飞秒激光成丝相互作用及诊断方法

【摘要】：超短激光脉冲在空气中传输时会出现自聚焦,多光子电离,频谱展宽和相位调制等物理现象。当Kerr自聚焦和电离产生的等离子的自散焦效应可以比拟时,在空气中形成一种自引导的等离子体通道,称之为“飞秒光丝”。飞秒光丝在大气遥感、污染物检测、THz及谐波产生、闪电诱导、激光致雨及脉冲压缩等方面具有巨大的应用潜力。因此,飞秒光丝的基本特性,包括其等离子体电子密度、峰值功率密度、芯径大小及长度、等离子体寿命、脉冲宽度等对于光丝的控制及应用及其重要。 本论文围绕空气中飞秒光丝及光丝相互作用产生的等离子微通道带来的时空调制、折射率及相位变化进行了研究,主要包括以下内容： 1.光丝相互作用产生的一维及多维折射率周期性调制的离子体微通道。实验上通过光丝中共轴传输的三次谐波衍射证明了折射率周期性调制的等离子体结构可以作为一种等离子光栅,探究了三次谐波的衍射角度随非共线光丝夹角的变化关系以及等离子光栅的时间演化特性。相较于传统的光学光栅,等离子光栅是一种具有超高损伤阈值、低成本、长寿命、周期可调谐及易于多维扩展的新型光子学器件。 2.基于光丝相互作用导致的作用区域荧光辐射强度的急剧增强,提出了通过光丝相互作用高效产生高密度自由电子的方法,有效的避免了强聚焦中的光丝分裂及调制不稳定性。通过共轴全息成像方法研究了不同情况下的光丝传输、分裂及演化,精确测量光丝及等离子体微通道中的电子密度,证明了光丝相互作用产生的等离子微通道中的电子密度相比单根光丝的电子密度增大了10倍。 3.研究了光丝荧光中分子、离子荧光谱线、等离子超连续谱、原子谱线的时间发射特征及等离子体电子密度随时间的演化关系,指出光丝荧光辐射和ns激光脉冲击穿光谱的时间发射差异。此外,通过对单根光丝和等离子微通道进行荧光标定,证明光丝相互作用区域突破了单根光丝中存在的强度钳制,给出了120TW的新钳制强度值。并初步探索了等离子体微通道在大气检测中的潜在应用。 4.发展了一种基于分子排列取向的瞬时双折射效应的超短脉冲诊断方法MX-FROG。有效地解决了传统FROG进行脉冲测量存在的相位匹配问题,可用于任意波段、宽频谱及复杂脉冲的精确诊断。利用MX-FROG方法成功的实现了紫外超短脉冲、光丝激发的超连续谱脉冲以及-10fs的超短脉冲的测量和诊断。 5.基于MX-FROG,通过比较具有相似特性的原子气体Ar和分子气体N2在脉冲测量过程中的不同来表明Kerr效应和分子排列取向的区别和联系：Kerr效应和分子排列取向均可以作为超快光学快门来进行脉冲的精确诊断,其区别在于分子取向的时域走离、复现性及强的折射率调制,可以用于极端条件下如微弱脉冲、复杂脉冲的诊断。