（光学专业论文）超短强激光脉冲成丝间的相互作用对光丝传播过程及其非线性效应影响的研究.pdf

，一 超短强激光脉冲成丝向的相互作用， 对光丝传播过程及其非线性效应 学位申请人： 拯旋 导师： 筮至屋院萱塑垩麴援 院 系： 堡王堂瞳物理丕 专业： 迸堂 研究方向： 趋迭邀选撞苤堂 2 0 1 0 年4 月 上海 叶，、；，4 节0 s t u d y o ft h ei n f l u e n c eo fi n t e r a c t i o n b e t w e e nf i l a m e n t so fu l t r a s h o r t i n t e n s ef e m t o s e c o n dl a s e rp u l s eo ni ，t s p r o pa g a t i o na n d n o n l i n e a re f f e c t s ad i s s e r t a t i o n s u b m i t t e dt od e p a r t m e n to f p 碲s i c sa n dt h ec o m m i t t e e0 n g r a d u a t es t u d yo f e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro f p h i l o s o p h y b y x u a n y a n g s u p e r v i s e db y p r o f z h i z h a nx ua n dp r o f h e p i n gz e n g s h a n g h a i a p r i l ，2 0 1 0 ，。、00毒 ，苇j 产，一 鼍 1 ， f 旷2 氏 华东师范大学学位论文原创性声明 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： 超短强 系本人在华东 本论文的研究 日期：2 i o 年月7 日 用此学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网 送交学位论 文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅； 同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论 文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密学位论文奉， 于年月日解密，。解密后适用上述授权。 ( 2 不保密，适用上述授权。 导师签名本人签名堑蝗 砧o 年石月7 日 峰 簟l。10l譬 ? 广， 拯旌博士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 褚君浩研究员中科院上海技主席 术物理研究所 钱列加教授上海交通大学 徐雷教授复旦大学 丁良恩研究员华东师范大学 王祖赓教授华东师范大学 嶙 j ? 鼻 产 一 论文摘要 超短强激光脉冲在空气介质中传播时，由于空气的非线性克尔自聚焦效应和 等离子体的自散焦效应之间的动态平衡，将在空气中形成类似波导传输的光丝通 道，具有能量稳定和单模光斑的优点。但是，由于实验条件以及环境的印象，光 丝若想实现类似波导的远距离传输，需要非常高的激光功率和稳定的大气环境， 这一因素大大限制了其应用的广泛性。近年来研究发现，光丝间的非线性强相互 作用可用于调控光丝的传播过程，保持其能量稳定传输的同时有效增长其传播距 离；另外，期间产生的三次谐波能量也将随之大幅提高。这对于强激光脉冲的长 距离传输和紫外光源的开拓发展都将有着重要的实际应用意义。 本论文以飞秒光丝为研究对象，针对光丝间的强相互作用，对光丝传播过程、 三次谐波能量转化效率提高以及所产生的多维波导效应进行了详细研究。具体的 工作可分为以下几个部分： 1 将光丝问的强相互作用应用到对光丝传播距离的控制中，实现了飞秒光丝传 输距离的有效延长和三次谐波能量转换效率的大幅提高( 约两个数量级) 。 实验中，通过改变非共线光丝的夹角、强度对比度以及相对偏振关系等实验 参数，可以有效调控三次谐波的能量转化过程。此外，这一技术也可应用于 周期量级飞秒激光的成丝过程，有效实现宽带三次谐波能量的增强。这一结 果对紫外波段周期量级飞秒激光脉冲的获得提供了新型有效的方法。 2 通过调节光丝相互作用区域处的时间空间重合，获得了波长量级的等离子体 通道阵列的形成。实验中，通过调节飞秒光丝间的非共线结构，可以有效调 节等离子体通道芯径的大小及其空间分布，使其出现类似于光子晶体光纤的 分布结构。该分布结构可用于引导更高峰值功率强脉冲激光的传播，为新型 等离子体波导的实现奠定基础。 3 利用飞秒光丝干涉诱导产生的自引导通道，形成具有光栅结构的周期性折射 率分布，实现了一维和二维等离子体密度调制的动态光栅。