关于飞秒激光脉冲在空气中成丝的研究-上海交通大学.PDF

关于飞秒激光脉冲在空气中成丝的研究 刘申奥、巢乃健、陆伟亮、李冬阳 上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室， 上海， 200240 摘 要：飞秒激光脉冲在大气中可实现超过光束瑞利长度很多倍的长距离传输，这是因为自 聚焦效应和电离空气后产生的等离子体带来的聚焦效应共同作用而达到的一种动态平衡，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。当激光的功率达到一定的阈值 时，飞秒激光在光学介质中传输会产生一种独特的非线性光学现象，即成丝现象。飞秒激光 脉冲在空气成丝，利用的就是这一原理。在这里，我们小组在该实验中着重对激光光谱图和 光丝长度测量进行了研究。 关键词：飞秒激光脉冲； 自聚焦； 激光光谱； 光丝 一、 引言 近年来，飞秒激光脉冲在大气中的非线性效应及成丝现象引起了研究者们的广泛关注， 飞秒激光成丝现象在激光引雷、微加工、光医疗、大气遥感等方面展现了广阔的应用前景， 让越来越多的研究者加入到对飞秒激光应用的研究领域中来。 自世界第一台激光器问世以来，激光在光学介质中的传输引起了人们广泛的兴趣。激光 在光学介质中传输的最基本物理机制是建立在科尔自聚焦效应上，在上个世纪 60 年代，就 开始有人对光束的自陷进行研究，随后，人们开始研究在介质中的激光。后来随着科技的发 展，科研人员对激光的研究变得越来越广泛，并将一部分研究成果应用到现实生活中来，给 人们的生活带来了很大的便利。 飞秒激光在空气中成丝利用的是激光的聚焦，当激光功率超过阈值后，就会在介质中形 成肉眼可以看到的亮线，我们称其为“光丝”，其本质是激光与等离子体相互作用的过程。 激光等离子体相互作用的本质是激光的强电场将空气分子电离，期间电子在不同能级之 间的跃迁会放射或吸收电磁波。如果某一物理过程在激光等离子体相互作用中大量发生，反 映在光谱上的表现就是一个特定波长处具有很高峰值的峰，这个波长是特征的，而峰与峰之 间峰值的比例就是对应物理过程发生的比重。例如波长 777nm 处的高峰，就是 N 原子的一级 电离峰，其峰值高，原因在于其一，此物理过程是空气电离的主要物理过程；其二，空气中 N 原子的比重最大。 光丝光谱中的每一个峰都对应一个物理过程，峰的大小说明该物理过程发生的比重大小， 峰越高，说明该物理过程在空气中发生的比重越大。本文主要涉及对激光光谱的研究分析以 及对测量光丝长度误差的分析 二、 实验装置 主要仪器设备 用途简介 主激光器 产生单脉冲能量 0.8mJ，中心波长 800nm,脉宽 70fs 的 Class IV 级激光， 是本实验使用的主激光。 平凸透镜 用于聚焦激光和收集信号 光纤光谱仪 用于测量光丝的发射光谱型号为 OceanOptics HR2000 或者 Avantes 显微物镜头 用于成像放大 CCD KOCA 工业级，用于对光丝进行成像 手动平移台 用于测量光丝的长度，使用千分尺读数 实验装置图如图一所示： 图一 三、 实验结果及分析 1、透镜焦距的测量 方法：如图二所示，将头顶上的日 光灯管发出的是视作平行光，手持透镜 在光学平台上方，调整到平台上出现日 光灯的清晰地像，则认为此时透镜到平 台的距离为透镜的焦距。  在第一次实验中，我们测的是短焦 镜的透镜，测得其焦距 f1=4.0cm 。  在第二次试验中，由于实验需要， 我们又测量了长透镜的焦距，测得其焦 距 f2=20cm 。  这样测透镜焦距虽然很便捷，不过 误差比较大。主要误差来源有：读数时 没有平视刻度尺；人为误判透镜焦点； 日光灯没有与透镜中心在同一竖直平 面内等。测透镜焦距最好的方法应该使 用专门测透镜焦距的设备测量，不过由 图二  于没有相关实验设备，且我们在该实验