亓协兴[1]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。
刘明伟[2]2004年在《强激光在电离气体及等离子体介质中的传输研究》文中指出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。
焦志宏[3]2016年在《激光电离气体的高次谐波发射和等离子体中背向拉曼放大》文中研究说明由于激光技术的飞速发展,使人们改变和操控原子、分子甚至电子的运动成为可能。这一方面极大地促进了激光与物质相互作用研究领域的蓬勃发展,另一方面给强激光与物质相互作用的进一步研究提供了方法论和强有力的技术手段。激光与物质相互作用的领域涵盖了激光与固体、气体、液体以及等离子体间的作用。由于激光与气体相互作用在实验中具有可重复性好、气体密度可控、产生的等离子体较容易诊断、不产生靶碎片等诸多优势,因此其在许多的应用研究中,如激光电离气体的高次谐波发射,基于激光电离气体产生等离子体的背向拉曼放大、激光电离气体产生等离子体的光波导等,有着极其重要的地位。本文的工作就是基于激光电离气体的高次谐波发射和激光电离气体产生等离子体中的背向拉曼放大这两个应用研究来展开的。激光驱动气体产生高次谐波是获得远紫外XUV辐射源、X射线光源及产生超短阿秒脉冲的重要途径。基于超短的阿秒脉冲在超快光学的应用需要,人们一直在努力能够获得一个更短的孤立阿秒脉冲。目前在实验中获得的超短阿秒脉冲的最短纪录为67 as。实验中获得一个超短阿秒脉冲的常用手段是利用门电场脉冲来控制高次谐波的发射。此外,由于红外激光的波长较长而能够驱动电子产生一个更大的有质动力,而且红外激光技术现已非常成熟,所以常用红外电场来获得一个宽带宽的高次谐波谱。在我们的工作中,利用一个极化脉冲电场和其半频电场的组合电场驱动氦原子发射高次谐波,通过理论计算获得了一个极宽频的超连续的高次谐波谱,通过傅里叶变换迭加这一高次谐波谱,获得了一个42 as的超短脉冲。同时,通过经典分析和小波变换方法分析了该高次谐波的发射过程。该工作凭借具有实验依据的常用方法,通过理论计算展示了一个可能获得更短阿秒脉冲的可行方案。激光诱导气体产生等离子体在等离子体光波导、基于等离子体的背向拉曼放大及等离子体中的高次谐波发射等研究领域中有着非常重要的作用。基于这些或者更多的现实应用需要,对激光击穿气体产生等离子体的实验诊断和理论模拟一直是人们所关注的课题。在诸多的等离子体特性中,等离子体密度作为许多研究课题中的一个重要参数而受到极大关注。目前的理论研究工作还没有提供对等离子体的2维密度分布的模拟。在我们的工作中,首先基于常用的光干涉法,通过实验布置探测了激光击穿空气的等离子体的2维电子密度分布轮廓。然后通过将等离子的动力学过程分割为等离子的形成和膨胀两个阶段的方法建立了一个理论计算模型,并模拟了在实验条件下产生等离子体的2维电子密度分布。对比发现,模拟的结果很好地符合了实验结果。本文的工作展示了一个能够有效模拟激光击穿气体产生等离子体的(特别是能够模拟实验上很难测量的等离子体形成早期的极高密度)理论模型,基于该模型可以分析等离子体的密度、温度以及轮廓随膨胀时间的演化。由于基于等离子体的背向拉曼放大技术能够克服极高功率激光对介质引起的阈值损伤,它被认为是继啁啾脉冲放大技术之后可能实现EW量级的超高功率激光输出的潜在途径。