唐华, 郭弘, 刘明伟, 仇云利, 邓冬梅[1]2003年在《超短强激光脉冲在等离子体隧道中传输的理论与数值模拟研究》文中指出研究了超短强激光脉冲在非扰动抛物型部分电离的预等离子体隧道中的传输特性 .从Maxwell方程出发得到了两个包含衍射、叁阶强度非线性、等离子体散焦、等离子体隧道聚焦以及相对论自聚焦等效应在内的激光场演化方程 ,即折射率方程和哈密顿 雅可比方程 .在此基础上得到了激光在等离子体隧道中传输的包络方程以及光斑半径与传输距离、隧道宽度等初始参量的关系
唐华[2]2003年在《超短强激光在等离子体隧道中传输的理论研究》文中研究说明本文从理论上研究了超短强激光在等离子体隧道中的传输。文中用哈密顿-雅可比方程方法和源展开方法分别对激光在等离子体隧道中传输所涉及的衍射效应、等离子体散焦效应、叁阶强度非线性、相对论自聚焦、等离子体隧道的聚焦和散焦效应、碰撞等离子体中的吸收效应、有限脉宽效应等等做了基本的阐述。本文分四章，第一章为前言，第二、叁章介绍作者硕士研究生期间做的部分工作，第四章为总结和展望。 第一章：本章介绍了超短强激光在等离子体隧道中传输研究的背景，并回顾了激光和等离子体相互作用物理。 第二章：本章阐述了超强激光光束在抛物型部分电离的预等离子体(聚焦和散焦)隧道中的传输特性。研究了相对论自聚焦效应和等离子体波引起的密度扰动对传输的影响。从Maxwell方程出发我们得到了两个包含衍射、叁阶强度非线性、等离子体散焦、等离子体隧道聚焦和散焦以及相对论自聚焦等效应在内的激光场演化方程，即折射率方程和哈密顿-雅可比方程。在此基础上得到了激光在等离子体隧道中传输的包络方程以及光斑半径与传输距离、隧道宽度等初始参量的关系。 第叁章：本章介绍了求解有非线性源项的傍轴方程的有效方法-源展开方法，并给出了两个具体的例子，即考虑等离子体电子间碰撞的隧道传输的求解和考虑激光脉冲的有限脉宽效应的隧道传输求解。源展开方法的解是电场的四个参数的演化方程，即关于波前曲率、光斑半径、振幅和相位的四个偏微分方程。 第四章：本章主要是在总结了两种方法的基础上提出进一步可以做的工作，介绍了等离子体动力论中的Vlasov方程及它的叁个矩方程(连续性方程、力方程和压强方程)，以及强激光在介质中传输涉及到的电离和复合机制。
唐华[3]2006年在《光在共振和非共振介质中的传输及其物理机制研究》文中提出本论文主要由四部分构成，系统深入地从Maxwell方程和密度矩阵方程出发研究光在介质中的非共振传输和共振传输，以及介质的光学性质。从研究强激光在等离子体隧道中的非共振传输，到光脉冲在反常色散介质中的共振传输及其中出现的群超光速现象，以及在群超光速传输中根据探测中的信噪比和误码率定义的信号速度，并研究了信号速度和光脉冲波形、相位以及传输距离的关系。然后深入到介质的能级结构，从物理本质上分析群超光速传输和慢光传输及其操控。最后是本论文的总结和展望。 第一部分(第一至叁章)从理论上研究了超短强激光在等离子体隧道中的传输。第一章介绍了超短强激光在等离子体隧道中传输研究的背景，并回顾了激光-等离子体相互作用物理的基本概念和知识。第二章阐述了超强激光光束在抛物型部分电离的预等离子体(聚焦和散焦)隧道中的传输特性。研究了相对论自聚焦效应和等离子体波引起的密度扰动对传输的影响。从Maxwell方程出发，我们得到了两个包含衍射、叁阶强度非线性、等离子体散焦、等离子体隧道聚焦和散焦以及相对论自聚焦等效应在内的激光场演化方程，即折射率方程和Hamilton-Jacobi方程。在此基础上得到了激光在等离子体隧道中传输的包络方程以及光斑半径与传输距离、隧道宽度等初始参量的关系。