飞秒激光脉冲在空气中传输成丝的演化过程
激光成丝原理
激光成丝原理
激光成丝的原理主要基于超快激光通过聚焦头聚焦获得具有高峰值功率密度的微米级光束。
当光束作用在玻璃材料上时，光束中心光强度比边缘低，使得材料中心折射率比边缘变化大，光束中心传播速度比边缘慢，光束出现非线性光学克尔效应来产生自聚焦（波前聚焦），继续提升功率密度，直到达到某个能量阈值，材料产生低密度等离子体，降低材料中心折射率，实现光束散焦。
这种散焦现象在材料中形成微米级的丝孔，这种丝孔在玻璃中能延展几毫米的深度。
飞秒激光原理
飞秒激光原理飞秒激光原理飞秒激光是一种特殊的激光，它的脉冲宽度非常短，仅为飞秒级别（1飞秒=10^-15秒），因此被称为飞秒激光。
飞秒激光具有很多独特的性质，如高峰值功率、高能量密度、高光束质量等，因此在许多领域都有广泛的应用，如材料加工、医学、生物学、光学通信等。
飞秒激光的原理是利用激光器产生的激光束，通过一系列光学元件将其聚焦到极小的点上，使得光束的能量密度达到极高的水平，从而实现对物质的高精度加工或探测。
下面我们将详细介绍飞秒激光的原理。
1. 飞秒激光的产生飞秒激光的产生需要使用飞秒激光器。
飞秒激光器通常采用固体激光器或光纤激光器作为泵浦源，通过一系列光学元件将泵浦光聚焦到激光介质中，使其产生激光。
激光介质通常是一种具有高增益、高非线性和高饱和吸收的材料，如钛宝石晶体、掺铒光纤等。
飞秒激光的产生需要满足一定的条件，如高增益、高非线性和高饱和吸收等。
这些条件可以通过选择合适的激光介质和调整泵浦光的参数来实现。
例如，可以通过增加泵浦光的功率和缩短脉冲宽度来提高激光介质的增益和非线性，从而产生更短的飞秒激光。
2. 飞秒激光的特性飞秒激光具有很多独特的特性，如高峰值功率、高能量密度、高光束质量等。
这些特性使得飞秒激光在许多领域都有广泛的应用。
高峰值功率：飞秒激光的脉冲宽度非常短，通常只有几十飞秒或更短，因此其峰值功率非常高，可以达到数十兆瓦甚至更高的水平。
这种高峰值功率可以用来实现高精度的材料加工或探测。
高能量密度：由于飞秒激光的脉冲宽度非常短，因此其能量密度非常高，可以达到数十焦耳/立方厘米甚至更高的水平。
这种高能量密度可以用来实现高精度的材料加工或探测。
高光束质量：飞秒激光的光束质量非常高，通常可以达到M2<1.2的水平。
这种高光束质量可以用来实现高精度的材料加工或探测。
3. 飞秒激光的应用飞秒激光在许多领域都有广泛的应用，如材料加工、医学、生物学、光学通信等。
材料加工：飞秒激光可以用来实现高精度的材料加工，如微加工、纳米加工、超精密加工等。
飞秒激光脉冲的发展及其应用
飞秒激光脉冲的发展及其应用飞秒激光脉冲的发展及其应用飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。
飞秒脉冲时域宽度是如此的短，目前已经达到了4fs以内。
1飞秒（fs） ,即10-15s ,仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已；飞秒脉冲又是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大（CPA）技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦（TW，即1012W）甚至拍瓦（PW，即1015W）量级，其聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。
飞秒激光完全是人类创造的奇迹。
近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，以及后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，虽然说脉冲宽度和能量的记录在不断刷新，但最大进展莫过于获得超飞秒脉冲变得轻而易举了。
桑迪亚国家实验室的R.Trebino说:“过去10年中,（超快）技术已有显著改善, 钛蓝宝石激光器和现在的光纤激光器正在使这种(飞秒) 激光器的运转变得简洁和稳定。
这种激光器现在人们已可买到, 而10年前, 你却必须自己建立。
