飛秒激光成絲現(xiàn)象中光強鉗制效應研究.pdf

1、在透明介質中傳輸?shù)娘w秒激光，當其峰值功率足夠高時，可以保持很高的強度傳輸很長的距離而不產(chǎn)生發(fā)散，并電離介質分子從而形成一條很長的等離子體通道，這種獨特的非線性光學現(xiàn)象被稱為激光成絲。由于激光成絲的內部蘊含著豐富的物理過程，并且在激光引雷、大氣遠程探測等領域具有潛在的應用前景，近年來逐漸成為科學領域一個熱門的前沿課題。激光成絲的主要物理機制是光克爾自聚焦效應和等離子體散焦效應二者之間動態(tài)平衡，這種平衡也導致了其內部的峰值光強約為一個常數(shù)，

2、這一現(xiàn)象被稱為光強鉗制效應。
　　 本論文針對光絲內的光強鉗制效應開展了一系列理論以及實驗研究，驗證了TW量級激光在不同氣體中以及雙絲干涉過程中的光強鉗制效應；提出了一種全新的測量光絲內峰值光強的方法；在實驗上發(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鉗制效應是導致該穩(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部的光強鉗制現(xiàn)象，根據(jù)激光成絲側向輻射熒光光譜的斯塔克展寬，計算出成絲

3、內部的等離子體密度，結合電離速率方程，推導出了激光成絲內部的峰值光強。結果表明，盡管入射激光峰值功率從0.1TW(1012瓦)增加到1.5TW，激光成絲內部的峰值光強基本保持不變，光強鉗制效應始終制約著激光成絲內部光強的提高。
　　 本文還研究了雙絲干涉區(qū)域的光強鉗制效應。將兩束獨立傳播的飛秒激光分別經(jīng)透鏡聚焦后在空氣中成絲，二者在焦點位置完全重合、彼此相互干涉并在空間中形成一個等離子體動態(tài)光柵，通過干涉區(qū)域輻射的氮氣熒光信號判

4、斷其內部峰值光強的演化，發(fā)現(xiàn)峰值光強的提高遠遠低于線性疊加的結果，這表明光強鉗制效應同樣制約著其內部峰值光強的提高，因此，通過雙絲干涉的方法顯著地提高光絲內部峰值光強并不現(xiàn)實。
　　 光強是研究飛秒激光成絲內部物理機制的一個重要參量。然而，成絲內部光強的測量是一件很有挑戰(zhàn)性的工作，目前的研究方法主要依賴數(shù)值模擬。本論文提出一種測量空氣中激光成絲內部峰值光強的方法，該方法是建立在測量391nm和337nm兩條氮氣熒光譜線強度比的基

5、礎上。由于激發(fā)機制不同，這兩條熒光譜線的強度和激光成絲內部的峰值強度滿足不同關系。最后還通過實驗獲得了一個經(jīng)驗公式，利用這個公式可以直接根據(jù)熒光信號的強度比值計算出激光成絲內部的峰值光強。該方法解決了成絲非線性光學領域久而未決的基礎性難題，為研究光強鉗制現(xiàn)象提供了新的技術手段。
　　 飛秒激光成絲在大氣遠程污染探測領域具有廣泛的應用前景，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、氮氣熒光信號的穩(wěn)定性，實驗結果表明，脈沖與脈沖之間熒光信號強度抖動的均方根比線性傳播的情況至少低一個數(shù)量級，通過理論模擬我們發(fā)現(xiàn)光強鉗制效應是導致熒光信號超穩(wěn)定性的主要原因。
　　 最后，我們對本論文的研究工作進行了總結，并為下一步的研究計劃提出以下幾點建議：一、不同入射角度和更高脈沖能量條件下，雙絲干涉內部的光強鉗制現(xiàn)象有待進一步的研究。二，對于非高斯型光束和中心波長不是800nm的激光脈沖，本論文提出的測量光絲內峰值光強的方