（光学专业论文）氮气中非共线聚焦双光束三次谐波增强的实验研究.pdf

摘要 摘要 高峰值功率的激光脉冲在透明介质中传输时就会产生很强的光学非线性效 应，例如四波混频、自聚焦、自相位调制、三次谐波产生等。聚焦飞秒激光脉冲 引起的超强光学非线性效应在气体中能形成传输距离很长的等离子体通道。目 前，关于等离子体通道的形成机理还没有一个完整的理论解释，但是一个被普遍 接受的物理基础是，超强飞秒激光脉冲在气体中传输时由于克尔效应引起的自聚 焦和多光子电离产生的自散焦作用之间的动态平衡，形成远长于瑞利距离的等离 子体通道。等离子体通道的形成为高效三次谐波产生提供了有利的条件，因为三 次谐波的强度不仅和基频光的强度成j 下比还与基频光与气体介质的有效作用长 度成正比。等离子体通道的形成正十分有效地增加了作用长度，提高了三次谐波 的转化效率。对等离子体通道中三次谐波产生进行研究，有助于发展一种波长能 够达到紫外和x 射线波段的非常有前景的相干光源。由于气体等离子体通道中 三次谐波潜在的广阔应用前景，引起了各国研究者的广泛关注。 近年来，有关等离子体通道中的三次谐波产生已经进行了详细地研究，多集 中在采用单束聚焦飞秒激光脉冲和共线双脉冲等方法。关于非共线双光束聚焦的 三次谐波产生研究尚未见报道。 我们对两束非共线中心波长为8 2 0 1 1 1 n 、脉宽6 0 f s 、重复频率1 0 h z 、单脉冲 能量分别为3 m j 和7 m j 的飞秒激光脉冲经焦距为7 5 0 m m 的凹面镜聚焦，在氮气 中非共线聚焦形成等离子体通道的三次谐波辐射进行了研究。发现等频双光束与 单束光相比，三次谐波辐射产生明显地增强。并发现气体压强、两束光的相对时 间延迟、基频光的初始啁啾量、两束光能量等条件的改变与三次谐波增强有很大 的关联性。通过研究，得到了三次谐波增强最佳条件：气压在1 4 a 咖、初始啁啾 量为1 7 1 0 4f s2 、两束光相对时间延迟小于3 3 f s 时，三次谐波辐射增强倍数达 2 0 0 倍。 通过氮气中非共线聚焦双光束三次谐波增强的实验研究，为进一步探索激光 在气等离子体通道中高次谐波产生的动态过程提供实验依据，也为课题组进一步 在真空系统中的高次谐波产生提供新思路。 关键词：等离子体通道；三次谐波；双光束； 摘要 a b s t r a c t t h ep r o p a g a t i o no fi n t e n s el 硒c fp u l s ei n m m s p a r e n tm a t t e rc a u s e ss 仃d n g n o n l i n e a re f f e c t s ，s u c h 弱f o u r - w a v em i x i n g ， s e l f f o c u s i n g ，s e l o p h a s em o d u l a t i o n ( s p m ) ，t h i r d o r d e rh a 肌o n i cg e i l e r a t i o n ( t h g ) e t c 。a ni n t e n s ef e m t 0 - s e c o n dl 硒c r p u l s ec 柚p r o p a g a t em a n yr a y l e i 曲l e n g t h si ng a s p r o p a g a t i o no 仆i 曲一p o w e rp u l s e o v 盯s u c hl o n gd i s t a i l c ei sl ( n o 、lt ob et h er e s u l to fm ed y l l 锄i cb a l a n c eb e m e e i lt h e k e 盯s e l f 二f o c u s i n gd u et ot l l en o m i n e a re 毹c t si ng a s e o u sm e d i a d i f 行a c t i o n ，a n dm e d e f o c u s i n ge f f e c to fp l a s m af o n i l a t i o nd u et om u l t i p h o t o ni o m z a t i o n t h ed y i l 锄i c e q u i l i b r i u mb 娟e e nt h es e l f 二f o c u s i n ga n dd e f o c u s i n gi nt l l ec h 猢e lc a ns u p p o r ta 1 0 n gp l a s m a h a n n e l i nt h ei n t e r a c t i o no ft h ei n t e n s el a s e rp u l s ea i l dg a s e o u sm e d i a t l l i si sb e n e f i c i a lt 0g e th i 曲h 锄0 1 1 i cc o n v e r s i o ne 衔c