”比如，著名的飞秒激光系统生产商美国Clark-MXR公司将产生高功率飞秒脉冲的所有部件全部集成到一个箱子里，采用掺铒光纤飞秒激光器作为种子源，加上无需调整（NO Tweak）的特殊设计，形成了世界上独一无二，超稳定、超紧凑的CPA2000系列钛宝石啁啾脉冲放大系统。
这种商品化的系统不需要飞秒专家来操作，完全可以广泛应用于科研和工业上的许多领域里。
根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。
它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。
飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。
它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。
大气湍流中的激光传输
n( p,T , ) 1 77.6(1 7.52 103 2 )( p / T ) 106
折射率结构常数Cn2: 描述折射率湍流强度的系数
强湍流 弱湍流 中等湍流
Cn2>2.5x10-13 Cn2<6.4x10-17 2.5x10-13>Cn2>6.4x10-17
近地面的大气湍流状态会随着地面状况和天气而有所变化。
大气湍流的成因
·
▶热力原因：地面的太阳加热使暖空气热泡 上升，形成湍涡。
▶动力原因：地面对气流的摩擦拖 曳力产生风切变，常常演变为湍流。
光波在大气中传播所呈现的一切性质的改变来源于空气折射率的影响，且 由于湍流介质的随机性和复杂性，我们都必须研究大气湍流折射率的问题。 在光学波段范围内，对流层（高度<17km）中大气的空气折射率可用下式 描述：
大气湍流中的激光传输
xXXXXXXXXX
背景和意义
由于激光特有的高强度、高单色性、高相干性、高方向性等 诸多特性，因此在激光通信中有着容量更大、波束更窄、增益 更高、抗干扰性更强和保密性更好等优点。 近年来，激光的近地应用，如激光通讯、激光测距、激光制导、 激光雷达等，已得到了很好的发展。
但大气湍流引起的折射率随机起伏导致激光束光场的随机变 化，严重限制了不同近地激光工程系统的使用性能。
4径或面积的变化。湍流大气中传 播的激光光斑在时刻漂移着，如果 我们长时间观测（或观察光斑的长 曝光照片），因光斑漂移引起的累 加效果会形成比瞬时光斑（短曝光 光斑）大得多的弥散斑，这通常称 为长时扩展。而湍流大气的影响也 会使激光束的瞬时光斑扩大，通常 称为短时扩展。
谢谢大家！
大气湍流对激光传输的影响
2
相位起伏和到达角起伏
超短超强激光脉冲在空气中长距离传输的研究进展
第１ ４卷
第２ 期
强
激 光
与 粒
子
束
Ｖ ｏ｝ Ｎ ｏ． ．１ ４． ２ Ｍ ａ ．， ０ ｒ ２０ ２
２０ ０ ２年 ３月
・
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯΒιβλιοθήκη Ｗ ＥＲ ＩＡ ＳＥＲ ＡＮ Ｄ ＰＡ ＲＴ Ｉ Ｇ ＣＩＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ
Ｂ ａｎ ， ｂ ｅｉｇ 】Ｂｏ ｅｒ ｒｕ Ｎｉｂｒ 口 ，ｒｄｕ口等人 在 实验 中观察 到 ， 强飞秒 激 光脉 冲在 空气 中传 输 时所 形成 的具 Ｅ ｎ 超
有 高 光强 且只 在 局部 存在 的非线 性成 丝 可以传 输 到超过 脉 冲光 束所 对应 的 Ｒ ｙｅ ｈ距 离 的范 围 ， ， ａ ｌｉ ｇ 即 几 十米 到几 百米 另据 德 国的一个科 研 小组在 １ ９ ９ ７年 的报 道ｎ ， 们 在实 验上首 次观察 到 了＋ ］他 用一束 峰 值 功率 为 ２ 、 宽为 １ ０ｓ 中心波 长 为 ７ ０ ｍ 的激光脉 冲 在大气 中垂 直穿越 了 １ ｋ （ ＴＷ 脉 １ ｆ、 ９ｎ ２ ｍ 实验脉 冲的 光 腰 宽是 ６ｍ， ｃ 相应 的 Ｒ ｙｅ ｈ距离 大 约是 １ｋ ， 此 时激 光在空 气 中发生 自聚焦所 需 的临界 功率 ａ ｌｇ ｉ ２ ｍ） 而 仅为 ２ＧＷ ， 是实 验时激 光脉 冲峰值 功率 的千分之一 。 这些令 人 既惊 讶 又兴奋 的实验结 果促 使人们 开 始 思 考利用 已有 的 自聚焦理 论 ， 在此 基础 上进行 恰 当 的修 正 以建 立起 能够解 释 这些 新 的现 象 的理 论模 并
