飞秒激光在空气中的传输特性及相关研究(2)
1.1飞秒激光简介 2
1.2 飞秒激光在空气中的传输简介 2
1.3飞秒激光成丝的发展史 3
1.4飞秒激光成丝的潜在应用 4
1.4.1诱导闪电 4
1.4.2 激光雷达 4
1.4.3大气污染物探测 5
1.4.4人工降雨 6
1.5小结 6
2.飞秒激光成丝理论概述 6
2.1自聚焦 7
2.2自相位调制 7
2.3飞秒激光的衍射 8
2.4群速色散 8
2.5等离子体散焦 8
2.6自陡峭 9
2.7周期性重聚焦 10
2.8飞秒激光成丝的机制 10
2.8.1移动焦点模型 10
2.8.2自导引模型 11
2.8.3空间动态补偿模型 12
2.9小结 12
3强场飞秒激光在空气中传输模型的推导及光强仿真 13
3.1传输模型的推导 13
3.2相对光强仿真 15
3.3小结 17
4.总结与展望 18
致谢 19
参考文献 20
0.绪论
20世纪60年代第一台激光器诞生，之后研究人员对于激光的研究就朝着脉宽更短、强度更强、峰值功率更大的方向迈进。80年代飞秒激光诞生，激光研究进入到一个新的阶段。由于飞秒激光相对于以前的纳秒激光脉冲更短，与物质相互作用时产生了许多新的物理现象和效应。飞秒激光在空气中传输时会引起高阶非线性克尔效应，使激光束聚焦，同时聚焦的光束又会使空气介质电离产生等离子体引发散焦效应。两种效应的动态平衡会使激光产生显著的光丝现象。飞秒激光的一系列特性使飞秒激光在很多领域有应用价值，工业加工上可以进行焊接和切割，通信上可以进行信息传输，医疗上可以用于治疗近视。
自1961年我国第一台激光器在长春光机所诞生以来，我国对激光的研究经历了几十年的发展。作为一项高新技术，我国对飞秒激光的研究也非常重视。在西安光机所设有国家重点实验室用于研究飞秒激光。中科院物理所自主研发了极光系列的飞秒激光系统，研究了飞秒激光成丝通道内光丝间的相互作用。上海光机所通过钛宝石激光器对飞秒激光进行研究，提出了延长等离子体通道的多个理论。此外其他的一些科研院所以及高校都设有实验室进行飞秒激光的研究。
在激光器诞生后不久，超短激光在空气中传输时所引发的成丝现象就被研究人员观察到。在当时激光脉冲的尺度主要是纳秒量级，相对于光与物质相互作用的时间，纳秒还是要更长些，成丝现象容易被掩盖掉。1974年E.P.Ippen等人[1]通过碰撞锁模在染料激光器中获得了第一束飞秒激光，激光进入飞秒时代。1995年Braun等人[2]发现了飞秒激光在空气中传播了20m，这一发现改变了以往认为超短脉冲激光无法长距离传输的观点。
在发现飞秒激光能够长距离传输后，研究人员投入到了增加成丝长度的研究中，到目前为止成丝的长度已经达到了千米量级。除了研究如何增加成丝的长度，研究人员还提出了多种理论来控制成丝，比如啁啾脉冲成丝、环形丝波导等。研究中发现如果增大激光脉冲的初始功率，成丝的数量将会变多。同时在成丝的过程当中，等离子体的强吸收作用会使成丝中心区域形成一个高温区，并且在实验中发现随着激光的传输，中心区的温度下降的很快，研究人员分析是传输中等离子体数量减少所致。
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