劉復(fù)麟

摘 要 高峰值功率飛秒激光脈沖在空氣中傳輸時(shí)，會(huì)形成一種長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其光學(xué)瑞利距離的結(jié)構(gòu)—光絲，人們習(xí)慣上稱之為飛秒激光成絲現(xiàn)象。對(duì)于研究飛秒激光成絲的特性，包括成絲的電子密度等對(duì)于光絲在激光成絲誘導(dǎo)閃電、空氣中水的凝聚及雪的形成、大氣遠(yuǎn)程探測(cè)等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用極其重要。本文總結(jié)了兩種主要的飛秒激光成絲的診斷方法，以及簡(jiǎn)述了其在幾個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)其診斷方法和應(yīng)用領(lǐng)域的概述，使人們能夠更加深入地了解和認(rèn)識(shí)飛秒激光成絲。

關(guān)鍵詞 飛秒激光成絲 密度診斷 電子密度

1理論概述

飛秒激光的脈沖寬度僅有幾飛秒或幾十飛秒，一飛秒為10-15秒，其峰值功率極高。如今，在空氣中傳輸?shù)母吖β曙w秒激光脈沖可形成遠(yuǎn)距離的等離子體細(xì)絲，激光束可傳輸十幾公里并產(chǎn)生超連續(xù)白光。超短超強(qiáng)脈沖激光在空氣中傳輸誘導(dǎo)的等離子體細(xì)絲內(nèi)部，峰值電子密度可達(dá)到10161018cm-3，峰值激光強(qiáng)度可達(dá)到10131014W/cm2，在此條件下，對(duì)細(xì)絲的直接測(cè)量是不可能的，必需依據(jù)細(xì)絲所表現(xiàn)出來(lái)的種種物理現(xiàn)象間接地進(jìn)行測(cè)量。本文例舉了兩種對(duì)于飛秒激光成絲的診斷方法，并對(duì)其在誘導(dǎo)閃電等領(lǐng)域中的應(yīng)用作了概述。

2飛秒激光成絲等離子體的診斷方法

等離子體診斷源自光學(xué)天文的觀測(cè)，是天體物理學(xué)和天體測(cè)量學(xué)的重要基礎(chǔ)。它對(duì)于激光等離子體等研究領(lǐng)域及其應(yīng)用具有重要的價(jià)值。尤其是對(duì)電子密度等物理參量的診斷對(duì)深入研究激光等離子體原理尤為重要。

2.1微波法診斷飛秒激光成絲等離子體

此方法是通過(guò)測(cè)量等離子體的截止頻率，從而推斷等離子體的內(nèi)部參數(shù)。將一束微波入射至等離子體，若微波頻率小于等離子體的截止頻率，那么微波將不能穿過(guò)等離子體。使用一個(gè)可連續(xù)調(diào)頻率的微波發(fā)生器發(fā)射微波入射至等離子體，在等離子體的另一側(cè)，也就是與微波發(fā)生器相對(duì)的位置，安裝一個(gè)接收器用來(lái)接收微波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)時(shí)，使用發(fā)生器發(fā)出微波，在接收器的一側(cè)觀察接收到的微波功率。調(diào)節(jié)微波發(fā)生器發(fā)射的微波頻率，直至接收器恰好接收不到微波信號(hào)為止。此時(shí)微波發(fā)生器發(fā)射的微波頻率即為等離子體的截止頻率。根據(jù)等離子體的截止頻率就可算得等離子體內(nèi)的電子密度。

2.2激光干涉法診斷飛秒激光成絲等離子體

此方法主要是通過(guò)得到電子密度的二維圖像來(lái)獲得其信息。在激光干涉儀裝置中，探測(cè)光被分成兩束，然后再合束得到其干涉條紋。由于等離子體的折射率正比于自由電子的密度，折射率的改變則等效于探測(cè)光光程的變化，并導(dǎo)致相位的漂移，相位的漂移可以通過(guò)探測(cè)光和參考光之間的干涉條紋變化確定。根據(jù)干涉儀中兩光束干涉條紋的變化就可以算得等離子體內(nèi)的電子密度。

3飛秒激光成絲的應(yīng)用

飛秒激光成絲在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，本文簡(jiǎn)單例舉了其在誘導(dǎo)閃電和大氣遠(yuǎn)程探測(cè)方面的應(yīng)用。

3.1激光誘導(dǎo)閃電

激光誘導(dǎo)閃電的原理為利用激光器電離空氣分子，在大地和帶電云層之間形成一條激光等離子體通道，進(jìn)而改變雷電的軌跡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)重要場(chǎng)所（如機(jī)場(chǎng)、核電站等）設(shè)備儀器的保護(hù)。采用飛秒激光脈沖誘導(dǎo)成絲的方法可在大氣中產(chǎn)生幾十至幾百米長(zhǎng)的等離子體通道，且其中心的自由電子密度可達(dá)1015cm-31018cm-3，與傳統(tǒng)的避雷針技術(shù)相結(jié)合，使得激光引雷在技術(shù)上成為可能。

3.2大氣遠(yuǎn)程探測(cè)

大氣遠(yuǎn)程探測(cè)技術(shù)對(duì)于當(dāng)前大氣污染監(jiān)測(cè)、溫室效應(yīng)、天氣預(yù)測(cè)、以及臭氧層問(wèn)題等有著非常重要的意義。傅利葉變換紅外光譜分析法（FTIR）以傅利葉光譜儀作為探測(cè)儀器，采用飛秒激光成絲所產(chǎn)生的超連續(xù)白光作為超連續(xù)輻射光源，同時(shí)測(cè)量較寬譜段范圍內(nèi)的吸收譜，這種方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體成分的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

4結(jié)語(yǔ)

本文介紹了微波法和激光干涉法診斷飛秒激光成絲等離子體的方法和原理，通過(guò)對(duì)成絲等離子體的診斷，可以更深入地研究其物理機(jī)制和應(yīng)用前景。利用飛秒激光誘導(dǎo)的成絲等離子體擁有獨(dú)特的光學(xué)特性，對(duì)激光引雷等多個(gè)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。

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