飞秒激光在空气、水溶液中的传输和成丝的光谱特性研究
发布时间：2021-07-14 14:17
随着飞秒激光技术的快速发展,自从1995年飞秒激光成丝现象被发现以来,人们对不同气体及凝聚态介质中的成丝现象进行了广泛研究,不断地揭开了飞秒激光成丝过程的面纱。飞秒激光脉冲在介质中传播时,由于克尔自聚焦效应,激光强度会不断增加,当其达到电离阈值后,通过多光子电离产生的大量等离子体会对激光光束起到散焦的作用,当两者达到动态平衡时能够得到很长的等离子体通道,在此过程中会产生超连续谱、荧光发射、锥角辐射以及太赫兹辐射等非线性效应,这些效应对远程探测、人工降雨以及诱导闪电等诸多领域都具有重要的应用前景。尽管在过去的二十几年间,飞秒激光脉冲在介质中成丝已经取得了很大的成功,但仍有问题亟待解决,如飞秒激光在真实大气中传播时,湿度、温度、气流等因素都会随时发生变化;在液体环境中传播时,温度和各杂质含量等也会发生变化,这些因素对成丝过程都会产生较大的影响。在本文中,我们分析了不同因素对飞秒激光在空气中成丝产生的荧光光谱以及在水中成丝时产生的超连续谱的影响,其主要研究内容如下:（1）我们对飞秒激光成丝过程中不同位置处的荧光发射情况进行了分析,并利用氮荧光光谱对成丝过程进行表征。我们发现等离子体细丝的长度...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：119 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
（a）飞秒激光成丝的自聚焦模型（b）飞秒激光成丝产生的等离子散焦模型[21]
生对折射率的贡献是负的，使折射率变小，如图 1.1(b)所示。从 1.1(a)和 1.1(b中可以观察到等离子体的作用相比于自聚焦的作用是截然相反的，类似于一个凹透镜，使光束发散，引起的折射率变化为：cr( , )( , )2r tn r tρρ = (1.2其中ρ(r,t)为自由电子密度，2 2cr 0 0=eρ ε m ω e（对于中心波长为800 nm的激光：ρc≈1.7×1021cm-3）是等离子体的临界密度，ε0是真空介电常量，me是电子质量，是电子电量，ω0是激光中心频率。当ρ>ρcr时，等离子体就不再透明。当激光脉冲在传播过程中发生的克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应达到动态平衡时，激光脉冲会以这种形式在介质中一直传播下去，从而形成稳定的等离子体通道，这也就是人们通常所指的等离子体细丝，如图1.2所示。最终，由于等离子体的产生会对能量进行不断的消耗，使得这两个效应不再平衡，成丝将会终止。
而迅速产生大量的等离子体，等离子体的散焦作用会对脉冲后沿部分产生强烈的衍射,连续的长距离等离子体通道便很难形成。无法形成长距离的等离子体通道就意味着无法正常进行激光引雷的研究工作，自此，这方面的研究工作就被搁浅了。自从 1995 年实现了飞秒激光脉冲在空气中产生长距离的等离子体细丝后，激光引雷技术迎来了新的希望[7]。自此，研究学者们重拾对激光引雷的研究。2002年，较为著名的研究莫过于法国 Mysyrowicz[37, 38]小组搭建的高压闪电装置，他们成功地通过等离子体细丝诱导间距为三米的两个电极进行放电。在 2008 年，Kasparian[39]小组在美国新墨西哥州的野外进行了激光引雷的实验，成功地向雷暴云发射飞秒激光脉冲，制造了云中的局部放电，如图 1.3 所示。但是，该激光器产生的等离子体通道无法长时间的存在，并且在几十米内就消失了，这意味着闪电无法被引到地面，因此，这项技术还存在一定的局限性。若想能够实现云中的大规模放电，对激光参数的要求就更为苛刻，不仅激光脉冲能量要更大，等离子细丝的长度及寿命应该更长。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Group velocity dispersion effect on the collapse of femtosecond laser pulses in air: a revised form for Marburger’s law[J]. 李苏宇,金明星. Chinese Optics Letters. 2015(12)
[2]Intense broadband THz generation from femtosecond laser filamentation[J]. Tie-Jun Wang,Shuai Yuan,Yanping Chen,See Leang Chin. Chinese Optics Letters. 2013(01)
[3]等离子体通道的声学诊断方法[J]. 郝作强,张杰,俞进. 物理. 2004(06)
本文编号：3284305
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：119 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
（a）飞秒激光成丝的自聚焦模型（b）飞秒激光成丝产生的等离子散焦模型[21]
生对折射率的贡献是负的，使折射率变小，如图 1.1(b)所示。从 1.1(a)和 1.1(b中可以观察到等离子体的作用相比于自聚焦的作用是截然相反的，类似于一个凹透镜，使光束发散，引起的折射率变化为：cr( , )( , )2r tn r tρρ = (1.2其中ρ(r,t)为自由电子密度，2 2cr 0 0=eρ ε m ω e（对于中心波长为800 nm的激光：ρc≈1.7×1021cm-3）是等离子体的临界密度，ε0是真空介电常量，me是电子质量，是电子电量，ω0是激光中心频率。当ρ>ρcr时，等离子体就不再透明。当激光脉冲在传播过程中发生的克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应达到动态平衡时，激光脉冲会以这种形式在介质中一直传播下去，从而形成稳定的等离子体通道，这也就是人们通常所指的等离子体细丝，如图1.2所示。最终，由于等离子体的产生会对能量进行不断的消耗，使得这两个效应不再平衡，成丝将会终止。
而迅速产生大量的等离子体，等离子体的散焦作用会对脉冲后沿部分产生强烈的衍射,连续的长距离等离子体通道便很难形成。无法形成长距离的等离子体通道就意味着无法正常进行激光引雷的研究工作，自此，这方面的研究工作就被搁浅了。自从 1995 年实现了飞秒激光脉冲在空气中产生长距离的等离子体细丝后，激光引雷技术迎来了新的希望[7]。自此，研究学者们重拾对激光引雷的研究。2002年，较为著名的研究莫过于法国 Mysyrowicz[37, 38]小组搭建的高压闪电装置，他们成功地通过等离子体细丝诱导间距为三米的两个电极进行放电。在 2008 年，Kasparian[39]小组在美国新墨西哥州的野外进行了激光引雷的实验，成功地向雷暴云发射飞秒激光脉冲，制造了云中的局部放电，如图 1.3 所示。但是，该激光器产生的等离子体通道无法长时间的存在，并且在几十米内就消失了，这意味着闪电无法被引到地面，因此，这项技术还存在一定的局限性。若想能够实现云中的大规模放电，对激光参数的要求就更为苛刻，不仅激光脉冲能量要更大，等离子细丝的长度及寿命应该更长。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Group velocity dispersion effect on the collapse of femtosecond laser pulses in air: a revised form for Marburger’s law[J]. 李苏宇,金明星. Chinese Optics Letters. 2015(12)
[2]Intense broadband THz generation from femtosecond laser filamentation[J]. Tie-Jun Wang,Shuai Yuan,Yanping Chen,See Leang Chin. Chinese Optics Letters. 2013(01)
[3]等离子体通道的声学诊断方法[J]. 郝作强,张杰,俞进. 物理. 2004(06)
本文编号：3284305
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3284305.html
