飞秒激光成丝诱导荧光空间分布特性研究进展

光丝内部的超高钳制光强可诱导大气中的原子、分子等发生隧道电离或多光子电离,并辐射指纹荧光谱。得益于其在复杂大气环境中能够远距离传输的特点,飞秒激光成丝在大气远程探测方面具有广阔的应用前景。光丝诱导物质荧光的空间分布特性与成丝过程中激光、等离子体等参数密切相关,对于理解光丝内物理过程及调控光丝、提升远程探测信噪比等具有重要意义。综述了光丝诱导荧光在侧向、背向及前向三个重要方位的空间分布的研究进展,详细讨论了基于侧向分布表征光丝内光强及等离子体分布的方法,以及实验条件对荧光空间分布的影响,并对放大自发辐射现象及前向、背向远场空间分布的研究进展进行了介绍。最后对飞秒激光成丝诱导荧光空间分布的研究趋势进行了展望。     

白光激光雷达的发展与应用

飞秒激光脉冲在空气中传输时产生独特的成丝现象,伴随着波长从紫外到中红外的超连续光谱辐射。高强度的光丝能继续与物质发生强烈的非线性相互作用,诱导多光子荧光和等离子体光谱等非线性光谱辐射。白光激光雷达以飞秒激光脉冲大气传输特性为基础,能提供多种遥感探测方法。文章阐述了飞秒激光脉冲成丝机理与白光激光雷达系统结构特点,介绍了国内外主要白光激光雷达的性能特点、白光激光雷达的主要探测方法与应用情况,最后分析了白光激光雷达的发展趋势。     

面向遥感应用的飞秒激光脉冲超长距离传输的研究进展

强飞秒激光在空气中传输时,其传输距离会远远超越衍射极限,产生高强度光丝和低密度等离子体,并伴随超连续白光的辐射,这为远距离遥感探测大气污染物提供了一种有效的技术途径。面向天基遥感应用,概述了强飞秒激光长距离传输的研究进展,包括光丝传输的基本研究方法、产生长距离光丝的方法、调控光丝特性的手段以及飞秒激光光丝超长距离的传输,并对光丝在大气遥感应用中的优越特性和需要解决的基础科学问题进行了总结。     

飞秒激光成丝诱导形成水凝物的机理研究进展

近些年,飞秒激光成丝诸多非线性效应及其潜在应用逐渐成为超短脉冲激光领域研究的重要方向之一。飞秒激光成丝诱导水汽凝结、降雪和破碎冰晶二次增长等方面的探索研究,为人类寻找主动控制天气的新技术指明了方向,具有重要的科学意义和应用前景。首先,重点分析梳理了飞秒激光成丝诱导形成水凝物的观测和机理研究进展;然后,讨论了飞秒激光诱导水凝物形成机理研究中尚待解决的关键科学问题,以及对该领域未来发展方向做了展望。     

飞秒激光成丝过程中的太赫兹波超光速传输现象研究

通过使用太赫兹(Terahertz,THz)时域光谱系统,探测从不同长度飞秒激光光丝辐射出的THz脉冲,观察到THz波在飞秒激光成丝过程中超光速传输的实验现象。进一步的分析表明:THz波在等离子体光丝区域的折射率小于其在空气中的折射率,这是使得THz波能够在成丝过程中超光速传输的主要原因。由此可以推测:THz脉冲极有可能是在等离子体光丝中进行导引传输的。最后,通过数值模拟获得了光丝区域内的THz本征模式,从而验证了上述推测。     

飞秒激光脉冲在混合气体介质中传输特性研究

围绕飞秒激光脉冲在混合气体介质中的成丝特性展开理论研究。通过数值求解非线性薛定谔传输方程,对比了不同气体介质中所形成光丝特征。研究结果表明,通过在氮气介质中掺入少量的惰性气体,可以实现对光丝内部光强、等离子体密度以及光强的时域演化特征进行调控。这一方法相比于传统方案,即通过调控入射激光脉冲参数或聚焦条件从而调控光丝特性,克服了对泵浦脉冲性能指标参数以及实验光路的依赖。该方法有望在飞秒激光诱导的非线性光谱研究领域得到更为广泛地应用。     