i e n c yi nm ei n t e r a “o n ，b e a u s e t l l ec o n v e r s i o ne 伍c i e n c yb e 觚e c nt l l e 缸n d 锄e n t a lw a v ea 1 1 dh 锄o n i cw a v ed o e sn o t o i l l yd e p e n do n1 a s e ri n t e n s i t ) r ，b u ta l s oo ni n t e r a c t i o nl e n 垂h e x t e n d i n go fi n t e r a c t i o n l e i l g t ho w n e dt ot h ep l a s m ac h a n n e li sap r o m i s i n gw a yt oa c h i e v e dh i g hc o n v e r s i o n e 佑c i e i l c y t h gi sb e l i e v e dap r o m i s i n gm e t h o d 矗竹a c l l i c v i n gh i 曲b r i 曲t n e s s ， c o h 即e i l tu l t r a v i o l e ta n dx r a yl i g l l ts o u r c e s t h e r e f o r e ，m u c ha t t e l l t i o nh a sb e e i lp a i d t ot h g b yt l l es e l f - g u i d e df 醣l t o - s e c o n dp u l s e si ng a s e o u sm e d i a r e c e n t l y ，t h gh a sb e e i lo b s e r v e da j l ds t u d i e de x t 朗s i v e l y ，b u tm e s er e s e a r c h 铭 w e r cm a i l l l yo nt h go fp l a s m ac h a n n e lp r o d u c e db ys i n 百ef o c u s e df - e m t o - s e c o n d p u l s ea n dt h g d r i v e db yd u a lc o l l i n e a rp u l s e si ng a s e o u sm e d i a i i lm i sl e t t e r ，w ef o c u so u ra t t e n t i o no nt h go fap l a s m ac h a n l l e lg e n e r a t e db y m on o n c o l l i n e a u rf o c u s e dh i 曲- p o w e rf e m t o - s e c o n dl a s e rp u l s e si nn 2c e l l t 1 1 el a s e r w 嬲o p e r a t e da t10 h z 锄dd e l i v e r e dp u l s e so fa l0 m jm a x i m u me n e 略y ，6 0 蠡f w h m ( 如1 1w i d t ha th a l fm a ) 【i m u m ) m i n i m 啪d u r a t i o n ，w i t hs p e c t r u mc e n t r e da t8 2 0 衄1 1 1 m ee x p 耐m e n tai n t e r e s t i n gp h e n o m e n 如s h a 叩e 1 1 l l a n c 锄e 1 1 to ft he l i s s i o ni s o b s e r v e d t h ec o n d i t i o n sw r h i c ha f f e c tm e 肌h a i l c 锄e n to ft h ，s u c ha sg a sp r e s s u r e ， r e l a t i v ed e i a yo f 呐op u l s e s ，c l l i 叩o fm n d a n l 铋t a lw a v e ，r e s p e c t i v e 锄e r g yo f 细o p u l s e sa r ei n v e s t i g a t e d a i no p t i m i z e dc o n d i t i o no fe n h 锄c 锄饥to ft h i sf o u i l d ，l l n d e r w h i c h2 0 0t i m e se n h a i l c 锄锄to ft hi sa c c o m p l i s h e d a n dt h ec o n d i t i o ni s1 4 a 