第叁章介绍了求解有非线性源项的傍轴方程的有效方法—源展开方法，并给出了两个具体的例子，即考虑等离子体电子间碰撞的隧道传输解和考虑激光脉冲的有限脉宽效应的隧道传输解。源展开方法的解是电场的四个参数的演化方程，即关于波前曲率、光斑半径、振幅和相位的四个偏微分方程组。 第二部分(第四至六章)在介绍了光脉冲在共振介质中传输一般研究方法的基础上，讨论了光脉冲在色散介质中共振传输时会出现的群超光速传输和慢光传输现象，以及光脉冲在增益反常色散介质中群超光速传输的信号速度。第四章首先概述了共振传输情况时出现的群超光速传输现象的研究历史和研究背景。第五章阐述了光脉冲共振传输的传输方程及其一般求解方法。从波数的展开式和电场强度的Fourier变换，得到光脉冲传输方程，并给出了在光脉冲准单色情况下的求解
亓协兴[4]2016年在《气体介质中飞秒光丝现象的数值研究》文中研究表明飞秒强激光气体传输时产生的一系列线性和非线性效应在现实中有许多潜在应用,例如超连续谱激光探测与测量、高电压放电控制与引导闪电、产生单光学周期脉冲与高次谐波。正因为这些诱人的潜在应用,飞秒强激光气体传输才成为热门的研究课题。到目前为止,共有两种物理模型来描述飞秒强激光的传输,一种是九十年代就开始应用的经典模型,另一种是2010年之后才提出的包含高阶克尔效应的完整模型。经典模型认为飞秒强激光传输产生的光丝是由克尔自聚焦和等离子体散焦达到动态平衡形成的,而完整模型则认为飞秒光丝是克尔自聚焦和高阶克尔散焦达到动态平衡的产物,等离子体的作用可以忽略。本论文采用此两种模型,研究了飞秒强激光气体传输五个方面的内容。自V. Loriot等人测量了800 nm波长激光的空气介质主要成分的高阶非线性折射率之后,高阶克尔效应成为研究热点。P. Bejot等人提出了包含高阶克尔效应的完整模型,认为无论是聚焦过程还是散焦过程,克尔效应都处于主导地位,这意味着自导过程不一定依赖等离子体。随后关于经典模型和完整模型谁占主导地位进行了大量的研究,但是没有统一的结论。我们采用两种模型模拟飞秒强激光在空气介质中的传输,选取相同的初始参量,模拟结果显示经典模型峰值光强最大模拟值要比完整模型的峰值光强最大值高两倍,而完整模型模拟出的光丝长度约为经典模型的两倍。两种模型的激光光强在光丝横截面上的时空分布也不相同。由于实验条件限制,最新测得的含有高阶克尔项的非线性折射率存在大约10%的上下浮动范围,非线性折射率会影响飞秒光丝的成丝特性,我们采用四组不同的折射率通过完整模型来研究其影响。峰值光强和轴上电子密度随着折射率值的减小都是递减的,而且折射率值越小,递减的趋势就越慢,光丝通道的长度和半径尺寸随折射率的增加都是减小的。经过分析光束传输到不同位置的光强时空分布得出,非线性折射率不同,所产生的光强时空分布差别也较大。飞秒强激光波长从紫外区域覆盖到红外区域,不同颜色的激光在气体中传输会产生不同的光丝。到目前为止,只测量了波长为800 nm激光对应的主要空气成分——氮气、氧气和氩气的高阶非线性折射率,所以研究不同颜色激光成丝特性只能采用经典模型。同时由于惰性气体是单原子气体,没有拉曼散射也没有分子气体中分子缔合与分子碎裂等效应,因此选取氩气为传输介质。通过固定入射激光的能量和入射峰值功率与自聚焦临界功率比值来研究叁种不同颜色的激光在氩气介质中的成丝现象。相同条件下,短波长的激光脉冲在氩气中传输时产生的峰值光强高,电子密度大。短波长的飞秒强激光脉冲形成的光丝通道不仅细长而且稳定,更重要的是,光束半径内能量与总能量比值起伏较小,有利于长距离传输。飞秒强激光气体传输时,电子密度的时空分布是变化的。电子密度主要由四种效应来决定,它们是光电离效应、雪崩电离效应、电子粘附效应和电子复合效应。