（光学专业论文）超快激光在透明液体中的传输性质研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着强光光学的迅速发展，超短强激光已经广泛应用于许多研究领 域。由于当超短强激光在介质中传输时，特别是当等离子体产生的时候，会出现 一些类似于传统非线性光学但又源于不同的物理机制的更加丰富的光学现象，比 如：自聚焦、超连续白光、自陡峭、高次谐波等，因此强激光脉冲在介质中传输 特性研究已经成为当今一个热点研究方向。 本论文主要研究了飞秒激光脉冲在透明液体中和在等离子体中传输时产生 的一系列非线性现象，并对这些现象进行了理论解释。 首先从实验和理论上研究了单束飞秒强激光脉冲在透明液体中传输时圆锥 辐射和超连续谱的产生。随着输入的激光能量的增加，强的激光场作用引起的等 离子体导致了光丝和脉冲的分裂，同时产生了超连续光谱。实验中发现超连续谱 的产生分为两个阶段，当输入的激光能量比较弱的时候，光克尔( k e 曲效应作为 产生频谱加宽的主要机制；当输入的激光强度超过产生等离子体的临界阈值的时 候，等离子体的出现成为诱导光谱加宽的主要因素。通过对不同液体( 水、甲醇、 苯和二硫化碳) 的超连续谱的研究发现，超连续谱的频谱宽度是与介质的带隙阈 值( b a l l dg a pt i i 专s h o l d ) 和自聚焦的闽值( s e l f f o c t l s j 丑gt h r e s h o l d ) 成正比的。同时， 强飞秒激光脉冲在透明液体传输时，激发的自由电子浓度呈现出时空梯度分布， 使得在横向波矢空间中的输出功率谱因空间自相位调制出现相长和相消干涉，在 投影屏上出现了圆锥辐射。此研究结果对产生的宽频带可连续调谐的激光脉冲， 大气中污染探测、激光引雷等方面的应用都有重要的参考价值。 为了探究等离子体对在其中传输的超短脉冲的作用以及等离子体内部性质， 采用泵浦一探测纵向衍射o u m p - p r o b el o n 百t u d i n a ld i f f r a c t o m e t r y ) 和二次谐波产生 频率分辨光闸f s h g f r o g l 技术探测超强激光脉冲经过等离子体后的空间和时 间频谱特性，结果显示由于时空自相位调制和等离子体的梯度分布，探测光在时 域上加宽并分裂，在空间上出现了衍射环，同时中心光束的大小随着泵浦光强度 的增大而减小，透射强度随着泵浦光的增加先增加后减小。通过对频谱和空间衍 射环的解析，可以了解等离子体内部的性质。对等离子体性质的探测研究使人们 了解了等离子体内部的变化过程，对进一步研究等离子体以及光束的传输有着重 摘要 要意义。 关键词：超短脉冲，等离子体，超连续谱，圆锥辐射，自相位调制。 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e n s e 叩t i c s ，t h eu l t r 髂h o np u l s e h a sb c e w i d e l y 印p l i e di nm a n yr e s e a r c hf i e l d s w h e nt l l eu l t r a s h o ni t c n s ep u l s e s p r o p a g a t ei nm e d i a ，m a n yn 0 1 1 1 i n e a rp h e n o m e n aa r eg e n e r a t e d ，s u c ha ss e l f _ f o c u s i n g ， s u p e r c o n t i n u u mg e n e r a t i o n ，s e l f - s t e 印i i l 岛h a 皿o n i cg e n e r a t i o n a n ds 0o n ，w h i c h q u i c l 【l y b e c o m et h cr e s e a r c hf o c u so fm a n y 伊o u p s t h ep u r p o s eo ft h i s p a p e r i st oi n v e s t i g a t et l l en o l l l i l l e a ri n t e r a c t i o n so ft h e f e m t o s e c o n dp u l s e sw i t ht r a n s p a r e tl i q u i d si nt h ep m c e s so fp r o p a g a t i n g f i r s t l y ， t l l ed e v e l o p m e n ta n dp r o p e r t i e s0 ft h eu l t r a s h o r tp u l s ep f o p a g a t i n gi nt h e p l a s m a 盯er e v i e w e d n e n ， t l l e g c n e m t i o n0 fs u p e r n t i n u u ms p e c t m ma