等离子丝大气传输特性研究.pdf

中国科学院大学u n i v e r s i t yo fc h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s硕士学位论文密级：培养单位：2 0 1 3 年5 月 r e s e a r c ho nt h e c h a r a c t e r so fp l a s m af i l a m e n t p r o p a g a t i o ni na i r b y 【w e nc h e n 】 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o u n i v e r s i t yo fc h i n e s ea c a d e m yo f s c i e n c e s i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f o p t i c s u n i v e r s i t yo fc h i n e s ea c a d e m yo f s c i e n c e s m a y , 2 0 1 3 学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文等离子丝大气传输特性研究，是在导 师的指导下，进行研究工作取得的成果。论文中所有数据、图片资料均真实 可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不 包含他人享有的著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他 个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于 培养单位，本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 本人签名：日期：矽! i ：堇：翌 致谢 致谢 光阴荏苒，回首科学岛的硕士阶段的求学之路，常感叹时光易逝，韶华难追。科学 岛僻静悠然如苗圃，人文之风浓烈若醇香，不仅吸引着众多游人，更吸引着学子勇攀高 峰。 首先我要感谢飞秒研究的启蒙导师范承玉研究员，是他将那个懵懂无知的我引入科 学的殿堂。范老师正直、学识渊博、谦虚谨慎，他人格魅力和高尚的师者风范深深的教 育着我。在学习和生活上他给予了我无私的指点和帮助，对此我表示最真诚的感谢，致 以最崇高的敬意。 感谢吴毅研究员。吴老师对学生们的学列和研究工作要求都非常严格，在每次考核 大会中都给予了悉心的指导，使我受益匪浅。从吴老师身上我学习到他严谨的科研作风、 求实的态度和奋进的精神，这些都非常值得我去学习。 在研究生学习生涯中，本课题组全体人员师兄乔春红、王海涛、张鹏飞、冯晓星、 张京会、时东峰、贾巍、陈豫、徐博，师姐李南、马慧敏、沈红，感谢师弟高牧南和师 妹尹凯欣得到许多的帮助，感谢他们时常不厌其烦的和我讨论数学公式、分析物理问题、 修改论文，在此表示诚挚的谢意。 在此向他们表示感谢。特别感谢大气光学中心黄印博研究员、魏合理研究员、徐慧 玲老师、马成胜老师等给予的帮助。 感谢我的同学侯霄艳、程知、刘丹丹等等；感谢我的室友方丽，我们一起打球、看 书，感谢他们陪我起度过这么美好的研究生生活。 同时还感谢帮助过我的研究生部的吴海信老师、邵娴老师，从你们的身上我收获良 多，在此一并表达我的谢意。 还要特别感谢上苍让我有机会来到科学岛学习，感谢我的父母，给予了我接受教育 的机会，父母的理解和支持是无私和伟大的，感谢他们对我的付出。 感谢那些在我研究生生活中帮助和关心过我的每一个人，这么美好的人生的日子里 面，认识大家感觉非常的开心和幸运。在你们的关心和陪伴下，我的研究生生活过得既 充实又愉快，是我永远珍藏的一段美好的记忆。 论文摘要 等离子丝大气传输特性研究 作者：陈文 导师：范承玉研究员 论文摘要 在1 9 9 5 年a b r a u n 首次实验发现飞秒脉冲激光在大气中传输形成等离子丝后，相关 的理论和实验研究也随之增多。本论文对强飞秒激光在大气中传输形成等离子体细丝进 行系统的研究。主要研究内容是等离子通道的产生机制，及其等离子丝寿命，研究激光 在大气中传输形成等离子丝等方面，以上都是理论程序的模拟，最后还结合通过实验诊 断的手段证明模型具有一定的可靠性，并且更具体的了解等离子丝的内部信息。 激光在远程大气湍流中传输具有很大的实际应用价值。所以我们主要以飞秒脉冲激光 成丝为研究对象，对等离子体通道的产生和演化以及激光在大气湍流中成丝进行详细研 究。