为了将来能够实现超高功率激光的输出,为数不多的几个团队都在自己的激光系统下进行这一全新放大技术的验证实验。激光诱导气体产生的等离子体被认为是实现基于等离子体背向拉曼放大技术的最可靠介质。在该部分的工作中,基于我们的激光系统,以激光击穿Ar气体产生的等离子体作为耦合介质,进行了背向拉曼放大技术的原理验证实验,在该实验中观察到了种子光被泵浦的放大输出。通过对实验结果的分析发现,产生的等离子体密度偏低是造成该实验中放大效率较低的主要原因。利用前一章提出的理论模型模拟了能够产生满足需要密度的等离子体的2维电子密度分布轮廓。并结合实际的实验条件,通过分析计算结果给出了能够实现需要的等离子体密度的实验布置。
徐智君[4]2013年在《飞秒激光诱导空气等离子体的实验与应用研究》文中提出脉冲宽度在皮秒(10-12秒)至飞秒(10-15秒)之间、脉冲能量在毫焦耳量级的超短脉冲激光具有极短的持续时间和极高的峰值功率。这样的超短脉冲激光在与物质相互作用过程中会产生很多的非线性现象。其中,飞秒激光诱导空气电离便是一个基本而重要的物理现象,并且也是超快激光光学诸多应用的基础。等离子体与靶材的相互作用能够导致一系列的应用,微观上飞秒激光微纳制备及光伏材料中非晶硅薄膜的晶化等有广阔的应用前景,宏观上超短脉冲激光烧蚀推进技术作为一种新型的光推进技术,有望成为未来空间推进的一种重要方式。飞秒激光诱导的等离子体韧致辐射还有可能存在受激辐射窗口,提供光增益,形成光振荡。等离子体的产生及时空演变、等离子体辐射的特性、飞秒激光与等离子体非线性相互作用是本论文的研究主线。本论文主要内容和结果如下：1.在实验中首次发现了一种从相对紧聚焦的飞秒激光脉冲诱导空气等离子体中产生的超亮喷射状相干光束,并对这种特殊光束的光谱特性和产生机制进行了分析研究。通过适当控制具有特定F数(f-number)的汇聚透镜的倾角或水平偏移量,我们可以在被明显扰动的锥形辐射中观察到单个或双个喷射状超亮光束。这种超亮喷射状相干光束与通常的光丝(Optical filaments)不仅在空间分布和光谱特性上存在很大的区别,而且它们产生的机制不同,非线性相移的构成也不一样。实验结果表明,超亮喷射状相干光束的产生主要源于在锥形辐射锥面上的四波混频过程。相位匹配计算获得的反斯托克斯和斯托克斯波长分别为547nm和1064nm,与光谱测量结果相吻合。该反斯托克斯波长很好地解释了实验中观察到的超亮光束所呈现出来的耀眼的亮黄色。这种独特的超亮喷射状光束经过准直后,可以在空间中传输很长的距离,因而有可能在未来的遥感探测中找到应用。2.针对实验所用参数,借助电子密度速率方程模拟、分析了100mm透镜聚焦条件下50fs超短脉冲激光诱导空气电离时电离区内电子密度的时空演化过程。模拟结果显示,在所用飞秒脉冲的峰值点到达焦点之前,空气已被完全电离。根据模拟得到的电子密度分布,我们求得了等离子体的折射率时空分布,并发现在电离中心区存在一个折射率变化的饱和区域(饱和等离子体的折射率值为0.9923)。基于此,我们可以借助空气-等离子体界面折射模型来直观地解释随着激光功率的增加,正常电离情况下锥形辐射的色序分布及远场衍射光斑张角先增加而后趋于不变的现象。3.搭建了超短脉冲激光瞬态光谱测量系统,记录了单脉冲激光诱导空气等离子体辐射谱,并利用时间分辨光谱系统研究了不同实验条件下超短脉冲激光诱导空气等离子体的动态演化特性。通过对空气等离子体辐射进行普朗克黑体辐射模拟,得出了在50fs脉冲诱导空气电离后2ns等离子体的温度为5500K。