離速率方程，推導(dǎo)出了激光成絲內(nèi)部的峰值光強(qiáng)。結(jié)果表明，盡管入射激光峰值功率從0.1TW(1012瓦)增加到1.5TW，激光成絲內(nèi)部的峰值光強(qiáng)基本保持不變，光強(qiáng)鉗制效應(yīng)始終制約著激光成絲內(nèi)部光強(qiáng)的提高。
　　 本文還研究了雙絲干涉區(qū)域的光強(qiáng)鉗制效應(yīng)。將兩束獨(dú)立傳播的飛秒激光分別經(jīng)透鏡聚焦后在空氣中成絲，二者在焦點(diǎn)位置完全重合、彼此相互干涉并在空間中形成一個(gè)等離子體動(dòng)態(tài)光柵，通過干涉區(qū)域輻射的氮?dú)鉄晒庑盘?hào)判

4、斷其內(nèi)部峰值光強(qiáng)的演化，發(fā)現(xiàn)峰值光強(qiáng)的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于線性疊加的結(jié)果，這表明光強(qiáng)鉗制效應(yīng)同樣制約著其內(nèi)部峰值光強(qiáng)的提高，因此，通過雙絲干涉的方法顯著地提高光絲內(nèi)部峰值光強(qiáng)并不現(xiàn)實(shí)。
　　 光強(qiáng)是研究飛秒激光成絲內(nèi)部物理機(jī)制的一個(gè)重要參量。然而，成絲內(nèi)部光強(qiáng)的測(cè)量是一件很有挑戰(zhàn)性的工作，目前的研究方法主要依賴數(shù)值模擬。本論文提出一種測(cè)量空氣中激光成絲內(nèi)部峰值光強(qiáng)的方法，該方法是建立在測(cè)量391nm和337nm兩條氮?dú)鉄晒庾V線強(qiáng)度比的基

5、礎(chǔ)上。由于激發(fā)機(jī)制不同，這兩條熒光譜線的強(qiáng)度和激光成絲內(nèi)部的峰值強(qiáng)度滿足不同關(guān)系。最后還通過實(shí)驗(yàn)獲得了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，利用這個(gè)公式可以直接根據(jù)熒光信號(hào)的強(qiáng)度比值計(jì)算出激光成絲內(nèi)部的峰值光強(qiáng)。該方法解決了成絲非線性光學(xué)領(lǐng)域久而未決的基礎(chǔ)性難題，為研究光強(qiáng)鉗制現(xiàn)象提供了新的技術(shù)手段。
　　 飛秒激光成絲在大氣遠(yuǎn)程污染探測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，利用激光成絲輻射的熒光光譜可以有效地分析污染物的成份及其濃度。本論文研究了空氣中激光成絲輻射

6、氮?dú)鉄晒庑盘?hào)的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，脈沖與脈沖之間熒光信號(hào)強(qiáng)度抖動(dòng)的均方根比線性傳播的情況至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)，通過理論模擬我們發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)鉗制效應(yīng)是導(dǎo)致熒光信號(hào)超穩(wěn)定性的主要原因。
　　 最后，我們對(duì)本論文的研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并為下一步的研究計(jì)劃提出以下幾點(diǎn)建議：一、不同入射角度和更高脈沖能量條件下，雙絲干涉內(nèi)部的光強(qiáng)鉗制現(xiàn)象有待進(jìn)一步的研究。二，對(duì)于非高斯型光束和中心波長不是800nm的激光脈沖，本論文提出的測(cè)量光絲內(nèi)峰值光強(qiáng)的方