具体可以分为以下几个部分。 1 描述飞秒激光等离子体通道内带电粒子产生过程及其演化的物理模型，深入研究 飞秒等离子丝中等离子体密度的时间演化特征。结果表明：不同时间线型的脉冲在等离 子体通道形成过程中，氧气分子的电离率及氮气子的电离率不同，而且不同线型的脉冲 对保持高密度的等离子体丝的寿命具有较大的影响。有效控制成丝脉冲线型可以对等离 子体通道去有效的利用。长脉冲、短波长能够获得较高密度等离子体通道。选择不同的 后续激光的形式和注入不同的时间注入后，对通道寿命的延长效果不相同，最长可以延 长通道寿命达2 5 脚以上。 2 通过理论模拟对不同激光入射口径下，在湍流中聚焦传输不同距离之后，高功率 激光在大气中成丝的特性研究。研究发现激光入射口径较小时，聚焦距离要相对近一些； 只要激光入射功率适中就可以形成光丝。而当激光入射口径较大时，其聚焦距离相对要 远一些，但是距离较远，大气湍流对光束的扰动作用也相应的增强，需要激光的入射功 率相对增加；尤其是经过湍流的扰动之后，光斑容易破碎成多个子光斑，此时需要激光 的入射功率会更高。飞秒大气成丝传输现象除了以实际大气条件有密切的关系，同时也 与发射系统参数有密切的关系。不同的入射脉冲也会对成丝产生不同的影响。 i i 论文摘要 3 通过声学测量方法和横截面成像方法这两种实验诊断方法，得到比较精确的等子体细 丝的形成、演化及消失的过程及准确位置。我们采用数值计算的方式对实验中的成丝进 行模拟，以进一。步检验数值模型的正确性。 关键词：飞秒激光脉冲，成丝，等离子体通道，非线性传输，大气湍流 i i i a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r so fp l a s m af i l a m e n tp r o p a g a t i o ni n a i r w e n c h e n o p t i c s d i r e c t e db yp r o f c h e n g y uf a n a b s t r a c t s i n c et h ef i r s to b s e r v a t i o no ft h es p o n t a n e o u sf i l a m e n tf o r m a t i o na c c o m p a n y i n gi n t e n s ef s p u l s e p r o p a g a t i o ni n a i ri n1 9 9 5b ya b r a u n ，m u c ha t t r a c t i o nh a sb e e nr a p i d l yp a i dt ot h ec a s eo ff i l a m e n t f o r m a t i o ni na i ra sd o c u m e n t e di nb o t he x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c a ls t u d i e s t h en o n l i n e a rf i l a m e n t a t i o no ft h e i n t e n s ef e m t o s e e o n dl a s e rp u l s e si na i ri si n v e s t i g a t e d w ep r o v i d ei n s i g h ti n t ot h ed y n a m i ce v o l u t i o no ft h e p l a s m af i l a m e n t si na i ra n dt h el i f e t i m eo ft h eh i g h e rd e n s i t yp l a s m a ，p r o p a g a t i o no ff i l a m e n t a t i o no fa p o w e r f u lf e m t o s e c o n dl a s e rp u l s ei nt h ea t m o s p h e r ei nt h e o r y b a s eo ne x p e r i m e n td i a g n o s t i c s ，w ef i n dt h e f o r m a t i o na n dt h es t r u c t u r eo f p l a s m af i l a m e n t s d u et oi t sp o t e