收 藕 日期 Ｉ ０ １ ｉ － ８ 修 订 日期 ：０ １ ｌ — ９ ０一 ０２ ｝ ２ ２ ０ － ｌ ｌ
基 金项 目 ： 国家 自然 科学 基 金重 点 项 目 （９ ８８ １ ‘ ６ ７ ９ ０ ） 国家 ８ ３计划 项 目 ； 东 省 自然 科 学 基 金重 点 项 日 （７ ８ ２ ； 东省 自然 科 学 ６ 广 ９０４）广 基 金 团 矾 项 目【 ００ ０ ）霍 英 东 基金 ； ２０ ３ ６ ｝ 国家 教 育 部 骨 干教 师基 金 的 资 助 。 作者筒 介： 郭 弘 （９ ９） 男 ｒ博士 后 ， 授 ， 士 生 导 师 ． 广 东 省跨 世 纪人 才 工 程 省 级 学 科 带 头人 ． 东 省 大 。 秀 青 年 科学 １６一 ， 教 博 广 优 家 ”第 九 届 中 华 全 国青 年 联 合台 委 员 获 得 罾家 教 育 部科 技 进 步 三等 奘 等奖 项 。已在 目 内 外 棱 心 学术 期 刊上 发表 学 术 ｒ 论文近 ６ Ｏ篇 ｝ｇ ｏ ｅ ｕ ｃ ｈ ｕ ＠ｓ ｄ ｎ
飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中传输特性的研究
飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中传输特性的研究一、本文概述随着科技的飞速发展，光子晶体光纤作为一种新型的光传输介质，以其独特的结构特性和优越的光学性能，在信息传输、光通信、光信号处理等领域展现出巨大的应用潜力。
近年来，飞秒激光脉冲技术的兴起，为光子晶体光纤的研究和应用带来了新的机遇。
本文旨在探讨飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的传输特性，以期为实现更高效、更稳定的光通信和光信号处理提供理论支持和实验依据。
本文首先将对飞秒激光脉冲和光子晶体光纤的基本概念、特性及其相互作用机理进行详细介绍。
随后，将重点分析飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的传输特性，包括脉冲形状、脉冲展宽、色散特性、非线性效应等方面。
通过理论分析和实验验证，探讨飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中传输的动态过程及其影响因素。
本文还将对飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的应用前景进行展望，以期为相关领域的研究和发展提供有益的参考。
二、飞秒激光脉冲与光子晶体光纤概述飞秒激光脉冲是一种超短脉冲激光技术，其脉冲宽度在飞秒（10^-15秒）量级，具有极高的峰值功率和极短的脉冲持续时间。
由于其独特的性质，飞秒激光脉冲在材料处理、光学成像、光谱学以及非线性光学等领域具有广泛的应用。
在光纤通信和光纤传感领域，飞秒激光脉冲的研究和应用也受到了广泛的关注，尤其是在光子晶体光纤中的传输特性，更是当前研究的热点之一。
光子晶体光纤，又称为微结构光纤或空心光纤，是一种具有周期性折射率分布的新型光纤。
其内部由空气孔和硅基材料交替排列构成，形成类似晶体的结构，因此得名。
光子晶体光纤具有许多独特的性质，如大模场面积、低色散、高非线性等，使其在光通信、光传感、光子器件等领域具有广阔的应用前景。
飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的传输特性研究，对于深入理解光子晶体光纤的传输机制，探索新型光子器件，提高光纤通信系统的性能等方面具有重要意义。
本文将重点探讨飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的传输特性，包括脉冲形状、能量分布、色散、非线性效应等方面的影响，以期为进一步推动光子晶体光纤和飞秒激光脉冲的应用提供理论基础和实践指导。
利用飞秒激光成丝对丁烷燃烧进行诊断
中文摘要中文摘要利用飞秒激光成丝对丁烷燃烧进行诊断飞秒激光在非线性介质中传输时，当克尔自聚焦和等离子散焦达到动态平衡时，就会形成等离子体细丝。
在成丝过程中会发生诸多非线性效应，是研究者关注的焦点。
