超快激光空气成丝阈值功率及光丝诱导荧光的激光偏振态效应

发布时间：2020-04-02 16:13

【摘要】：自1995年被首次在实验上发现以来,激光诱导光丝这一独特的非线性现象便吸引了诸多学者的关注。飞秒激光成丝被认为来源于光束在介质中传输时光克尔效应的自聚焦以及多光子电离或者隧道电离产生的等离子体散焦作用之间的一种动态平衡。由于光丝特有的超高的钳制强度等特性,它在诸如远程遥感,火焰的燃烧诊断,太赫兹辐射产生等领域有极高的潜在应用价值。然而,飞秒激光成丝这一非线性过程严重依赖于外部的成丝环境,如激光的光束大小、传播介质、脉冲宽度与偏振态等。例如,实验证明当入射激光的脉冲宽度发生变化以及激光传播的介质不同时,激光成丝的阈值功率都随之发生变化。特别地,尽管人们普遍认为圆偏振光对应的成丝阈值功率要高于线偏振,但这一理论还未被实验所证实。另一方面,飞秒光丝在介质中诱导的非线性荧光强度也被证实依赖于偏振态这一重要的激光参数。因此,本论文重点研究了激光偏振态对激光成丝的阈值功率以及荧光强度的影响,并探讨了激光成丝诱导大气氮分子的荧光机理。主要研究内容和结果如下:(1)利用焦点移动法测量了飞秒激光在空气中传播时,不同偏振态下的激光成丝阈值功率,并据此计算了飞秒激光为线偏振以及圆偏振时所对应的空气介质二阶非线性折射率。实验结果表明,对于中心波长为800 nm,脉宽为40 fs的钛蓝宝石激光器来说,当入射激光的偏振态由线偏振变换到圆偏振时,激光成丝的阈值功率由9.6 GW增加至14.9 GW,相应的二阶非线性折射率n_2由9.9×10~(-20) cm~2/W减小至6.4×10~(-20) cm~2/W。实验结果和理论分析结果基本一致。(2)以空气中的氮分子荧光信号为研究对象,我们探讨了单丝条件下飞秒光丝诱导氮分子特征荧光强度与入射光偏振态之间的依赖关系。实验结果表明,线偏振与圆偏振的入射光所诱导的氮分子离子与中性氮分子信号最终呈现出不同的作用结果。在三组高于阈值功率的驱动光场能量(0.7 mJ,1.2 mJ,1.8 mJ)条件下,对于处于391nm的氮分子离子信号,线偏振光所诱导的来自B~2∑_u~+-X~2∑_g~+能级跃迁的荧光强度要始终高于圆偏振。而对于处于337nm的中性氮分子信号,随着驱动光场能量的增加,线偏振与圆偏振所诱导的来自C~3∏u B~3∏g能级跃迁的相对荧光强度之间会发生反转现象。研究结果表明飞秒光丝诱导的非线性荧光强度不仅依赖于光丝内部的钳制强度,同时也受等离子体密度的影响。
【图文】：

模型图,成丝,自聚焦,飞秒激光

图 1.1 飞秒激光成丝传输的克尔自聚焦与等离子体散焦模型[28]常，当飞秒强激光在介质中自由传播时，激光会在自聚焦的焦点位，但对于飞秒激光峰值功率不是特别大的条件下，形成光丝的起始成光丝前自由传播距离较长，，不适合在空间受限的实验室进行。因常引入外部聚焦透镜对入射光进行聚焦，使得成丝位置提前。此时位置 f' 在外部透镜的几何焦点附近，可具体表示为[14]：1 f '=1 f +1/zf, (1. 为外部聚焦透镜的几何焦点位置，zf为高斯脉冲的自聚焦塌陷位置表示[19]：zf=0.367ka2{[(P Pcr )1 2-0.0852]2-0.0219}1 2, (1.

示意图,焦点,模型,示意图

95 年美国密歇根大学的 Braun 等人初次在实验上发现飞]，与其有关的诸多物理现象便一直有受到人们的密切关产生、多丝的形成、高次谐波等。这些现象不管是对于际应用都具有极大的参考价值，下面我们将简单介绍与在空气中形成的光丝直径通常在 100 m 左右，该值相对说非常小。然而，在成丝过程中并不是所有的激光能量，研究发现光丝内部包含的能量只占入射光总能量的约能量均以背底的形式分布在光丝周围，形成强度较低的能库。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN24

【参考文献】