飞秒脉冲激光诱导空气电离及其调控产生新型光束的研究

The spatial-temporal evolution of the micro air plasma generated by tightly-focused femtosecond laser pulses will be investigated theoretically and experimentally. The generation mechanisms and key characteristics of the resulted super-luminescent jet beam emanating from the micro air plasma induced by near-infrared femtosecond laser pulses which is first reported by the applicant are also the major research contents of this project. The effects of laser parameters (including pulse width, power, polarization, etc.) on the micro air plasma and the super-luminescent jet beam under various focusing conditions (including numerical aperture, abberration, lens tilt and shift, etc.) will be systematically studied. And the corresponding theoretical simulations will also be performed. Experimentally,the generation and relaxation process of the jet beam emanating from the femtosecond laser-induced air plasma will be investigated by recording the time-resolved shadowgraphs based on the pump-probe technique, and also by the transient spectrum/imaging measurements using an ICCD camera. Through this project, the underlying physical mechanisms and many specific properties of the super-luminescent jet beam can be identified in detail, which will deepen the understanding of the femtosecond laser-induced air ionization and the resulted new phenomenon. Meanwhile, this project's development may provide some useful theoretical guides in the efficient control of laser-induced plasma.

本项目旨在对紧聚焦下飞秒脉冲激光诱导空气等离子体的时空特性进行理论分析，并对申请人首次发现的一种从近红外飞秒脉冲诱导的空气等离子体中出射的超亮喷射状光束的产生机制和特性进行系统和深入的研究。探究不同的聚焦条件(数值孔径、像差、透镜的旋转和平移等)下，激光脉冲参数(脉宽、能量、偏振特性、中心波长和波前等)对飞秒脉冲激光诱导空气等离子体及产生的超亮喷射状光束的影响并进行相应的理论分析工作。实验上我们将利用泵浦-探测阴影成像法、时间分辨ICCD成像及光谱测量成像等技术手段，深入研究在飞秒脉冲诱导空气等离子体的时空演变中这种喷射状光束的产生过程。通过本项目的研究，将更加深入地揭示这种超亮喷射状光束产生的物理机制和诸多特性，加深对飞秒脉冲激光诱导空气电离过程及相互作用中产生的新现象的认识，并对激光诱导等离子体的有效控制起理论指导作用。

本研究工作包括超短脉冲激光诱导空气等离子体的模拟，超亮喷射状光束的产生及机理阐释等。为了阐明这种新型光束的产生过程及所涉及到的非线性效应，我们首先通过数值求解电子密度速率方程来揭示飞秒激光诱导空气等离子体的时空演变特性。模拟结果显示，在所用飞秒脉冲的光强峰值点到达焦点之前，空气已被完全电离。根据模拟得到的电子密度分布，我们求得了等离子体的折射率时空分布，并发现在电离中心区存在一个折射率变化的饱和区域(饱和等离子体的折射率值为0.9923)。通过适当控制具有特定F 数(f-number) 的汇聚透镜的倾角或水平偏移量，我们可以在被明显扰动的锥形辐射中观察到单个或双个喷射状超亮光束。结合空间分辨光谱测量等实验结果，我们分析超亮喷射状相干光束的产生主要源于在等离子体的边缘区域上的四波混频过程。由于是三阶非线性作用过程，此新型光束的产生强烈地依赖于光强，因此只有在光强足够高的区域才会发生。本研究中新型光束的产生主要是通过倾斜透镜，基于这种像散的引入方式，我们认为利用空间光调制器对超短脉冲激光引入特定的相位分布同样可以产生此新型光束，这是很有前景的，相关研究工作正在开展中。