飞秒激光成丝现象的简单研究.pdf

飞秒激光成丝现象的简单研究 张宇 韩吕鲁 汪景云 许汪洋 （上海交通大学物理系，上海 200240 ） 摘要：本文利用 Class IV 级激光器产生的飞秒激光在空气中聚焦成丝，通过 CCD 采集光丝图 像并进行定标，根据像素与实际长度的线性关系推测光丝长度；用光纤光谱仪采集光丝光谱并 对谱线进行分析。实验结果表明，测得的光丝的实际长度和理论计算有一定的差距，其中如何 选择光丝的端点对结果影响非常大；丝的光谱由连续谱线部分和一些特征谱组成，我们重点分 析了与特征谱对应的物理过程。最后我们对实验方法进行拓展，理论上尝试了非定标法来直接 测量光丝长度。 关键词：飞秒激光，等离子体，成丝现象，光谱 简化的实验光路如图1所示，通过组合伺服镜 1 引言 引出飞秒激光，使之通过一个焦距约21cm 的凸透 飞秒激光脉冲在空气介质中传输时，由于自聚 镜，然后就能直接观察到成丝现象。 [1] 焦效应 和电离空气后产生的等离子体带来的散 焦效应共同作用而达到一种动杰平衡， 使得飞秒 激光脉冲在空气中形成很长的、较为稳定的激光通 道，这就是成丝现象。这种现象本身以及它表现出 的各种非线性效应对于基础物理研究、遥感、激光 诱导闪电、大气污染物分析、激光诱导电离光谱、 生物技术等领域都具有极其重要的价值。 目前国内外已对飞秒激光的应用进行了广泛 的研究。人们已经利用长细丝产生的超强连续白光 对大气污染和大气层气溶胶进行成份分析[2] ；在透 明的石英玻璃上聚焦飞秒激光实现材料改性制作 三维存储器[3] ；利用飞秒激光对不透明材料如金 [4] 图1：CCD拍摄光丝及光纤光谱仪探测光谱的实验搭建 属、陶瓷进行深孔加工和切割 ，利用细丝的导电 特性进行激光诱导闪电[5] ；对细丝中高次谐波的产 实验中，我们通过组合CCD和凸透镜，使光 生进行研究，发展波长为紫外和 X 射线波段的相 丝在CCD中呈现清晰地像，并进行拍摄。然后挡 [6] 干光源 ；将近红外飞秒激光技术应用于生物成像 住激光，把标识卡放在光丝的大致位置处，再进行 [7] 领域 。因为近红外飞秒激光对细胞的穿透深度 仔细调整标示卡的位置，使得表示卡上的刻度能在 深，并且聚焦处附近的热影响非常小，对邻近细胞 CCD上呈现清晰地像，并且确保刻度的像位置和 几乎没有损坏。本实验中我们对激光成丝现象进行 光丝的像位置大致在电脑屏幕的同一位置处。后面 了研究，主要测量了光丝的长度并对光丝光谱进行 我们将会根据比例关系间接算出光丝的长度，将它 了简单的分析，最后我们讨论了一种测量光丝的备 与理论计算作了比较，并就偏差的原因作了讨论。 用方案。 另外，我们利用一个焦距为厘米量级的透镜将光丝 的像耦合到光纤中，利用光纤光谱仪测量光丝光 2 实验部分 谱。然后我们通过偏振片改变入射激光的能量，采 1 集了6个不同能量所对应的光谱。其中我们可能用 3.2 实验测量 到的实验仪器如表1所示。 下图为用 CCD 拍摄的光丝图像。 实验仪器 用途简介