仃no f 2 摘要 g 觞p r c s s u r e ，1 7 1 0 4 f s 2 o f t l l e 劬d 锄e n t a lw a v ec h 卸a 1 1 dl e s st h a i l3 3 f so f t l l et 、o p u l s e sr e l a t i v ed e l a y t he m i s s i o n ，a st l l el o w e s th a n n o n i cg e n e r a t i o ni ng a s e o u sm e d i r e s u l t so n s u c h 嬲p e c ta c h i e v e di nt l l i sp a p e ri sa v a i l a b et ou n d e r s t a n dd y n 锄i cp r o c e s so f l l i g l l o r d e rh 锄o i l i c a n di t sb e i l e f i c i a l t oh i 曲- o r d e rh a m l o n i cg c n e r a t i o no fg 嬲j e t i i lv a c u u mi n 向t u r e ，舔w e l l k e y w o r d s ： p l a s m ac h 猢e l ；t h i r d - o r d e rh 黜o n i c ；d u a lp u l s e s 3 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，本论文不包含其它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：。日期：色垡：堇：望 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 库进行检索。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。 学位论文作者签名：枷 1 日期皂酋：址6 哟一名：了霞暨 日期： 衅冈纺 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 高峰值功率的激光脉冲在透明介质中传输时，就会产生强的光学非线性效 应，例如四波混频( f 1 | y m ) 1 、自聚焦 2 、自相位调制( s p m ) 3 、三次谐波产 生( t h g ) 4 等。随着超快强激光技术的飞速发展，激光峰值功率得到了极大的提 高，使得原来只有在固体、液体中才能产生的光学非线性现象，在气体中也可以 产生。超强飞秒激光脉冲在气体中传输时产生强的光学非线性效应，能形成很长 的等离子体通道。目前，关于超强飞秒激光在气体中传输，如何形成等离子体通 道，还没有一个完整的理论解释。但是一个被大家普遍接受的物理基础是，超强 飞秒激光在气体中传输时，由于气体产生的克尔自聚焦效应使激光功率密度不断 增加，当达到气体的电离阈值时气体被电离产生等离子体，而产生的等离子体会 对激光束产生散焦作用。当克尔效应引起的自聚焦和多光子电离引起的散焦作用 达到动态平衡时，激光脉冲在时间空间上的分布达到稳定，激光被约束在约1 0 0u m 范围内的细丝中传输，形成远长于瑞利距离的等离子体通道 5 。在等离子体通 道的研究中，很多实验小组观测到了通道的一系列有趣的现象，如超连续白光的 产生 6 、高转换效率三次谐波的产生 4 ，7 、锥角辐射 8 等等。这些现象都 伴随着广阔的应用前景，例如超连续白光在新型激光雷达、大气污染监控 9 等 方面都有很好的应用；等离子体通道中高次谐波的产生是发展波长到紫外和x 射 线波段相干光源 1 0 ，1 1 非常有前景的方法。等离子体通道的这些有趣现象和潜 在的广阔应用前景，吸引了各国研究者的兴趣。 等离子体通道的形成为高效三次谐波产生提供了有利的条件，因为三次谐波 的强度不仅和基频光的强度成j 下比，还与基频光与气体介质的有效作用长度成正 比，等离子体通道的形成正有效地增加了基频光与气体介质的有效作用长度。此 外，目前广泛使用的t i ：s a p p h i r e 激光系统中心波长在8 0 0 衄附近，其产生的三 次谐波在2 6 7 n i i l 附近，仍可在空气中传播，便于测量。因此，等离子体通道中 的三次谐波研究引起越来越多研究者的关注。 等离子体通道中高效三次谐波辐射，人们已经进行了详细地研究，但是，这 第一章绪论 方面的研究工作多集中在单束聚焦飞秒激光脉冲在空气中的三次谐波产生和共 线双脉冲形成等离子体通道的特性研究，及双脉冲驱动下的谐波产生 1 2 ，1 3 ， 1 4 ，关于非共线双光束聚焦的三次谐波产生尚未见报道。在实验中，我们对非 共线聚焦双光束在氮气中形成等离子体通道的三次谐波产生进行了研究，研究发 现等频双光束与单束光相比三次谐波辐射产生明显增强。实验发现气体压强、两 束光的相对时间延迟、基频光脉冲的初始啁啾量、两束光功率等条件对增强效应 有明显的影响，实验详细研究了这些条件对增强效果的影响，得到了最佳的增强 条件。 