l l d c o n i c a le m i s s i o i s i i e s t i g a t e d ，w h e nf c m t o s e c o n dl 硒e rp u l s e sp r o p a g a t ei nt r 柚s p a r e n t l i q u i d s w i t i lt h e i n c r e 鹋i n go ft h el a s e rc e r g y ，t h es p e c t m mo ft l l ec o n i c a le m i s s i o no n - a x i s i s b r o a d e n e da n ds t r o n g l ym o d u l a t e d t h es p e c t m mb f o a d e n i n gc a nb ea t t r i b u t e dt ot h e o p t i c a ll 沁r re 珏e c ta tl o wl a s e re n e 玛弘a n da th i g hl a s e re n e r g yt h ep l a s m ai sc r c a t e d b yt h em u l t i p h o t o ne x c i t a t i o n ，w h i c hb e c o m e st h em a i nf a d o ro ft h es p c c t m m b m a d e l l i n g i ti sf o u n dm a tt l l es p e c t n l lb r o a d e n i n gs 仃o n 舀yd 印e n d so nt l l eb a n d g 印t h r e s h o l do ft h em e d i u m n e 砌o r e d 咖簪c a l lb eo b s e e di nt h ef b 州a r d d i r e c t i o nd u et ot h ec o n s t n l c t i v ea n dd e s 仃1 l c t i v ei n t e r f e r e n c eo ft r a n s v e r s ew a v e v e c t o l w h i c ha r ei n d u c e d b yt h es p a t i o t e m p o r a l 掣a d i e n to ft h ef r e e e l e c t r o nd e n s i t y t h e r e s u l to fm er e s e a r c hw i uh a v e 掣e a ta p p l i c a t i o ni l lt h et u n a b l cu n r a s h o nl a s e r s ，t h e l i 曲t n i n gc o n t r o la l l dt h ed c t c c “o n 孤di d e n t i f i c a t i o no fm ea t m o s p h e f ep o l l u t a r i t s f i n a u y ，i no r d e rt oi n v e s t i g a t et l l e 印a t i o t e m p o m lc h a m c t e r j s t i c so fl h eu l t r 勰h o n p u l s ep r o p a g a t i n gi n m ep l a s m a ，t h ep u r n p - p r o b el o n 舀t u d i n a ld i 珩a c t o m e t r ya n d s e c o n dh 蜘o n i c g e n e r a t i o nf t e q u e n c y - r e s o l v e d叩t i c a lg a t i n g( s h g - f r o g ) t e c h n i q u ea r ee m p l o y e d ri sf o l l n dt l l a tt h er c c o r d e dr i n gp a t t e mi ss e n s i t i v et on o t o n l yt h ee l e c t r o l l i cd e s j t yb u ta l s 0t h es i z eo ft h ec h a n n e l ，锄dt l l ev a r i a t i o no ft h e s p e c t r a la n dt e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c sw a sr c c o r d e d t h er e s e a r c ho t h ed i f f r a d i v ea n d 、b s 仃a c t s p a t i o t