飞秒激光在空气中的传输特性及相关研究(3)
1.飞秒激光成丝现象及成丝应用
1.1飞秒激光简介
1917年爱因斯坦首次提出“受激辐射”理论，时隔43年第一台激光器诞生。物质是由原子等微观粒子组成，原子一般都处于稳定的状态，即基态。当有光照射该物质时，处于基态的原子会吸收光子，从基态跃迁到激发态。但处于激发态的原子并不稳定，经过极短的时间又会从激发态返回到基态，同时释放出与照射光有相同性质的光子，这样光就被放大。
不同于普通光源，激光的亮度极高，能量密度极大，并且激光还有单色性好、相干性好的特点。基于激光器的这些特点，自从20世纪60年代发明了第一台红宝石激光器后，激光开始运用到许多的领域，经过几十年的发展现在已经在机械、医疗、通信等产业中形成了广泛的应用。
飞秒激光的脉宽非常的短，相对于纳秒激光，持续的时间更短，瞬时功率更高，与物质的相互作用更快。飞秒激光诞生于20世纪80年代，通过碰撞锁模染料激光器研究人员获得了第一束飞秒激光。随后有关飞秒激光的理论也逐步发展起来。D.E.Spence等人在1983年提出了自锁模理论[3]。P.N.Kea等人则在1989年提出了附加脉冲锁模技术[4]。1991年D.E.Spence的研究组又在原有的理论基础上，用固体激光器获取了飞秒激光，使用的增益介质是掺有钛的蓝宝石。固体激光器与之前的染料激光器相比有更高的峰值功率，更长的调谐范围，结构也更加牢固稳定。随后研究人员又获取了一系列脉冲更短，功率更高的飞秒激光束。
飞秒激光相比之前的激光在功率、调谐范围、能量等方面更具优势，所以也有更广阔的应用。在机械加工领域，利用飞秒激光高峰值功率的特点进行切割、打孔。在医疗领域，利用飞秒激光精确定向和定位特性治疗眼睛近视。在通信领域，利用飞秒激光抗电磁干扰的特性传输信号。在环境保护领域，利用飞秒激光自相位调制特性监测大气污染物。在国防领域，利用飞秒激光定向性以及散发大量热辐射的特点制造激光武器。
1.2 飞秒激光在空气中的传输简介
光束自聚焦现象的研究在第一台激光器诞生之后就逐步开展起来了，自聚焦现象在当时引起了科研工作者们极大的兴趣。在当时脉冲激光尺度主要还是在皮秒纳秒量级，尽管皮秒纳秒尺度的激光已经非常短，但对于光与物质作用的时间来说还是大了很多，因而无法观察到激光成丝的现象。随着激光技术的不断发展，现在激光的脉宽已达到了飞秒量级，甚至是阿秒量级。飞秒激光不同于皮秒纳秒激光，其与空气作用的时间非常短，更容易观察到激光成丝现象。1995年Braun等人[2]在实验中意外发现飞秒激光在空气中传输一段距离后并没有减弱而且还有所增强，这种现象就是飞秒激光成丝现象。研究人员对这一现象产生的原因进行了探究，后来发现飞秒激光在空气中传输会产生非线性自聚焦效应，之后飞秒激光还会受到等离子体散焦的影响。这两种效应会在某一时刻达到动态平衡，随后飞秒激光会在一段时间内进行传输，形成成丝现象。随着技术的进一步提高，飞秒激光传输的距离也在增加，到达了几十米，甚至是百米千米。下图1.1[5]就是飞秒激光成丝的图像。
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