面向大气污染监测的超快激光成丝现象及控制研究

超快激光在透明光学介质中传播时所产生的一种独特的非线性现象――超快激光成丝，已成为超快激光科学研究的最新前沿之一。在超快激光成丝的众多应用中，利用成丝激光雷达进行大气污染监测是最令人瞩目的研究方向之一，它不仅对于大气污染常态检测，而且在应对突发重大污染事故、生化武器威胁等方面都有重大的应用价值。本项目面向这一重要应用，研究复杂大气环境下超快激光成丝现象的动态过程和相应的光丝品质控制技术。系统研究不同实验条件下光丝品质参数对于指纹荧光谱的影响、合理的理论模型支持，及微光学器件或辅助脉冲技术在指纹荧光谱优化方面的应用原理。重点解决复杂大气环境下的超快激光成丝传输动力学物理机制、微光学器件在超快激光成丝控制应用中的基本原理等关键科学问题。本项目研究内容在国际上刚刚起步，在国内尚属空白。通过该课题实施，预期掌握成丝激光雷达的核心技术和自主知识产权，为推动国内相关研究领域向国际领先水平发展做出贡献。

在大气中，光丝中的激光功率密度可以达到10^13-14 W/cm^2的水平，能够激发任何物质的指纹荧光谱，可应用于检测包括大生化分子、浮尘和气溶胶在内的大气污染物。其研究意义实际上已经超出普通污染监测的范畴，对于及时应对突发重大污染事故、生化武器探测和预警都有重大的应用价值。.目前制约探测灵敏度进一步提高的主要原因素就是缺少在复杂大气环境中优化光丝诱导指纹荧光谱的可靠技术和相应的理论支持。为解决这一关键科学问题，本项目系统研究复杂大气环境下的超快激光成丝传输动力学物理机制、微光学器件在超快激光成丝控制应用中的基本原理等内容。.项目研究均按计划进行，取得的代表性研究成果有：.（1）表征方法研究方面，结合荧光光谱学，系统诊断了峰值功率最大超过TW的激光诱导电离过程中等离子体的密度、温度、空间分布等演化特性；同时，通过研究分子动力学机制，建立荧光强度和激光强度之间定量关系，实现了> 10^14W/cm^2超高光强的非接触式原位测量。.（2）建立了系统的成丝动力学理论模型，指导调控并优化超快激光与物质相互作用动力学过程。通过空间相位整形，提高了超快激光诱导分子荧光的稳定性和强度（扰动 < 0.5%，强度提高8倍）；利用微锥透镜或相位板，产生激光阵列，3维空间内提高激光与物质相互作用长度，提升荧光产生等非线性过程效率。.基于完成成果，项目发表22篇学术论文，SCI收录19篇，其中在Optics Letters、Optics Express、Scientific Reports、Laser Physics Letters等高水平期刊发表10篇。课题组成员在国际学术会议做11次报告，其中特邀报告7次，口头报告2次，张贴报告2次。依托项目培养，已毕业5名硕士生和4名博士生，另有3名博士和6名硕士在读。.项目提出的一系列超快过程表征和基本物理参数测量的创新技术，为丰富实验认识、建立正确理论模型提供技术支撑；建立了系统的理论模型，深刻认识自聚焦、自相位调制、多光子电离等非线性光学效应相互作用机制；提出了调控并优化超快激光与物质相互作用动力学过程的相干控制新原理，为大气污染远程探测提供了技术基础。通过该课题实施，我们掌握成丝激光雷达的核心技术和自主知识产权，将为推动国内相关研究领域向国际领先水平发展做出贡献。