而由时间分辨光谱测量获得的微区等离子体的典型寿命约为5.5ns(f=100mm)。同时我们还比较了不同聚焦条件下不同脉冲能量和宽度的脉冲激光诱导空气等离子体的动态辐射光谱中连续谱和线谱演变的不同。在将4倍物镜电离空气形成的微区等离子体成像耦合进光谱仪竖直狭缝后进行空间分辨光谱测量的实验中,我们发现远离透镜端的等离子体具有更强的氧离子和氮离子线谱。4.实验研究了不同聚焦条件下,同向传输双飞秒脉冲激光诱导空气等离子体的时域特性和光谱特性。在利用焦距为100mm透镜相对浅聚焦飞秒脉冲激光电离空气的实验中,我们发现在双脉冲间隔为0-8ns之间时,双脉冲激光诱导空气电离产生的等离子体辐射比单一先到脉冲电离辐射有明显的增强。而相比之下,在10倍物镜紧聚焦电离空气的实验中,我们只在双脉冲时间间隔小于0.5ns的情况下才观察到双脉冲电离产生的等离子体辐射比先到脉冲电离辐射增强；在双脉冲时间间隔达到8ns时,后续脉冲会直接穿过由前脉冲电离空气形成的等离子体膨胀所造成瞬态真空通道,而没有产生进一步的空气电离。利用这种穿孔效应有可能实现超短脉冲的动态空间滤波,而无需借助实体的滤波小孔和复杂的真空设备。5.研究了光学“成丝”中光强钳制效应对激光烧蚀率的影响。研究发现当入射光的功率大于自聚焦临界功率时,由于光强钳制效应的存在,不同气体氛围中的光学“成丝”烧蚀铝箔的烧蚀率并不随着入射激光功率的增加而增加,而是接近一稳定值。这一特性不仅可以帮助确定不同气体介质中飞秒脉冲激光自聚焦临界功率,同时也提供了一种确定气体介质非线性折射率系数n12的方法。应用此方法,我们测得一个大气压下空气中50fs脉冲激光的自聚焦功率为7.2GW,非线性折射率约为1.3×10-19cm2/W;而一个大气压的氩气所对应的50fs脉冲激光的自聚焦临界功率为3.8GW,非线性折射率为2.6×10-19cm2/W。6.在国内率先开展了利用“光丝”进行烧蚀推进的实验。在进行光学“成丝”烧蚀推进玻璃小球的实验中,我们使用焦距为111cm的透镜,我们发现光学“成丝”等离子体通道上最强荧光的产生位置并不对应最大的“成丝”烧蚀率和最远的小球推进距离。通过数值模拟,我们计算了光学“成丝”丝上不同位置的横向激光能流分布,并通过“双温”模型估算烧蚀深度,我们证实了烧蚀量在光学“成丝”推进中扮演了决定性的因素。即使是在飞秒激光“成丝”这种存在较长空气电离通道的情况下,烧蚀过程中的物质去除所导致的反冲力仍是主要的推力来源。光学“成丝”推进依然是一种依赖于激光烧蚀的推进。7.提出并验证了一种确定激光烧蚀竖直推进微型小球的冲量耦合系数的简易测量方法一阴影法。该方法能够直观、准确地测出被烧蚀小球的运动飞行时间,并具有较高的灵敏度和稳定性。在利用脉冲能量为毫焦量级的飞秒激光单脉冲推进质量为1.4mg小铁球的实验中,采用此阴影法测得的冲量耦合系数约为5dyne/W。利用这种方法,我们研究了不同脉冲能量和脉宽的超短激光脉冲对烧蚀推进所获得的冲量耦合系数的影响。实验结果显示,在50fs、800nm波段的激光脉冲作用下,随着入射脉冲能量的增加,冲量耦合系数呈现单调下降的趋势；而当入射脉冲能量固定、脉冲宽度改变时,冲量耦合系数先增加,在500fs左右达到最大,而后减小并最终趋于平稳。50fs的最短脉宽并未导致最大的冲量耦合系数,这主要是因为烧蚀机制由50fs时的原子化变为长脉冲下的相位爆炸所致。
