空气中飞秒激光等离子体丝的激光干涉测量研究

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1、学号：S15010027硕士学位论文空气中飞秒激光等离子体丝的激光干涉测量研究研究生姓名：刘复麟学科、专业：物理学二○一八年六月分类号：O437.5密级：可公开UDC：编号：空气中飞秒激光等离子体丝的激光干涉测量研究STUDYONLASERINTERFEROMETRICMEASUREMENTOFFEMTOSECONDFILAMENTATIONINAIR学位授予单位及代码：长春理工大学（10186）学科专业名称及代码：物理学（070200）研究方向：原子分子与电磁场相互作用申请学位级别：硕士指导教师：郝

2、作强教授张兰芝讲师研究生：刘复麟论文起止时间：2016.12—2018.4摘要高峰值功率飞秒激光脉冲在空气中传输时，会形成一种长度远远超过其光学瑞利距离的结构—光丝，人们习惯上称之为飞秒激光成丝现象。飞秒激光成丝以及它所表现出的多种非线性效应无论是对基础物理研究，还是对激光成丝诱导闪电、空气中水的凝聚及雪的形成、大气污染物分析等众多领域都有着极其重要的价值。因此，对于研究飞秒激光成丝的特性，包括成丝电子密度、成丝大小及长度等对于光丝在上述各方面的应用极其重要。本论文基于马赫-曾德激光干涉原理，利用搭建

3、的马赫-曾德激光干涉诊断系统对飞秒激光成丝等离子体的时空分布进行了测量研究，获得了高质量的阴影图及干涉图。通过调节探测光的延迟，获得了激光成丝的电离波前速度。利用二维快速傅利叶变换、相位解缠等方法对马赫-曾德干涉图进行了处理，获得了相移分布及电子密度分布，研究了电子密度随延迟时间的变化规律。首先，对三种紧聚焦诱导的成丝等离子体进行了测量研究，获得了其在不同时间延迟的阴影图，分析了成丝等离子体内相互作用的机制，探讨了飞秒激光诱导成丝等离子体的传输过程。结果表明，成丝等离子体的长度随着聚焦焦距的增大呈指数

4、增长，且可改变透镜焦距调控成丝的长度。对三种紧聚焦诱导的成丝等离子体的长度进行了指数拟合并对其电离波前速度进行了测定。然后，通过搭建的马赫-曾德激光干涉诊断系统，首次利用飞秒激光作为干涉光源对飞秒激光成丝等离子体进行了诊断研究，获得了紧聚焦诱导的成丝等离子体在不同延迟时间的干涉图，观察到了干涉条纹有明显的弯曲。利用二维快速傅利叶变换及相位解缠等方法从干涉图中提取出相移分布图及电子密度图。结果表明，经f=75mm聚焦诱导的成丝等离子体的电子密度达到了7×1018cm-3量级，随着延迟时间的增加，相移及电

5、子密度都将随之减小，并发现了等离子体中心位置的相移形成了凹槽状分布。与f=100mm聚焦的情况相比，f=75mm聚焦诱导成丝等离子体电子密度在成丝初期下降得更为迅速。以f=100mm聚焦诱导成丝时，电子密度整体较低，约为3.5×1018cm-3量级。经f=100mm聚焦诱导的成丝等离子体的相移及电子密度的变化趋势与f=75mm聚焦的情况基本一致。由于等离子体的高速膨胀，在等离子体周围都发现了相移的正向突变。通过电子密度的存在区域，估算出f=75mm与f=100mm两种聚焦诱导的成丝等离子体的直径分别约

6、为110μm和90μm。关键词：飞秒激光成丝电离波前干涉诊断电子密度ABSTRACTHighpeakpowerfemtosecondlaserpulsesinair,willformaopticalstructurewhichhasalengthmorethanitsRayleighdistance–filamentation.Filamentationanditsvarietyofnonlineareffectshownbothinbasicphysics,orfilamentationinduce

7、dlightning,condensationofwaterintheairandtheformationofsnow,analysisofairpollutantsmanyfieldshaveextremelyimportantvalue.Therefore,forthecharacteristicsoffemtosecondlaserfilamentation,includingplasmaelectrondensity,sizeandlengthofcorediameterisveryimpor

8、tanttotheapplicationofthefilamentintheabove-mentionedfields.Inthispaper,theMach-Zehnderlaserinterferencemethodisusedtomeasurethespace-timedistributionoffilamentation,andhighqualityshadowandinterferogramisobtained.Theionizationwav