实验中，通过改 变相互作用的飞秒脉冲的偏振关系及强度对比，测量对应的光栅参数，获得 ， n 一 覃0，；州 了二次和三次谐波的衍射角及衍射能量的变化，最终确定了激光脉冲参数与 动态光栅的对应关系，为后期动态光栅的实际应用奠定了基础。 关键词：光丝干涉，自相位锁定，三次谐波，等离子体通道，等离子体动态光栅 ， ： a b s t r a c t s e l f - g u i d e dp r o p a g a t i o no fu l t r a s h o r ti n t e n s el a s e rp u l s e si na i ri sd e m o n s t r a t e d t oi n d u c ef i l a m e n tc h a n n e l s 、析mt h ea d v a n t a g eo fe n e r g y - s t a b i l i t ya n dm g h - q u a l i t y b e a m p r o f i l e d u et ot h ec o u n t e r b a l a n c eb e t w e e nk e r r s e l f - f o c u s i n g a n d p l a s m a - d e f o c u s i n g h o w e v e r , f i l a m e n tc a nn o tb ef u n c t i o n e da sw a v e g u i d et ok e e p e n e r g yp r o p a g a t ei nal o n gd i s t a n c ed u et ot h ei n f l u e n c eo fe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n a n de n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，t h ea p p l i c a t i o no ff i l a m e n ti sl i m i t e db yt h e s ef a c t o r s r e c e n t l y , t w o b e a mi n t e r a c t i o ni sc o n s i d e r a t ea sa l le f f i c i e n tc a n d i d a t ep r o c e s sf o rt h e f i l a m e n tc o n t r o lt oe l o n g a t et h ef i l a m e n td i s t a n c e i na d d i t i o n , t h et h i r dh a r m o n i c g e n e r a t i o n i sa l s oe n h a n c e d i tw i l lb eb e n e f i c i a lt ot h el a s e r l o n g - d i s t a n c e p r o p a g a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fu vl a s e r w i t hf i l a m e n ta st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h i st h e s i si sm a i n l yf o c u s e do ni n f l u e n c eo f t h es t r o n gi n t e r a c t i o nb e t w e e nf i l a m e n t so nt h ef i l a m e n tp r o p a g a t i o n ，e n h a n c e m e n to f t h i r dh a r m o n i ce n e r g yc o n v e r s i o na n dt h ee f f e c to fm u l t i d i m e n s i o nw a v e g u i d e m a i n l yi n c l u d et h ef o l l o w i n g ： 1 t h ef i l a m e n tc o n t r o li sa c h i e v e di nt h ew a yo ff i l a m e n ti n t e r a c t i o nt of u l f i l lt h e e l o n g a t i o no ff i l a m e n ta n dt h et w o - o r d e re n