激光大气等离子体的电子密度空间分布特性研究

利用Nd∶YAG激光器产生的1.06 μm激光束(脉冲能量为500 mJ,脉冲宽度为10 ns, 重复频率30 Hz)聚焦击穿大气形成长约为8 cm、最大直径为5 cm的激光大气等离子体柱,用光谱测量的方法,分别沿平行于激光束方向和垂直于激光束方向探测该等离子体柱的空间分辨光谱,并由此反演得出电子密度空间分布特性。实验结果表明,激光大气等离子体中各种离子和电子呈橄榄形分布,沿激光束方向不对称,而垂直激光束方向对称分布,最大电子密度为1018 cm-3。文章还探讨了激光大气等离子体中处在不同状态的各种原子、分子和离子在空间的分布特性,为进一步揭示激光大气等离子体的微观空间分布规律提供了实验依据。     

1kHz飞秒激光脉冲在空气中传输成丝的演化过程

利用高重复频率(１kHz)、低能量的飞秒激光脉冲研究激光脉冲在空气中传输成丝的演化过程.采用成像的方法观测飞秒激光脉冲在大气传输过程中光束截面上光强分布变化，以及大气等离子体通道对光强分布的反作用.实验结果表明，激光脉冲在传输过程中先形成双丝结构，再逐渐合并成单丝结构.实验结果与利用非线性薛定谔方程耦合多光子电离的数值模拟结果基本一致. 关键词： 飞秒激光脉冲 等离子体通道 成像     

延迟双脉冲激光产生大气等离子体的实验研究

利用马赫-曾德尔干涉仪获得了延迟双脉冲激光和三种单脉冲激光产生大气等离子体的时间序列干涉图,得到了等离子体中心区域在不同时刻的电子密度．把延迟双脉冲激光与三种单脉冲激光产生的等离子体电子密度进行比较的结果显示：第二束光作用后的相同时刻,延迟双脉冲激光产生的等离子体电子密度大于三种单脉冲激光产生的等离子体电子密度．对注入相同能量的延迟双脉冲激光与单脉冲激光产生等离子体的电子密度时间变化进行理论分析的结果表明：延迟双脉冲激光的第二束光与等离子体相互作用,使得作用结束时等离子体的电子密度增加得很多,进而造成了第二束光作用后延迟双脉冲激光产生的等离子体电子密度大于单脉冲激光产生的等离子体电子密度．进一步的分析表明,注入能量相同时延迟双脉冲激光有效延长了等离子体的存在时间．     

激光大气等离子体的空间分布特性

 利用Nd:YAG激光器产生的1.06 μm激光束（脉冲能量为500 mJ，脉冲宽度为10 ns, 重复频率为30 Hz）聚焦形成长约8 cm、直径5 cm的激光大气等离子体柱，分别沿激光束方向和垂直于激光束方向探测了该等离子体柱的空间分辨光谱，并由此反演得出电子密度和电子温度空间分布特性。实验结果表明：激光大气等离子体中各种离子和电子呈泪滴型分布，即沿激光束方向不对称，而垂直激光束方向对称分布，最大电子密度1018/cm3，最高电子温度3 000 K。     

干涉法诊断由纳秒激光诱导产生的大气等离子体的电子密度

通过改进的马赫-曾德尔干涉仪获得了高质量的Nd:YAG激光诱导大气等离子体干涉条纹图.利用快速傅里叶变换（FFT）分析法恢复了干涉图波面,通过Abel逆变换进行密度反演,重建了不同时刻激光等离子体电子密度的三维分布,并得到了激光等离子体膨胀速度与延迟时间的关系.结果显示,纳秒激光诱导大气击穿形成的等离子体具有等离子体通道结构,等离子体膨胀速度的迅速衰减,对等离子体通道的塌陷起到了促进作用,等离子体形状的离心率在大约48 ns时达到最大值,然后开始向圆形演变. 关键词： 激光等离子体电子密度 干涉测量 Abel逆变换     

