空氣中飛秒激光等離子體絲特性及其若干應用研究.pdf

1、強飛秒激光脈沖在空氣中傳輸時產(chǎn)生的自引導細絲及其伴隨的其它非線性現(xiàn)象已經(jīng)得到各國科學家的極大關(guān)注。迄今為止，人們已對飛秒激光成絲的基本物理特性開展了廣泛的研究，正在積極探索其在各個領(lǐng)域的應用。這些應用主要包括細絲誘導高壓放電實現(xiàn)閃電控制、無線電能傳輸及射頻能定向傳導、細絲誘導形成表面周期性結(jié)構(gòu)、激光細絲微加工、遠程細絲誘導擊穿光譜對元素含量的分析以及激光誘導水凝聚實現(xiàn)人工降雨等。由于飛秒激光在空氣中等離子細絲形成的物理過程極其復雜，以及

2、其在一些領(lǐng)域的應用研究還處于初步階段，因此，對于空氣中飛秒激光等離子體絲及其應用研究還有許多基礎(chǔ)物理問題需要進一步澄清。
　　為了進一步加深對等離子體絲及其應用物理基礎(chǔ)的理解，并更好地拓展細絲的應用，本論文針對空氣中飛秒激光成絲特性及其一些應用的熱點問題開展了相應的研究工作，主要內(nèi)容包括等離子體細絲的特性研究、以及細絲在誘導高壓放電和形成材料表面結(jié)構(gòu)方面的一些應用研究。
　　本論文首先對超短光脈沖在透明介質(zhì)中的傳輸機理進行了

3、理論分析，并采用聲學測量、熒光探測、電學測量等幾種方法對空氣中飛秒激光等離子體細絲的特性進行了系統(tǒng)的研究。在細絲聲學測量方面，對不同聚焦條件和脈沖能量下細絲聲音強度的空間演化進行了研究。結(jié)果表明細絲長度除與脈沖能量相關(guān)外，還強烈依賴于光束聚焦條件。對不同聚焦條件下細絲熒光輻射譜的研究結(jié)果表明，在緊聚焦情況下光譜主要由連續(xù)譜和原子譜組成；在弱聚焦情況下光譜主要由分子和分子離子譜組成，在620-830nm波段范圍觀測到氮分子第一正帶系和紅外

4、余輝帶系的轉(zhuǎn)動能級躍遷譜帶。進一步細絲模式的研究結(jié)果表明：單絲傳輸較穩(wěn)定，而多絲情況下除了主絲較穩(wěn)定外其它細絲非常不穩(wěn)定。本文還對飛秒激光等離子體單絲和多絲的電阻進行了對比研究。結(jié)果表明：在飛秒激光能量為2mJ的條件下，單絲的最低電阻約在300kΩ/cm左右，在飛秒激光能量為30mJ條件下，多絲的最低電阻在50kΩ/cm左右，單絲電阻明顯大于多絲電阻。
　　在對飛秒激光等離子體細絲特性研究的基礎(chǔ)上，本文還開展等離子體細絲應用的初步

5、研究。一方面，對飛秒激光等離子體絲誘導高壓放電及其機理進行了研究。在5mJ脈沖能量下，細絲誘導4cm間隙電極的高壓放電閾值較自發(fā)放電情況下電壓降幅達45％。對不同脈沖能量下細絲誘導高壓放電的空間分辨測量結(jié)果顯示，多絲誘導高壓放電能力并不優(yōu)于單絲。進一步對細絲引導放電路徑進行的成像研究結(jié)果顯示，細絲(無論單絲還是多絲)引導高壓放電幾乎總是沿單一路徑發(fā)展(多絲的情況下沿單個細絲導通，有時發(fā)生從一個細絲跳到另一個細絲的現(xiàn)象)。通過對細絲誘導高

6、壓放電閾值空間分布的研究，可得到細絲的起始和終止位置，并判斷飛秒激光束的自聚焦、散焦和再聚焦等效應。進一步，通過對細絲的電阻和誘導高壓放電閾值之間關(guān)系的研究表明：單絲的電阻值與放電閾值沿激光脈沖傳播方向的變化趨勢具有很好的一致性；而多絲時其電阻與放電閾值的變化趨勢存在較大差異。這些結(jié)果對細絲在誘導高壓放電以及閃電控制等方面的應用具有一定的指導意義。
　　另一方面，本文還開展了細絲誘導K8、K9玻璃等材料表面微納結(jié)構(gòu)的應用研究。采用

7、光學顯微鏡及臺階儀對飛秒激光等離子體絲燒蝕材料表面所形成的結(jié)構(gòu)進行了分析。材料表面的環(huán)形燒蝕結(jié)構(gòu)反映了細絲本身的結(jié)構(gòu)特點(即細絲的環(huán)形空間能流分布)。進一步用掃描電子顯微鏡對樣品表面形貌的分析發(fā)現(xiàn)，在細絲燒蝕區(qū)域出現(xiàn)了一些新的由細絲作用而引起的特有結(jié)構(gòu)。在K8玻璃表面作用區(qū)的裂紋處出現(xiàn)了近激光波長的周期性結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)的形成與裂紋的取向有關(guān)，當裂紋取向與激光偏振方向趨向垂直時，更有利于此周期性結(jié)構(gòu)的形成。另外，我們還在樣品表面發(fā)現(xiàn)了隨機