1 2 气体等离子体通道及其中三次谐波产生的研究历史及现状 1 9 9 4 年，在飞秒激光脉冲投入运行后不久，m o u r o u 小组在他们的实验中用 2 0 0 f s 、1 0 g w 的脉冲激光模拟脉冲微波雷达时发现，除自聚焦效应外，脉冲充当了 自己的波导并在空气中成丝传输了几十米的距离，光束直径只有几十到几百微米， 这一现象引起了人们的广泛关注。之后，有关光束成丝的物理解释主要有三种理 论模型，分别是自波导模型( s e l f w a v e g u i d e ) 、动焦点模型( t h em o v i n gf o c u s ) 和动念空间再补给模型( d y n a m i cs p a t i a lr e p l e n i s h m e n t ) 1 5 ( 在本文第二章 中做详细介绍) 。人们对通道的进一步研究发现，通道内部形成了细丝，并且发 现通道具有导电性 1 6 。此外，光丝的这种高能量和超远传输能力以及由此引起 的超强的自相位调制效应，可产生从近紫外到近红外( 3 0 0 n m 4 5i lm ) 的近似 白光光谱 1 7 。 b r a u n 等人用飞秒超强激光在空气中传输形成2 0 m 的等离子体通道 1 8 ，目 前飞秒激光脉冲在空气中所产生的光丝传播距离超过了数百米，f o n t a i n e 实验小 组用高强度飞秒激光脉冲产生了长达百米量级的等离子体通道 1 9 ； e t j n i b b 嘶n g 实验小组在他们的实验中，在空气中形成了传输距离达1 2 公罩之 多的光丝 2 0 ；杨辉、张杰等人研究了飞秒高强度激光脉冲在空气中的成丝传输， 他们用中心波长8 0 0 n m 的飞秒激光脉冲在空气中聚焦得到了传输5 m 以上的等离子 通道，并对等离子体通道的参数进行了详细研究，通道中的平均电子密度为2 7 1 0 m c m l ，等离子细丝通道中的光强最大达到1 0 1 4 w c m 2 4 ；a u d r i u sd u b i e t i s 实 验小组 2 1 和l b 盯g e 实验小组 2 2 分别对t w 飞秒激光由于光束质量光源不稳 第一章绪论 定等原因引起的聚焦光束产生多丝特性进行了详细研究；g a d i ，f i b i c h 等人提出了 用旋转聚焦透镜来抑制多丝的方法 2 3 ；b p r a d e 等人在他们的实验中研究了光 丝对基频光源的空间模式整形作用 2 4 ；中科院物理研究所近几年也在这方面做 了大量很好的研究工作 4 ，2 5 ，2 6 。 近年来，激光与气体相互作用过程产生谐波的研究，引起了研究人员浓厚的 兴趣，因为长久以来高次谐波产生一直被认为是获得高强度、相干的紫外和x 射 线源非常有前景的途径，而发展紫外乃至x 射线波段的超短脉冲光源对原子、分 子、固体以及生物过程的时域分析至关重要。在相位匹配条件下三次谐波辐射强 度可表示为 4 ： = 嚣l ( l 。) 2 ( 1 ) 其中，。为基频光强度，谚= z 万z ( z 酊= 占3 。z 3 ：占。占。占。) 为有效作用距离。从 式( 1 ) 可见三次谐波的强度不仅和基频光的强度成正比，还与基频光与气体介 质的有效作用长度成正比，高峰值功率激光形成等离子体通道为高效三次谐波产 生提供了很好的条件。 1 9 9 6 年，b a c k u s 等人将8 0 0 n m 、2 2 f s 、1 m j 的激光脉冲聚焦到空气中得到了 2 6 6 n m 、1 6 f s 、1uj 的三次谐波脉冲，转换效率达0 1 2 7 。目前已有在空气中产 生三次谐波的转换效率达到0 2 的报道 4 ，2 8 。杨辉等人 4 研究发现，一定的 激光强度下存在一个最佳聚焦距离，使得三次谐波的转换效率存在最大值。从式 ( 1 ) 可以看出，要使三次谐波辐射具有最大的转换效率，只要使基频光强度和有 效作用长度的乘积，。，。厅具有最大值。杨辉等人的实验结果显示，当激光能量在 2 8 m j 时，使用6 0 c m 的透镜进行聚焦，对应的三次谐波的转换效率达到最大，转换 效率超过o 1 2 。 1 3 本论文的意义及内容概述 本论文报道，非共线聚焦双光束产生等离子体通道相互作用的三次谐波增强 实验的最新研究结果，其物理机制正在进一步研究中。三次谐波辐射作为各向同 性介质中最低阶次的谐波辐射，通过对此类问题的研究，为进一步探索激光在气 第一章绪论 体介质中高次谐波产生的动态过程提供实验依据 1 4 ，也为课题组进一步在真空 系统中的高次谐波产生开辟新思路。 本论文内容主要分为三部分，第一部分包括第一、二章，对本文研究领域的 现状背景进行广泛的概要介绍。第二部分为第三章，就等离子体通道中三次谐波 产生的理论进行详细解读。最后一部分由四五两章组成，这一部分是本论文的核 心内容，详细叙述论文实验研究的方法、实验过程、及结果分析。最后对整个论 文工作进行总结，对下一步继续开展工作做展望。 本论文的各章内容安排如下： 第一章对本论文涉及研究领域的历史、现状及研究意义做广泛的介绍。 