e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c sw i l lh e l pu su n d e r s t a n dt h ed y n a m i c so ft h ep l 孤m a b e t t e l k e yw o r d ：u l t r a s h o np u l s e ，p l a s m a ，s u p e r c o n t i n u u ms p e c t r u m ，c o n i c a le m i s s i o n ， s e l f _ p h a s e sm o d u l a t i o n 2 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：陋 j 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将 学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权 将学位论文的内容编入有关数据厍进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇 编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定 _ 。0 一 学位论文作者签名：j 乏翻易 导师签名： i 誓，； 日期：2 鲤互业 日期：丑钲f 歹 第一职绪论 第一章绪论 l 。l 超短脉冲的传输 超短脉冲的产生对激光的传输育饕深远的影响并使得激光传输的研究成为 当今一个热点研究方向。i 匠年来，超短脉冲激光在许多领域的研究得到了广泛成 雳，这些痤羯戆主要兴趣蒸本上都集审在短默；孛激毙魏辣泞簧辕特毪方覆，懿巍 聚焦和自导弓l 等。强激光在介质中传输时可以引起很强的非线性效应，包括光克 尔效应引起的自聚焦，光场电离及其对光脉冲的散焦效应、高次谐波的产生、趟 连续灌霸鑫毙辐袈“1 1 等。髑爱g 孵秘糯缀超短疆辣淬滋毙在分凌孛塞聚焦产 生白光辐射憝当今的一个生要的研究方向。实验中融经观察到利用t w 级超短强 激光脉冲聚焦在气体和液体中产生的囱光辐射以及稳定的光学成丝，而这种成熊 戆铸臻蓬离搿达a 十至l 叠孬来匏蓬嚣。这释藏丝懿簌疆藏是竞学翡鑫弓l 等，氇魏 是光束的衍射和折射在瞬态产生的等离子体中达到平衡。在许多实际应用中，诸 如可调谐的超短脉冲的产生【1 剐、大气中的污染探测 4 】、雷电控制1 5 ，6 j 等方面存在 蓉许多潜奁瓣应建蓠景。藏魏，一童戳来久稻瓣怒短筵强澈竞赫冷在空气孛长鼷 离传输的研究都怀着极大的兴趣，并开展了一系列相关的理论与实验研究。这其 中的许多实验所用到的高功率超短激光脉冲的脉宽郝是在亚皮秒( 1 0 0 3 0 0 热) 掇 级，其在空气中传输静一系戮实验结暴，提供了俸麓着腺摔霸矮瓣产生的耨蘩必 导的直接 难据。当一束超强激光照射刹介质上时，光场强度远远超过库仑场的强 度，原子中的电子迅速被测离。对于 # 鬻稀薄豹气体来说，这一过程产生的电予 西以近骰谈为楚自由电子。对于足够密度的物质采说，这一毙致电离的过程将产 生等离子体。当没有光引导机制时，与激光在自由獭间传输一样，激光在等离子 体中传输一个r a y l e 逗鱼躐凑班蜃发教撼( 叛：南鲥勿，勘是激光中心波数，功是冀 空中聚焦光荣半径最小德) ，但在实除波用中，人稍都希望激光能够在等离予体 中传输几个甚至几十个r a y l e i 曲距离而没有发散摊，即要实现强激光在等离子 体孛的长鼹离终输，并磺襄其中静导引规裁。b r a h l l ，n i b b e 盘g ，黼融l f 等人焱 实验中观察劐，超强飞秒激光脉冲在空气中传输时所形成的具有黼光强且只谯髑 部存在的非线性光丝可以传输到超过脉冲光束所对威的r a y l e i g 躐离的范围。另 第一章绪论 据德国的一个科研小组在1 9 9 7 年的报道，他们在实验上首次观察到了，用一束 峰值功率为2 t w 、脉宽为1 1 0 f s 、中心波长为7 9 0 衄的激光脉冲在大气中垂直 穿越了1 2 k m ( 实验脉冲的束腰宽是6 锄) ，相应的r a y l e i g l l 距离大约是1 2 k m ，而 此时激光在空气中发生自聚焦所需的临界功率仅为2 g w ，是实验时激光脉冲峰 值功率的千分之一。同时，由于强激光一等离子体相互作用过程中复杂的波一粒、 波一波相互作用和强烈的非线性，将激发各种不稳定性，从而危害强激光在等离 子体中传输时所受引导的稳定性。可见，对强激光在等离子体( 包括电离气体) 中 传输特性的研究其内容十分丰富。 当超强激光在介质和等离子体中传输时，会出现一些类似于传统非线性关学 但源于完全不同的物理机理的光学现象，比如：自聚焦、自相位调制、高次谐波 的产生等等。一些基于等离子体与超强激光相互作用的应用正处于研究的最前 沿，比如激光惯性约束核聚变、激光电子加速器、激光驱动的x 射线源、非线 性量子电动力学等等。 1 2 等离子体物理描述 等离子体( 电离气体可视为部分电离的等离子体) 是由大量带电粒子组成的 非凝聚系统【1 一。