飛秒激光成絲過(guò)程中光信號(hào)的放大機(jī)理研究.pdf

1、從梅曼發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器起，人們便一直致力于從激光脈寬以及峰值功率這兩方面不斷地對(duì)激光技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。激光從最開(kāi)始的連續(xù)光發(fā)展到后來(lái)的納秒脈沖、皮秒脈沖以及現(xiàn)已十分成熟的飛秒脈沖，甚至將來(lái)會(huì)縮短到阿秒脈沖；激光脈沖的功率也從910瓦提升到1210瓦、1015瓦。隨著超短超強(qiáng)激光脈沖的出現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光脈沖作用于透明介質(zhì)中時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常細(xì)的絲狀物（即“成絲”），并且隨著激光能量的增強(qiáng)，成絲的傳播距離遠(yuǎn)超過(guò)了理論上光束的瑞利長(zhǎng)度，這一現(xiàn)象

2、引起了人們的廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)成絲就是超短激光脈沖與介質(zhì)中的分子原子相互作用，將其電子電離后留下的等離子體通道，它可以傳播很遠(yuǎn)的距離而不發(fā)生衍射。由于成絲形成過(guò)程中伴隨著許多非線性效應(yīng)的產(chǎn)生，使得成絲在眾多領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。人們通過(guò)收集分析成絲過(guò)程中輻射出來(lái)的熒光信號(hào)來(lái)判斷物質(zhì)成分，但由于熒光光譜強(qiáng)度較弱，不易進(jìn)行遠(yuǎn)程探測(cè)。本文將采用泵浦—探測(cè)系統(tǒng)對(duì)飛秒激光成絲過(guò)程中產(chǎn)生的不同光信號(hào)放大現(xiàn)象進(jìn)行研究（光放大信號(hào)的強(qiáng)度比之前觀測(cè)到的熒

3、光信號(hào)高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)），以便將來(lái)更好地應(yīng)用于遙感控制或者遠(yuǎn)程大氣探測(cè)等。
　　本文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　（1）對(duì)飛秒激光脈沖在介質(zhì)中形成成絲這一現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，就其成絲原理：自聚焦與等離子體散焦之間的動(dòng)態(tài)平衡，展開(kāi)論述，并介紹了形成成絲的三個(gè)物理模型：自引導(dǎo)模型、移動(dòng)焦點(diǎn)模型、動(dòng)態(tài)空間補(bǔ)償模型。接著對(duì)成絲中產(chǎn)生的非線性效應(yīng)進(jìn)行介紹，這些效應(yīng)使得成絲具有了獨(dú)特的性質(zhì)，在眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，同時(shí)為光放大信號(hào)的產(chǎn)生奠定了

4、良好的理論基礎(chǔ)。
　　對(duì)飛秒激光脈沖在空氣成絲中所產(chǎn)生的391.4nm的光放大信號(hào)進(jìn)行理論分析，并設(shè)計(jì)了一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其產(chǎn)生的物理機(jī)制。實(shí)驗(yàn)研究表明：當(dāng)且僅當(dāng)探測(cè)光的光譜包含有391.4nm這個(gè)波長(zhǎng)，才可以觀察到光放大信號(hào)；不論泵浦脈沖和探測(cè)脈沖同向還是反向傳播，實(shí)驗(yàn)上都可以觀測(cè)到391.4nm的光放大信號(hào)；當(dāng)泵浦脈沖和探測(cè)脈沖在時(shí)域上完全分開(kāi)了，光放大信號(hào)依舊存在；光放大信號(hào)隨探測(cè)光功率呈線性變化關(guān)系。這些結(jié)論說(shuō)明391.4n

5、m光放大信號(hào)是由受激輻射機(jī)理產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)中我們還可以觀測(cè)到光放大信號(hào)隨著成絲長(zhǎng)度的增大而逐漸增強(qiáng)，這一特性在遙感控制領(lǐng)域以及遠(yuǎn)程大氣探測(cè)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。
　?。?）從理論上對(duì)飛秒激光脈沖在空氣成絲中產(chǎn)生的394.3nm的光放大信號(hào)進(jìn)行分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其產(chǎn)生的物理機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明394.3nm處的光放大信號(hào)是由四波混頻機(jī)制產(chǎn)生的。理由如下：首先，當(dāng)探測(cè)脈沖頻譜改變時(shí)放大信號(hào)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)發(fā)生變化，即通過(guò)調(diào)節(jié)相位匹配實(shí)現(xiàn)波