激光脉宽和偏振效应对飞秒光丝诱导燃烧中间产物荧光光谱的影响

聚焦激光脉宽和偏振对飞秒光丝诱导燃烧场中间产物荧光光谱的影响,通过改变激光脉宽、偏振状态,观测了燃烧中间产物如OH、CH、CN、C_2分子和C原子的荧光光谱变化。结果发现:随着激光脉宽和偏振椭圆率增大,各组分荧光信号强度减小,这是因为光丝内激光钳制强度及等离子的密度与激光脉宽、偏振密切相关,进而导致多光子激发燃烧中间产物的信号随之变化。     

双色平面激光诱导荧光瞬态燃烧场测温实验

在复杂的燃烧流场等试验研究中,平面激光诱导荧光技术（PLIF）被用于特定气体分子浓度分布、火焰构造和温度分布的测量。基于双色激光诱导荧光测温原理,设计了双激发PLIF 系统,选取两条合适的OH 自由基激励线,定量测量了甲烷-空气预混火焰的二维瞬态温度场分布。实验中,通过对两个激光脉冲功率和激光轮廓分布监控以及双ICCD 成像的空间位置校正,提高了测量的精细程度。给出了测量结果,并与稳态燃烧场火焰的热电偶测量结果进行了对比,不确定度优于5%,这种二维瞬态测温技术能够满足超声速燃烧诊断中的应用。     

利用光丝诱导荧光光谱测量单质碘升华过程

利用飞秒激光大气成丝高强激光诱导荧光非线性光谱对碘单质升华过程进行了研究。研究结果发现飞秒光丝可诱导升华到空气中的碘分子产生清晰特征荧光谱。通过监测碘分子在341.6nm(D→X~1Σ_g~+跃迁)处的荧光谱线,利用时间分辨测量方法观察到碘分子荧光强度随着加热温度以及测量位置与固态碘样品距离的变化而明显变化,展示了光丝诱导荧光光谱技术应用于物态变化规律探索的可行性。     

飞秒激光光丝电学特性实验及模型分析

飞秒激光在高压放电、电场测量等领域中有广阔的应用前景，准确测量飞秒激光的相关电学参数是各领域中飞秒激光应用的前提。基于激光电学特性实验得到了光丝通道在恒定电场下的电流特征，通过电路仿真得出了实验电路的等效元件参数，并通过仿真结果与实验条件联立的方法逆推得出以下结论：对于飞秒激光经过辅助聚焦后形成的光丝，其在实验电路中的等效电阻随光丝传播距离的增加呈现先减小后增大的变化趋势。2.7 mJ飞秒激光光丝在通过5 m焦距透镜后，贯穿2.5 cm放电间隙。在这个过程中，当光丝传播距离为473.6～501.6 cm时，等效电阻为457.5～9122.5 kΩ。所提分析方法能够表征具体激光能量和聚焦距离下的飞秒激光光丝的电学特性，研究结果为飞秒激光在高电压领域中的应用提供了参数支持。     

双波长波片导致的脉冲分离对双色场辐射太赫兹波的影响

由于群速度的偏振依赖性,飞秒激光脉冲入射到双波长波片时出射光脉冲会分离为两个具有一定时间延迟的飞秒激光脉冲。从实验和理论模拟两方面研究了双波长波片导致的脉冲分离现象对飞秒激光双色场成丝辐射太赫兹(THz)波效率的影响。实验结果表明,脉冲分离导致的时间延迟会降低双色场辐射THz波的效率,可通过零级双波长波片缩短分离脉冲之间的时间延迟,有效提高THz波的产生效率。     

Energy transmittance of focused femtosecond pulses at different air pressures

Transmission of intense femtosecond laser pulses in air is accompanied by energy depletion. By measuring the transmitted spectra of the focused femtosecond pulses in air, we study the influence of air pressure and initial pulse energy on the spectra around the central wavelength (800 nm) after the interaction of the focused femtosecond laser with air. On this basis, the energy transmittance of the central wavelength of the femtosecond pulses is obtained. It is found that as the air pressure is lower than 1 kPa, the transmitted spectra of focused femtosecond pulses change with the pressure, but there is almost no energy depletion, while as the air pressure is higher than 1 kPa, femtosecond filamentation occurs and the energy transmittance of the central wavelength of the femtosecond pulses decreases with the increase of air pressure and pulse energy. According to the different regimes (i.e., nonfilamentation, and filamentation regimes), we discuss the effect of energy conversion and transfer on the energy transmittance. This work can help to understand the energy depletion during the transmission of ultrashort intense laser pulses in air and provide a guidance for the practical applications of femtosecond filamentation.     