等离子体状态是物质存在的基本形式之一，与固态、液态、和 气态并列，称为物质第四态。等离子体的主要特征是；粒子间存在长程库仑力， 其运动与电磁场的运动紧密耦合，存在及其丰富的集体效应和集体运动模式。宇 宙中绝大部分物质( 9 9 以上) 处于等离子体状态，人造( 实验室) 等离子体在现代 高科技中起着极其重要的作用。 强激光等离子体物理学是一门近三十年来随着激光核聚变研究和激光技术 迅速发展，尤其是啁啾脉冲放大技术( c p a ) 的发明( 图1 1 ) 。这个发展起来的新兴 学科，它是激光核聚变和武器物理、x 射线激光、以及激光驱动粒子加速等重大 应用的学科基础。强激光等离子体物理学研究内容主要包括有激光在等离子体中 的传输和吸收、等离子体波的激发、激光等离子体参量不稳定性、超热电子的产 生和运输、自生磁场的产生等丰富的等离子体集体现象和非线性效应。当今国际 前沿主要包括三个方面：超短脉冲强激光与等离子体相互作用；激光与大尺度等 离子体的相互作用：激光驱动粒子加速物理的研究。 强激光与等离子体相互作用的参数范围非常大，因此，他们之间的各种总相 第一章绪论 互作用过程非常复杂。其中，最具有决定性因素的参数是激光强度和等离子体密 图1 1c p a 放大系统示意图 度。激光强度，或激光聚焦功率密度，定义为：而= 砰铆，其中是激光入射 能量，s 是激光辐照面积，幻是激光脉冲宽度。对于线偏振激光，激光强度与归 一化矢量口d = 叫加矿似。是激光场矢势振幅，m 。是电子静止质量，c 是真空中光 速) 满足关系式：4 口= 8 5 1 0 1 0 础2 其中是激光中心频率。 等离子体密度一般是指等离子体的电子密度。当等离子体电子密度超过临界 值，l 。跏。时，频率为的激光场就不能在等离子体中传输，该临界值称为l 临界 密度号等a 一般地，当等离子体密度 1 n s ) 与等离子体相互作用中，必须考虑离子的运 动。 当激光产生的场强很高时，电子的运动接近于相对论效应，并且激光与等离 子体的相互作用是高度非线性的。在激光场中，相对论因子的主要贡献就是电子 的横向运动，相对论因子r 与激光的强度有关a 2 i 。如果激光强度的峰值在传 输轴上，即甜a rc o ，电子的相对论振动就导致a 仉a ，c o ，等离予体表现为正 透镜效应，这就是相对论自聚焦的原理。相对论自聚焦的临界功率为 只一2 c 沏c 2 屈2 ) ( 叫啤。) 2 1 7 4 ( 一肛) 2 ，式中t 一扫c 。为等离子体波长。 第一章绪论 数值模拟 2 4 1 表明，当激光功率达到临界功率p 时，焦斑处的强度将由于自聚 焦而增长，而当激光功率进一步增大到p 3 4 p 时，激光束将出现第二个焦点， 进一步提高激光功率将获得越来越多的焦点，直至这样焦点汇合成一条通道，这 就是相对论性的自导通道。最近，通过光散射成像系统进行的空间分辨实验【2 5 1 ， 证实了当激光功率增加时等离子体中多个焦点的形成与等离子体通道的扩展，当 激光功率达到9 足时，通道长度达到2 倍瑞利长度。m o n o t 等人和c h i r o n 等人 【猢q 利用波长1 u m 、1 5 1 w 、脉宽4 0 0 f s 的激光在氢气射流中( 密度约为1 0 1 9 c m 。3 ) 开展了激光的传输实验，激光强度可达4 1 0 1 8 w ，锄2 ，在真空中的聚焦光斑为 1 5 u m ，当激光功率为临界功率的1 5 倍时，观察到了长度3 5 m m 的自引导传输， 相对于5 倍的瑞利长度。k n l s h e l l l i k 等人和t i n g 等人1 3 1 ，3 2 谰相同波长和脉宽但只 有2 r w 的激光研究了激光在密度1 0 1 9 c m 3 的氢气射流中的传输，获得了2 5 m m 的自导引传输。2 0 0 0 年日本大学与美国利菲莫尔实验室合作已经在高密度等离 子体形成了通道并利用x 射线激光对通道进行了诊断f 3 3 】。 1 3 1 超短强激光在等离子体中的非线性现象 等离子体内的非线性光学的实验情况远比我们给出的理论图像复杂的多。其 主要原因是实际的等离子体往往离我们所假设的理想的等离子体甚远。为了透彻 的了解激光在实际等离子体体内的非线性相互作用，必须知道等离子体的一些详 细的初始特征；电离度、电子和离子密度分布、温度分布随时间的变化等等、所 使用的激光脉冲的特征，如它的脉冲形状和强度的横向分布，也应该知道得很清 楚。 可惜，就一个实际的等离子体来说，其信息决不会如此之完备。对于激光诱 导的高密度等离子体来说，更是这样。因此，在下面，我们只能对一些实验观测 作定性的描述。 a 自相位调制 我们首先来用一个模型来讨论这个效应【57 1 。假设一个激光脉冲i o ) 1 2 在一个 长度为l 自陷光丝中传播时，如果折射率的变化血在光丝中有一个瞬态的响应 如o ) = 打：i e o ) 1 2 ， 则输出的光束既有一个自相位的调制 8 第一章绪论 妒( f ) 一 c ) 血o ) f 一和c ) n ：i e o ) 1 2z 和一个响应的频率的调制 珊o ) ；一a ( 驴) m ，在光谱上就表现为光谱的展宽。通过傅立叶变换，光谱为： l2 r ( 吐，) 1 2 = i j f ( f ) e 一脚。