h a n c e m e n to f t h i r dh a r m o n i ce n e r g y c o n v e r s i o n i nt h ee x p e r i m e n t ，t h ep r o c e s so ft h i r dh a r m o n i cg e n e r a t i o nc o u l db e c o n t r o l l e db yc h a n g i n gt h en o n c o l l i n e a rc r o s s i n ga n g l e s ，i n p u ti n t e n s i t yr a t i o s ， a n di n p u tp u l s ep o l a r i z a t i o n s i na d d i t i o n ，t h i st e c h n o l o g yc a na l s ob ea p p l i e dt o t h ef i l a m e n t a t i o np r o c e s so ff e w - c y c l ep l u s e st of u l f i l lt h ee n h a n c e m e n to f b r o a d b a n dt h i r dh a r m o n i c i tp r o v i d e san e wa n de f f e c t i v ew a yt oa c h i e v et h e f e w - c y c l ef e m t o s e c o n dl a s e rp u l s ei nu vd o m a i n 2 t h ew a v e l e n g t h s c a l ep e r i o d i cp l a s m aw a v e g u i d ea r r a yi sa c h i e v e db ya d j u s t i n g t h es p a t i o t e m p o r a lo v e r l a po fl a s e rp u l s ei nt h ef i l a m e n ti n t e r a c t i o nr e g i o n t h e d i a m e t e ra n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o no f p l a s m aw a v e g u i d ea r r a yc a nb ea d j u s t e db y c h a n g i n gt h e n o n - c o l l i n e a rs t r u c t u r eo fi n c i d e n tf i l a m e n t sa n dc r e a t e st h e s t r u c t u r es i m i l a ra st h a to f p h o t o n i c - c r y s t a lf i b e r t h er e s u l t sc a n b eu s e dt og u i d e t h el a s e rp u l s ew i t hh i g hp e a ki n t e n s i t ya n dm a k e st h ef o u n d a t i o nf o rt h ec r e a t i o n o fn o v e lp l a s m aw a v e g u i d e s 3 b a s e do nt h ef o r m a t i o no fi n t e r f e r e n c e a s s i s t e ds e l f - g u i d ec h a n n e l ，t h ep e r i o d i c a l r e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o ni sf o r m e di nt h ei n t e r a c t i o nr e g i o na n df u l f i l l st h e1 - a n d2 - d i m e n s i o n a l p l a s m ad y n a m i cg r a t i n g s i n a i r e x p e r i m e n t a l l y , t h e p a r a m e t e r so fg r a t i n ga n dv a r i a t i o no fe n e r g yd i f f r a c t i o no fs e c o n da n dt h i r d h a r m o n i c si