当飞秒激光脉冲在空气中传播时,克尔自聚焦效应使激光强度不断增加,当其增大到一定值(原子或分子的电离阂值)之后,会使空气中的原子和分子电离,产生大量等离子体,而等离子体对激光光束起到散焦作用,从而使得激光强度减小。克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应同时存在,此消彼长,当它们达到动态平衡时,会形成很长的等离子体通道,这一过程又被称为成丝。飞秒激光成丝过程中伴随着光电离、超连续谱产生、太赫兹辐射、高次谐波发射、锥角辐射和荧光发射等非线性现象。研究这些现象,不仅在弄清超短激光脉冲与原子、分子相互作用机理以及激光脉冲在不同介质环境中的传输规律等方面具有重要的学术价值,而且在天文、气象以及国防等领域都具有重要的应用前景,如,远程探测、诱导闪电、人工降雨、空气波导等。这些诱人的应用使飞秒激光成丝成为了近年来的研究热点,人们在理论、实验和应用方面进行了深入的研究,并获得了大量重要的结果。本博士学位论文主要从数值模拟和实验测量两方面对飞秒激光在空气中的成丝开展了研究。在论文前三章,我们对飞秒激光成丝的基础性工作进行了较为系统的介绍和总结。在第一章绪论部分,我们首先回顾了激光传播的研究历程和飞秒激光成丝的作用机理,接着结合飞秒激光成丝的意义对其应用进行了介绍,最后总结了一些能有效控制成丝的方法。在第二章中,我们从描述飞秒激光成丝的模型出发,介绍了成丝过程中发生的常见现象,其中包括了最近引起人们关注高阶克尔效应、成丝诱导荧光等现象。在第三章中,主要论述了在本论文中我们研究飞秒激光成丝所采用的理论和实验方法。理论上,人们通过数值求解传播方程来研究飞秒激光脉冲的成丝过程。目前,已经发展了多种数值求解传播方程的方法,在本论文所涉及的理论工作中,我们均采用有限差分法进行求解。关于飞秒激光成丝的理论研究很多,不过主要集中在常压、低压等环境中,很少涉及高压、强电磁辐射等极端环境,本论文的理论工作主要偏重这方面的研究。在第四章中,我们研究了飞秒激光脉冲在较高气压下的传播,发现群速色散(GVD)效应对飞秒激光成丝过程影响很大,导致描述激光脉冲自聚焦的半经验Marburger公式不再适用。我们通过经典的成像公式将色散长度引入Marburger公式中,提出了改进的Marburger公式,不仅能很好地解释GVD效应对脉冲溃缩位置的影响,而且与数值模拟结果很好地吻合。这一研究改变了长期以来被普遍接受的GVD效应不足以影响激光脉冲在气体中溃缩的观点,有助于更全面地认识GVD效应在传播过程中所起的作用。在第五章中,我们将目光投向了近年来备受人们关注的高阶克尔效应(HOKE)。主要研究了多光子电离(MPI)截面的不确定性对高阶克尔模型适用性的影响,发现在MPI截面较大的情况下,考虑和忽略HOKE时,得到的电子密度与钳制强度非常接近,在这种情况下,即便HOKE存在,等离子体产生以及伴随的散焦作用足以掩盖其作用,从而证实了电离计算的不准确是导致高阶克尔模型和经典模型出现差异的因素。此外,在脉冲溃缩位置处,根据轴上电子密度和最大光强随激光脉宽的变化,我们提出了判断哪种模型更为适用的判据。对于高层大气,存在着各种波段的电磁波辐射,尤其是在短波长电磁波的作用下,其中的气体分子(如氧气)很容易被激发到较高的能级。而处于激发态的分子电离截面大,很容易发生电离,必然会对飞秒激光脉冲在其中的传播造成影响。在第六章中,我们数值模拟了飞秒激光脉冲在含有激发态氧分子的空气中成丝。结果表明,当空气中含有激发态分子时,会影响飞秒激光脉冲在其中的传播过程,而且激发态分子越多,对激光强度时间和空间分布的影响越大,呈现与中性气体中成丝不同的现象。飞秒激光成丝过程中产生的等离子体会经历复杂的跃迁,辐射特征荧光。利用等离子体荧光不仅能定性表征成丝过程,还能定量获取等离子体密度、光强等信息。此外,通过研究成丝过程中的荧光发射还可以对超短脉冲激光与原子分子相互作用机制以及等离子体环境中原子分子的辐射特性有更深入的了解。在第七章中,我们利用等离子体荧光表征成丝过程,对波长为400和800 nm的两束共线飞秒激光脉冲在空气中的成丝进行了研究。尽管两束脉冲在时域上没有重叠,但是前一束脉冲产生的等离子体会与后一束脉冲相互作用,从而影响成丝过程。而且控制两束脉冲的能量以及它们之间的延迟,每束脉冲在成丝过程中所起的作用不一样,进而影响成丝过程中的荧光强度以及丝的长度。这一研究为控制激光成丝提供了一种有效的途径。氮气是空气的主要成分,也是空气激光最主要的工作物质。不过,飞秒激光成丝过程中氮荧光的产生机制还没有被完全弄清楚。在第八章至第十章中,我们对氮荧光的产生机制进行了讨论。在第八章中,我们研究了激光偏振特性对等离子体荧光发射的影响,发现在不同偏振特性的激光作用下,391 nm谱线与其他谱线的发射行为存在着明显差异。通过分析各条谱线的来源,我们对这一现象给出了解释。337,357,380和428 nm等谱线主要来自N2和N2+,在圆偏振激光作用下会开启碰撞激发通道,引起更强的荧光发射；而对于391 nm谱线,N2+和N+均对其发射有贡献。正是N+的光发射与碰撞激发之间的竞争关系,使得391 nm谱线与其它谱线的发射行为不同。在第九章中,我们测定了线偏振飞秒激光脉冲成丝过程中等离子体荧光发射的径向角分布,发现来自N2和N2+荧光发射的角分布明显不同：N2荧光在各个方向上的强度均相同,而来自N2+荧光的强度在平行于激光偏振方向强于垂直于激光偏振方向。来自N2的荧光的各向同性意味着在N2(C3Πu+)的形成中解离复合并不起主导作用。此外,337 nm信号强度随着气压线性增强表明碰撞引起的系间窜越机制也不是产生N2(C3Πu+)的主要机制。综合上述因素,我们提出了直接系间窜越机制。尽管目前未能给出直接的证据,但前人的工作表明其具有合理性。在第八章和第九章中,我们通过测定飞秒激光成丝过程中氮荧光的侧向发射对其产生机制进行了讨论。然而在实际应用中(如,远程探测),需要的是后向发射的荧光。在第十章中,我们通过测量后向发射的荧光,对氮荧光的产生机制进行了讨论。我们发现当聚焦透镜焦距较小时,来自N2+的荧光在线偏振激光作用下更强,而来自N2的荧光则在圆偏振激光的作用下更强,这一现象表明在N2(C3Πu+)的形成过程中,解离复合机制并不起主导作用,进一步支持了第九章的结论。这些研究工作有助于成丝过程中氮荧光发射机制的认识。