飞秒激光脉冲在大气中的光丝现象及其应用

分析了飞秒激光脉冲在大气中传输时光丝的形成机理。克尔效应引起的光束自聚焦与多光子电离产生的等离子体散焦作用共同导致光丝的形成和长距离传输。讨论了光丝长距离传输特性在超宽带激光雷达和激光引导闪电等方面的潜在应用。     

紫外飞秒激光的脉宽测量方法

相对于近红外波段的飞秒激光脉冲，紫外波段的飞秒脉冲由于具有单光子能量高、聚焦特性好、电离率高和成丝阈值低等优点，在高功率密度光场的产生、等离子体光物理等领域有着越来越广阔的应用前景，成为激光技术的研究热点。随着紫外飞秒激光技术的发展，传统的脉宽测量方法不能满足需求。指出了紫外飞秒激光脉宽测量研究的主要进展，讨论了目前可用于紫外飞秒激光脉宽的测量方法，主要有双光子荧光测量法、互相关法、简并四波混频法、多光子电离法，介绍了相关测量原理与特点。在此基础上，对紫外飞秒激光脉宽测量技术研究前景进行了展望。     

基于整形飞秒激光脉冲泵浦光电导天线的宽带太赫兹辐射研究

飞秒激光脉冲泵浦光电导天线可以产生宽带太赫兹脉冲辐射。采用具有缓慢上升-快速下降整形脉冲包络的飞秒激光脉冲与光电导天线作用产生宽带太赫兹辐射,基于Drude-Lorentz模型计算了太赫兹辐射的规律,并讨论了激光脉冲脉宽和半导体载流子寿命对太赫兹辐射产生的影响。研究结果表明,尽管这种整形飞秒激光脉冲的能量有所损失,但是这种泵浦方式能够比普通飞秒激光脉冲泵浦光电导天线产生更宽的太赫兹辐射。该结果为实验上基于光电导天线产生宽带太赫兹脉冲辐射提供了新的思路     

超短脉冲激光微孔加工(上)——理论研究

自20世纪60年代激光器被发明以来,其脉冲宽度被不断压缩至亚皮秒及飞秒量级,使得激光加工技术进入到了超短脉冲阶段。为了进一步优化超短脉冲激光的微加工,理论研究必不可少。主要论述了超短脉冲激光与不同类型材料之间的相互作用机制。简述了超短脉冲激光微孔加工中的典型物理特性,如等离子体效应、自聚焦和光丝效应及锥形辐射等。分析了超短脉冲激光微孔加工的理论研究现状,并得出了目前理论研究中存在的问题。     

强飞秒激光大气传输成丝特性研究

基于对强飞秒激光大气传输的非线性薛定谔方程的变分法,模拟研究飞秒激光大气传输成丝特性.研究了在是否考虑多光子吸收损耗的情况下,激光成丝状态的演化。研究表明：多光子吸收损耗会破坏自聚焦与等离子体散焦之间的动态平衡,进而引起成丝的不稳定性;在不同的入射功率下,成丝的起点位置会发生移动;在实验室条件下,Pin大于等于3Pcr 时才可能形成多次聚焦成丝传输。在继续增加激光入射功率时,光束因强烈聚焦发生崩塌而成多丝结构。     

飞秒激光直写透明光学材料光波导的研究进展

综述了飞秒激光直写光波导的加工过程和表征方法、可直写形成光波导的不同透明光学材料以及直写光波导应用的进展。总结了飞秒激光直写引起的折射率变化与材料有关,同时还依赖于加工的脉冲能量、脉冲宽度、偏振以及扫描速度等。指出飞秒激光微加工在光子器件领域的有很好的应用前景。