气体介质中飞秒光丝现象的数值研究

摘要

飞秒强激光气体传输时产生的一系列线性和非线性效应在现实中有许多潜在应用，例如超连续谱激光探测与测量、高电压放电控制与引导闪电、产生单光学周期脉冲与高次谐波。正因为这些诱人的潜在应用，飞秒强激光气体传输才成为热门的研究课题。到目前为止，共有两种物理模型来描述飞秒强激光的传输，一种是九十年代就开始应用的经典模型，另一种是2010年之后才提出的包含高阶克尔效应的完整模型。经典模型认为飞秒强激光传输产生的光丝是由克尔自聚焦和等离子体散焦达到动态平衡形成的，而完整模型则认为飞秒光丝是克尔自聚焦和高阶克尔散焦达到动态平衡的产物，等离子体的作用可以忽略。本论文采用此两种模型，研究了飞秒强激光气体传输五个方面的内容。
　　自V.Loriot等人测量了800nm波长激光的空气介质主要成分的高阶非线性折射率之后，高阶克尔效应成为研究热点。P.Béjot等人提出了包含高阶克尔效应的完整模型，认为无论是聚焦过程还是散焦过程，克尔效应都处于主导地位，这意味着自导过程不一定依赖等离子体。随后关于经典模型和完整模型谁占主导地位进行了大量的研究，但是没有统一的结论。采用两种模型模拟飞秒强激光在空气介质中的传输，选取相同的初始参量，模拟结果显示经典模型峰值光强最大模拟值要比完整模型的峰值光强最大值高两倍，而完整模型模拟出的光丝长度约为经典模型的两倍。两种模型的激光光强在光丝横截面上的时空分布也不相同。
　　由于实验条件限制，最新测得的含有高阶克尔项的非线性折射率存在大约10％的上下浮动范围，非线性折射率会影响飞秒光丝的成丝特性，采用四组不同的折射率通过完整模型来研究其影响。峰值光强和轴上电子密度随着折射率值的减小都是递减的，而且折射率值越小，递减的趋势就越慢，光丝通道的长度和半径尺寸随折射率的增加都是减小的。经过分析光束传输到不同位置的光强时空分布得出，非线性折射率不同，所产生的光强时空分布差别也较大。
　　飞秒强激光波长从紫外区域覆盖到红外区域，不同颜色的激光在气体中传输会产生不同的光丝。到目前为止，只测量了波长为800 nm激光对应的主要空气成分--氮气、氧气和氨气的高阶非线性折射率，所以研究不同颜色激光成丝特性只能采用经典模型。同时由于惰性气体是单原子气体，没有拉曼散射也没有分子气体中分子缔合与分子碎裂等效应，因此选取氩气为传输介质。通过固定入射激光的能量和入射峰值功率与自聚焦临界功率比值来研究三种不同颜色的激光在氩气介质中的成丝现象。相同条件下，短波长的激光脉冲在氩气中传输时产生的峰值光强高，电子密度大。短波长的飞秒强激光脉冲形成的光丝通道不仅细长而且稳定，更重要的是，光束半径内能量与总能量比值起伏较小，有利于长距离传输。
　　飞秒强激光气体传输时，电子密度的时空分布是变化的。电子密度主要由四种效应来决定，它们是光电离效应、雪崩电离效应、电子粘附效应和电子复合效应。大多数的数值模拟都考虑了光电离效应，但是考虑雪崩电离效应、电子粘附效应和电子复合效应的比较少，尤其是后两种效应，多数学者都将之省略了。入射激光的时间脉宽范围从10fs至300 fs，电子粘附效应和复合效应应该会有所差别，更重要的是，在高压环境中粘附效应和复合效应的作用还比较重要。本文应用完整模型分别在氩气介质和空气介质中研究了不同气体压强和入射激光脉宽条件下产生的电子密度对飞秒光丝的影响。在氩气介质和空气介质中，考虑压强因素时，上述后三种效应的影响都是从初始的基本为零迅速增长，最后达到稳定。在后三种效应中，雪崩电离的影响强度要比电子粘附效应和电子复合效应的强度稍微高一些。空气介质中的电子密度值对压强这一因素不如氩气中的电子密度值对此因素敏感，在两种介质中，高压环境的模拟需要考虑此三种效应。至于入射激光脉宽这一因素，尽管覆盖了10fs至300 fs这么大的范围，但是后三种效应对飞秒光丝的影响还是特别小，可以忽略不计。
　　在标准大气压环境中，不少学者使用经典模型和含有高阶克尔效应的完整模型研究了飞秒强激光的成丝现象;在多变气压环境中，以往学者主要采用经典模型。本文采用完整模型与经典模型相对比的方法，研究不同压强环境和延迟克尔效应对飞秒成丝现象的影响。结果显示，压强对飞秒强激光传输产生的影响很大。最重要的数值结果就是，对两种模型来说，飞秒光丝长度与压强成反比关系、光丝半径与压强平方根成反比关系，同时，随着压强增加，光丝所含能量会减少。压强尤其对脉宽较短的激光脉冲影响严重，甚至在脉宽很短时就不会产生光丝。另一方面，在0.5倍标准大气压至4倍标准大气压范围内，完整模型模拟的光丝长度为经典模型模拟值的两倍，这可以用来区分高阶克尔效应和等离子体散焦效应谁起主导作用。无论是完整模型还是经典模型，延迟克尔效应都没有改变光强箝位，只改变光强箝位出现的位置，即推迟了飞秒光丝的起始位置，但是并没有改变光丝的长度和横向尺寸。延迟克尔效应还降低了电子密度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 飞秒强激光简述

1．2 强激光脉冲气体传输的应用

1．2．1 超连续谱激光探测与测量

1．2．2 大气建模与饱和度测量

1．2．3 高电压放电控制与引导闪电

1．2．4 产生单光学周期脉冲和高次谐波

1．2．5 太赫兹辐射

1．3 飞秒激光传输研究的发展历程

1．4 Teramobile——首个移动的飞秒太瓦级激光系统

1．5 论文的主要工作和研究内容

第2章 飞秒强激光传输理论

2．1 飞秒强激光非线性传输性质

2．2 光丝的属性

2．3 超短强激光成丝现象的模型概况

2．4 本章小结

第3章 飞秒强激光气体传输的物理模型和算法

3．1 飞秒强激光气体传输的物理模型

3．1．1 传输方程

3．1．2 电子密度方程

3．2 飞秒强激光气体传输的算法

3．3 数值模拟的计算速度和稳定性讨论

3．4 本章小结

第4章 经典模型和完整模型之争

4．1 争论起源

4．2 数值模拟

4．3 本章小结

第5章 非线性折射率不确定性对飞秒光丝的影响

5．1 非线性折射率的选取

5．2 结果分析

5．5 本章小结

第6章 不同颜色激光的成丝

6．1 模型及参数选取

6．2 结果分析

6．2．1 激光初始能量相同

6．2．2 固定激光的入射功率与自聚焦临界功率比值

6．3 本章小结

第7章 电子密度对成丝的影响

7．1 四种电子密度效应和模型选择

7．2 氩气介质的结果分析

7．2．1 压强因素

7．2．2 脉宽因素

7．3 空气介质的结果分析

7．3．1 压强因素

7．3．2 脉宽因素

7．4 本章小结

第8章 压强和延迟克尔效应对成丝的影响

8．1 压强的影响

8．1．1 完整模型分析

8．1．2 经典模型分析

8．1．3 光丝尺寸与压强关系

8．1．4 其他讨论

8．2 延迟克尔效应

8．3 本章小结

第9章 总结与展望

9．1 工作总结

9．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文