sm e a s u r e db yc h a n g i n gt h er e l a t i v ep o l a r i z a t i o na n di n t e n s i t yr a t i oo f t h ei n c i d e n c ep u l s e s b a s e do nt h er e s u l t s ，w ef i n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h e f o r m a t i o no fd y n a m i cg r a t i n g sa n dt h ep a r a m e t e r so fl a s e rp u l s ea n dm a k et h e f o u n d a t i o nf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fd y n a m i cg r a t i n g k e yw o r d s ：f i l a m e n t i n t e r f e r e n c e ，s e l f - p h a s el o c k i n g ，t h i r d h a r m o n i c g e n e r a t i o n , p l a s m aw a v e g u i d ea r r a y , p l a s m ad y n a m i cg r a t i n g 目录 第一章前言一1 1 1 超短强激光脉冲在空气中的非线性传播1 1 1 1 超短强激光脉冲发展简介1 1 1 2 光丝的理论模型5 1 1 3 光丝的非线性传播特性7 1 1 4 强非线性效应下光丝之间的相互作用1 0 1 2 选题的意义、论文的主要工作及创新点1 2 1 2 1 选题的意义。1 2 1 2 2 论文的主要工作：1 2 1 2 3 论文的创新点1 3 第二章非共线飞秒光丝间的强相互作用及其诱导的三次谐波能量增强1 4 2 1 成丝过程中的三次谐波产生15 2 1 1 光丝中三次谐波的产生1 6 2 1 2 光丝中产生三次谐波的空间特征1 9 2 2 双光束光丝的非线性相互作用2 0 2 2 1 非共线飞秒光丝相互作用的实验装置2 0 2 2 2 实验结果和分析。2 1 2 3 双光束光丝中三次谐波的能量增强2 3 2 3 1 三次谐波的光斑和能量随光丝传播距离的演化过程2 3 2 3 2 三次谐波能量增强与实验参数之间的关系_ 一2 7 2 4 宽带三次谐波的能量增强。：3 2 2 4 1 非共线长短脉冲飞秒光丝的相互作用3 3 2 4 2 宽带三次谐波的能量增强及其实验结果3 4 2 5 小结3 8 第三章非共线飞秒光丝相互作用中等离子体通道阵列的形成3 9 3 1 超短脉冲光丝的荧光探测技术4 0 3 2 超短脉冲光丝的成像技术一4 1 3 2 1 非线性折射率的改变一4 2 3 2 2 光丝成像技术原理4 3 3 3 一维等离子体通道阵列4 5 3 3 1 一维等离子体通道的产生及其实验结果4 5 3 3 2 一维等离子体通道随时间的演化过程5 0 3 3 3 一维等离子体通道芯径大小与非共线夹角之间的关系5 2 3 4 两维等离子体通道阵列5 3 3 5 小结5 6 第四章等离子体光栅的产生及其应用5 7 4 1 动态光栅的分类5 8 4 1 1 介质的响应5 8 4 1 2 厚、薄光栅中的衍射问题5 9 4 2 实验装置和实验参数介绍6 1 4 3 实验结果分析和讨论6 2 4 ：3 1 动态光栅的产生_ 6 2 4 3 2 动态光栅的时间特性6 5 4 3 3 二次谐波能量转换与各实验参数之间的关系6 6 4 4 两维动态体光栅一6 7 4 4 1 三次谐波的空间衍射6 8 4 4 2 三次谐波衍射随光栅周期的变化关系7 0 4 5 小结一7 1 第五章总结与展望7 2 参考文献- 一7 4 博士期间发表论文及专利申请9 0 致谢- 9 3 前言 第一章前言 1 1 超短强激光脉冲在空气中的非线性传播 1 1 1 超短强激光脉冲发展简介 自第一台红宝石激光器诞生以来，人们就开始不断寻求具有更高能量和更短 脉宽的激光脉冲输出，用以研究自然界中发生的各种物理、化学和生物现象，如 熔融、光致合成、化学反应等。由此推动了各类激光相关技术的迅速发展，涌现 了各种提升脉冲能量和压缩脉冲宽度的激光技术，主要有光学参量放大技术 ( o p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o n ，0 p a ) 、啁啾脉冲放大技术( c h i r p e dp u l s e a m p l i f i c a t i o n ，c p a ) 、充气空心光纤压缩技术和二阶非线性介质压缩技术等。