超短激光脉冲在水中的非线性传输特性研究

基于扩展的非线性薛定谔方程及与其耦合的电子密度演化方程,理论研究了超短激光强脉冲在水中的非线性传输特性.理论模型综合考虑了衍射、正常群速度色散,多光子吸收、自聚焦及激光诱导产生的等离子体对光脉冲的自散焦效应.采用有限差分法模拟得到超短脉冲在传输过程中轴向上光功密度和等离子体密度的时空分布.系统分析了超短脉冲在水中传输的动力学过程,讨论了非线性自聚焦和等离子体自散焦效应在脉冲传输过程中的竞争关系.同时研究了不同入射激光能量,脉宽和聚焦条件对等离子体丝的时宅结构和脉冲能流横向分布的影响.该研究将有助于理解和推动超短光脉冲在激光医学、激光安全防护和水中激光加工中的应用.     

发射光谱法研究纳秒激光烧蚀硅等离子体特性

利用调Q Nd3+∶YAG激光器三倍频355 nm激光脉冲烧蚀空气环境的硅样品,观测不同脉冲激光能量下产生的等离子体在380～420 nm范围内的时间-空间分辨等离子体发射光谱,观测到在等离子体羽膨胀初期存在N+发射光谱。在局域热力学平衡近似条件下,根据时间-空间分辨等离子体发射光谱计算得到等离子羽体电子温度和电子密度随时间延时存在二次指数衰减变化,等离子体羽体电子温度和电子密度的空间分布近似呈Lorentz分布,发现在确定激光脉冲能量下电子密度空间分布最大值偏离光谱强度最大空间位置并对产生原因进行分析,探讨了等离子体羽参数与激光脉冲能量的关系。     

脉冲CO2激光烧蚀锡靶等离子体的数值研究

使用一维辐射流体力学程序MULTI模拟了脉冲CO2激光烧蚀平面锡靶的过程,研究了脉冲宽度、峰值功率密度、靶材初始密度对锡等离子体电子密度、电子温度的时空分布的影响,并结合统计分析得到最有利于产生13.5 nm 极紫外光的激光脉冲宽度。模拟结果表明,脉冲宽度为100~200 ns的长脉冲激光产生的等离子体有利于实现极紫外输出的最佳条件,通过分析等离子体的电子密度、电子温度的分布对这一结论进行了解释。临界电子密度区域有效吸收了脉冲能量,而低密度的羽辉对激光与极紫外辐射的吸收很少。采用长脉冲激光,使得辐射极紫外等离子体持续时间更长,是提高极紫外辐射效率的有效手段。同时模拟还发现,靶材初始密度对等离子体参数的影响不大。     

基于泵浦脉冲诱导等离子体通道的空心光束产生

利用飞秒脉冲诱导生成的具有渐变折射率分布的等离子体通道产生空心光束.当飞秒脉冲在非线性介质中传输时将电离产生等离子体通道,该等离子体通道具有渐变的折射率分布,等离子体通道中激光束只能在电子密度低于临界等离子体密度的区域传播,故当探测光束在等离子体通道边缘传输时将偏转形成空心光束.当泵浦光束功率为8mW时,探测光束转变为典型的空心光束结构;当泵浦光束的入射功率、重复率或等离子体通道中轴向电子密度改变时,等离子体通道中可供探测光束通过的区域将随之发生改变,这将导致空心光束中黑斑的面积发生变化.因此通过调节泵浦光束的入射功率和重复率可以控制产生空心光束的黑斑大小.     