n t i a lv a l u e sf o r t h ep r o p a g a t i o no f f i l a m e n t a t i o no f ap o w e r f u lf e m t o s e c o n dl a s e rp u l s ei n t h ea i ra t m o s p h e r ew i mt u r b u l e n c ea p p l i c a t i o n s t h ef i l a m e n t a t i o no ft h ei n t e n s ef e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e si n a i ri si n v e s t i g a t e d ，t h eg e n e r a t i o na n de v o l v e m e n to fi o nd e n s i t i e si nt h ep l a s m ac h a n n e la n dp r o p a g a t i o no f f i l a m e n t a t i o nw i t ht u r b u l e n c ei nt h ea t m o s p h e r e t h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 w es t u d i e dt h et e m p o r a lc h a r a c t e ro ft h ei o nd e n s i t i e sa n dd e s c r i b e dt h eg e n e r a t i o na n de v o l v e m e n to f i o nd e n s i t i e si nt h ep l a s m ac h a n n e l i ts h o w st h a tt h ec o n t r i b u t i o no fo x y g e na n dn i t r o g e nm o l e c u l e st ot h e o v e r a l ln m n b e ro fe l e c t r o nd e n s i t i e s v a r i e sm u c hf o rd i f f e r e n tl a s e rp u l s ec o n f i g u r a t i o n t h e yc o n t r i b u t e m o r et ot h el i f e t i m eo ft h eh i g h e rd e n s i t yp l a s m a i ti sam e r i tt oc o n t r o lp u l s es h a p ef o ru t i l i z i n gt h ep l a s m a c h a n n e le f f i c a c i o u s l y p u l s e si np o s s e s s i o no fl o n gd u r a t i o na n ds h o r tw a v e l e n g t hc a no b t a i nap l a s m a c h a n n e lw i t hh i g h e re l e c t r o nd e n s i t y , b u tt h el i f e t i m ed e p e n d so nt h ep o s t e r i o rs c e n a r i od e v e l o p m e n to ft h e s e l f - g u i d i n gc h a n n e l c a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h el i f e t i m eo ft h ec h a n n e li ss e n s i t i v et ot h ei n i t i a lc o n d i t i o n s o f t h el a s e ra n dt h er e l a t i v ed e l a yb e t w e e nt h el a s e ra n dt h em a x i m u mp l a s m ad e n s i t y a n a l y s i sd e m o n s t r a