近 年来，随着这些技术的不断成熟和发展，高能量和窄脉宽的激光脉冲在很多应用 领域起到了重要作用，例如，高能量超短脉冲宽度的激光脉冲可以用来制作“光 钟 ，提高人们对时间探测的灵敏度 1 】；其次，利用超短脉宽的激光脉冲( 阿秒脉 冲，1a s = 1 0 。1 8s ) 对原子分子中的高速电子运动进行分辨测量【2 】，使人们可以从 更为微观的层面控制或改变物质变化过程；再之，大能量的激光脉冲输出可以提 高对一些微弱响应的超快过程的探测精度【3 】，有助于未知领域的探索和扩展。 目前，激光脉冲能量的放大方式主要有行波放大技术、多程放大技术、光参 量放大技术以及啁啾脉冲放大技术这四种。但由于行波放大技术和多程放大技术 的放大倍数有限，因此，光学参量放大技术( o p t i c a lp a r a m e t r i c a m p l i f i c a t i o n ，o p a ) 和啁啾脉冲放大技术( c h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ，c p a ) 是目前最为常用的。 光学参量放大技术( o p a ) 是利用介质中的二阶非线性效应，将能量以差频的 形式从泵浦光转移到种子光中，从而实现种子光的能量放大。在上个世纪7 0 年 代，该项技术受到了人们的广泛关注。但是由于当时的非线性材料( k _ d p 、a d p 、 l i n b 0 3 及b a 2 n a n b 5 0 ：5 ) 的限制，使得o p a 技术无法得到充分的发展。 然而，一批克服了以往缺点的新型非线性介质的出现，使得0 p a 技术再一次焕 发了活力并在此过程中得到了长足的发展。其中，最具有代表性的介质就是k t p 、 b b o 以及l b o 等。经过研究，人们发现o p a 所能提供的增益系数最高可达1 0 9 量级，并且其增益带宽还会随着泵浦光强度的增加而增加。除此之外，在某些特 定情况下( 近简并状态或非共线相位匹配) ，o p a 技术还可以实现泵浦光和种子光 之间的群速度匹配，从而产生大于1 0 0n 1 l 的增益带宽。由此解决了传统放大技 术中所存在的带宽限制问题。目前，国际上已经有科研小组通过o p a 技术获得 了光谱范围为2 5 0t h z 的超连续宽带谱 4 。此外，由于o p a 放大技术利用的是 介质的二阶非线性效应，因此该放大过程只会发生在泵浦光和种子光时域重合之 时；另外，整个放大系统的b 积分因子可以达到很小，因此其信噪比可实现s 信 号n 噪声 1 0 9 ，比一般的放大系统高出2 3 个数量级。 1 9 8 5 年，美国r o c h e s t e r 大学的m o u r o u 教授等人首次提出了c p a 技术【5 】。 该技术是通过色散光学器件( 如棱镜、光栅等) 将种子脉冲在时域上展宽，形成所 谓的“啁啾脉冲”，然后将其注入到激光振荡器中进行能量放大。在放大过程中， 由于种子光的脉冲宽度已事先被展宽，这样即使在激光脉冲的能量很高的情况 下，其峰值功率仍然可以维持在较低的水平( 低于激光介质的破坏阈值) ，从而避 免了激光脉冲的高功率对增益介质产生的破坏。当种子光脉冲得到充分的放大之 后，利用与脉冲展宽色散相反( 共轭色散) 的光学器件再重新将它进行压缩，最后 获得高峰值功率的激光脉冲输出，其原理如图1 一l 所示。 图1 1 啁啾脉冲放大技术原理示意图。 总的来说，c p a 技术不仅能够有效地从放大器抽取储能，充分利用增益带宽， 2 一 斛 前言 实现激光脉冲峰值功率的大幅提高，同时还大大降低了高功率激光脉冲在放大过 程中对材料破坏的可能性。此外，c p a 技术在激光器的构造方面也起到了简化 放大系统、提高系统紧凑性、促进商品激光器小型化的作用。因此，c p a 技术的 出现对激光技术的发展起到了巨大的推动作用。目前，通过该类小型化台式超快 超强激光系统，已经能够获得聚焦峰值功率在1 0 2 2w a n 2 量级的激光脉冲 6 ，7 】。 而在激光脉冲压缩方面，技术的每一次进步和发展，都将为超快激光科学以 及相关交叉学科带来质的飞跃。迄今为止，人们已经开发了多种激光脉冲压缩技 术，例如光参量放大压缩技术、充气空心光纤压缩技术、光丝中频谱展宽压缩技 术、二阶非线性介质压缩技术等等。下面将简要介绍与本文工作相关联的充气空 心光纤压缩技术和二阶非线性介质压缩技术。 根据不确定性原理，一个微观粒子的某些物理量( 如位置和动量，方位角与 动量矩，时间和能量等) 不可能同时具有确定的数值，测量一对共轭量的误差( 标 准差) 的乘积必然大于常数h 4 兀( h 是普朗克常数) 。即其中一个量越确定， 另一个量的不确定程度就越大。我们所研究的时间和频率也属于满足这一原理的 一对共轭量。因此，要想获得非常短的激光脉冲宽度就必须在频域范围上具有非 常宽的光谱成份，即需要包含跨度很宽并且连续的波长范围。 