宋娟[5]2008年在《强场激光诱导等离子体传输特性的研究》文中研究指明近年来,随着超快激光技术的发展,超短强激光在非线性介质中的传输特性已经广泛被关注。由于飞秒激光在等离子体中传输的过程中会出现一些类似于传统光学,而又源于不同的物理机制且更加丰富的非线性现象,因此对于飞秒激光在等离子体中的传输的研究已经成为当今一个热点研究方向。本论文主要在实验上详细研究了飞秒激光在液体等离子体中传输的过程中产生的一些非线性现象,并对这些实验现象进行了相应的理论模拟和解释。首先,我们简单的回顾了超短激光脉冲在等离子体中传输的发展现状和一些重要的性质。其次,通过研究超短激光脉冲在水中的传输,发现了圆锥辐射现象和脉冲自压缩现象。这种圆锥辐射的产生主要起因于时空自由电子密度梯度引起的横向波矢的相长干涉和相消干涉。二次谐波频率分辨光闸(SHG-FROG)痕迹显示光在经过等离子体后脉冲的时域宽度减小,而相应的频谱宽度增加。为了解释这种实验现象,利用Shorokhov的理论数值模拟了高强度飞秒激光脉冲在非线性介质中传输的演化过程。我们实验结果表明超快超强激光脉冲在液体中可以产生脉冲自压缩现象,这提供了一种新的脉冲自压缩的技术手段。最后,研究了白光在超短激光脉冲诱导的等离子体中的传输特性。实验上,观察到了白光经过激光诱导的等离子体后形成贝塞尔光束。白光中短波长部分形成的是一阶贝塞尔光束,而长波长部分形成的是零阶贝塞尔光束。Fischer等人的理论模型用来解释这种贝塞尔光束的形成,数值模拟的结果与我们的实验数据相吻合。因此,我们相信利用超短激光脉冲诱导的等离子体也能够产生贝塞尔光束,这提供了产生贝塞尔光束的一种新的方法。
马占南[6]2015年在《飞秒强激光在空气与低密度等离子体中传输的数值研究》文中研究指明随着啁啾脉冲放大技术(CPA)的不断发展,出现了脉宽为几十飞秒、强度可达10～1022W/cm2的超短超强激光脉冲。这样的高强度短脉冲激光在介质中传输时会引起很强的非线性效应,产生许多不同寻常的物理现象。飞秒激光在大气中传输时能够形成上百米甚至数千米的等离子体通道,这与许多实际应用密切相关,如产生太赫兹波、超宽带激光雷达、激光引雷等。激光在等离子体中传输时,它与等离子体相互作用能够产生高次谐波、软x射线激光,以及高能粒子束等,将其用于社会生活中将会对人类社会的进步起到巨大的促进作用。本文首先系统阐述了激光在等离子体等介质中传输的物理机制,针对强激光在传输过程中涉及到的引导以及聚焦等物理问题进行了模拟研究,主要工作可分为以下叁个部分：一、对用于激光尾波场电子加速的充气型毛细管和喷气靶进行了模拟和分析。对于充气型毛细管气体靶,在充气达到稳定状态后,形成空间均匀的气体密度分布。毛细管的结构参数,如进气口的位置和宽度对气体密度分布的边缘有较大影响。采用锥形喷气靶可使气体密度分布的边缘更陡,但是锥形喷气靶的气流平稳性和气体密度分布的空间均匀性不如充气型毛细管气体靶。二、通过数值模拟研究了延迟拉曼效应和高阶克尔效应对飞秒激光在大气中传输的聚焦、稳定传输长度以及对光谱的影响。延迟拉曼效应对激光自聚焦的位置、以及再次聚焦的次数有较大影响,它使自聚焦光强对激光束腰的变化敏感,在传输中使频谱展宽的中心向长波长移动。高阶克尔效应导致自聚焦的最大光强降低,在传输中频谱展宽相对对称。同时考虑延迟拉曼和高阶克尔效应的全模型中,在相同的激光输入功率条件下,较大的初始脉宽会增加激光的自聚焦稳定传输长度。