t e s t h a tt h ec o r r e s p o n d i n gl i f e t i m eo ft h er e v i v e dl o n g l i v e dc h a n n e lc a nb ee f f i c i e n t l ye x t e n d e dt om o r et h a n 2 5 胛 2 b a s e do nt h ed i f f e r e n ti n c i d e n tc a l i b e ra n dd i f f e r e n tl e n g t ho fl a s e rp u l s e sp r o p a g a t i o nw i t ht u r b u l e n c e i na i rt h ep r o p e r t i e so f f e m t o s e c o n df i l a m e n t sh a v eb e e ns t u d i e db yu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d i t s h o w st h a t , f o r m i n gf e m t o s e c o n df i l a m e n t sw h e nt h ep o w e ro fl a s e rp u l s e si sa p p r o p r i a t ea n dt h ef o c u so f f o r m i n gf e m t o s e c o n df i l a m e n t si ss h o r t e r ，w h e nt h ei n c i d e n tc a l i b e ro fl a s e rp u l s e si ss m a l l e r w h e nt h e i n c i d e n tc a l i b e ro fl a s e rp u l s e si sb i g g e r , t h ef o c u so ff o r m i n gf e m t o s e c o n df i l a m e n t si sl o n g g e r ，n e e dm o r e p o w e ro fl a s e rp u l s e st of o r mf e m t o s e c o n df i l a m e n t sd u et ow i t ht h em o r et u r b u l e n c e l a s e rp u l s e sw i l lb r e a k u pw h e nl a s e rp u l s e sp r o p a g a t i o nw i t ht u r b u l e n c ei n a i ra n d n e e dm o r ep o w e r t h ep r o p e r t i e so f t v a b s t r a c t f e m t o s e c o n df i l a m e n t s r e l a t ew i t hp a r a m e t e ro fa t m o s p h e r i cc i r c u m s t a n c e ，a l s or e l a t ew i t hp a r a m e t e ro fl a s e r e m i s s i o ns y s t e m t h ed i f f e r e n ti n c i d e n tp u l s eh a v ed i f f e r e n te f f e c to nf o r m i n gf e m t o s e e o n df i l a m e n t s 3 t w om e t h o d sa r ed e v e l o p e dt od i a g n o s ep l a s m af i l a m e n t s ，i n c l u d i n gi m a g i n go ft h ec r o s s 。