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1、中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn第57卷第1期2008年1月物理学报Vol.57,No.1,January,2008100023290P2008P57(01)P0354204ACTAPHYSICASINICAn2008Chin.Phys.Soc.飞秒激光激发空气电离的阈值研究•王晓雷张楠赵友博李智磊翟宏琛朱晓农(南开大学现代光学研究所,天津300071)(光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300071)(2007年1月18日收到;2007年4月21日收到修改稿)报道在脉宽50
2、fs—22ps,波长800nm脉冲激光作用下的空气电离阈值的研究结果.利用探测等离子体发光信号的方法,实验测量了激发空气电离所需的阈值激光强度.结果表明,当激光脉冲宽度从50fs增加到22ps时,阈值142132光强Ith从87×10Wcm下降到27×10Wcm;Ith经历了由迅速降低逐渐发展为缓慢降低的过程.在50fs—1ps和1ps—22ps的脉宽区间,分别利用基于多光子电离和多光子电离引发的碰撞电离的理论模型的计算结果和实验结果基本一致.关键词:飞秒激光,阈值,多光子电离,碰撞电离PACC:5250,4
3、280W,4265J强度.在通常环境下,空气中碰撞电离发生的时间大[23]1引言概是1ps,因此当脉宽小于1ps时,电离区域的自由电子主要由多光子电离产生.随着脉宽的增加,多强激光激发气体电离和击穿的过程是一个复杂光子电离的作用逐渐减弱,碰撞电离作用逐渐增强.的非线性过程.在过去40多年的时间里,许多科学在此过程中,多光子电离产生的电子成为“启动”碰工作者对此进行了大量的理论和实验研究[1—6].击[24—27]撞电离的种子电子.穿阈值,一般被定义为在聚焦区域内出现可见的等本文采用探测等离子体发光信号的方法,
4、实验[7]离子体闪光时所需要的最小激光强度,通过对它测量了50fs—22ps脉宽范围的空气电离阈值,讨论的研究可以加深对电离和击穿机理的深入了解,这了多光子电离和碰撞电离在此过程中的作用,并将对激光大气传输、激光微加工等应用领域具有重要理论计算结果和实验结果相比较.的参考价值.以往关于空气电离阈值的研究工作包括了阈值与脉冲宽度、焦斑尺度、波长和气体压力等2实验装置[7—12]的依赖关系.在这些研究中,由于受当时激光技5术的限制,激光的脉冲宽度仅仅覆盖了ps—ns或更实验是在恒温、恒压(101325×10Pa)
5、及千级长的时间范围.如今,随着啁啾脉冲放大技术的发净化的实验室中完成的.光源采用美国光谱物理公展,实验室内已可轻易地获得脉宽在100fs量级、强司的掺钛蓝宝石飞秒激光振荡源(Tsunami)和啁啾132度大于10Wcm的稳定的脉冲激光输出,这使得脉冲放大器(SpitfireHp50).该系统可以输出最大单飞秒激光与气体分子之间的相互作用的研究成了新脉冲能量为2mJ、最窄脉冲宽度为50fs(半高全宽)[13—22]的热点.但是,在飞秒激光作用下的空气电离的激光脉冲,重复频率1kHz,中心波长800nm.我们阈值
6、与脉宽的变化规律尚未见报道.通过调节放大器中压缩器的光栅间距来调节输出脉在气体被激发为等离子体过程中,多光子电离宽.为了达到大范围的脉宽调节,把压缩器中的一个和碰撞电离是两种最重要的电子产生机理.多光子直角反射镜安装在一个大行程的线性平移台上,并电离是一种非线性光学效应,它强烈地依赖于激光由计算机控制,通过控制平移台的位移来达到对输国家自然科学基金(批准号:60377008,60637020)资助的课题.通讯联系人.Email:wangxiaolei@mail.nankai.edu.cn转载中国科技论文在线h
7、ttp://www.paper.edu.cn1期王晓雷等:飞秒激光激发空气电离的阈值研究355出脉宽的调节.小于1ps的脉宽由单次自相关仪来多光子电离产生了碰撞电离所需的初始电子.从图2测量,大于1ps的脉宽可以根据移动位置与脉宽之的实验结果来看,对于多光子电离和由多光子电离引[28]间的线性关系计算得出.在不改变放大器抽运电发的碰撞电离相比,前者需要的阈值Ith高于后者.流的情况下,在压缩器前放置一个半波片,由于压缩器光栅的反射能力具有线偏振依赖特性,因此旋转半波片可调节输出激光的平均功率.实验光路如图1所
8、示.飞秒激光器输出的1kHz脉冲激光经过10倍物镜(NA=025)聚焦后,激发待测的空气电离信号.在反射镜M的后面,用800nm滤光片和聚焦透镜L1将空气等离子体发出的闪光信号收集到光电倍增管的探测面上,再经锁向放大器后由计算机采集.在实验过程中,在某一个脉冲宽度下,当不断调节激发光的强度,探测到的等离子体图2脉宽50fs—22ps、波长800nm的激光作用下的空气电离阈闪光信号的强弱会随之改变;当