脉冲CO_2激光烧蚀锡靶等离子体的数值模拟

使用一维辐射流体力学程序MULTI模拟了脉冲CO_2激光烧蚀平面锡靶的过程,研究了脉冲宽度、峰值功率密度、靶材初始密度对锡等离子体电子密度、电子温度的时空分布的影响,并结合统计分析得到最有利于产生13.5nm极紫外光的激光脉冲宽度。模拟结果表明,脉冲宽度为100~200ns的长脉冲激光产生的等离子体有利于实现极紫外输出的最佳条件,通过分析等离子体的电子密度、电子温度的分布对这一结论进行了解释。临界电子密度区域有效吸收了脉冲能量,而低密度的羽辉对激光与极紫外辐射的吸收很少。采用长脉冲激光,使得辐射极紫外等离子体持续时间更长,是提高极紫外辐射效率的有效手段。同时模拟还发现,靶材初始密度对等离子体参数的影响不大。     

Investigation of self-focusing a Gaussian laser pulse in a weakly relativistic and ponderomotive regime inside a collisionless warm quantum plasma

This article investigates nonlinear self-focusing of an intense right hand circularly polarized Gaussian profile laser pulse in a weakly relativistic and ponderomotive regime inside a collisionless and unmagnetized warm quantum plasma. The nonlinear propagation equation for laser pulse in plasma has been derived. Then, the evolution differential equation for laser spot-size was obtained with considering the parabolic equation approach under the Wentzel-Kramers-Brillouin and paraxial ray approximations. This differential equation was solved numerically by fourth-order Runge-Kutta method. It is shown that our solution confirms the results of the self-focusing of the laser pulse in a weakly relativistic ponderomotive regime in cold quantum plasma in extreme conditions. Numerical results indicate that self-focusing of the laser pulse in the presence of relativistic and ponderomotive nonlinearity inside warm quantum plasma is improved in comparison with relativistic and ponderomotive cold quantum plasma.     

荧光法研究空气等离子体膨胀动力学过程

基于等离子体荧光法研究了Nd∶YAG纳秒1 064 nm激光脉冲诱导击穿空气等离子体的膨胀动力学过程,用ICCD相机捕获了不同激光脉冲能量诱导的空气等离子体随时间演化图像,给出激光能量100,150,200,300 mJ时击穿空气产生的空气等离子体波阵面前沿的膨胀距离,推演出空气等离子体的扩展速度。实验结果表明等离子体发光区域主要分布在等离子体膨胀区域,等离子体荧光强度随时间增加变强然后渐渐变弱,膨胀区域逐渐增大,在300 mJ,22 ns膨胀距离最大达到3.76 mm,等离子体扩展速度在膨胀初期达到105 m·s-1量级,在膨胀16 ns内迅速衰减,随后趋于平缓。激光脉冲能量越大,引起空气击穿的时刻靠近高斯激光脉冲上升阶段。     

Measurements of plasma temperature and electron density in laser-induced copper plasma by time-resolved spectroscopy of neutral atom and ion emissions

Plasma produced by a 355 nm pulsed Nd:YAG laser with a pulse duration of 6 ns focussed onto a copper solid sample in air at atmospheric pressure is studied spectroscopically. The temperature and electron density characterizing the plasma are measured by time-resolved spectroscopy of neutral atom and ion line emissions in the time window of 300–2000 ns. An echelle spectrograph coupled with a gated intensified charge coupled detector is used to record the plasma emissions. The temperature is obtained using the Boltzmann plot method and the electron density is determined using the Saha-Boltzmann equation method. Both parameters are studied as a function of delay time with respect to the onset of the laser pulse. The results are discussed. The time window where the plasma is optically thin and is also in local thermodynamic equilibrium (LTE), necessary for the laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) analysis of samples, is deduced from the temporal evolution of the intensity ratio of two Cu I lines. It is found to be 700–1000 ns.     