s e c t i o n a c o u s t i cd i a g n o s t i c s t h ed i a g n o s t i c so fp l a s m af i l a m e n t sa l l o w su st oc o m p r e h e n dt h eg e n e r a t i o na n d e v o l v e m e n to fp l a s m ac h a n n e la n dc h o o s ea p p r o p r i a t ed e t e c t i n gm e t h o d s w ew i l lt a k ea d v a n t a g eo f3 d s i m u l a t i o nt ot h eg e n e r a t i o na n de v o l v e m e n to fp l a s m ac h a n n e lp a r a l l e l l i n gw i t he x p e r i m e n t a t i o n ，m a k i n g s u r et h ep r e c i s e n e s so f3 ds i m u l a t i o n w h i c hh i g h l yd e p e n d so ni n t e n s i t y a n dt h e n ，t h ee x i s t e n c eo ft h e p h y s i c a lp i c t u r eo fo p t i c a lt u r b u l e n c ed u et om o d u l a t i o n a li n s t a b i l i t yo fn o n l i n e a rr e s p o n s ei s e v i d e n t l y d i s p l a y e d k e yw o r d s ：f e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e s ，f i l a m e n t a t i o n ，p l a s m ac h a n n e l ，n o n l i n e a rp r o p a g a t i o n ， t u r b u l e n c e v 目录 目录 j ；c 谢i 论文摘要 a b s t r a c t 。i v 目录v i 第一章绪论1 1 1 超短脉冲激光大气传输成等离子丝的产生1 1 2 超短脉冲激光大气传输成等离子丝的研究发展1 1 3 本论文的研究内容与创新点2 1 3 1 研究内容2 1 3 2 论文的创新点- 3 1 4 ，j 、结3 第二章超短激光大气传输成丝的物理基础。5 2 1 大气湍流性质5 2 2 激光大气传输基本方程7 2 3 激光大气传输湍流效应的基本物理规律8 2 4 超短激光脉冲在卒气中的传输机制1 0 2 5 超短激光在空气中成丝传输的物理模型儿 2 5 1 运动焦点模型1 1 2 5 2 空间动态补偿模型1 2 2 5 3 自导引模型1 3 2 6 等离子通道的电离机制1 3 2 6 1 多光子电离1 3 2 6 2 隧道电离1 s 2 6 3 气体电离1 s 2 7 等离子丝内的复合和辐射机制1 6 2 7 1 复合机制1 6 2 7 2 辐射机制1 7 2 8 啁啾1 7 2 9 非线性薛定谔方程，1 8 2 1 0 分步傅立叶变换法1 9 2 1 1 小结2 1 第三章飞秒激光产生的等离子体通道及其特性。2 3 3 1 等离子体通道的产生及其演化2 3 3 1 1 引言2 3 3 1 2 数值模型2 4 3 1 3 计算与分析2 5 3 1 4 结论2 8 3 2 等离子体通道寿命及其延长2 8 3 2 1 引言2 8 3 2 2 数值模型2 9 3 2 3 计算与分析3 0 3 2 4 结论3 2 3 3 小结：3 3 第四章远距离成等离子丝及与大气参数的关系3 5 4 1 超短激光在大气传输中形成等离子丝数值模拟3 5 v i 中国科学院大学硕士论文：等离子丝大气传输特性研究 4 1 1 激光大气传输基本方程组的求解方法3 s 4 1 2 大气湍流模型及数值模拟方法3 6 4 1 3 湍流相屏的谱反演算法3 7 4 2 激光湍流传输与成丝的计算与分析一3 8 4 2 1 大气湍流中激光成丝3 8 4 2 2 啁啾对形成等离子丝的影响4 5 4 3 结论一4 7 4 4 小结4 7 第五章等离子细丝的实验诊断研究。4 9 5 1 等离子丝诊断方法。4 9 5 1 1 声学测量方法4 9 5 1 2 阴影成像5 1 5 2 实验内容及结论。5 2 5 3d 、结5 4 第六章总结与展望s 5 参考文献。5 7 作者简介。