叁、详细推导了弱相对论激光在等离子体中传输的近轴射线方程,研究了外加通道、轴上等离子体密度、激光功率以及初始光斑尺寸对传输的影响。外加密度通道能够对激光束进行有效的引导。预通道轴上等离子体密度增加,能使激光光斑尺寸变得更小,激光强度变的更高。在模拟参数范围内,激光入射功率增加使相对论自聚焦增强。较小初始光斑尺寸的激光在传输过程中抖动较小,相对较稳定；较大初始光斑尺寸的激光在传输过程中其光束半径能够被聚焦到更小的尺寸。
韩晓玉[7]2006年在《光致大气等离子体特性研究》文中进行了进一步梳理随着激光技术的发展,人们可以得到脉宽越来越短、功率越来越强的激光脉冲,由于这些强激光在军事、民用等方面的巨大的潜力,它吸引了许多研究者的注目。强激光脉冲的大气传输是强激光脉冲的众多应用所面临的一个共同问题:当强激光脉冲在大气中传输时,由于强激光脉冲和大气的强烈的非线性物理效应,会轻易地引起空气的电离,从而形成光致大气等离子体,这是一个激光能量衰减的过程;而同时,在一定的条件下等离子体对电磁波的传播有阻断效应;正是这些物理现象的存在,在一定程度上阻碍了强激光脉冲远距离传输,使得强激光脉冲只能传输几个瑞利长度,然而在实际的应用中,人们总期望把强激光脉冲传输到比较远的地方。本文就是针对强激光脉冲的大气传输问题,着重从数值计算的角度研究了长脉冲的大气击穿阈值问题,以及从理论和数值计算的角度研究了强激光脉冲在大气中的远距离传输问题,特别是非线性物理效应比较少的长紫外激光脉冲的大气远距离传输问题。主要的内容包括:1、研究了在强激光的作用下,包括光电离和碰撞电离在内的各种气体电离的机制,特别是多光子电离,在气体电离的基础上,然后介绍了气体击穿模型,并针对强激光脉冲的大气传输问题,数值计算了长脉冲激光的大气击穿阈值,并在阈值的数值计算中考虑了激光脉宽、气体压气、初始电子等因数对击穿阈值的影响。2、针对强激光脉冲在大气中传输所产生的光致等离子体,我们研究了该等离子体与电磁波的相互作用,特别是它对电磁波的吸收,并数值计算了常用微波雷达频段的电磁波经大气等离子体时的衰减。3、在充分考虑强激光大气传输的非线性物理效应的基础上,推导了强激光脉冲的大气传输方程;并从该方程出发,采用Schwarz等人的电子平稳态理论,研究了纳秒量级的紫外激光脉冲在大气中的传输,并对该理论所用parabolic aberrationless approximation近似方法而产生的自聚焦临界强度与自聚焦理论不符的问题,在改用最小平方差近似minimizing the mean square error approximation后,问题得到了比较好的解决。另外,强激光脉冲大气传输所涉及的一些非线性物理
王迪[8]2016年在《深紫外与真空紫外飞秒激光的产生及应用探索》文中提出紫外超短脉冲激光具有较强的单光子能量,在非线性光学物理中能够产生非线性展宽、频率上转换、高密度等离子、频率合成、化学分解等丰富的物理机制。利用紫外激光的独特优势,脉冲宽度为飞秒量级的紫外光源应用在高次谐波、等离子体透明器件、绿色化学处理、气体痕量检测、激光诱导击穿光谱分析等领域具有广阔的前景。紫外光源还具备多光子电离系数低、成丝等离子体密度高、空间分辨率好等优势,受限于高能量飞秒脉冲的产生及有效控制,此方向上的原理与技术研究仍是国际上研究的热点。