空气中单个激光等离子体通道的形成条件

利用皮秒和飞秒激光研究了激光在空气中聚焦产生单个等离子体通道的条件.研究发现，能量为8—12mJ皮秒激光被焦距为15cm的透镜聚焦后，可以产生较为稳定的单个通道.通过横向纵向阴影成像分析发现，通道的管壁对聚焦产生的自发光具有箍缩作用，而通道内部却有利于光的传输.同时还发现，当采用短焦距透镜时，能量低于10mJ的飞秒激光在空气中较易形成单个等离子通道. 关键词： 等离子体通道 皮秒激光 飞秒激光 阴影成像     

Nonlinear propagation of an intense Laguerre–Gaussian laser pulse in a plasma channel

The nonlinear propagation of an intense Laguerre–Gaussian(LG) laser pulse in a parabolic preformed plasma channel is analyzed by means of the variational method. The evolution equation of the spot size is derived including the effects of relativistic self-focusing, preformed channel focusing, and ponderomotive self-channeling. The parametric conditions of the LG laser pulse and plasma channel for propagating with constant spot size, periodically focusing and defocusing oscillation,catastrophic focusing, and solitary waves are obtained. Compared with the laser pulse with fundamental Gaussian(FG)mode, it is found that the effect of vacuum diffraction is reduced by half and the effects of relativistic and wakefield focusing are decreased by a quarter due to the hollow transverse intensity profile of the LG laser pulse, while the effect of channel focusing is the same order of magnitude with that of the FG laser pulse. Thus, the matched condition for the intense LG laser pulse with constant spot size is released obviously, while the parameters of the laser and plasma for the existence of solitary waves nearly coincide with those of the FG laser pulse.     

电子等离子体波对超短脉冲激光传播过程的作用

提出等离子体波对光脉冲产生相位调制的观点,把光脉冲在背景等离子体波中传播时的频率移动与脉宽压缩效应统一起来。给出了脉宽演化的方程,它类似于在势阱中运动的经典粒子的能量守恒方程;估算了脉宽压缩对应的等离子体波振幅阈值。数值计算进一步证实这些结论。最后指出实验上用等离子体波压缩短脉冲激光脉宽的可能性。 关键词：     

近共振区超短强激光脉冲激发的等离子体尾波场

 用一维相对论粒子模拟研究了相对论超短强激光脉冲在等离子体中传播时激发的尾波场,初步获得了近共振区尾波场的峰值幅度随激光脉冲宽度变化的特点,发现在近共振区等离子体波激发出现增强。通过准静态近似下尾波激发的一维非线性方程数值求解,并与粒子模拟结果比较,得到了该非线性方程的适用范围：当激光脉冲宽度小于等离子体波波长的4倍时,该方程所得结果与粒子模拟结果一致;而当激光脉冲宽度大于该数值时,该方程不再适用。     

Modeling the triggering of streamers in air by ultrashort laserpulses

The physical processes involved in the triggering of ionization waves (streamers) by ultrashort laser pulses, focused in air at 350 Torr and in a uniform electric field, are investigated by means of a one-dimensional (1-D) numerical model. The model describes the interaction of the laser pulse with air and takes into account many of the reactions in the laser-created plasma as well as the radial expansion of the plasma. Consequences of the model are that the threshold electric field for the appearance of streamers is an increasing function of the delay between the laser pulse and the electric field pulse and a decreasing function of the laser energy. Also, it appears that the electron temperature, the plasma density and radius, and the conduction of heat across the plasma boundaries play major roles in the capacity of the laser-created plasma to trigger streamers. The results of the model are compared with the available experimental data     

激光诱导Ti等离子体光谱的时间演化特性研究

利用Nd:YAG激光器产生的1064 nm、10 ns脉冲激光聚焦在空气中的Ti靶,观测了激光诱导Ti等离子体发射光谱.调节激光能量为45 mJ/pulse,分析了时间范围在0到4000 ns的时间分辨发射光谱和谱线轮廓以及展宽.在局部热力学平衡(LTE)条件下,利用Saha-boltzmann图法拟合电子温度,Saha方程计算电子密度,讨论了等离子体电子温度和电子密度随时间的演化规律.结果表明,在所讨论的时间范围内,谱线的强度在延时250 ns处达到最大,250 ns后随着延迟时间的增加减小,电子密度和电子温度在延时1000 ns内快速衰减,1000 ns后衰减速度变慢.