飛秒激光脈沖成絲的診斷及其應(yīng)用概述

劉復(fù)麟

摘 要 高峰值功率飛秒激光脈沖在空氣中傳輸時，會形成一種長度遠遠超過其光學瑞利距離的結(jié)構(gòu)—光絲，人們習慣上稱之為飛秒激光成絲現(xiàn)象。對于研究飛秒激光成絲的特性，包括成絲的電子密度等對于光絲在激光成絲誘導閃電、空氣中水的凝聚及雪的形成、大氣遠程探測等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用極其重要。本文總結(jié)了兩種主要的飛秒激光成絲的診斷方法，以及簡述了其在幾個領(lǐng)域的應(yīng)用。通過對其診斷方法和應(yīng)用領(lǐng)域的概述，使人們能夠更加深入地了解和認識飛秒激光成絲。

關(guān)鍵詞 飛秒激光成絲 密度診斷 電子密度

1理論概述

飛秒激光的脈沖寬度僅有幾飛秒或幾十飛秒，一飛秒為10-15秒，其峰值功率極高。如今，在空氣中傳輸?shù)母吖β曙w秒激光脈沖可形成遠距離的等離子體細絲，激光束可傳輸十幾公里并產(chǎn)生超連續(xù)白光。超短超強脈沖激光在空氣中傳輸誘導的等離子體細絲內(nèi)部，峰值電子密度可達到10161018cm-3，峰值激光強度可達到10131014W/cm2，在此條件下，對細絲的直接測量是不可能的，必需依據(jù)細絲所表現(xiàn)出來的種種物理現(xiàn)象間接地進行測量。本文例舉了兩種對于飛秒激光成絲的診斷方法，并對其在誘導閃電等領(lǐng)域中的應(yīng)用作了概述。

2飛秒激光成絲等離子體的診斷方法

等離子體診斷源自光學天文的觀測，是天體物理學和天體測量學的重要基礎(chǔ)。它對于激光等離子體等研究領(lǐng)域及其應(yīng)用具有重要的價值。尤其是對電子密度等物理參量的診斷對深入研究激光等離子體原理尤為重要。

2.1微波法診斷飛秒激光成絲等離子體

此方法是通過測量等離子體的截止頻率，從而推斷等離子體的內(nèi)部參數(shù)。將一束微波入射至等離子體，若微波頻率小于等離子體的截止頻率，那么微波將不能穿過等離子體。使用一個可連續(xù)調(diào)頻率的微波發(fā)生器發(fā)射微波入射至等離子體，在等離子體的另一側(cè)，也就是與微波發(fā)生器相對的位置，安裝一個接收器用來接收微波信號。實驗檢測時，使用發(fā)生器發(fā)出微波，在接收器的一側(cè)觀察接收到的微波功率。調(diào)節(jié)微波發(fā)生器發(fā)射的微波頻率，直至接收器恰好接收不到微波信號為止。此時微波發(fā)生器發(fā)射的微波頻率即為等離子體的截止頻率。根據(jù)等離子體的截止頻率就可算得等離子體內(nèi)的電子密度。

2.2激光干涉法診斷飛秒激光成絲等離子體

此方法主要是通過得到電子密度的二維圖像來獲得其信息。在激光干涉儀裝置中，探測光被分成兩束，然后再合束得到其干涉條紋。由于等離子體的折射率正比于自由電子的密度，折射率的改變則等效于探測光光程的變化，并導致相位的漂移，相位的漂移可以通過探測光和參考光之間的干涉條紋變化確定。根據(jù)干涉儀中兩光束干涉條紋的變化就可以算得等離子體內(nèi)的電子密度。

3飛秒激光成絲的應(yīng)用

飛秒激光成絲在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，本文簡單例舉了其在誘導閃電和大氣遠程探測方面的應(yīng)用。

3.1激光誘導閃電

激光誘導閃電的原理為利用激光器電離空氣分子，在大地和帶電云層之間形成一條激光等離子體通道，進而改變雷電的軌跡，從而實現(xiàn)對重要場所（如機場、核電站等）設(shè)備儀器的保護。采用飛秒激光脈沖誘導成絲的方法可在大氣中產(chǎn)生幾十至幾百米長的等離子體通道，且其中心的自由電子密度可達1015cm-31018cm-3，與傳統(tǒng)的避雷針技術(shù)相結(jié)合，使得激光引雷在技術(shù)上成為可能。

3.2大氣遠程探測

大氣遠程探測技術(shù)對于當前大氣污染監(jiān)測、溫室效應(yīng)、天氣預(yù)測、以及臭氧層問題等有著非常重要的意義。傅利葉變換紅外光譜分析法（FTIR）以傅利葉光譜儀作為探測儀器，采用飛秒激光成絲所產(chǎn)生的超連續(xù)白光作為超連續(xù)輻射光源，同時測量較寬譜段范圍內(nèi)的吸收譜，這種方法可實現(xiàn)對多種氣體成分的實時檢測。

4結(jié)語

本文介紹了微波法和激光干涉法診斷飛秒激光成絲等離子體的方法和原理，通過對成絲等離子體的診斷，可以更深入地研究其物理機制和應(yīng)用前景。利用飛秒激光誘導的成絲等離子體擁有獨特的光學特性，對激光引雷等多個領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。

參考文獻

[1] Alshershby，M.&Y.Ren;&J.Qin;，etal.Diagnosis of femtosecond plasma filament by channeling microwaves along the filament[J].Applied Physics Letters，2013， 102（20）.

[2] 張宏超，陸建，倪曉武.干涉法診斷由納秒激光誘導產(chǎn)生的大氣等離子體的電子密度[J].物理學報，2009，58（06）：4034-4040.

[3] Rodriguez，M& R.Sauerbrey& H.Wille，et al. Triggering and guiding megavolt discharges by use of laser-induced ionized filaments[J].Optics Letters， 2002， 27（09）： 772-774.

[4] Kasparian，J&M.Rodriguez;&G.Mejean;，et al.White light filaments for atmospheric analysis[J].Science，2003， 301（5629）： 61-64.