本文研究了高能量深紫外与真空紫外飞秒激光的产生与应用,激光输出中心波长分别为266 nm、200 nm和89nm,能量分别达2.2 mJ、0.1 mJ和190 nJ,同时深入探索了不同波长激光脉冲的成丝过程以及其中的物理机制,概括起来可分为以下几个方面：1)运用KBBF直接倍频输出深紫外激光特性,提出倍频-补偿-诊断的全固态深紫外激光系统,基于中心波长为800 nm的钛宝石激光系统经过叁倍频后获得266 nm叁次谐波,并将输出的400nm激光通过KBBF晶体,利用其直接倍频特点产生高能量的200 nm脉冲输出,并引入棱镜对压缩脉冲,最后运用四波混频原理将266 nm脉冲对200 nm脉冲宽度进行检测。实验首次将0.1 mJ的200 nm深紫外脉冲压缩至飞秒量级,并运用频率分辨光学快门技术对深紫外脉冲进行诊断。2)基于紫外与深紫外激光在惰性气体介质中的非线性混频原理,提出真空紫外波段多色场产生方案,实验中使用重复频率10 Hz的800 nm的钛宝石激光系统,配合级联BBO晶体组产生的266nm脉冲与直接倍频产生的400 nm脉冲在氩气中开展四波混频,在真空中收集到波长分别为200 nm、133 nm、114 nm、100 nm及89 nm真空紫外多色激光,实验首次将紫外光用于进一步产生真空紫外激光的混频过程,并通过调整气压控制入射脉冲的相位匹配,验证了叁阶非线性过程中的相位锁定现象。3)基于气体介质中叁次谐波的产生原理,提出压力梯度与光丝截断双重增强方案,将上述产生的高能量266nm脉冲分束后聚焦于氩气样品池中分别成丝,将其中一束光焦点处引入真空环境形成气压梯度,在后向收集中心波长为89nm的极紫外激光光谱,并通过另一根深紫外光丝的截断产生了超过5000倍的增强。该实验方案实现两点突破：一方面,在266nm激光脉冲的叁次谐波产生过程中,压力梯度环境避免了古依相移现象的产生,改善了相位匹配条件；另一方面,266nm光丝在焦点处对另一路形成干扰,以交叉增强等离子体密度的方式及时将89 nm极紫外光向外围转移,避免了光丝能量回流。双重增强方案为今后更短波长的真空紫外光源产生奠定了原理和技术基础。4)基于等离子体光栅中高功率密度与电子密度特定,创新性地提出了双色场紫外等离子体光栅激光消融技术,以两束400nm紫外激光在空气中成丝并交叉相干形成紫外等离子体光栅,另一束中心波长800nm的红外光丝以布拉格角入射形成增强紫外等离子体光栅。成丝与相干作用产生的等离子体热电子在红外脉冲的加速下碰撞更多的原子产生更强的自由电子密度,因此在激光消融的实验探索中,双色场等离子体方案相对等能量的单根光丝方案在样品靶的消融时间上提升了近6倍。该实验结果具有四点突破：(1)相对长脉冲激光消融技术引入了飞秒光丝的消融方案；(2)验证了飞秒紫外激光产生增强等离子体光栅在激光消融技术中的优势；(3)实验观察到高能量的粒子激发荧光信号；(4)发现激光消融过程中气体介质对结果具有显着影响。最后,深紫外与真空紫外飞秒激光的产生还将在液体动力学分析,化学反应,更深紫外强脉冲形成方面开展更多的实践,有望在光学精密微加工、阿秒脉冲产生、高能态分子激发、超快精密光谱检测等领域产生更多的应用。
