整形飞秒脉冲作用下材料的响应特性研究

发布时间：2020-07-01 07:22

【摘要】：本文围绕整形飞秒光场作用下材料的响应特性进行了深入研究，包括硅材料在飞秒双脉冲作用下的烧蚀过程、整形的飞秒激光大气中的成丝传播、整形的飞秒脉冲在K9玻璃内产生的非线性效应。此外，本文使用遗传算法对用于烧蚀产物粒子探测的反射式飞行时间质谱仪电场结构进行了优化，并进行了实验验证。具体研究结果如下： 1.使用双飞秒脉冲激光烧蚀半导体硅，研究等离子体的发射荧光强度随样品位置以及双脉冲延迟时间之间的变化关系。实验分别在高低两个能量下进行的。研究发现：在相同焦点位置处，荧光强度随双脉冲延迟时间的增加出现先增加后降低的趋势，高低能量下变化趋势相同。这是第一束脉冲与样品作用产生的等离子体以及液化的表面与第二束脉冲之间的相互作用导致的结果。荧光强度随样品位置的变化中出现了双增强区：样品位置处于激光焦点时，荧光强度并不是最大值，而是一个凹陷；当样品位于两侧位置时，荧光强度都高于焦点位置处。荧光强度随样品位置的变化是激光在大气中传播发生非线性克尔效应导致的，自聚焦或自散焦效应直接改变激光在传播方向的能量分布，导致了双增强区的出现。研究结果表明，双脉冲激光比单脉冲激光更利于烧蚀；通过改变样品距离激光焦点的位置以及双脉冲之间的延迟时间，可以实现对烧蚀效率的一定控制。 2.使用整形飞秒脉冲在大气中成丝，并结合遗传算法，对所成光丝的长度进行了优化。其中包括三部分工作：首先，本文使用开环控制方法对正弦位相的参数A和T进行了一定范围的扫描，观察对应整形脉冲生成光丝长度随两个参数的变化关系，发现扫描的正弦位相对应的整形脉冲产生的光丝长度都小于变换极限脉冲产生的。然后，本文使用闭环遗传算法对正弦位相产生的光丝长度进行优化，寻找到了能使光丝长度比变换极限脉冲作用时的长度增加约9%的整形脉冲。最后，本文使用闭环遗传算法对由随机位相生成的整形脉冲产生的光丝长度进行优化，寻找到了使光丝长度增加约50%的整形脉冲。这些结果证实了以下几点：第一，大气成丝对光脉冲的形状是敏感的，光脉冲形状的微小变化会导致成丝长度的很大抖动；第二，与变换极限脉冲相比，某些整形脉冲可以增加大气中光丝的长度，最多可实现约50%的增加；第三，在寻找有利于成丝的整形脉冲的工作中，闭环控制方法比开环控制方法更有效。 3.使用整形飞秒脉冲研究了K9玻璃的光限幅特性。主要包括以下两部分工作：一是固定样品在特定位置，使用开环控制方法变换正弦位相的三个参数A、T和，研究相应整形脉冲的吸收率随三个参数的变化关系。研究结果表明，改变参数A改变了脉冲序列中子脉冲的个数，从而改变了整形脉冲中能量分布，影响了非线性吸收的效率；前置脉冲引起的材料各向异性会改变后续脉冲通过材料时的吸收效率，改变参数T改变了子脉冲间距，从而前置脉冲对后续脉冲的影响也发生了改变；改变参数改变了激光光谱位相在频域上的位置，从而对材料的多光子吸收过程产生影响。第二部分工作是结合闭环遗传算法，对正弦位相调制的整形脉冲的非线性吸收进行优化。在变换极限脉冲作用下，K9玻璃几乎没有吸收。而在寻找到的最终整形脉冲作用下，材料对其的吸收率达到了4%。 4.使用遗传算法对用于烧蚀产物粒子探测的反射式飞行时间质谱仪的分辨率进行了模拟优化和相应的实验验证。本文选取了不`同的初始离子状态进行了模拟优化。在寻找到的最优电压组合下，质谱仪的电场结构对初始离子状态不同造成的飞行时间差异实现了很好的补偿。例如，在模拟实际实验条件的优化计算时，初始粒子状态为45个不同质量数、有一定空间分布、具有一定初速度的粒子团。优化结果得到的时间分辨率根据质量数的不同而不同，最低的为30512，而最高的达到了45635。在实验中，使用模拟优化寻找到的最优电压组合，本文获得了较高分辨率的氙气质谱，其中Xe132峰的时间分辨率为20968，验证了模拟结果的正确性。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O437
【图文】：

TBP）可以很好的解释一个脉冲与变换极限脉冲之间的差别。冲的时间延迟和光谱宽度的乘积：TBP= t 分别是脉冲时域和频域截面的半高全宽值。另一种评估脉冲与差别的方法是复杂度[1]。复杂度定义为时域或频域最大特性与 t / t / 图解示意如图 1.1 所示。时间 带宽乘积与复杂度之间是成正谱有： TBP/4ln2

3图 1.2 脉冲整形图集[2]：（a）傅立叶变换脉冲，（b）啁啾脉冲，（c）三次位相，（d）π 位相，（e）双脉冲序列。第一列表示的是频域的强度和位相，第二列表示时域的强度，第三列表示的是 Wigner 方程，第四列是光谱图。光谱位相是决定脉冲复杂度，即脉冲形状的主要因素。将光谱位相展开成泰勒多项式可以更清晰的了解每项的作用：(0) (1) (2) 2 (3) 30 0 0 0 0 0 01 1( ) ( ) ( ) ( )2 6 (4) 4 ( )0 0 0 01 1( ) ( )24 !n nn （1.5）

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本文编号：2736459