湍流对飞秒涡旋激光成丝的影响研究.pdf

目录

摘要I

AbstractIII

第一章绪论1

1.1研究背景及意义1

1.2国内外研究现状及发展动态2

1.2.1湍流影响飞秒激光成丝2

1.2.2涡旋激光的优势4

1.3本论文的研究意义及主要内容5

第二章空气湍流对飞秒涡旋激光成丝及超连续辐射的影响研究7

2.1实验思路及装置7

2.1.1湍流强度的测量7

2.1.2实验装置搭建8

2.2飞秒激光细丝的横向波动——指向稳定性9

2.3飞秒激光细丝的纵向波动12

2.3.1成丝起始、终止位置12

2.3.2最大光强值14

2.4飞秒激光细丝的超连续辐射15

2.5本章小结17

第三章水湍流对飞秒涡旋激光成丝及超连续辐射的影响研究19

3.1实验思路及装置19

3.1.1水湍流强度的计算19

3.1.2实验装置搭建20

3.2飞秒激光细丝的横向波动21

3.3飞秒激光成丝的纵向波动23

3.3.1成丝起始、最大光强位置23

3.3.2最大光强值24

3.4飞秒激光细丝的超连续辐射25

3.5本章小结26

第四章空气湍流强度对飞秒激光成丝演化的影响研究29

4.1实验思路及装置29

4.2900µJ和440µJ输入能量的激光成丝演化30

4.2.1成丝起始位置30

4.2.2最大光强值31

4.3本章小结32

第五章总结及展望35

5.1本文主要工作与创新点35

5.2工作展望36

参考文献37

附录攻读硕士学位期间发表的论文、参加会议及获奖情况49

致谢51

摘要

随着超短超强激光脉冲技术的高速发展，G.Mourou教授团队在1995年发现高功率

飞秒激光在空气中可以形成自导引传输的等离子体细丝，从此开创了飞秒激光成丝领域。

经过近三十年的发展，飞秒激光成丝已经在激光雷达、激光引雷、激光诱导空气波导、空

气激光、太赫兹辐射等多个领域得到了广泛应用。然而，在激光束的远距离传输方面仍受

到自然界湍流现象的影响，如光束漂移、闪烁及光斑畸变等。人们尝试了各种方法减小湍

流带来的不利影响，例如通过调控光束自身的相位结构产生携带螺旋相位波前和确定轨道

角动量的涡旋光束，将大大提升光束在湍流中的传输质量。但是，在激光成丝领域，具有

相位奇点的飞秒涡旋激光成丝相比于传统飞秒高斯激光是否具备抗湍流特性，该方面的研

究在国际上未有相关的报道。因此本论文系统研究了湍流对飞秒涡旋脉冲与高斯脉冲在空

气和水中成丝的影响，重点从成丝演化、光强以及超连续谱等方面研究激光成丝特性。此

外，本论文研究了当湍流位于或靠近成丝区域时激光成丝受湍流的影响，并与湍流位于自

聚焦区域时比较。主要工作内容如下：

1、我们使用电加热板装置产生局部空气湍流，导致空气折射率发生变化，测量了不同

温度的加热板产生的湍流强度；测量并分析了在各种湍流条件下不同拓扑荷数的飞秒涡旋

脉冲成丝的指向稳定性、起点、终点、强度，以及超连续谱的截止波长和转换效率。结果

表明，在不同湍流条件下，成丝的横向、纵向位置、强度和超连续谱的截止波长和转换效

率都所有波动，与高斯激光脉冲有着相同的演化特征。在湍流位于自聚焦区域时激光成丝

的波动程度显著增加，而当湍流靠近或位于成丝区域时成丝的波动很小。然而，在所有湍

流条件下，涡旋激光脉冲成丝的波动程度都比高斯激光脉冲小得多。因此，飞秒涡旋脉冲

的成丝受空气湍流的影响小于高斯脉冲，我们认为这归因于涡旋光束其特殊的螺旋状相位

结构。