因飞秒激光成丝时光强极高，足以将空气分子激发到高激发态，而处于高激发态的分子再次返回基态时，就会发射特征荧光，近年来，它逐渐成为科学界研究的热点课题。
本论文将飞秒激光成丝应用到燃烧科学领域，提出了一种新的燃烧诊断技术，即飞秒激光成丝诱导荧光光谱技术，这项技术能够实现对多种燃烧中间产物的同时探测。
在遥感以及提高燃料能量转化效率等方面都具有很大的实用价值。
我们对飞秒激光脉冲作用于丁烷火焰成丝时产生的后向散射的荧光进行了在火焰中的空间分布探测，发现多种燃烧中间产物CN、CH、C2以及N2、N+2呈现出极大的差异，这一差异主要取决于气体温度（密度）的空间分布，同时，在丁烷燃烧过程中发生的一系列反应也会对其产生一定的影响。
飞秒激光成丝诱导荧光技术不仅可以用于探测燃烧过程中的中间产物，实现对燃烧过程的诊断，还可以对空气中含有的可燃气体成分进行检测。
关键词：飞秒激光成丝，非线性特性，光丝诱导荧光，燃烧诊断。
AbstractThe combustion diagnosis of butane/air flame via femtosecondlaser filamentationDuring the transmission of femtosecond laser pulses in nonlinear media, plasma filaments will be formed when the Kerr self-focusing and the plasma defocusing reach a dynamic balance. At the same time, There are many nonlinear effects in filamentation process,which has become the focus of researchers. The laser intensity is strong enough to stimulate the molecules in air during the filamentation formation process, and it will emit characteristic fluorescence when the excited state molecules jump to ground state. In recent years, it has gradually become a hot research topic in the field of science. In this paper, filament-induced fluorescence technique, a new combustion diagnostic technique based on femtosecond laser filaments have been applied to the combustion field, and it can realize simultaneous detection of various combustion intermediates. It is of great practical value for reducing the emission of atmospheric pollutants (such as CO, CN, NO, etc.), remote sensing and improve the efficiency of energy conversion.The femtosecond filament-induced backward fluorescence in thebutane/air flame is investigated in this paper. It is found that the spatial distributions of combustion intermediates (CN, CH and C2), nitrogen molecules and nitrogen molecular ions in the flame show great difference, which is mainly determined by