6 l 攻读硕士期间发表的论文与获奖情况6 2 v i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超短脉冲激光大气传输成等离子丝的产生 自1 9 6 0 年世界第一台激光器红宝石激光器问世以来，激光在光学介质中的传输 引起人们广泛的兴趣。从上个世纪6 0 年代，c h i a o 等研究光束的自陷，r e i n t j e s 瞳3 等使 用皮秒脉冲观测到了在玻璃等光学介质中的细丝产生与光谱的展宽现象。在8 0 年代的后 期，因为出现自锁模的这个新概念，导致飞秒激光技术出现飞跃。进入9 0 年代，飞秒得 到新的快速发展，新的锁模激光时代的诞生。全固态化的掺钛蓝宝石飞秒激光器口。被广泛 应用。飞秒激光脉冲的脉宽口是1 0 一- s 秒的量级，并且它的峰值功率高，这种脉冲不会由于 雪崩电离然后光学击穿。飞秒激光脉冲可以在空气中传输形成长距离的等离子体细丝b 1 ， 等离子丝对于激光雷达、遥感、激光诱导闪电、大气污染物分析、激光诱导电离光谱等 等都具有极其重要的应用价值。 1 2 超短脉冲激光大气传输成等离子丝的研究发展 由a s k a r 首次提出激光在等离子体中的自聚焦和光束自陷理论h 1 ；同时c h a i o 和 t a a n o v 等旧。扩展该理论并提出自透镜效应的概念，h e r c h e r 首次在实验中观测到自聚焦 现象随3 ，并称之为“丝( f i l a m e n t ) ”h3 ，在这个领域刚开始的时候，称其“等离子体通 道”，随着这个领域研究的逐步的深入，人们开始普遍使用“等离子体细丝”。 后来，b r a u n 等1 实现飞秒脉冲激光在空气中成丝传输超过2 0 米，从而证明飞秒脉 冲激光可以长距离传输，并提出“s e l f c h a n n e l i n g ”模型，n i b b e r i n g 等提出 “s e l f g u i d i n g ”模型来解释成丝过程中的锥角辐射等现象。m l e j n e k 等融合自导引和运 动焦点模型这两种模型提出动态空间补偿模型。 非线性成丝过程主要是由于克尔效应，光束发生白聚焦，使得光强增大：当达到 定强度达到空气的电离阈值的时候，激光通过多光子电离产生低密度的等离子体，等离 子体对光束的传输有着负透镜效应，对光束起着散焦的作用，这两种效应共同作用下形 成等离子丝。 在飞秒激光大气成丝传输过程中，由于光丝的中心光强高达1 0 w w c m z ，一般直接 中国科学院大学硕士论文：等离子丝大气传输特性研究 探测等离子通道内电子密度有困难，但是可以通过声学探测、光学成像探测、电导探测、 t h z 探测法、电磁脉冲探测法和荧光探测法等探测方法来从不同层面和不同角度测量光丝 内电子密度1 9 j 。 由于实际大气中有湍流层存在，所以研究大气湍流中成丝具有实际价值。 k a n d i d o v v p 等“叫研究表明在湍流大气中，成丝的位置具有随机性。e x e t e r m a n n j 等“” 研究大气湍流对遥感探测的影响，结果表明：低湍流强度区脉冲的局域时间畸变有利与 脉冲长距离的传输。s a l a m 6 r 等“2 3 研究表明等离子丝能够穿越强湍流区，湍流影响成丝 的主要控制量是大气结构常数和传输距离的乘积口三而不是c ；，并成功实现成丝传输 l 一4k m 。大气湍流其实是复杂的一种实际环境，同时也是对激光传输影响最大的因素， 开展湍流大气中激光成等离子丝研究不仅要处理近地面湍流形式，而且要考虑高空气压、 温度等因素的影响“。 飞秒激光脉冲在传输路径上电离空气，产牛等离子丝具有电导特性，利用这种特性可 用来保护对雷电比较敏感的场所，如发电厂、机场等。激光引导闪电就是利用激光在云层 和大地之间产生。一个放电通道。由于自聚焦效应产生的等离子体子的密度超过临界值的 时候，空气会发生雪崩式的电离，当地面电场为负电场时候，电子则沿着产生的等离子通 道做向上的运动直到云层，与云层的正电荷发生中和从而产生放电“。但是电离通道需要 具有通道的存活时间足够长；通道内电子密度需要达到一定水平；通道需要具有较低的 电阻率这些特性。 激光传输路径上的大气湍流以及风场扰动，甚至在非正常气候包括出现云雾、霾层、 雨雪天气等条件下的长程传输，这些都需进一步的理论和实验研究。 1 3 本论文的研究内容与创新点 1 3 1 研究内容 本论文以飞秒成丝为主要研究对象，针对成丝过程中的等离子体通道及其寿命延长、 大气湍流对成丝的影响等为问题开展深入的研究。具体的工作包括： + 研究能够较全面描述等离子体通道时间演化的数理方程，研究等离子体通道内带电粒 子的时间演化规律，研究影响等离子体通道存活寿命的激光参量和丰要因素，得出如 何有效的延长等离子体通道寿命。 