超快强场激光在燃烧场中的传输特性和非线性光谱研究

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1、—————————————————————超快强场激光在燃烧场中的传输特性和非线性光谱研究—————————————————————Investigationsonthepropagationpropertiesandnonlinearspectroscopyofultrafastandultrastronglaserincombustionfields————————————作者姓名：李贺龙专业名称：微电子学与固体电子学研究方向：飞秒激光与物质相互作用指导教师：徐淮良教授学位类别：理学博士培养单位：电子科学与工程学院论文答辩日期：2016年6月5日授予学位日期：年月日答辩委员会组成：姓名职称

2、工作单位主席宁永强研究员中国科学院长春光学精密机械与物理研究所委员王作斌教授长春理工大学马东阁研究员中国科学院长春应用化学研究所孙强研究员中国科学院长春光学精密机械与物理研究所徐海阳教授东北师范大学未经本论文作者的书面授权，依法收存巧保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进巧任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学博：ｉ：（或硕ｄｔ）学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文

3、中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中明确方式标明■。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担？。学位论文作者签名；寺ｆｔ曰期：玉年＾月又曰摘要燃烧分析对于理解燃料燃烧反应机理，设计高效、绿色的燃烧系统极其重要。光学方法，特别是基于激光光谱的分析方法，因其具有实时、高灵敏度、无创探测能力，经常被应用于燃烧中间产物的分布的监测。但是大部分激光光谱技术由于受到探测种类对泵浦激光波长选择特性的限制，每次只能探测一种中间产物。本论文将飞秒激光成丝概念引入到燃烧科学领域，提出了一

4、种全新的燃烧诊断技术。飞秒激光在光学介质中传播时，因受到克尔自聚焦效应和等离子的散焦效应13142的共同作用，会产生成丝现象。光丝核区的激光强度可以达到10～10W/cm，在如此高的激光强度下分子可以同时吸收多个光子被激发至高激发态，发射特征荧光光谱。因而，原理上仅仅利用一台激光器就可以同时探测多种分子。本论文主要特色工作和创新成果如下：1.探讨了利用飞秒激光成丝进行燃烧分析的可行性，展示了光丝诱导非线性光谱技术可同时传感探测多种燃烧中间产物的能力。在激光传播的侧向方向测量了飞秒激光光丝与酒精灯火焰相互作用诱导的非线性光谱，同时发现多种被光丝激发的中间产物如C2、CH、OH、NH、CN和N2自

5、由基以及原子C和H等的“指纹”荧光光谱线；沿着火焰燃烧中心轴向调整光丝与火焰相互作用位置，测量了不同位置的火焰光丝诱导荧光光谱，发现随着与灯芯距离的增加，中间产物的荧光强度先增大再减小，这与扩散型火焰的中间产物的分布特征是吻合的。2.测量了飞秒激光在火焰内部成丝的阈值功率和钳制强度。通过观测激光焦点移动与入射激光功率的关系，获得了波长800nm，脉宽35fs的飞秒激光在火焰内部成丝的阈值功率，发现其数值大约是同等空气条件下的四分之一；利用飞秒激光光丝核区的高强度特性，在火焰内部插入一片金属箔片用光丝在箔片表面打孔，通过测量小孔的尺寸和透过小孔的激光能量，计算得到火焰内部飞秒激光光丝的钳制强度，

6、该值约为空气条件下的二分之一。3.在酒精灯火焰中观测到光丝诱导荧光自发辐射放大现象。后向收集光丝诱导火焰非线性荧光，发现随着激光能量的增加，来自于中间产物CN分子振动22跃迁BX在388nm处的荧光强度呈指数增加，而来自于中间产物C2分子Swan带在474nm处荧光强度呈线性增加；固定激光能量，调整火焰的位I置来改变光丝与火焰相互作用的长度，发现中间产物CN分子在388nm处荧光强度依然可以产生这种指数增加的行为。4.研究了光丝诱导火焰荧光机理。测量了火焰内部纳秒激光诱导击穿光谱及其火焰本身自发发射光谱，通过与飞秒激光光丝诱导火焰非线性光谱相比较，发现飞秒激光光丝诱导火焰荧光主要来源

7、于光丝对中间产物的直接激发作用而非来自于光丝对母体分子的解离效应。综上所述，我们研究了飞秒激光在火焰中的非线性传输特性，提出了一种全新的、可应用于燃烧分析的非线性光谱技术。我们发现火焰燃烧场中光丝诱导的非线性光谱包含丰富的燃烧中间产物信息，展示了该项技术用于燃烧分析的可行性；定量测量了飞秒激光光丝在火焰内部成丝的阈值功率以及光丝的钳制强度，深入理解飞秒激光光丝与火焰相互作用物理机理；展示了后向测量