第二章首先对与本文研究内容息息相关的超快强激光技术及其发展做介 绍。其次阐述超快超强激光在气体中的传输特性，及其引起的光学非线性效应。 最后就气体中等离子体通道形成的物理机制、等离子体通道包含的非线性效应及 伴随的光物理效应做探讨，并分析比较等离子体通道形成的三种物理模型( 自导 引传播，运动焦点模型和动态空间补偿模型) 。 第三章理论分析等离子体通道中三次谐波相位匹配条件，和对三次谐波转 换效率的影响因素。 第四章详细叙述非共线聚焦双光束，在氮气中形成等离子体通道相互作用 的三次谐波增强实验的方法过程及结果分析。 对气体压强、两束光的相对时间延迟、基频光脉冲的初始啁啾量、两脉冲能 量等对三次谐波增强效应产生明显影响的条件，进行了详细研究，得到了最佳的 增强条件，并且对结果进行了初步分析。 第五章就本文的工作进行总结，并对由此可能延伸下一步的工作进行展望。 第一章绪论 参考文献 【l 】v f m c o i s ，f a i l k o v ，c ta 1 ，o p t c o m m u n 9 9 ，2 4l ( 19 9 3 ) 【2 】p b c o r h i i i l ，c r o l l a j l d ，i n t j q u 锄t u mc h 锄2 5 ，2 6 3 4 ( 1 9 8 9 ) 【3 】w l s m i 饥p l i ue ta 1 ，p h y s r e v al5 ，2 3 9 6 ( 19 7 7 ) 4 y 锄gh ，z h 锄gje ta 1 ，p h y s r e v e6 7 ，0 1 5 4 0 l ( 2 0 0 3 ) 5 】s t z o n z a l ( i s ，b l 锄o u r o u ) 【e ta 1 ，o p t l 甜2 5 ，12 7 0 ( 2 0 0 0 ) 【6 】n i s l l i o k ahe ta 1 ，o p t l e t t 2 0 ，2 5 0 5 ( 1 9 9 5 ) 【7 】z h uc je ta 1 ，c h m p h y s l e t t 1 8 ，5 7 ( 2 0 0 1 ) 【8 】k a s p a r i a l lje ta 1 ，s c i e l l c e3 0 l ，6 1 ( 2 0 0 3 ) 【9 】g r a v e ljf ，c h i nsla n a l c h e i l l 7 6 ，4 7 9 9 ( 2 0 0 4 ) 1 0 】s p i e l m a n nc e ta j ，s c i e l l c e2 7 8 ，6 6 1 ( 1 9 9 7 ) 1 1 】c h 锄gz 锄dk 印t e ”hcp h y s r e v l e t t 7 9 ，2 9 6 79 1 9 9 7 ) 【1 2 】刘婷婷，王大威等，物理学报5 2 ，8 6 4 ( 2 0 0 3 ) 【1 3 】郝作强，张杰等，物理学报5 4 ，3 1 7 3 ( 2 0 0 5 ) 【14 】y e n m uc h e i l ，m i n g y uh s u e ta 1 ，o p t l e t t 3 2 ，2 7l4 ( 2 0 0 7 ) 【15 】张平，卞保民等，激光杂志2 5 ，n o 6 ( 2 0 0 4 ) 【1 6 】l a d o u c e u fh de ta 1 ，o p t l 甜，1 8 9 ，1 0 7 ( 2 0 0 1 ) 1 7 n i s l l i o k ah e ta 1 ，o p t l e t t 2 0 ，2 5 0 5 ( 1 9 9 5 ) 【18 】b r a u n ae ta 1 ，o p t l e t t 2 0 ，7 3 ( 19 9 5 ) 1 9 】f o n t a i n eb l ae ta 1 ， p h y s p 1 a s m a s 6 ，16 l5 ( 19 9 9 ) 【2 0 】n a k o z b e k ，e ta 1 ， p h y s r e v e 61 ( 4 ) ，4 5 4 0 ( 2 0 0 0 ) 【2 l 】a u “u sd u b i e t i se ta 1 ，o p t l e 仕2 9 ，1 1 2 6 ( 2 0 0 4 ) 2 2 】l b e 唱e ，e ta 1 ， p h y s r e 、，l e t t 9 2 ，2 2 5 0 0 2 ( 2 0 0 4 ) 【2 3 】g a d i ，f i b i c he t a l ，o p t l e t t 2 9 ，17 7 2 ( 2 0 0 4 ) 【2 4 】b p r a d ee t a l ，o p t l e t t 31 ，2 6 0 1 ( 2 0 0 6 ) 【2 5 y a n gh ，z h a n g je ta 1 ，p h y s r e v e6 5 ，0 1 6 4 0 6 ( 2 0 0 1 ) 【2 6 y a l l gh ，z h 锄gje ta 1 ，p h y s r e v e6 6 ，0 1 6 4 0 6 ( 2 0 0 2 ) 【2 7 】b a c k u ss e ta 1 ，o p t l 啦，2 1 ，6 6 5 ( 1 9 9 6 ) 【2 8 】a k e z b e kn e ta 1 ，p l l 、腰r e v l e t t 8 9 ，1 4 3 9 0 l ( 2 0 0 2 ) 5 第二章超快强激光在气体中的传输及其光学非线性效戍 第二章超快强激光在气体中的传输及其光学非线性效应 超短超强激光与物质的相互作用，以及其在交叉学科与相关技术领域中的研 究，是当今现代物理学中一个非常重要的科学前沿领域。