针对这一物理特性，科学家们研发了一种名为充气空心光纤( g a sf i l l e d h o l l o wf i b e r ) 压缩的激光脉冲压缩技术 9 1 4 。它是将芯径只有几十或者几百微 米的空心光纤放置于一个充满气体的密闭腔内，通过脉冲激光与气体介质产生的 三阶非线性效应，比如自相位调制、四波混频，来产生支持超短脉冲宽度所需要 的宽带连续谱，然后再利用棱镜对或者啁啾镜等光学压缩器件进行色散补偿，最 终获得期望的超短激光脉冲，其具体实验原理如图1 2 所示。 3 前言 图1 2 充气空心光纤压缩技术原理示意图。 该脉冲压缩技术是基于脉冲频谱展宽，再使用光学色散补偿器件来实现脉冲 宽度的压缩。除此之外，人们还发现了无需借助外界器件进行色散补偿就能够自 动获得脉冲压缩的自压缩技术。其中，最为典型的代表就是在二阶非线性介质中 由于自压缩所形成的光子弹 1 5 2 1 】。 经过研究，人们发现当激光在二阶非线性介质中传播时，会有二阶非线性效 应，比如倍频的产生。在此过程中，当入射光的功率足够大并且与二次谐波之间 满足一定的相位匹配关系时，基波和二次谐波之间会有很剧烈的能量耦合发生， 即相互之间的能量频繁交替。在二阶介质中所产生的这一现象就可以称为级联过 程 2 2 。由于这种级联的非线性过程会伴随有非线性的相位调制作用，因此，在 这一过程中激光脉冲会引入额外非线性相移。这种级联过程中引入的非线性相移 可以等效地看作是由三阶非线性过程中的相位调制所引起。因此，根据三阶过程 中的相移与输入激光光强之间的关系，可以知道，光强越大，其相移也就越大， 而反之，相移也就越小。这样，在大光强的高斯脉冲分布的情况下，这一级联过 程中所引入的相移可能会导致波包的分裂。在这里，需要注意二阶级联过程中所 引入的非线性相移是可饱和，这一特性为二阶非线性介质中产生脉冲自压缩提供 了可能性。在此基础上，还能通过调节基波和二次谐波之间的相位匹配关系、群 速度失匹以及衍射和色散效应来对这一自压缩过程进行调谐和控制【2 3 ，2 4 。 4 j 尽 一 m 1 1 2 光丝的理论模型 随着激光技术的不断发展，激光脉冲的峰值功率已经在6 0 年代的1 0 8w l c m 2 的基础上提高了将近1 4 个数量级，如图1 3 所示。而在激光脉冲峰值功率增强 的过程中，激光与物质之间的相互作用也在发生着明显的变化，出现了许多有趣 的崭新的物理现象，其中最有代表性的现象之一就是光丝的产生 2 5 】。 iji i， ，一9 in o n l i n e a rq e d ：e - e - 五，白4： z 。，。 、： 一z = 融厶q 乎o = p t 谨水 一， ，。，。，。，。，。z ，。 一r e y 甜吣f t i c o p t i c s ：! 影二 b o u n de l e c t 阳惦： e = e z a o 。| | r c 牮n y p u l 弋s ea m p | l i f | i c a | | t i o 。n 、j 乒攀m o d el o c k 愕i n g ，：- i | i ； 1 9 6 01 9 7 o1 9 8 01 9 9 02 0 0 02 0 1 0 图1 3 激光脉冲峰值功率的发展示意图 2 6 。 众所周知，当激光脉冲在三阶非线性介质中传播时，会在介质中产生一种在 时间和空间上都具有特殊属性的等离子体通道，芯径大小仅在1 0 0 2 0 0 阻范围 内，我们将之称为“光丝 2 5 ，2 7 。通过实验研究，人们证明光丝能够传输的 距离远远超过光束本身的瑞利长度 2 8 】，与传统的物理模型相背驰。为了解释这 一现象，人们提出了三种新的物理模型来解释它，分别为：自引导传播模型 2 9 】、 移动焦点模型 3 0 】、以及动态空间补偿模型【3 1 】。 5 烀 一nu一父一cu卜c一可3uok 前言 o o c 仍 h 口 西 弋) 母 叱 a 花a n dl 图1 4 自聚焦和自散焦的折射率变化以及光斑随传播距离的变化示意图 2 7 。 b r a t m 2 9 认为当一束光强空间分布为高斯形式的激光脉冲在介质中传播 时，由于非线性克尔效应产生的折射率变化和光强有着如下的关系式： n = n 。+ n 2 l ，其中和n ：分别为介质折射率和非线性系数，两者均为常数。这 样介质中折射率分布就会完全按照光强分布形式来排列，从而形成中心折射率高 而边缘折射率低的类高斯形式，如图1 - 4 ( a ) 所示。通过将这种折射率分布与正透 镜中折射率分布相类比，可以发现，两者之间的折射率有着极其相似的分布形式。 因此能够得出这样的结论，当脉冲激光在三阶介质中传输时，就如同通过了一个 正透镜，光束被会慢慢的聚焦起来。而对于大部分的介质来说，只有激光强度达 到一定的强度之后( 固体和液体透明介质为m w c n l 2 和气体介质为g w c i n 2 ) 才能 发生自聚焦作用。