the spatial distribution of gas temperature (density), and also affected by the reactions. Furthermore, we demonstrate that filament-induced fluorescence technique can not only sense the combustion intermediates, but also detect combustible gas with trace amounts in air.Keywords: femtosecond laser filamentation, nonlinear properties, filament-induced fluorescence , combustion diagnosis.目录中文摘要 (I)Abstract (II)目录 (IV)第一章绪论 (1)1.1飞秒激光成丝概述 (1)1.1.1飞秒激光简介 (1)1.1.2 飞秒激光成丝及其发展 (3)1.2几种激光燃烧诊断技术 (5)1.2.1激光诱导荧光（LIF）技术 (5)1.2.2 激光诱导击穿光谱（LIBS）技术 (6)1.3本章小结 (9)第二章飞秒激光成丝的相关理论及应用 (10)2.1飞秒激光成丝的物理机制 (10)2.2飞秒激光成丝过程中发生的现象 (12)2.2.1衍射和色散 (12)2.2.2多光子电离和隧穿电离 (13)2.2.3强度钳制 (14)2.2.4飞秒激光成丝诱导荧光发射 (15)2.3飞秒激光成丝的应用 (16)2.3.1大气环境污染物的远程探测 (17)2.3.2人工降雨与降雪 (18)2.3.3激光引雷 (19)2.4本章小结 (20)第三章利用飞秒激光成丝诱导荧光对丁烷燃烧过程进行诊断 (21)3.1燃烧诊断概述 (21)3.2实验装置 (25)3.3结果与分析 (26)3.4本章小结 (35)第四章总结 (36)参考文献 (37)作者简介及硕士期间发表的文章 (45)致谢 (46)第一章绪论超短超强脉冲激光技术的创新发展与应用，在现代科学中俨然已经成为一个非常重要的科研领域，也是世界各国在科研领域中竞争的焦点之一。
飞秒激光脉冲共振传播研究
飞秒激光脉冲共振传播研究摘要：通过近似求解麦克斯韦-布洛赫方程，研究了激光脉冲在4,4’-二甲氨基二苯乙烯分子材料中的共振传播，探讨了激光脉冲的时空演化情况，重点分析了介质与激光脉冲的相互作用导致的脉冲分裂、延迟以及峰值的放大。
关键词：时空演化旋波近似偶极近似麦克斯韦-布洛赫方程激光与物质的相互作用一直是人们感兴趣的课题，在实际中有广泛的应用。
自20世纪80年代后期以来，超短光脉冲的产生及放大技术得到了迅速发展。
超快、超高强度的飞秒脉冲的出现使得量子系统(如原子、分子)在与其的相互作用过程中，在不被电离的条件下承受着极强的光场辐射，从而产生了许多不同于纳秒、皮秒时域的非线性光学效应，为物理、化学、生物学和材料等学科领域提供了广阔的发展前景。
因此，超短脉冲激光与原子和分子的相互作用引起了人们的广泛关注。
当激光脉冲在材料中传播时，由于激光与介质的相互作用，激光脉冲的形状和传播速度将会产生明显的改变。
这种激光脉冲的改变会带来明显的物理效应，如自感应透明效应，脉冲的分裂、延迟以及峰值的放大等。
在实验测量中，测量的结果反映了激光与物质相互作用后的情况。
因此，为了解释实验结果，需要研究激光和介质相互作用的动力学过程。
一、超短激光脉冲概述及相关应用超短脉冲激光技术，当前达到的水平大体如下：固体激光器直接产生的脉冲宽度已缩小到5fs（1fs=10-15s），经压缩的最短脉冲为4fs；出现了用半导体激光器（LD）泵浦的全固体化飞秒激光器，使飞秒激光器体积更小、工作更稳定、寿命更长、使用更方便；开放了多种激光介质和放大介质；发展了宽调谐的飞秒激光系参量振荡（OPO）及参量放大（OPA），扩宽了飞秒激光的波长可调谐范围，从而获得了相干可调谐的已进入水窗范围的X射线。
目前飞秒激光技术发展趋势是：向更短的脉宽迈进。
如试图获得Ti:Sapphire的3fs的极限脉宽；寻求新的介质、机理和技术，向阿秒时域迈进；发展半导体激光器（LD）泵浦的全固体飞秒激光器，包括飞秒光纤激光器和高功率的系统。