随着超快强激光技术的 不断发展，激光脉宽不断缩短，最近的研究表明，脉宽可进一步缩短到阿秒量级 ( 1 0 叫8 s ) 1 、激光聚焦光强提高了扣6 个数量级，达到1 0 2 蜥锄2 甚至1 0 2 1 w c m 2 量级。目前，已将飞秒( 1 0 。1 5 s ) 太瓦( 1 0 唧) 量级的超短高功率激光，广泛地引用到 各研究领域中。利用超快强激光技术，其脉冲宽度很短的特性，可以探测生物学 和化学反应的快速过程。其次，利用超快强激光高峰值功率的特点，可以产生高 温、高压、高场强、高密度等极端物理条件，这些使得超短超强激光在国防、工 业、医疗、基础物理研究等领域中得到了广泛应用，并将具有更广阔的前景。 作为激光研究中的重要领域，激光与物质相互作用的研究一直受到重视并已 取得了相当成就。超短超强激光与物质的相互作用带来了很多有趣现象和很有价 值的结果，同时也对理论工作提出了挑战。 超短脉冲激光束在空气中传输时会产生自聚焦，电离空气形成等离子体通 道，使光束直径聚焦到只有几百微米，在等离子体通道中形成所谓的光丝。同时 成丝过程伴随了许多其它的物理现象，如锥角辐射、超连续白光产生、三次谐波 产生、脉冲分裂等等。这些现象由于其潜在的广阔应用前景，引起了各国科学家 们的高度重视，在我国，中国科学院物理研究所近几年也做了大量的相关研究 2 ，3 ，4 。 本章首先简单介绍超快超强激光技术，重点介绍超短超强激光脉冲在气体中 传输及有关的物理现象。 2 1 超快超强激光技术概述 激光以其高方向性、单色性好、强的相干性和高强度等优越性，自问世以来 就一直倍受关注。随着调q 及锁模技术的出现，激光技术得到了飞速发展。伴随着 激光技术的发展和研究的深入，激光在医疗、加工、军事、科研、信息、测量等 第二章超快强激光在气体中的传输扛光学非线性魏麻 各个领域得到了广泛应用。随着其应用范围的拓宽，激光技术一直朝着高功率、 短脉冲宽度、全固态化、小型化的方向发展，特别是如何获得更短宽度更高强度 的脉冲光源，一直是研究者们不断追逐的目标。 1 9 8 5 年美国密歇根大学的d s 硒c h 蛆d 和g m o u m u 提出啊啾脉冲放大 ( a l i r p c d _ p u l s e 鲫p i i 6 c 枷简称c p a ) 技术 5 ，并将其应用于固体激光放大系 统，成功克服了飞秒激光脉冲放大过程中商脉冲强度产生的介质增益饱和、高峰 值功率激光脉冲在放大过程中引起的非线性效应，以及高峰值功率造成组件损坏 等问题，为超短超强激光领域树立了一个新里程碑。图2 1 所示为超快强激光技 术激光强度的发展历史。目前，固体激光系统所产生的最短光脉冲，脉宽为 34 6 6 ，几乎接近理论极限3 缸峰值功率可达1 5 0 0 t w 7 。这样的极端物理 条件使得飞秒激光在许多方面有着特殊的用途，例如利用超短脉冲激光脉冲宽 度短的特性，可以探测物质的化学反应的快速演变过程：利用聚焦的飞秒高功率 激光，可以创造在天体或核爆炸过程中才可能有的高压、高温、高密度的极端物 理条件。超短超强激光技术为相对论非线性物理、天体物理等领域的发展提供新 ll 1 ”凹叭唧 9 5 0 1 9 7 01 9 8 01 9 帅2 0 2 们0 丫e ar t ) 1 m m 1 0 “ 图2 i 超快强激光技术激光强度发展趋势。 的研究手段也成为当今学术研究的热点和新兴学科的生长点，为现代物理的研 第二章超快强激光在气体中的传输及其光学非线性效应 究提供了广阔的发展空间，各国都在超短超强激光技术领域进行积极地探索研 究。 2 2 超快超强激光在气体中的传输 超短强脉冲激光在空气中传输时，由于空气的非线性效应产生克尔自聚焦， 使光束直径聚焦到只有几百微米，造成空气的离化而形成等离子体，而等离子 体又会对激光光束产生散焦作用，这两种作用的动态平衡可以使激光在空气中 形成传输距离超过多倍瑞利长度( 缸? 2 ，后为波数，佝为激光的聚焦半径) 的等 离子体通道，而且在远距离传输过程中能保持其高能量和瞬态结构不变。对等离 子体通道光谱的研究发现，当激光在空气中传输一段距离后，光谱展宽得十分厉 害，光谱覆盖了从紫外到红外的很宽的区域( 3 0 0 n m 4 5um ) 8 。超短激光脉冲 在大气中的传播产生的很多有趣现象，引起了世界很多实验室极大的研究兴趣。 