第一章绪论 夺为探索远距离成丝及与大气参数的关系，在方程中引入大气湍流效应，研究大气湍流 对成丝的影响；研究在湍流作用下，飞秒脉冲激光成丝的时空演化，研究湍流对等离 子体通道的影响。 夺实验与计算的对比，从而证明理论模拟的可靠性，通过实验研究成丝的一些特性。 1 3 2 论文的创新点 耷在等离子体电离通道产生及演化方程中，将空气电离分离为主要为氧气电离和氮气电 离，采用不同的电离率计算方法，研究等离子体通道内带电粒子的时问演化特征，得 出影响等离子体通道寿命的几个主要参量，为进步研究延长通道寿命奠定了基础。 + 在描述飞秒脉冲激光大气传输的基本方程中引入湍流效应，研究在湍流作用下，飞秒 脉冲激光成丝的不同传输条件下的特性，研究湍流对等离子体通道的影响。 1 4 小结 本章简单介绍一下与论文相关的超短脉冲激光的产生和发展，超短脉冲激光大气传 输成等离子丝的研究发展，进一步探求能够等离子体通道时间演化的数理方程，如何延 长等离子体通道寿命的方法，研究大气湍流对成丝的影响，实验与计算的对比，从而证 明理论模拟的可靠性，通过实验研究成丝的些特性。 里型堂堕奎兰堡圭丝壅! 竺堕王丝查墨堡垫堕垡堑壅 4 第二章超短激光大气传输成丝的物理基础 第二章超短激光大气传输成丝的物理基础 2 1 大气湍流性质 研究超短激光脉冲在大气中的传输，首先需要了解作为传输介质的大气的相关性质。 大气性质主要与大气气体、气溶胶、空气流动的不均匀性即湍流相关。下面简要介绍与 本文有关的大气湍流性质的主要参数及其对激光传输的影响。 大气的随机运动造成大气湍流，因为地球表面对气流拖拽造成的风速剪切、太阳辐射对 地球表面不同位置加热的差异或地表热辐射导致的热对流、包含热量释放的相变过程造 成的温度和速度场的变化，大气湍流会造成大气折射率的随机起伏，与温度的梯度湿度 的起伏以及风速剪切不稳定性有关”引。描述湍流的各个物理量都是时间和空间的随机变 量，需要采用概率统计的方法进行处理。大气湍流中的折射率一( - ，f ) 是随机函数。为处理 湍流空问和时间特性的转换关系“7 】，用湍流理论的t a y l o r 湍流冻结假设“8 。当平均风速 y 的湍流介质随风移动时候，有打( ；，f ) = 疗( ；一v a t ，f 一f ) ，因为这个假设，我们可以测量湍流 折射率的连续时间得湍流空间特征“。随机场的空间统计特性相关函数 峨( 孑) ( 2 1 ) 或结构函数“7 1 8 j 域( 一；) 【珂孑) 一域) 2 ( 2 2 ) 结构函数满足n 7 ，1 8 。 乜( 孑) = 蛾( ；一；。) ( 2 3 ) 的介质是各向同性介质。对于各向同性介质“。”3 ，有： 乜( _ ，；。) = 2 色( o ) 一盈( ；一；) 】 ( 2 4 ) k o l m o g r o v 的湍流统计理论里面认为局域各向同性湍流，存在一个惯性区问，该区域的上 限尺度为外尺度厶，下限尺度为内尺度7 0 。在此区域内结构函数满足2 3 幂律： 见( p ) = e 2 矽( 厶 l o ) ( 2 5 2 ) 距离小于内尺度? n 的两点间的统计特性可认为是线性相关的，有 e 中国科学院大学硕士论文：等离予丝大气传输特性研究 见( p ) = m p 2 ( p d p 2 ( 2 2 1 ) 那么质心漂移方差为 = ( p 】甲：) 柏) ) d 2p i d 2 晚 j d p l ( p ) 2 ( 2 - 2 2 ) 对于从z = o 到z = l 的传输，z 处的湍流造成的倾斜导致光束在z = l 的平面内漂移，倾 斜角乘以l z 得出漂移量。 当平面波在k o l m o g o r o v 湍流中传播，此时光斑的质心漂移方差为 = 6 旧一43 f 仁2 玉狰卢。eo 归尹乙2c ( ( 2 2 3 ) 000 假设均匀的湍流作用下，则 一= 2 0 3 c d - 1 3 l 3 ( 2 2 4 ) 聚焦光束且发射口径为d ，有 = 6 0 8 d 邶 瞬( z ) ( 1 一衫三) 1 们d z ( 2 2 5 ) 6 在均匀分布时候，则 = 1 3 0 5 c ；d 奶f ( 2 2 6 ) 由上式可知，光斑的漂移与波长无关，聚焦光束的漂移明显小于准直光束。激光光斑在 湍流中漂移着，当长时间去观测长曝光照片时，会发现因为光斑漂移引起的累加效果会 形成比短曝光光斑大的多的弥散斑，即长时扩展。由于大气湍流作用，使得光斑瞬时扩 大，即短时扩展“7 。假设高斯入射激光光束在大气传输中，受到湍流的扩展后的短时和 长时光斑的空间分布还是高斯的，且光斑等效半径增大“7 1 。 = p 2 d p f f d p ( 2 2 7 ) 上式为均方长曝光光斑半径n 73 。 