超短脈沖數(shù)字全息技術(shù)及其在記錄飛秒級超快動態(tài)過程中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著數(shù)字全息技術(shù)與超短脈沖技術(shù)的快速發(fā)展,超短脈沖數(shù)字全息術(shù)成為記錄和再現(xiàn)超快動態(tài)過程的有力工具,它在超高分辨時間、空間探測中具有突出優(yōu)勢。本文以超短脈沖數(shù)字全息技術(shù)及其在實時記錄飛秒級超快動態(tài)過程中的應(yīng)用研究為主要目的和研究內(nèi)容,開展了如下具有創(chuàng)新性的研究工作： 1.針對實時記錄超快動態(tài)過程的需要,提出了數(shù)字全息術(shù)中的記錄平面的復(fù)用概念,并針對數(shù)字全息中由于記錄器件象素對物光和參考光角度選擇的苛刻限制問題,提出了實現(xiàn)數(shù)字全息術(shù)

2、記錄平面復(fù)用的空間角分復(fù)用技術(shù),并分析、比較了空間角分復(fù)用相對于平面角分復(fù)用的優(yōu)勢；分析結(jié)果表明,空間角分復(fù)用放寬了對角度的嚴(yán)格限制,使光路設(shè)計具有更大的選擇性,利于數(shù)字濾波和再現(xiàn)。 2.首次設(shè)計并建立了具有飛秒級時間分辨的空間角分復(fù)用脈沖數(shù)字顯微全息實驗系統(tǒng),并完成對單脈沖飛秒激光激發(fā)空氣電離動態(tài)過程的實時記錄和再現(xiàn)。實驗系統(tǒng)基于分光延遲的思路,能夠?qū)蝹€飛秒脈沖分割為具有飛秒時間間隔的角度相同的物光子脈沖序列和具有同樣時間間

3、隔的角度不同的參考光子脈沖序列,以空間角分復(fù)用的方式在普通CCD的一幀圖像上實時記錄下了包含多張子全息圖的復(fù)合全息圖。通過對單脈沖飛秒激光激發(fā)空氣電離過程的實時全息記錄,實時記錄下了具有飛秒時間分辨的等離子體形成和傳播過程的振幅和相位的動態(tài)圖像,其曝光時間50 fs,拍攝間隔時間約300 fs。 3.首次設(shè)計并建立了飛秒級波分復(fù)用脈沖數(shù)字顯微全息實驗系統(tǒng),并完成了對單脈沖飛秒激光激發(fā)空氣電離動態(tài)過程的實時記錄和再現(xiàn)。實驗系統(tǒng)利用

4、BBO倍頻晶體使得入射激光包含了基波和諧波兩種光譜成分,并經(jīng)時間延遲后進入邁克爾遜干涉儀,從而可應(yīng)用波分復(fù)用技術(shù),先后在CCD的一幀圖像上實時記錄了兩幅具有不同空間頻率的子全息圖。通過對單脈沖飛秒激光激發(fā)空氣電離的超快動態(tài)過程的實時全息記錄和再現(xiàn),獲得了具有飛秒時間分辨的空氣等離子體形成和傳播過程的實時動態(tài)振幅和相位圖像,相應(yīng)的曝光時間50 fs,拍攝間隔時間約400 fs。 4.采用時間分辨陰影探測方法,對飛秒激光燒蝕金屬鋁靶

5、的動態(tài)過程進行了實驗研究,獲得了一系列具有飛秒時間分辨的、飛秒脈沖激光燒蝕鋁靶期間產(chǎn)生的等離子體和噴射物質(zhì)的二維動態(tài)陰影圖像,在實驗上首次觀察到了等離子體內(nèi)部的條紋結(jié)構(gòu)以及多次噴射現(xiàn)象,并對燒蝕機理進行了分析。 5.首次采用脈沖數(shù)字顯微全息技術(shù),對飛秒激光燒蝕金屬鋁靶的動態(tài)過程進行了全息記錄,獲得了一系列具有飛秒時間分辨的動態(tài)全息圖；通過數(shù)字再現(xiàn),獲得了飛秒激光燒蝕鋁靶動態(tài)過程中產(chǎn)生的等離子體和噴射物質(zhì)的二維相位信息,通過計算獲得了時空

6、演化的電子密度分布,并根據(jù)實驗和計算結(jié)果對飛秒激光燒蝕過程進行了分析。 6.利用探測空氣等離子體發(fā)光信號的方法,首次在實驗上測量了飛秒激光激發(fā)空氣電離所需的閾值強度。結(jié)果表明,當(dāng)激光脈沖寬度從50 fs增加到22 ps時,閾值光強Ith從8.7×1014W/cm2下降到2.7×1013W/cm2;Ith經(jīng)歷了由迅速降低逐漸發(fā)展為緩慢降低的過程。在50 fs-1 ps和1 ps-22 ps的脈寬區(qū)間,分別利用基于多光子電離和多光子