此外，不同波长的激光在介质中的自聚焦阈值功率也是不同的， 其关系可以表示为如下形式 2 5 】： p e r = 舻( 2 n n o 力2 ) ( 1 1 ) 在聚焦过程中，中心部分的光强会急剧增加；直接导致多光子电离产生的等 离子体密度也直线上升。而光斑的边缘部分却因为光强不够强，产生的等离子体 很少。由于等离子体所引起的折射率变化与克尔效应完全相反，所以，等离子体 密度越高的地方，折射率却越小。这样，由等离子体引起的非线性折射率变化就 如图1 。4 ( b ) 所示，起到负透镜对光发散的作用。随着这两种正负透镜效应达到一 种动态平衡之后，激光脉冲就会保持“自聚焦_ “自散焦”的循环状态传播下 去，形成一种自引导过程。 不同于自引导模型，a b r o d e u r 提出了飞秒强激光脉冲在空气中传播的移动 6 j 焦点模型 3 0 】。在这个模型中，激光脉冲被看作是由许多切片所组成的，不同切 片由于自聚焦效应产生的焦点的位置不同，从而形成了一系列的焦点序列。而这 个焦点序列就是实验中所观察到的光丝。通过这一模型，可以解释激光脉冲在空 气中传播时，光丝的起点和终点的位置的变化问题，并且还说明了光丝通道内所 包含的能量只占脉冲总能量中很少的一部分。 而m l e j n e k 通过对光丝的形成过程进行数值模拟【31 】，认为在初始脉冲形成 之后，由于等离子体的产生，吸收了激光脉冲的能量，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，这个过程反复循环，就得到了长距离自 引导传播的现象。 1 1 3 光丝的非线性传播特性 由于光丝自身的芯径很小，因此在光丝内能够获得强度在1 0 1 3 1 0 1 4w c m 2 的峰值功率。正是因为光丝中具有如此高的峰值功率，很多有趣的非线性效应被 人们所发现并加以应用。 1 1 3 1 长距离传播 对于光丝来说，它最重要的一个特性就是能够保持高强度在非线性介质中传 播相当长的距离。目前，以光丝的形式，通过使用大功率激光器，可以使激光脉 冲能够保持峰值功率超过1 0 1 2w c m 2 的状态在空气中传播上千米的距n 3 2 ，3 3 。 1 1 3 2 强度钳制 通过前面的介绍，我们了解到光丝的形成是介质的克尔自聚焦效应以及等离 子体( 多光子电离产蚴的自散焦效应之间的动态平衡所引起的。其中，克尔自聚 焦过程以及多光子电离过程都和激光脉冲的峰值功率有着密切的联系。所以，根 据两者之间的动态平衡关系，可以大致推断出光丝中的峰值强度会被限定在某个 特定范围。这一现象首次发现于1 9 世纪7 0 年代，被称作强度钳制 3 4 3 7 1 。对于 多光子电离来说，其电离率与光强的k 次方成正比，其中k 为多光子吸收中的 光子数，对于中心波长在红外波段的输入激光，k 一般大于5 。根据自聚焦和自 7 前言 散焦达到平衡这一特性，可以得到如下结果： 叫= 磐 ( 1 2 ) 在空气中，人们通过实验证实了空气中光丝的强度锁定是在5 x 1 0 1 3 w c m 2 3 2 3 4 。在这种情况下，能够粗略的估算出光丝中所能产生的电子密度为： j d ( d 仃l ，足j d 甜f ， ( 1 3 ) 其中，p 甜是空气中中性原子的密度。将上面两式1 2 和1 3 联立，能粗略的 计算出脉冲宽度0 = 1 0 0f s ，中心波长在8 0 0n l t i 的激光脉冲，其光丝中的峰值功 率能够被限制在1 8 x 1 0 1 3w e r a 2 左右【2 7 】。 1 1 3 3 光斑自整形 对于在介质中成丝的光束，光丝会在其传播的过程中产生一种类似于空间滤 波的作用，使得该光斑的高阶模式都被损耗掉而只剩下单模形式。通过图卜5 3 8 的对比效果可以看出，经过光丝传播的光斑远场分布都会显现出非常好的光斑质 量；而对于同样的传播过程，如果没有光丝的存在，那么远场分布的光斑质量将 会变差。光丝的这一空间滤波作用就称为光斑自整形效应 3 9 。 图1 - 5 经过长距离传播之后的远场光斑分布对比匾3 8 】。其中，测量光斑的中心波长 为4 0 0 h m ；图a 代表有光丝存在的情况；图b 代表没有光丝存在的情况。 8 一 1 1 3 4 能库 虽然光丝能够很好地将激光脉冲的能量以较小损耗形式传输到远端，但是， 在研究过程中，人们发现激光脉冲的能量只有很少一部分是存在于光丝之中，其 他绝大部分能量都存在于光丝周围。这一特殊现象引起了人们极大的关注。经过 研究，人们发现在光丝传播过程中，除了光丝本身的存在之外，在其周围还会存 在一种叫做“能库”的物质，而激光脉冲中的大部分能量会以“能库的形式 存在于光丝周围 3 1 ，4 0 。m l e j n e k 通过实验证明了“能库 中的能量对于光丝 的持续传播以及再生都有着极其重要的作用 4 1 。 1 1 3 5 超连续谱的产生 在光丝的传播过程中会伴随有强烈的光谱展宽效应。这种光谱展宽是许多非 线性效应共同作用的结果，包括自相位调制、脉冲自陡峭 4 2 4 4 】以及介质的电离。 