+ 妒d f 1 2 ( 1 6 ) 应用慢变振幅近似，把e ( f ) 提到积分号外，就可以计算公式了。如果妒o 净i e o ) 1 2 时一个通常的钟形脉冲，定性的说，输出的光谱就会有下列的性质。第一，因为 妒o ) 上对称的，功率谱相对于入射激光的频率也是对称的。第二，频率扩展的 极大值近似为l 珊i m x 爿a ( 妒) 却l 一，它出现在妒( f ) 的拐点上。第三，一般的 说，在妒( f ) 曲线上有两个相同斜率的点。粗略的说，这两个点表示两个频率相 同、但相位不同的波。这两个波将发生干涉，是相长还是相消干涉，要视它们之 间的相位而定。因此，输出谱应呈现具有明显的峰和谷的半周期结构。由妒o ) 曲 线上的拐点产生的、在谱的两边最远的峰最强、每一边的峰的数目近似等于最接 近于而且小于陋妒l 。劢的整数倍。 也可能在光束的横剖面上产生空间自相位调制。它是作为波前上的畸变出现 的，如果介质足够长，它会导致自聚焦。在薄的介质中，依旧可以产生强的自相 位调制，但是，由自聚焦引起介质内的光束的实际的收缩是很难见到的。这时， 这种情况就类似于时间自相位调制。对于一个具有类高斯剖面的光束，沿光束横 剖面的相位增量妒( ，) 具有钟型形状，其中心在f o 处。如果【妒p ) 】。比h 大 得多，那么在横向波矢空间中的输出功率谱应呈现因相长和相消干涉引起的峰和 谷。他们在投影屏上以干涉环的形式出现。亮环的数目近似等于【( ，) 】。纫的 整数，而最外面环的直径由拐点处庐( ，) 2 玎的最大斜率确定。这样的一种效应 实际上已在向列液晶薄膜中得到证实。用一几百瓦每平方厘米的连续波激光束就 可在这类介质中产生一个很大的血。在几百微米后的向列液晶薄膜中，很容易 得到西的最大值达几十个h m d 。事实上，已经观察导多达1 0 0 个干涉环。 自相位调制是自聚焦在时域造成的结果，它也是产生光谱加宽的主要机制。 第一章绪论 所产生的光谱不是对称的，在蓝移的部分总会有一个很长的谱带相对于红移方 面。这个现象无论在固体、液体、气体都被发现，定义为超连续谱的产生 ( s u p e r - c o n i i n u u mg e n e r a t i o n ) 或者白光激光( w l l i t e l i 曲tl a s e r ) 。对于它的不对称性， 自陡峭( s e l f - s t e e p i n 曲效应能够很好的诠释它。 但是，虽然它具有广泛的应用价值，白光的产生以及光丝的形成的内部的机 制至今都还没有被完全的理解。这主要是在研究超短强激光在光介质中传播的复 杂性。因为当光强达到一定强度的时候，各种复杂的非线性效应就都产生了，所 以在理论研究的时候，要充分考虑导各种影响因素，并且考虑时空变化的综合效 应。目前，基于m a x w e n 方程来数值研究光束的研究过程已经取得了一些进展。 b圆锥辐射( c o n i c a ie m i s s i o n ) 的产生 当超短强激光脉冲在大气中传输时，形成了等离子体通道，但是大约只有激 光总能量的8 集中到了光丝中，另外有一部分能量从通道中以一定的角度辐 射出来，形成类似于切连科夫辐射的彩色光环，光环的排列是长波在内，短波在 外，与正常的衍射的排列顺序刚好相反这些奇特的现象吸引了很多研究人员的 注意圆锥辐射现象具有自己独特的特点：( 1 ) 波长越短，对应的辐射角越大，形 成越往四周波长越短的彩色光环；( 2 ) 辐射角与通道的位置无关；( 3 ) 辐射光小于 激光中心波长；( 4 ) 辐射光为相干光。目前，人们对圆锥辐射的解释还不统一，但 是有一个被普遍接受的理论基础是：由于非线性克尔自聚焦效应和产生的等离子 体的散焦作用的动态平衡，激光在空气中自导引传输，脉冲在时间空间的分布上 达到了稳定，形成了长等离子体通道。1 9 9 6 年，n i b b e r i n g 等人【4 2 】首次在空气中 观测到了圆锥辐射的现象。由于从通道逃逸出来的光辐射的角度很小，必须让激 光在空气中传输较远的距离才行。他们将激光在长8 0 恤的走廊里传播，形成了很 独特的彩色光环，波长越短的光发散角越大，与正常的衍射相反c h i n 等人【4 3 】分 别利用7 5 m j 3 2 0 f s 、8 5 m j 3 5 0 f s 的激光进行了研究，在通道的不同位置放置硅 玻璃片，用玻璃片上的损坏程度来反映光丝的横向强度分布情况，从而解决了直 接在通道内测量强度的困难。根据玻璃片上烧出的形状和深度就可以得到任何位 置的锥状辐射情况。他们在另一个实验中【删观测到了激光在空气中形成的两个 光丝的锥状辐射及其干涉现象，图1 3 ( a ) 是激光脉冲为1 4 m j 时，传输到8 7 m 处所 第一章绪论 键豹銎缘，强巾两个光丝豹影藏是由予专嚣热激竞摸露分布上有嚣个强度峰。 图1 _ 3 两个光丝的锥状辐射及干涉图样( a ) 实验所测得的图像；( b ) 理论结果 麸强1 3 孛我嬲可叛爨显看出激毙慕在空气书掰产生豹嚣个党丝熬窭锥辐 射及其相互干涉现象，这两个光丝各自产生了圆锥辐射，并且具有很好的相干饿， 出现了干涉现象，相互交盛在一起。在理论上，考虑到衍射、自聚焦和等离予体 熬教焦终熏，褥到了彝蜜验分援叛熬缝票l 热黧1 3 鼢瑟示】。