例如加拿大l a v a l 大学的s l c h i n 9 ，美国n e wm e x i c o n 大学的j c d i e l s 1 0 ， 德国柏林自由大学的w o s t e 1 1 ，法国里昂大学s t z o r t z a l ( i s 1 2 ，日本的o s a k a 大学 1 3 等研究组都在从事与激光在大气中传播相关的研究。 2 3 等离子体通道的形成机理及其特征参数 目前，关于等离子体通道的形成，还没有一个固定的理论解释，目前普遍被人 们接受的有三种物理模型，分别是动态空间补偿模型、自导引模型和运动焦点模 型，下面对这三种类型分别进行讨论。 2 3 1 动态空间补偿模型( d y n a m i cs p a t i a lr e p l e n i s h 鹏n t ) 动态空间补偿模型认为，脉冲的前沿( 1 e a d i n g e d g e ) 超过电离阈值时，由于 非线性自聚焦，会造成很小范围的电离，这种电离将对脉冲后沿具有散焦作用。 脉冲前沿的强度会由于产生等离子体而不断降低，产生的等离子体也不断减弱。 脉冲后沿的自聚焦作用就逐渐占据上风，从而形成周期性的聚焦和散焦。m l 句n e k 等人 1 4 认为，强激光束可以不断地衰减、被补偿，从而传输很长的距离，而不 受瑞利距离的限制。他们用7 7 5 n l i l 8 5 f s 激光，激光功率p i n 为1 1 g w 时，在z = 第二章超快强激光在气体中的传输及其光学非线性效应 1 1 m 处，脉冲在时间上分成两个分离的峰，分别叫做前沿峰( 1 e a d i n gp e a k ) 和后 沿峰( 仃a i l i n gp e a l ( ) ，两峰相差约2 0 0 f s ，继续传输时，前沿峰衰减，后沿峰不变， 直到在瑞利距离时才衰减。他们发现前沿峰比入射脉冲超前了5 0 f s ，原因是入射 脉冲聚焦，强度增加，电子密度的增加和雪崩电离发生，这样就对后沿峰产生了 散焦效应激光在空气中传输的演化情况可以通过下面的方程组描述： 警= 去 嘉+ 吾导 e 一警警一詈c + 泐f ， 肚譬旷。2e + 刚钔训2 e + 如办： = 出次( f f ) l e ( f ) 2 口e 等= 专秒| 2 + 譬彬 眨2 ， ( 2 1 ) 式右边分别描述横向散射、群速度色散、等离子体的吸收和散焦、多光子 吸收和非线性自聚焦。( 2 2 ) 式右边分别描述由于雪崩电离造成等离子体的增加、 多光子吸收和辐射电子复合。在( 2 1 ) 式和( 2 2 ) 式中，缈为光频率，吲2 为光强， 尼= = 缈c ，旷= a 2 a 国2 ，硇电子密度，盯为逆轫致辐射截面，r 为电子 碰撞驰豫时间，聊为k 个光子的吸收系数，标准化响应函数r ( f ) 与衰减的非线 性效应有关，厂为连续非线性光学响应的一部分。代入相应的参数就可以得到方 程的解，从而可以得到激光束光强随传输距离z 的变化，也就得到了激光束在 空气中传输及其演化。 m l e j n e k 等人对超快强激光在空气中的传输进行了数值模拟计算，认为在初 始脉冲形成之后，由于等离子体产生吸收了光能量，随后，脉冲边缘的能量又进 行了补充。对高功率的入射脉冲来说，这个过程反复发生，就得到了长距离自导 引脉冲传播的假象。m l e j n e k 等人的数值模拟中包含自聚焦，多光子吸收( m p a ) ， 群速度色散( g v d ) 所产生的电子的吸收和散射等物理机制。虽然模拟尚未经 过实验证实，但是从他们的结果看出，并没有得到与自导引图象相类似的结果。 相反，脉冲前沿被吸收又被后续脉冲补充，这样就产生了一个脉冲自导引的假象。 动态空间补偿模型其实是以自导引模型为基础发展起来的，它考虑了更多的 第二章超快强激光在气体中的传输及其光学非线性效应 物理过程，可以比较细致地研究通道内的复杂物理过程( 如通道内细丝的分裂、 融合等) 。对于超短超强激光脉冲在空气中传输形成等离子体通道，还没有一个固 定的理论解释，即使是人们普遍接受的自导引模型，也有人提出不同看法。大部 分理论报道认为负非线性折射率主要是由等离子体通道中的高密度的电子引起 的，估计通道中的电子密度为1 5 1 0 1 6 咖一，假定空气中的等离子体通道直径 为l o o 岬、长1 0 m 、电子密度为5 1 0 1 6 锄一，那么能量为1 0 m j 的激光在传播过 程中必定会被吸收。单脉冲能量1 0 m j 的能量损失比初始能量还要高5 倍。而实 际实验中，形成l o m 的等离子体通道后，脉冲的能量仍然高于初始能量的9 0 。 h n i s h i o k a 等人 1 5 提出，等离子体通道中的电子密度至少比由等离子体散焦理 论得到的估计值小一个数量级。 他们认为等离子体通道的形成是自聚焦与衍射的动态平衡，当初始激光功率 超过阈值功率，自聚焦效应使激光的功率密度增加，产生非线性吸收效应。非线 性吸收可能在自陷的初始阶段起到能量限制的作用。由于非线性吸收作用，等离 子体通道内的功率密度被限制在1 0 1 3 1 0 1 咖c m 2 量级。由于非线性作用对能量的 适当吸收，激光的功率接近阈值功率，最终导致自聚焦与衍射效应平衡。 