大多数的数值模拟都考虑了光电离效应,但是考虑雪崩电离效应、电子粘附效应和电子复合效应的比较少,尤其是后两种效应,多数学者都将之省略了。入射激光的时间脉宽范围从10 fs至300 fs,电子粘附效应和复合效应应该会有所差别,更重要的是,在高压环境中粘附效应和复合效应的作用还比较重要。本文应用完整模型分别在氩气介质和空气介质中研究了不同气体压强和入射激光脉宽条件下产生的电子密度对飞秒光丝的影响。在氩气介质和空气介质中,考虑压强因素时,上述后叁种效应的影响都是从初始的基本为零迅速增长,最后达到稳定。在后叁种效应中,雪崩电离的影响强度要比电子粘附效应和电子复合效应的强度稍微高一些。空气介质中的电子密度值对压强这一因素不如氩气中的电子密度值对此因素敏感,在两种介质中,高压环境的模拟需要考虑此叁种效应。至于入射激光脉宽这一因素,尽管覆盖了10 fs至300 fs这么大的范围,但是后叁种效应对飞秒光丝的影响还是特别小,可以忽略不计。在标准大气压环境中,不少学者使用经典模型和含有高阶克尔效应的完整模型研究了飞秒强激光的成丝现象；在多变气压环境中,以往学者主要采用经典模型。本文采用完整模型与经典模型相对比的方法,研究不同压强环境和延迟克尔效应对飞秒成丝现象的影响。结果显示,压强对飞秒强激光传输产生的影响很大。最重要的数值结果就是,对两种模型来说,飞秒光丝长度与压强成反比关系、光丝半径与压强平方根成反比关系,同时,随着压强增加,光丝所含能量会减少。压强尤其对脉宽较短的激光脉冲影响严重,甚至在脉宽很短时就不会产生光丝。另一方面,在0.5倍标准大气压至4倍标准大气压范围内,完整模型模拟的光丝长度为经典模型模拟值的两倍,这可以用来区分高阶克尔效应和等离子体散焦效应谁起主导作用。无论是完整模型还是经典模型,延迟克尔效应都没有改变光强箝位,只改变光强箝位出现的位置,即推迟了飞秒光丝的起始位置,但是并没有改变光丝的长度和横向尺寸。延迟克尔效应还降低了电子密度。
张宁[5]2010年在《超短脉冲强激光在大气中的传输特性》文中研究指明超短超强脉冲激光能够在大气中传输形成一条稳定的等离子体通道,并由此引发超连续白光、叁次谐波、锥角辐射等很多物理现象。这些现象在激光遥感、激光引雷、激光诱导闪电、激光诱导核反应、强激光远距离能量输送等领域具有广阔的应用前景。因而超高功率和超短脉冲强激光在大气中的传输成为近年来激光物理学研究的新热点。本文基于一个由空间动态补偿模型发展而来的模型,主要讨论了超短超强激光脉冲在大气中传输形成的等离子体通道的演变和控制。目前人们普遍认为,超短超强脉冲激光在空气中自聚焦传输形成等离子体通道主要是衍射、色散、克尔效应和多光子吸收共同作用的结果。本文在考虑以上重要机制的基础上,还引入了拉曼散射、等离子体尾波场和相对论自聚焦等多种效应,并通过采用合理的近似,修正了表征超短脉冲强激光大气中传输的非线性薛定谔方程。采用分步傅里叶方法和差分法得到了二维和叁维的数值仿真结果。主要讨论光强通量和电子密度在空间中的分布,光脉冲在时间域和空间域的演变情况,通过数值仿真,揭示不同波长、输入脉冲能量、脉宽、束腰半径等初始参数对成丝的影响,并对其他较为复杂的改变激光能量分布的方法提出了展望,如采用时域啁啾的初始脉冲、构造后继脉冲形成双脉冲结构等。这些工作为探索超短脉冲强激光在大气中成丝位置和形态控制提供了可能的新途径。