长曝光光斑有效半径的平方： - + ( 2 2 8 ) 上式中 为短曝光光斑有效半径的平方， 光斑质心漂移方差。由于湍流效应 使得光斑扩展分为低频漂移和高频散射，在湍流较弱时，高频散射引起的光斑扩展很小， 这时的光斑扩展主要由低频偏折距离决定。在湍流效应较强时，光斑会破碎，短曝光图 q 中国科学院大学硕士论文：等离子丝大气传输特性研究 像不再是单个光斑，而是由随机分布在接收孔径平面内的若干小光斑组成，这时的长曝 光图像是模糊的短曝光图像，且它们的总直径近似相等“。 在大气湍流传输中激光的光强起伏称为激光大气f , q 烁乜。，它的强弱通常用闪烁指数 q 2 ( = 2 1 ，归一化的光强方差) 、r y t o v 方差元( _ 一 2 ， 对数光强方差) “7 。来表示， r y t o v 方差瓦，： 拈 篙。篙= 垤 眨2 9 ， 在湍流较弱时候有： q 2 。，= 4 盯；= i n ( i + 西) ，仃。2 - 一 2 为对数振幅起伏方差， z = i n ( 彳a ) 表示在湍流作用下振幅的对数起伏；a 为扰动前振幅，a 为扰动后振幅。 当刃口i 时，q 2 ，2 = 4 盯，2 。实验研究认为t a t a r s k i i 理论与实际符合的很好，能够很 好的解释光在湍流介质中传输的相关现象。 2 4 超短激光脉冲在空气中的传输机制 当超短脉冲激光在空气中传输时，空气的非线性效应产生的非线性克尔自聚焦会使 激光发生自聚焦，达到一定强度电离阈值之后造成空气的离化而形成等离子体，形成的 等离子体又会对激光光束产生散焦的作用，这两种作用的共同作用下可以形成较长的等 离子丝口3 。 当超短脉冲在空气中传输时，由于三阶非线性电极化效应的作用昭3 ，介质折射率发牛 变化与入射光强成正比，可以表示为口j 。+ 娑p ) 1 2 ( 2 3 0 ) 订丹。+ 二_ 二l 丘t c 叫l k 厶 z 其中n o 是线性折射率陋，r e ( 矿，) 是三阶非线性极化率矿，的实部。将上式中塑：警记 为则上式为( 2 3 1 ) ，n 2 为非线性折射率系数b j 。 行= n o + 也旧2 = n o + 玎2 ， ( 2 3 1 ) 第二章超短激光大气传输成丝的物理基础 图2 3 光束在非线性介质中的光线路径( 虚线为波面，实线为光线) 当高斯型的入射激光在空气中传输时，由于光束轴与边缘处的场强不同，导致传输 过程中介质折射率的非均匀分布j ，在空气中形成中心折射率高、边缘折射率低的传输通 道，通道中的空气成为与正透镜口：作用相似的介质，使得光线会聚，这就是自聚焦现象畸。 通过自聚焦作用入射光强增大，达到电离阈值时候使得空气电离，产生低密度的等 离子体，等离子体对折射率的影响。为： 幽：一芝( 2 3 2 ) 2 2 其中吃= 4 z e 2 仇( ，) p 是等离子体的频率b 3 。由上式可知，等离子体对折射率的贡献 是负的，相当于负透镜的作用，等离子体可以使得激光光束散焦。激光光束在自聚焦和 等离子体散焦的共同作用下，达到一个动态的平衡，激光束可以在空气中形成等离子丝。 2 5 超短激光在空气中成丝传输的物理模型 2 5 1 运动焦点模型 b r o d e u r a 和n i b b e r i n g e t 等人乜2 ：提出该模型认为在慢变振幅近似阳：下，在时间上 将激光脉冲分成很多层，当然每一层功率是不同的，哪一层的峰值功率超过自聚焦的临 界功率： 己：婴 ( 2 3 3 ) b 万坞 则该层会聚焦到焦点上。假设条件为介质各向同性、慢变振幅近似和光束为准单色 情况下3 ，得到发生自聚焦的层其焦点位置可以采用m a r b u r g e r s 公式瞳踟来确定： = o 3 6 7 晰o ( ( 厩一0 8 5 2 ) 2 0 0 2 1 9 ) m ( 2 3 4 ) _ 、 。父忒。 基彩”一：一 z，z - ， 图2 4 运动焦点模型：三个不同时间层片的聚焦示意图 中国科学院大学硕士论文：等离子丝大气传输特性研究 焦点的位置与每层的峰值功率p i n 和自聚焦阈值功率儿以及激光入射参量( 波长五和 入射光束半径w o ) 条件有关。由于每层的功率不同，并且随时间变化的，所以焦点的位 置也不同，也随时间变化的，当分的层足够的“薄”，则每层功率可以看成连续的，它们 的焦点就连续的在向前面传播，形成等离子丝。这种模型可以解释光导形成的起始相位， 但是不可以解释并发的等离子体产生和自波导现象。 2 5 2 空间动态补偿模型 m e j n e k m 等人乜4 1 提出动态空间补偿模型( d y n a m i cs p a t