第六章系列实验二飞秒激光空气成丝分析.PDFVIP

第六章 系列实验二：飞秒激光空气成丝 6.1. 飞秒激光空气成丝现象 飞秒激光空气成丝的现象是1995年美国Gerard Mourou小组研究人员首先在实验中发现 的[1]。通常激光在介质中（甚至真空）里传输，都会发生衍射，在传输一定距离后光束宽 度会变宽（比如对于光强是高斯分布并且相位面是平面的光束，光束宽度在传输一个特征长 度后增大为原来的 2倍，这个特征长度称为瑞利距离），光强应随之下降。然而，当他们 √ 采用峰值功率超过几个GW 的飞秒激光脉冲工作中发现，当激光经过远距离的传播时反而更 容易损伤反射镜。同时，他们还发现这样的飞秒激光脉冲在大气中传输能够形成长达几十米 的光通道，它的内核直径在100微米量级，因此把它称为光丝。进一步研究表明当激光功率 超过一定的阈值时，飞秒激光在介质中（如空气、水、光学玻璃等）传输会都会产生飞秒激 光成丝（Femtosecond laser filament ）这种独特的非线性光学现象。飞秒激光成丝现象包含了 丰富的非线性效应，感兴趣的同学可以查阅相关文献综述[2, 3]，也产生了广泛的应用，比 如通过飞秒激光长距离成丝可以实现大气污染的远程检测[4]、激光诱导击穿光谱[5] 、激光 引雷放电[6]等。 在系列实验二中我们重点考察飞秒激光在空气中的成丝现象，目前普遍认同的物理图像 是：由于飞秒激光脉冲自聚焦效应和电离空气后产生的等离子体带来的散焦效应共同作用 最终达到一种动态平衡， 使得飞秒激光脉冲在空气中形成较长的、稳定的激光通道。 飞秒激光在空气中传输时，即使不外加透镜，由于空气的光克尔效应也能发生自聚焦现 象[7, 8]。所谓光克尔效应是指空气的折射率随入射光强而变化，此时空气折射率随激光强 度变化的分布为： ∆ 其中n 为空气的折射率，n0为线性折射率；∆ 是由克尔效应引起的非线性折 射率，I为激光强度，n 为非线性折射率系数（折射率随光强的变化系数），对于空气n 0 。 2 2 一般光斑中心光强较强，空气折射率相应较大；而边缘的光强较弱，折射率相应较小；因此 光束中心的折射率要高于边缘部分， 此时空气对入射光束呈现正透镜效果（图一a ），使光 束的波面发生了弯曲。 1 图一 飞秒激光成丝原理示意图（摘自[2]） a. 光克尔效应导致的光束自聚焦示意图 b. 等离子体导致的光束散焦示意图 当激光的功率超过空气中的自聚焦阈值功率 Pcr (一般为几个 GW)时，光束就会发生自聚 焦现象。随着光束宽度的减小，激光强度增强，当光强达到 1013-1014W/cm2 时会导致空气的 电离，从而产生大量的低密度等离子体。等离子体的存在将降低介质的折射率： 2 ∆ 其中 ω 为激光脉冲的中心频率，e 和 m 分