强希文[6]2004年在《超短强激光脉冲大气传输的非线性效应》文中研究说明超短脉冲强激光大气传输在光学遥感、电子对抗、以及人工放电等方面具有重要的应用,例如,利用超短脉冲强激光使得远距离处的大气局域电离,其所产生的紫外辐射可以为大气组分主动荧光光谱学研究提供光源。本文对短脉冲强激光在大气中的传输进行了理论分析,对超短脉冲强激光大气传输中的各种线性效应及非线性效应,诸如色散效应、非线性自聚焦效应、受激拉曼散射效应、多光子电离及隧道电离效应、电离引起的能量损耗效应、相对论聚焦、有质动力激发的等离子体尾波场等效应进行了讨论,给出了一组描述超短脉冲强激光大气传输的叁维非线性传输方程,为此类问题的进一步研究提供了理论基础。
付光宇[7]2013年在《超短脉冲强激光高阶克尔效应模拟研究》文中提出超短强激光脉冲具有很多潜在的应用,例如产生太赫兹波、超宽带激光雷达、激光引雷等等,这使得超短强激光脉冲激光大气传输成为近年来激光研究的热点问题。强激光脉冲在大气中传输时,由于叁阶克尔自聚焦效应、高阶克尔效应以及等离子体散焦效应的动态平衡,它会在空气中形成自导传播现象。本文应用分步傅里叶方法和Crank-Nicholson差分格式(简称FCN方法),采用文献中最新报道的高阶克尔系数,数值模拟了飞秒和皮秒强激光脉冲在大气中的传输图像,对高阶克尔散焦效应与等离子体散焦效应在激光传输过程中的影响进行了分析,并在给定激光脉冲能量与峰值光强的条件下,研究了不同初始功率对其传输特性的影响。主要的研究成果有：在给定相同初始激光脉冲的条件下,本文分别使用完整模型、不包含电离效应的完整模型、经典模型(不含高阶克尔效应)、真空传输模型(不含非线性效应)对飞秒(TFWHM=70fs)和皮秒(TFWHM=1.2ps)脉冲激光在大气中的传输过程进行了数值模拟。结果表明,高阶克尔效应在飞秒激光脉冲传输过程中起主导作用,等离子体散焦效应相对于高阶克尔效应来说相对较弱,但是其仍然会对激光脉冲横截面能量分布产生较大的影响。经典模型给出的光强极大值比完整模型的结果大一倍以上,其预言的等离子体密度比后者要大一个数量级以上。与飞秒脉冲相比,皮秒脉冲产生的等离子体密度相对较大,等离子体散焦效应更强,故对于皮秒脉冲或更长脉冲激光而言,等离子体散焦效应不可忽略。本文还应用完整模型研究了在给定激光脉冲能量与峰值光强的条件下,不同初始功率对飞秒激光脉冲大气传输的影响。模拟结果显示,随着输入功率的增大,等离子体散焦效应逐渐增强,脉冲在时间和空间上的分裂也愈加明显,由于电离效应逐渐增强,导致激光脉冲损失更多的能量。当输入功率较小时,激光脉冲的脉宽较大,脉冲半径较小,光强通量在空间上更加集中,此时自聚焦效应将变得明显。
刘明伟[8]2004年在《强激光在电离气体及等离子体介质中的传输研究》文中研究指明本论文从理论上对强激光在电离气体及等离子体介质中的传输行为进行了研究。文中对强激光在电离气体中传输的电离不稳定性、矢量非傍轴传输和能量损耗机制，以及强激光在等离子体中传输的弱相对论性非线性效应、有质动力作用和尾波场效应等都作了基本的分析。论文内容及结果共分为四章：第一章为前言部分，随后叁章主要是介绍作者在硕士研究生期间所做的工作。 第一章，先对惯性约束核聚变和激光核聚变”快点火”方案作了简单介绍，然后是对强激光等离子体物理的概述。 第二章，是研究强激光在电离气体中的传输。首先从Maxwell方程组出发推导出强激光在电离气体中传输的傍轴传输方程，利用源展开方法对傍轴传输方程进行分析，得到光束半径的演化方程，从而讨论传输过程中的电离调制不稳定性；再建立矢量非傍轴模型，并讨论气体电离产生等离子体所引起的激光能量损耗机制。 第叁章，研究了强激光在等离子体中传输的弱相对论性非线性效应。首先从Maxwell方程组出发，推导出激光传输方程和尾波场方程。对相对论性自聚焦效应和预等离子体通道导引进行了分析。傍轴情况下的激光相对论性自聚焦传输方程将导致光束聚焦为零，光强为无穷大的奇异性出现。