铂l u b l s 姆秘 l ( o s a r e v a 【钢对圆锥辐射进行了更详细的论述，他们的模型考虑到了克尔非线性 效应的延迟和自陡峭效成对圆锥辐射的影响，由于兜尔非线性效应的延迟性质， 疆射毙强瓣辩润空霾分毒蠢了明显戆兔潜纯，瑟锥赣麓频豢迄交零了，嚣自瑟游 效应的影响程接近一个瑞利长度时交樽十分显著，在短波方向的转化效率大大 增加。大量理论的工作【4 删6 l 都验证了实验的结果，表明了这种圆锥超连续辐射现 象靛产生主豢楚激竞藤滓餐黪瓣彝窒勰上熬鑫穗应瀵蠲雩| 莛戆。鬻l o 嚣令毙熬 的锥状辐射及干涉图样( a ) 实验所测得的图像；( b ) 理论结果。此外，圆锥辐射可以 爝切连辩夫( c 押积扔v ) 辍射的理论来解释。g o l u b 的研究发觋，圆锥辐射产生 于等离子体邂遵的表面，产生的圆锥辐射可以用切邋羊串夫辐射理论很好照解释。 激光会引起介质的非线性极化，这个极化以激光的群速度v 。传播，产生圆锥辐射， 产生的辐射缀从切连辩夫辐射理论s 如钕，强，强怒辕射出来斡您在分质中的 相速度。匿椎辐射的角度还可以写成c 删疗= 他，妇阳j ，帆和n r 缸印分别表示激光和辐 射光在介质中的折射率。切连科夫辐射骚求啪( 晦或者n l 咖r d ) ，那么我们可以餐 爨，频率越裹，麓射角藏越大，毒黻形藏与薅豢兹争蠢射艨爱豹走巧。雯一方嚣，要滚怒 这个条件，辐射光波长是不能大于激光波长的，所以在太于激光中心波长的一侧麟 不会有圆锥辐射。这些都得到了实验很好的验证。n i b b e r i n g 等人【4 1 】的实验还袭 n 第一章绪论 明n r 和”c 甜口接近于一个常数耽，进一步证实了激光在空气中产生的圆锥辐射可以 看作一种切连科夫辐射。 c 超连续谱( s u p e r n t i 肌岫s p e c t m m ) 和白光激光( w h i t el 碴h “a s e r ) 超连续谱的产生是超短脉冲强激光在透明光学介质中传输时出现的一种普 遍的现象。自从1 9 7 0 年这一现象被发现以来，人们已经在固体、液体和气体中发 现了这种现象，认为根本的原因是自相位调制( s p m ) 的作用。当超强超短激光脉 冲在空气中传输时，会出现很强的谱展宽，并且在短波方向展宽要多，这与产生的 等离子体中的自感应的相位调制是分不开的，也与几种辐射机制有关，尤其是轫 致辐射和复合辐射。激光场的相位通过非线性折射率、电离、拉曼效应等过程自 我调制，使得激光光束在空气中传输一段距离后，光谱得到明显展宽。 首先，我们定性地看一下通道中的等离子体对光谱展宽的贡献。超强激光脉 冲在空气中传输时产生等离子体通道，在等离子体通道内，低密度等离子体对空 气折射率的影响为【5 1 】：加，- 等式中啤= 【缸e 2 也( ，) 以】以为等离子体频 率，儿为等离子体密度。则等离子体引起的相位变化为 妒等等， m 乃 那么引起的频率变化就是 协詈= 等等警 m s ， 珊一l = 7 二( 1 8 ) ma 撕2 把 、7 可见，珊婴。从上面我们提到的运动焦点模型中可以看到，激光脉冲在时间 把 上分的不同的层聚焦在各自的焦点上，激光脉冲的后沿的“每一层”遇到的将是 突然增加的电子密度，也就是说，旦生 o ，结果就造成了光谱在短波方向很大的展 拓 宽。又因为电子密度梯度从小到大连续变化，结果就使频率有一个连续的增加， 形成了短波方向上的连续谱。在等离子体通道的末端，电子密度会缓慢减少，使频 率有一定的减小，造成长波方向一定的展宽，但相对于短波方向来说要小得多。从 上面分析可以看出，激光在空气中传输一段距离后，光谱会展宽很大的范围，尤其 是短波方向上。 考虑到我们常用的飞秒激光的频率在近红外，那么光谱短波方向的展宽就会 第一旗绪论 覆盖可见光熬域，这裁是我们零说豹自强辐射。s 瞄n 瘿e 等a 【5 驾韵瑷论砭究发现， 若考虑到束缚电子、拉曼敝射和等离子俸对光谱晨宽的贡献，在激光脉冲的前灞， 相对于激光频率出现了1 0 的红移，在脉冲的后沿出现了4 0 的溉移最近很多 鹣实验也验诞了这琴孛超遂续竞谱熬产患。曩蔻入锅已经溺量戮麸1 5 瓢m 【5 3 】戳 4 5 u m 的超造续谱。实验述证明，强激光在透明介质中传输时产生的自光辐射舆 有很好的相干性。c h i n 铬人【5 4 】让激光分别通过水、甲烷和四氯化碳，产生了超避 续鑫蠢。蹙嚣j 辩溺虱瓣怒溪续叁竞豹程于长度函捱早每 # 稠于光源邀炽灯遽发照 的相应波长光的相干长度( l 非耜+ ) 进行了比较，发现比l 柑千l # 柑千和介质无关，也就 是说这种相干超连续白光的产生具有饕遍性，并且i 袭个比率在5 0 0 8 0 0 衄谱段和 耩雳激毙波彀8 珏m 处懿爨率是程等熬。我霞可戳褥毽绥毒仓，超逐续叁必艨寿波 段的相对相干长度实际上怒和所用激光的相对相干长度是一样的。所以，从产生 的超连续自光的相干长度的角度来说，我们就可以认为它就是囱光激光脉冲。 w a 攮魏痨e 嚣1 t o l l 5 冀毽验诞了强激怒杰承孛瑟产生熬必丝器怒连续自觉帮翼骞缀 好的空间相干性，使我们谶步确信“臼光激光”的存在。 