舒小芳[9]2016年在《飞秒强激光诱导等离子体通道产生及其电子动能结构的理论研究》文中指出当飞秒强激光脉冲和原子分子相互作用时,会产生一系列非线性现象,包括场致电离,激光大气中传输成丝,以及激光诱导等离子体通道产生等。本论文主要研究飞秒强激光脉冲与原子相互作用、强激光诱导等离子体的瞬时速度分布,以及飞秒强激光在大气中形成的等离子体通道的电子动能结构等。研究结果对于深入理解超快强激光在大气中的传播以及等离子体通道形成的机制具有较重要的理论意义,对于超快强激光的实际应用,如激光导电、测距、以及延长等离子体通道寿命等,可提供有价值的参考。本文取得的主要进展如下：1.激光原子电离过程的相空间分析基于含时薛定谔方程,本文采用Gabor变换技术,从相空间角度研究了激光-原子相互作用的电离过程,其中面具函数的引入导致了系统的衰减或者耗散。在本论文的模拟中,系统的衰减被用于解释激光诱导等离子体的产生。通过在计算区域的内边界处分别设置两个类探测器的坐标点,然后对以这两点为中心的电子波包的逃逸成分做Gabor变换,得出了其动量分布,进而得到了激光诱导等离子体的动能分布。2.激光诱导等离子体的瞬时速度分布本论文采用单电子追踪的方法,将电子含时运动速度向速度空间投影,给出了场致电离诱导等离子体的瞬时速度分布形式。基于准静电场近似,通过求解电离速率方程得到脉冲包络内自由电子的密度。在激光场作用下,电子的速度分布反映了激光脉冲能量转换情况。等离子体的存在使得激光脉冲后沿在传播过程中能量被大量损耗,同时也导致激光脉冲形状发生变化。为了使得分布函数更加平滑,本论文提出了一种分配方案,即同时考虑电子的含时速度对两个相邻格点的贡献(具有不同的权重因子)。基于此速度分布,计算了激光诱导等离子体的平均动能。3.激光大气传输过程中的等离子体通道的动能结构本论文提出了一种计算激光诱导等离子体动能结构的方法,从而将两个独立的关于等离子体通道的研究领域联系起来,即强激光在大气中传输时形成的等离子体丝的扩展及等离子体通道寿命的延长。在解一般非线性薛定谔方程的时候,重新引进了激光电场的快速振荡成分,并通过求解电子的运动方程,计算了依赖于电离时刻的电子动能。然后,以电离率作为权重因子进行加权,得到了等离子体通道的平均动能分布,即动能结构。最后,讨论了不同透镜参数下等离子体的动能结构,分析了其形成机制。本论文作者对每个问题分别编制了相应的计算程序。程序语言为FORTRAN,数据的处理由MATLAB完成。
石理平[10]2014年在《深紫外飞秒激光成丝物理及其在超快光谱学中的应用》文中认为中心波长800nm的钛宝石飞秒激光在透明介质成丝过程中具有非常丰富的物理效应,如频谱展宽,脉冲压缩,锥状辐射,谐波输出,化学反应,布居反转等。结合这些效应,有望将飞秒光丝应用于高能量白光的产生,孤立阿秒脉冲的产生与应用,大气环境科学的研究,全光光学器件的制备,无谐振腔超快激光脉冲的输出,诸如此类。紫外波段的激光具有成丝阈值低,聚焦性能好,临界电子密度高,多光子电离截面大等特点,然而由于缺乏高能量的紫外飞秒激光,对该波段成丝过程的研究则不是特别完善。本文详细研究和讨论了中心波长267nm,峰值功率高达20GW的深紫外飞秒激光脉冲在各种气体介质中的成丝现象、成丝机制及其潜在的应用价值。主要包括以下内容：首先,以荧光成像法结合全息成像法和瞬态电流法对光丝进行诊断后发现,相对于近红外飞秒光丝,紫外光丝具有自更高的电子密度、更小的几何尺寸和更长的等离子体通道等特性。结合这些特性,本文探索了267nm深紫外飞秒光丝在全光光学器件——等离子体光栅、光丝诱导荧光光谱技术、光学频率上转换等方面的应用价值。