其中，介质的电离和脉冲自陡峭都会使得脉冲的后沿变得倾斜，引起脉冲在时域 上分布的改变。如果把这一时域变化进行傅立叶变换转化到频域之后，可以发现 在原有脉冲的频域上面出现了新的频谱成分，使得原来只是集中在脉冲中心波长 范围的频谱成分逐渐向短波扩展。而自相位调制则是通过对激光脉冲中心频率的 调制作用，使其左右两边出现新的成分边带，然后再通过对新出现的边带调制， 使其两边又出现新的边带。这样，通过调制作用就会不断的出现新的频率成分， 使得原来的频谱逐步被展宽。通过这些非线性效应共同的作用，最终实现了在光 丝中产生超宽带连续谱。 1 1 3 6 多丝的产生及其竞争 对于光丝来说，它的形成起源于光斑分布内的强度“热区”。当激光脉冲的 峰值功率相对较低时，在光丝分布内只会形成一个“热区”。随着脉冲的传播， “热区”内的能量就会经历自聚焦以及自散焦过程，从而形成光丝。但是，当激 光脉冲的峰值功率过大的时候，则会出现多个“热区 ，每一个“热区”都会在 传播过程中形成自己的光丝。这样，在光丝通道内就会有多束光丝存在。我们将 9 这一现象称为“多丝”【4 5 。由于多丝会从整个能库中汲取能量用于保持自身的 光丝传播，因此多丝之间并不是相互独立而是彼此竞争的关系，多丝之间的竞争 对光丝传播起着至关重要的作用。应用这一特性，便可以通过改变多丝之间的间 隔实现对光丝传播距离的有效控带1 j 4 6 。 1 1 3 7 圆锥辐射 图1 - 6 圆锥辐射的产生。其中，图a 和图b 分别为n i b b e r i n ge ta 1 1 4 8 】以及c h i ne ta l 2 5 】 所观察的实验现象。 在超连续谱产生的过程中，通常会伴随着彩虹状的锥形辐射现象产生，如图 1 6 所示。锥形辐射现象表现为一组同心圆环，颜色分布由内向外从红色逐渐变 到绿色。对于不同介质中所产生的圆锥辐射现象，人们提出了c e r e n k o v 辐射 4 7 ， 4 8 1 、自相位调带u 4 9 ，5 0 ；四波混频 5 1 ，5 2 1 、以及x 波的理论 5 3 ，5 4 来对其 进行解释。 1 1 4 强非线性效应下光丝之间的相互作用 由于飞秒光丝是一种在时间和空间上具有特殊属性的等离子体通道，因此它 能够产生许多有趣的非线性效应。为了了解这些效应的物理机制，以便于以后更 好地掌握和利用它们，在过去的几十年中，人们对此开展了大量的理论和实验工 作。不过，这些研究都是基于单个飞秒光丝所产生的非线性效应，并没有涉及多 束飞秒光丝间相互作用问题。近年来，许多研究小组将多束飞秒光丝间相互作用 1 0 i 一 应用到光丝传播的过程中来，发现了许多只有在多体问题中才会出现的特有的非 线性效应，诸如光丝之间的吸弓1 1 5 5 、排斥 5 6 p 以) f l t 缠绕【5 7 等。这些非线性相互 作用的引入在使光丝的传播过程变得更加复杂的同时，也产生了一些新的非线性 现象。 图1 7 光丝之间缠绕 5 7 1 。 目前，已经有科研小组从理论 5 8 】和实验【5 9 】上证实了通过调节光丝之间的 相对相位可以控制彼此之间的吸引、排斥以及纠缠状态，从而用来改变光丝的传 播特性。除此之外，利用一束光丝所产生的分子取向作用来影响另外一束光丝也 被证明是能够控制光束在介质中传播的一种行之有效的方法 6 0 】。光丝间的相互 作用除了对其自身的传播有着影响之外，对光丝产生的非线性效应也会有着不同 程度的改变。yl i u 小组通过光丝间的相互作用改变了太赫兹的偏振，并且其产 生的太赫兹强度较单丝情况提高了一个数量级 6 1 。而a c b e m s t e i n 发现了在 光丝间相互作用的过程中还伴随有7 的光丝能量在两者之间进行相互交换，并 且找到了该能量交换过程与脉冲啁啾、脉冲延时等实验参数之间的相互关系 6 2 】。 上述这些研究进展充分证明了多光束飞秒光丝间相互作用对光丝本身及其 非线性效应的影响，体现了深入研究光丝多体问题的重要性及必要性。因此，对 于这一物理问题的深入研究有利于对光丝问题的更进一步了解。可以说，多光束 光丝之间的相互作用将会为光丝领域开辟一个崭新的研究方向，并将激光脉冲与 物质间的强相互作用推向一个新的高度。 1 2 选题的意义、论文的主要工作及创新点 1 2 1 选题的意义 超短强激光脉冲在空气介质中传播时，由于自聚焦效应和自散焦效应之间的 动态平衡作用，可以在空气中形成类似波导的光丝通道。但光丝通道是自形成的 一个过程，不存在波导耦合效率和材料破坏阈值的问题。因此，光丝在引导高功 率激光脉冲传播方面有着极其重大的应用前景。除此之外，与单束光丝相比，多 束光丝的相互作用可以用来调控光丝的传播属性，同时大幅提高三次谐波的能量 转化效率，在谐波转换、遥感技术、大气成分测量技术、周期量级亚飞秒的高能 量激光脉冲产生、等离子体光学器件的发展等领域都有着很好的应用前景。 因此，本论文选择了空气中多束飞秒光丝之间的相互作用作为研究对象，对 光丝的传播过程、三次谐波的属性以及多维动态光栅的产生进行了详细研究。