另外需要说明的是，上蹶提到的圆锻辐射也伴随精光谱的展宽，但是圆锥辐射 产生有着曼笈杂豹瓿巷| l ，入 】薅它还没簿统一豹簿释，瑟显霆蘩辐瓣先禳鼹鑫蠢 来说很弱。网1 。3 中的中心白色光斑是我们所说的自光，而圆锥辐射光是白光光斑 周围的环状辐射，由于它的复杂性，可以认为圆锥辐射熄独立于白光辐射的一种辐 骛手。 d 谐波产生 近几年，激光与气体棚互作用过稷产生高次谐波的麟究弓i 起了研究人员浓群 瓣兴趣，入 f l 认为它是获褥高强度、稽千的紫乡 和x 瓣线源静一个可行髂途径。 但是在空气中传输时产生的高次谐波，人们对它的研究才刚刚起步。1 9 9 6 年， b a 出l s 等1 3 4 】人成功地将8 嬲、2 2 f s 、l 麒l j 激光脉冲聚焦萎| 空气申褥到了2 6 6 n m 、 1 6 盘、l 证的三次谐波脉冲，转换效率达猢了o 1 ，瓣前已有产生三次谐波的转 换效率达到0 2 的报道m 删。 激光与气体原子楣互爨塌产生高次谶波存在枫铡上豹缺陷，嚣此随着激光强 度的逐渐提离，越来越多的注意力集中刹男一种机制鹣商次谐波一一激光和等离 子体相互作用产生高次谐波。对于等离子体，电离导融的限制将不复存在。理论 第章绪论 上可以通过提高激光强度获得任意强和任意高级次的谐波。 激光和等离子体产生高次谐波的思想源于激光和单电子相互作用的理论 鲫。单电子在强光驱动下的运动是高度非线性的，它的辐射包含高次谐波。但 是激光和亚临界密度的等离子体相互作用产生谐波被认为是低效的【3 8 ，最有前 途的是激光和过临界密度等离子体相互作用产生高次谐波，即激光和固体表面等 离子体相互作用产生高次谐波。 这一问题最开始的实验研究是通过大功率二氧化碳激光器实现的【39 1 。理论 上的解释由b e z z c r i d e s 等人【删给出。其物理图景是：在强激光的作用下电子穿越等 离子体和真空界面往复运动，电子经历的势是高度非线性的，于是电子的辐射也 是高度非线性的，这种辐射包含了高次谐波。同时，激光和等离子体相互作用产生 高次谐波还有其他物理原因，例如v b 有质动力的作用和共振吸收。近年来随着 啁啾脉冲放大技术的出现和发展，出现了一大批飞秒、太瓦激光系统，使这种过程 有了一些新特性。 1 3 2 激光在等离子体中的自聚焦和自导引 a 自聚焦的物理模型和几类自聚焦 可以利用全反射模型来理解自聚焦的物理概念【5 8 】。在该模型中，假定光束 是有限孔径的，传输介质被光束照射的部分折射率非线性增大，光束孔径以外未 被光照射的部分折射率不变，从而形成一个折射率突变的界面。光束在其中传播 时，一方面由于衍射要发散，另一方面在界面上可能发生全反射。光束在这两种 相反的机制共同作用下传输，当反射占优时，光束被束缚在有限的孔径中传播， 这就是自聚焦现象。 下面，我们计算发生自聚焦的条件。如图1 4 ，一束场强为e 、孔径为2 r s 的平面波入射到各种同性的电介质中，强光在三阶非线性介质中产生直流电极 化，从而使得被光束照明区域中的介质折射率从原来的，7 。非线性地增大到叩： 叩= + 叩2 ( e 2 ) ( 1 - 9 ) 叩：为非线性折射率系数，且有叩：( e 2 ) 叩0 。其余未被照明部分介质折射率仍然 为，7 。 由于衍射效应，光束要向外发散。但是在折射率突变面上又受到反射，当发 1 4 第一章绪论 散角口满足下面条件时，光束发生全内反射：臼c 吼 吼是全反射临界角，且满足方程 血c 扣，5 意而 m 1 即有见一扫：( e 2 ) 加。( 1 - 1 1 ) 同时，可以由夫朗和费衍射角来估计衍射发散角： 吼一o 6 1 凡2 吼( 1 - 1 1 ) 当见 吼时，光束被限制在2 r s 范围内传输。即光束传播的“白陷”或“自聚焦” 现象。由e 面两式可以得到发生自聚焦所需的临界场强丘： 图1 4 自聚焦模型 0 i 砑万| o 6 地轨 ( 1 - 1 2 ) 则相应的激光自聚焦临界功率为 己- 等彳( 彰) - 簪纛 m ， 当激光功率p 苫只时，非线性汇聚作用克服衍射发散，光束发生自聚焦；而 第一章绪论 当p c 只，时，光束依然发散。 自聚焦时强激光传输过程中经常发生的现象，具有丰富的物理内容和重要的 应用。通常有五类典型的自聚焦现象： l 、稳态自聚焦所谓“稳态”是指电场振幅不随时间变化。此时，非线性 波动方程简化为不含时的传输方程，采用高斯光束自相似解法，可以得到 光束半径、激光强度和相位等量的定量演化规律。导出自聚焦临界功率和 自聚焦长度等重要的物理结果。对于整个光束将形成多焦点结构。 2 、准稳态自聚焦在许多实验上，实际光强随时间缓慢变化，这就需要发展 与时间有关的自聚焦理论，这就是准稳态自聚焦理论。其特点是“动焦点 模型”：脉冲前沿、峰值和后沿对应不同的自聚焦长度。因此，在一个脉 冲周期中自聚焦焦点位置沿光传输轴移动，如实验中观察到的自聚焦丝实 际是焦点移动的轨迹。同时，脉冲不同部分的焦点移动速度不一样。 3 、瞬态自聚焦在任意时刻，介质的极化必定和外加光场作用的历史有关， 对于皮秒和飞秒等脉冲激光，必须考虑介质极化的驰豫时间，从而使非线 性自聚焦呈现新的特点，如动态自聚焦机制使光束喇叭形传输。 