其次,以两束近乎平行的267nm紫外光丝的非线性相互作用在空气中诱导形成了周期为波长量级、自由电子密度调制度达1018cm-3的等离子体光栅,并观察到其对800nm探测激光的非线性布拉格衍射效应。周期性的等离子体通道形成了类似于“墙壁”的效果,将激光束缚在狭小的等离子体波导中,并有效地抑制因光束发散引起的能量损耗。功率密度高达1014W/cm2的探测光照射等离子体光栅后非但未破坏其结构,反而通过驱动电子碰撞电离促使其电子密度增加至1019cm-3,折射率调制度提升一个数量级,性能得到明显改善。损坏阈值高出传统固体光学器件叁个数量级,奠定了等离子体光栅在操控超快超强激光方面应用的基础,如文中展示的啁啾脉冲的压缩与展宽、谐波转换过程的准位相匹配。再者,自由电子密度高、等离子体通道长、几何尺寸小、等离子体温度低的特点使紫外光丝在远程荧光光谱技术中具有得天独厚的优势。文中详细论证了基于267nm紫外光丝的荧光光谱技术,并提出了利用缓冲气体提供种子电子并结合紫外+红外双色场光丝增强等离子体荧光强度的方法以提高光丝诱导荧光光谱技术灵敏度的提高。紫外光丝提供种子电子,红外光丝加热种子电子并引起周围原子分子的碰撞电离和激发。通过双色场光丝诱导的叁步激发,能有效地将荧光光谱信噪比和灵敏度提升1-2个数量级。最后,利用惰性气体中高强度光丝的四波混频效应,本文研究了利用267nm+400nm双色场光丝输出脉冲能量达μJ量级的多波长真空紫外超快脉冲,如133nm、114nm、100nm和89nm。这是目前利用飞秒光丝四波混频的方法获得的最短波长的极紫外微焦量级飞秒超快脉冲。本文提出了通过控制气压以平衡原子色散、等离子体色散和古伊相移的方法,成功地实现了紫外光丝谐波转换过程的位相匹配操控,并将最高谐波转换效率提升至0.8%。同时在这些多色场光丝的非线性相互作用过程中观察到了脉冲分裂、脉冲压缩、光斑自修复等一系列有趣的物理现象。今后将深紫外飞秒成丝的研究拓展至固体和液体中,则有望将其应用于光丝诱导化学反应,微纳尺度的材料精密加工,周期量级极紫外超快脉冲的产生,飞秒时间分辨原子分子超快动力学的研究,乃至激光武器等研究方向。
参考文献：
[1]. 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
[2]. 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
[3]. 激光电离气体的高次谐波发射和等离子体中背向拉曼放大[D]. 焦志宏. 西北师范大学. 2016
[4]. 飞秒激光诱导空气等离子体的实验与应用研究[D]. 徐智君. 南开大学. 2013
[5]. 强场激光诱导等离子体传输特性的研究[D]. 宋娟. 华东师范大学. 2008
[6]. 飞秒强激光在空气与低密度等离子体中传输的数值研究[D]. 马占南. 中国科学技术大学. 2015
[7]. 光致大气等离子体特性研究[D]. 韩晓玉. 电子科技大学. 2006
[8]. 深紫外与真空紫外飞秒激光的产生及应用探索[D]. 王迪. 华东师范大学. 2016
[9]. 飞秒强激光诱导等离子体通道产生及其电子动能结构的理论研究[D]. 舒小芳. 北京工业大学. 2016
[10]. 深紫外飞秒激光成丝物理及其在超快光谱学中的应用[D]. 石理平. 华东师范大学. 2014
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