空氣中飛秒激光等離子體絲特性及其若干應(yīng)用研究.pdf

1、強(qiáng)飛秒激光脈沖在空氣中傳輸時(shí)產(chǎn)生的自引導(dǎo)細(xì)絲及其伴隨的其它非線性現(xiàn)象已經(jīng)得到各國(guó)科學(xué)家的極大關(guān)注。迄今為止，人們已對(duì)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(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。這些應(yīng)用主要包括細(xì)絲誘導(dǎo)高壓放電實(shí)現(xiàn)閃電控制、無線電能傳輸及射頻能定向傳導(dǎo)、細(xì)絲誘導(dǎo)形成表面周期性結(jié)構(gòu)、激光細(xì)絲微加工、遠(yuǎn)程細(xì)絲誘導(dǎo)擊穿光譜對(duì)元素含量的分析以及激光誘導(dǎo)水凝聚實(shí)現(xiàn)人工降雨等。由于飛秒激光在空氣中等離子細(xì)絲形成的物理過程極其復(fù)雜，以及

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

3、理論分析，并采用聲學(xué)測(cè)量、熒光探測(cè)、電學(xué)測(cè)量等幾種方法對(duì)空氣中飛秒激光等離子體細(xì)絲的特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。在細(xì)絲聲學(xué)測(cè)量方面，對(duì)不同聚焦條件和脈沖能量下細(xì)絲聲音強(qiáng)度的空間演化進(jìn)行了研究。結(jié)果表明細(xì)絲長(zhǎng)度除與脈沖能量相關(guān)外，還強(qiáng)烈依賴于光束聚焦條件。對(duì)不同聚焦條件下細(xì)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(cè)到氮分子第一正帶系和紅外

4、余輝帶系的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷譜帶。進(jìn)一步細(xì)絲模式的研究結(jié)果表明：?jiǎn)谓z傳輸較穩(wěn)定，而多絲情況下除了主絲較穩(wěn)定外其它細(xì)絲非常不穩(wěn)定。本文還對(duì)飛秒激光等離子體單絲和多絲的電阻進(jìn)行了對(duì)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(duì)飛秒激光等離子體細(xì)絲特性研究的基礎(chǔ)上，本文還開展等離子體細(xì)絲應(yīng)用的初步

5、研究。一方面，對(duì)飛秒激光等離子體絲誘導(dǎo)高壓放電及其機(jī)理進(jìn)行了研究。在5mJ脈沖能量下，細(xì)絲誘導(dǎo)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(dá)45％。對(duì)不同脈沖能量下細(xì)絲誘導(dǎo)高壓放電的空間分辨測(cè)量結(jié)果顯示，多絲誘導(dǎo)高壓放電能力并不優(yōu)于單絲。進(jìn)一步對(duì)細(xì)絲引導(dǎo)放電路徑進(jìn)行的成像研究結(jié)果顯示，細(xì)絲(無論單絲還是多絲)引導(dǎo)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(gè)細(xì)絲導(dǎo)通，有時(shí)發(fā)生從一個(gè)細(xì)絲跳到另一個(gè)細(xì)絲的現(xiàn)象)。通過對(duì)細(xì)絲誘導(dǎo)高

6、壓放電閾值空間分布的研究，可得到細(xì)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(yīng)。進(jìn)一步，通過對(duì)細(xì)絲的電阻和誘導(dǎo)高壓放電閾值之間關(guān)系的研究表明：?jiǎn)谓z的電阻值與放電閾值沿激光脈沖傳播方向的變化趨勢(shì)具有很好的一致性；而多絲時(shí)其電阻與放電閾值的變化趨勢(shì)存在較大差異。這些結(jié)果對(duì)細(xì)絲在誘導(dǎo)高壓放電以及閃電控制等方面的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
　　另一方面，本文還開展了細(xì)絲誘導(dǎo)K8、K9玻璃等材料表面微納結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究。采用

7、光學(xué)顯微鏡及臺(tái)階儀對(duì)飛秒激光等離子體絲燒蝕材料表面所形成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。材料表面的環(huán)形燒蝕結(jié)構(gòu)反映了細(xì)絲本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(即細(xì)絲的環(huán)形空間能流分布)。進(jìn)一步用掃描電子顯微鏡對(duì)樣品表面形貌的分析發(fā)現(xiàn)，在細(xì)絲燒蝕區(qū)域出現(xiàn)了一些新的由細(xì)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(zhǎng)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(dāng)裂紋取向與激光偏振方向趨向垂直時(shí)，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(jī)