4 、小尺度自聚焦相对于前面几类整个光束发生的非线性自聚焦现象，在实 际工作中，光强分布不可能完全平滑，总是带有不规则的调制和起伏，这 使得在光束整体自聚焦之前发生局部自聚焦，造成光束分裂，这就是小尺 度自聚焦现象。它会引起介质的丝状破坏、光谱加宽和受激r a m a l l 散射 ( s r s ) 增益的反常增高等。 5 、自相位调制和群速度色散上面四类自作用现象是光场的空间特性变化。 强光诱导的三阶非线性效应也会引起时间域上光自相互作用：光自相位调 制及相应的脉冲压缩( 或展宽) 和频率啁啾。其机制是与光强有关的非线性 相移是时间的函数，造成光谱的加宽( 频率啁啾) 。在色散介质中传播时， 由于群速度色散效应，将进一步引起脉冲形状的变化( 展宽或压缩) 。 以上几类自聚焦现象主要是根据激光自相互作用是在空间域还是在时间域 发生来划分的，与具体的介质类型没有关系。 下面，我们简要列出激光等离子体的四种自聚焦机制【5 9 1 ： 1 有质动力自聚焦在无碰撞等离子体中，激光的有质动力能将等离子 第一章绪论 体中的电子推开，因而会降低丝状通道中的电子密度，使局部折射率增 加，从而导致光束会聚在细丝内。 2 热自聚焦在碰撞等离子体中，激光束中的局部热斑引起热膨胀，因 而局域地降低电子密度，这将会引起光聚焦成细丝。 3 共振自聚焦共振自聚焦也是一种有质动力引起的自聚焦，发生在拍 频波激发等离子体波的过程中。在低密度等离子体中，拍频波激发的等 离子体波的有质动力，将超过激光场自身的有质动力以致能引起激光束 及等离子体波横向破裂。因此，在激光强度远低于有质动力自聚焦闽值 时，只要两束激光的频率差等于等离子体频率，激光束仍然有可能发生 自聚焦。 4 相对论性自聚焦相对论自聚焦仅发生在激光强度相当高的情况，这 时，等离子体中的电子将产生与光强度有依赖关系的质量变化，在最强 的光场中，电子的质量也就最大，因而等离子体折射率也就与激光强度 有关。 b 激光传输的自引导 强激光在电离气体中传输时会收到衍射、折射、非线性自聚焦、电离和等 离子体散焦等效应的影响。如当激光功率大于非线性自聚焦临界功率时，与气体 介质极化有关的那部分折射率先使激光波前向内弯曲，发生激光自聚焦化e r r 自 聚焦效应) ，激光能量往轴上( r = 0 ) 聚焦。激光自聚焦会使激光强度增加，这将会 导致气体中原子、分子电离而产生等离子体。由于聚焦激光强度呈轴上最大而沿 向逐渐减小。这样，当激光强度很大时，如光强达到1 0 1 8 w c m 2 ，等离子体电 子在光场中快速抖动使电子质量增加( 相对论质量增加) ，这种质量增加与光强有 关，它对折射率的调制会导致相对论自聚焦效应。由此可见，强激光在电离气体 介质中传播时，不仅会有与介质极化有关的k c r r 非线性效应，而且会有等离子 体电子在光场中快速振荡引起的相对论性非线性效应。如果衍射效应。等离子体 散焦效应和非线性自聚焦效应能够相互抵消时，则激光能在电离气体中自引导传 输。 由于最近几十年来激光技术的发展，激光的强度已经超过了1 0 1 8 w ，c m 2 ，这 种高强度的实验条件已在很多实验室成为现实。在这样高的激光强度下，激光场 第一章绪论 中的电子基本都成为相对论电子，这时激光产生的场强已接近或超过原子内部的 电场强度，激光与等离子体之间的相互作用就与原来传统物理中的微扰论明显不 同，而这种超强激光脉冲在完全电离的等离子体中的传输特征就成为激光与等离 子体相互作用的一个热点课题。在许多实际应用中，超短超强脉冲激光在低密度 等离子体( n 2 0 第一章绪论 瓣霹e 毯珏。s 毛娃露( 冷。e o m m 。2 l 馥3 2 9 ( 2 0 0 萄 f 4 5 】g o l u b t s o v i s ，k o s a r e v ao gj o p l 瓢c h ，2 0 0 2 【4 6 】o gk 0 s a r e v a ，v p k a n d i d o v ，a b r o d e u r ，c y c h i o n ，s l _ c l l i n 。p t h t l 2 2 ， 1 3 3 鼙1 9 9 7 ) 【4 7 】g o l u b t s o v i s 既口f a l m o s 0 c e a o p t 1 4 ，1 3 0 3 ( 2 0 0 1 ) 1 4 8 1 灿曲e k 媳e 口1 】m o d o p t 4 9 ，4 7 5 ( 2 舯2 ) 1 4 霹k a 矗若蠢o wv 冀娃8 q h 黼t 娃me l e c 瀚l c s 。3 乏6 瓣蛰 【5 0 】1 g o l u b0 p t k t t 1 5 ，3 0 5 ( 1 9 9 0 ) 【5 l 】c h i n s l 弦辟l ，j n 衄o p t p h y s 。8 ，1 2 l ( 1 9 9 9 ) f 5 2 】p s p 瓣藩e ，j r ，p 葫a 髓锦a n db 。珏a 羲z i 滩y s r 张e 妫泓雒1 8 ( 2 2 ) 【5 3 】s s u c k e w o r a n d c h s l 【i 脯e r ，m 0 1 p h y s 3 0 ，3 3 0 ( 1 9 9 5 ) 【s 4 】d u m s t 硪e r ，s y c b e n