因此，研究了高阶相对论性非线性效应对激光传输的影响，发现高阶相对论性非线性效应能够抑制这种奇异性的出现；并对高阶相对论性非线性效应与非傍轴效应作了比较，发现高阶相对论性非线性效应起主要作用。同时，对于超短脉冲传输，分析了有限脉冲宽度效应对傍轴方程的修正，当只考虑相对论性非线性效应时将会引起激光脉冲前沿自陡峭。 第四章，研究了激光场有质动力作用及产生的电子等离子体波(尾波场)对激光传输的影响。首先利用Lorentz方程推导出由相对论因子描述的有质动力表达式。分析激光传输过程中的有质动力自通道效应，结果表明，有质动力自通道效应能增强激光自聚焦，在此基础上建立了包含有质动力自通道效应的非傍轴传输方程。最后研究了尾波场效应对激光传输的影响，发现纵向尾波场效应将导致激光脉冲不对称自相位调制。
任远[9]2014年在《飞秒激光在纳米粒子掺杂液体中的超连续辐射》文中指出近年来,随着超强超快脉冲激光技术的发展,飞秒激光与物质相互作用领域出现了许多新的现象,飞秒激光脉冲在透明介质中传输时产生等离子体细丝并出现超连续辐射就是其中之一。论文主要工作是对飞秒激光与纳米粒子掺杂液体的相互作用进行研究：首先阐述了飞秒激光脉冲在透明介质中形成等离子体丝的物理机制、传输过程中出现的几种非线性现象以及飞秒激光与物质作用的相关应用。接下来,对纳米粒子(银纳米粒子、量子点)的光学相关特性、光学非线性研究进展及其应用作了简要概述。在实验方面,本文对飞秒激光在银纳米粒子掺杂液体、量子点CdTe溶液中产生的超连续谱进行了测量,并与水中产生的超连续谱进行了对比,通过改变溶液浓度、入射激光脉冲能量、聚焦位置、透镜焦距以及偏振态等实验条件对所产生的超连续谱进行分析,系统地研究了以上实验参数对超连续谱的影响。
强希文, 刘晶儒[10]2005年在《超短强激光脉冲大气传输效应建模》文中研究指明超短脉冲强激光大气传输在光学遥感、电子对抗以及人工放电等方面具有重要的应用,对超短脉冲强激光在大气中的传输进行了理论分析,对超短脉冲强激光大气传输中各种线性效应及非线性效应,诸如色散效应、非线性自聚焦效应、受激拉曼散射效应、多光子电离及隧道电离效应、电离引起的能量损耗效应、相对论聚焦、有质动力激发的等离子体尾波场等效应进行了讨论,给出了一组描述超短脉冲强激光大气传输的叁维非线性传输方程,为此类问题的进一步研究提供了理论基础。
参考文献：
[1]. 超短强激光脉冲在等离子体隧道中传输的理论与数值模拟研究[J]. 唐华, 郭弘, 刘明伟, 仇云利, 邓冬梅. 物理学报. 2003
[2]. 超短强激光在等离子体隧道中传输的理论研究[D]. 唐华. 华南师范大学. 2003
[3]. 光在共振和非共振介质中的传输及其物理机制研究[D]. 唐华. 华南师范大学. 2006
[4]. 气体介质中飞秒光丝现象的数值研究[D]. 亓协兴. 西南交通大学. 2016
[5]. 超短脉冲强激光在大气中的传输特性[D]. 张宁. 浙江大学. 2010
[6]. 超短强激光脉冲大气传输的非线性效应[C]. 强希文. 大珩先生九十华诞文集暨中国光学学会2004年学术大会论文集. 2004
[7]. 超短脉冲强激光高阶克尔效应模拟研究[D]. 付光宇. 西南交通大学. 2013
[8]. 强激光在电离气体及等离子体介质中的传输研究[D]. 刘明伟. 华南师范大学. 2004
[9]. 飞秒激光在纳米粒子掺杂液体中的超连续辐射[D]. 任远. 长春理工大学. 2014
[10]. 超短强激光脉冲大气传输效应建模[J]. 强希文, 刘晶儒. 红外与激光工程. 2005
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