飞秒激光诱导水光学击穿过程的数值模拟和实验研究

摘要

飞秒脉冲激光技术在过去的十几年中的快速发展，不仅使飞秒脉冲激光应用在微纳加工、非线性显微成像、激光烧蚀推进等领域，而且使其在生物学和医学领域呈现出了广阔的应用前景。考虑到多数生物组织和体液的含水量平均达到百分之八十以上，因此对飞秒激光与水相互作用机制的研究成为许多科研工作者共同研究的对象。本文对单个飞秒激光脉冲诱导纯净水产生光学击穿的物理过程进行了理论和实验研究，论文的主要内容和结果如下：
　　 1．对脉冲显微数字全息术的记录和再现过程进行了理论分析并用其记录飞秒激光与纯净水相互作用过程中产生的实验现象。
　　 2．根据现有的飞秒激光在水中产生击穿的机制，并结合自由电子密度速率方程数值模拟了不同波长和脉冲宽度的激光在纯净水中产生击穿的阈值和击穿区域内自由电子密度的分布情况，分析了多光子电离和雪崩电离两种击穿机制在自由电子产生过程中的作用。
　　 3．采用脉冲显微数字全息术，对脉冲宽度为50fs、峰值功率为76MW的单个飞秒激光脉冲在纯净水中产生击穿的动态过程进行了全息记录，获得了一系列具有飞秒时间分辨的动态数字全息图；通过数字再现，获得了击穿区域内等离子体和冲击波的相位信息。
　　 4．通过从相位图中测量同一入射功率下冲击波不同位置处半径和离心率分别随时间的变化关系，我们认为等离子体中部产生的冲击波的传播机制类似于柱面波传播；等离子体两端产生的冲击波类似于球面波传播。此外我们还计算了冲击波的波速和压强分布，从获得的计算结果可以看出，等离子体中部产生的冲击波的压强大于由等离子体两端产生的冲击波的压强。
　　 5．在同一延迟时间下，增加泵浦激光峰值功率时，等离子体区域变长，冲击波波前整体趋近于柱面波；而降低激光峰值功率时，等离子体区域变短，冲击波波前更趋近于球面波。这充分说明了冲击波波前依赖于相应的等离子体区的长度。