2 3 2 运动焦点模型( m o d i f i e dm o v i n g f o c u sm o d e l ) 运动焦点模型 1 6 认为，在慢变振幅近似下，激光脉冲在时间上可以分成很 多层，每一层的强度是不相等的，哪一层的强度超过了自聚焦的临界功率 = ，这一层就会聚焦到自己的焦点上。由非线性波动方程，在假设介 z 万以以， 质各向同性、慢变振幅近似和光束为准单色情况下，可以得到下面的焦距( 劲公 式： 乃- o 3 6 7 叫”蹦啦一o 8 5 2 卜o 0 2 9 啦 他3 ， 式中七为激光波数，口。为激光束腰，尸为激光功率。由于激光脉冲在横向和纵 向都近似高斯分布，每层的功率p 都不同，而且随时间变化，所以各自焦点位 置也随时间变化的。另外，如果在时间上分的层足够“薄”，则每层的功率可以看 成是连续的，那么它们各自的焦点也就连在了一起向前传播，这样就形成了等离 第二章超快强激光在气体中的传输及其光学非线性效应 子体通道。 运动焦点模型是由解释长脉冲在介质中的传输发展而来的，可以用来解释飞 秒等离子体通道的一些物理现象。该模型很好地解释了飞秒高强度激光脉冲在空 气中传输形成的等离子体细丝的开始和结束位置，并且说明了细丝通道中所包含 的能量占脉冲总能量的很少一部分。但是这种模型不能很好地说明并发的等离子 体产生和自导引以及等离子体通道长度远远超过激光脉冲的瑞利距离这些现象。 2 3 3 自导弓i 模型( s e l f g u i d e dp u l s ep r o p a g a t i o n ) 自导引模型 1 7 认为，等离子体通道的形成是由于激光束的非线性克尔自聚 焦和等离子体的散焦作用之间的动态平衡。当激光束会聚到一定程度，激光功率 ， 3 达到空气电离的临界功率阈值= 兰时，就有使空气电离形成等离子体。超 2 ，z 2 缈 强激光脉冲会改变气体的折射率，可以由下式表示 1 8 ，1 9 ： 血= o 甩2 ，一m 2 m ( 2 4 ) 式中第一项为克尔非线性项，其中o 是中性气体密度，j 是激光强度，甩2 是 非线性折射率系数；第二项来自于等离子体的形成，和自由电子密度e 与等离 子体临界密度c ：罢! 荨的比例有关，其中缈为激光频率，聊为电子质量，刀2 q 万e 为中性气体的非线性折射率。等离子体临界密度定义为当折射率的实部变成零时 的等离子体密度值 2 0 。从式( 2 4 ) 可以看出，对行有贡献的这两项符号相反， 一方面，z 2 将导致自聚焦，是在通道中形成一种类似正透镜的介质，另一方面产 生的自由电子又会引起散焦，类似于一个负透镜。在理想情况下，聚焦和散焦作 用相互平衡，激光束会处于稳定的自陷状态而成丝传输。等离子体通道形成的物 理机制示意图如图2 2 所示。 b r a 吼等人通过计算模拟求解了非线性薛定谔方程，其中包括自聚焦，与电 离相关的折射率变化带来的的折射效应以及与强度相关的损耗 1 7 。结果证实了 所测到的通道中参数，给出了合理的物理模型( 图2 3 实线) 。模拟结果给出了 自聚焦准稳态脉冲( 功率密度6 1 0 1 3 w c m 2 ) ，传播了超过2 0 m 的距离，峰值功 率被钳制在7 1 0 1 3 、锄2 。由于与强度有关的损耗，峰值功率开始振荡，最后导 第二章超快强激光在气体中的传输及其光学非线性效应 致了自陷过程瓦解。虚线给出了在真空中传播的脉冲强度。 这种模型已经被人们普遍接受，被认为是强激光在空气中形成等离子体通道 的物理基础。 m e c h a n i s mf o rc h a n n e if o r m a l i o n k e r re f f e c tf 0 c u s e s n = n 1 n i ( r )p r o p a g a f 幻nd i s t a n c e 1 0 n i z a t i o nd e f o c u s e s n = n e ( i ) ，2 n c f i l 图2 2 等离子体通道形成的物理机制示意图 图2 3 计算模拟结果，实线表示产生了等离子体，聚焦的强度受到钳制；虚线表示了 脉冲在真空中传输的过程。 第二章超快强激光在气体中的传输及其光学非线性效应 2 3 4 等离子体通道的特征参数 飞秒高强度激光脉冲在空气中传输时，就会形成等离子体细丝通道。b r 猢 等人第一次用飞秒高强度激光脉冲在空气传输产生2 0 m 长的等离子细丝通道 1 7 ，并提出了激光脉冲的自导引传输物理模型。他们使用的飞秒激光脉冲的单 脉冲能量2 砌3 0 砌之间可调，脉宽1 0 0 f s 。测量出在通道中心光强可达到 7 1 0 1 3 w c n l 2 ，等离子体通道的直径达到8 0 p m ，等离子体通道中的电子密度为 4 x 1 0 1 6 c l i l 一。f o n t a i n e 等人 2 1 首次产生了2 0 0 m 长的细丝通道。他们使用的飞秒 激光系统的单个脉冲能量是从1 0 m j 2 0 n l j 之间可调，脉宽6 0 f s ，飞秒激光脉冲 从压缩器输出后使用真空滤波器使光束的横向模式达到近似高斯型分布，光束直 径3 8 m m 、准直输出，在空气中传播形成2 0 0 m 长的等离子体细丝通道，测量发 现细丝通道中的激光脉冲能量超过它