激光诱导介质击穿中的脉冲截断问题

强激光与介质相互促进作用过程中,当自由电子的密度达到介质的损伤阈值时,介质将被击穿,脉冲的后续能量被激光等离子体强烈吸收而引发截断,这个时间点定义为截断时间点.脉冲的截断时间点对激光脉冲能量的传输有很大的影响.理论研究了入射激光脉冲能量对脉冲截断时间点分布的影响.定量分析和模拟了截断时间点对脉冲能量透过率的影响.模拟结果和实验结果符合很好.研究发现:激光脉冲能量透过率由脉冲截断时间点的位置决定.当脉冲截断时间点分布在脉冲前沿、峰值和后沿时,激光脉冲能垦的透过率分别对应小于50%,等于50%和大于50%.在线测量激光脉冲能量的透过率也可作为一种在线检测光学元件是否发生破坏的方法.     

激光聚焦位置对K9光学玻璃损伤的影响

 利用脉宽为10 ns、波长为1 064 nm的激光脉冲聚焦通过K9玻璃的方法,研究了玻璃的损伤形貌与高强度纳秒激光脉冲聚焦位置的关系。当激光脉冲聚焦在样品中心时,吸收能量随着入射能量的增加呈线性增长,玻璃的破坏范围不断扩大;当激光脉冲聚焦在样品表面时,吸收能量随着入射能量的增加呈先增长而后减小最终趋于平稳,玻璃表面的破坏范围也是先增大而后减小趋于平稳,这主要是由于空气被击穿而吸收大量能量引起的。     

激光烧蚀CH薄膜特性

报道了神光Ⅱ装置上激光膜相互作用的实验,实验利用能量计和光电管测量激光与CH薄膜作用前后的能量和时间波形的变化。结果表明:激光对CH薄膜透过率由作用产生的激光等离子体电子密度决定;功率密度为1.01014 W/cm2的激光与CH薄膜作用下,入射激光能量脉冲前沿与薄膜作用产生激光等离子体;在200 ps时,激光等离子体电子密度稀疏到临界密度以下,激光开始透过等离子体;在700 ps后,等离子体密度远低于临界密度,激光完全透过激光等离子体。     

激光增益材料的光诱导损伤特性分析

通过激光放大器获得高功率的激光输出时,增益材料的损伤特性决定了激光器的使用寿命。以激光二极管（LD）端面泵浦的单片钕玻璃激光放大器为例,对泵浦过程增益材料内部的光场特性和热效应引起的端面应变进行了研究。结合电子增殖理论,建立了一个激光增益材料场致损伤特性分析模型。研究了增益材料内部的雪崩电离速率和多光子电离速率的变化规律,并根据临界自由电子数密度确定了材料发生损伤的具体位置。研究结果表明,激光增益材料发生损伤的位置受到信号光初始光强值、脉冲宽度和泵浦光功率密度影响。当初始光场能量一定,脉冲宽度从10 ns增加到13 ns时,损伤点向入射端方向移动大约14 mm。泵浦光功率密度越大,端面热效应越明显,材料更容易发生损伤。     

紧聚焦飞秒脉冲与石英玻璃相互作用过程中的电子动量弛豫时间研究

本文通过数值模拟(3+1)维扩展的广义非线性薛定谔方程,研究了紧聚焦飞秒激光脉冲在诱导石英玻璃的非线性电离过程中电子动量弛豫时间对于该电离过程的影响.计算结果证明电子动量弛豫时间会直接影响入射脉冲在焦点区域所形成的峰值场强、自由电子态密度和能流等参量的分布态势,因此在与实验结果相比较后发现适合于相互作用过程的电子动量弛豫时间的理论值约为1.27 fs.进一步的研究表明,电子动量弛豫时间与逆韧致吸收效应、雪崩电离的概率、等离子体密度、等离子体的自散焦效果以及间接引起的焦平面位置的移动都有着密切的联系.当前的研究结果表明电子动量弛豫时间在飞秒激光脉冲与物质相互作用的过程中发挥着重要作用.     

短脉冲激光产生的等离子体X射线辐射

此文着重研究短脉冲强激光作用下的等离子体Ｘ射线辐射强度随入射激光能量或功率的变化，等离子体辐射主要由激光功率决定，实验显示了辐射曲线的突变区域和他和区域结构。此外，本结果表明在激光以２０Ｐｓ入射条件下的等离子体相对论吸收效应还不太明显，在等离子体中主要是逆韧致吸收。     

纳秒光场下原子团簇产生高离化Kr离子的激光波长效应

利用不同波长和光强的纳秒激光,对Kr原子团簇进行了激光电离的飞行时间质谱研究,观察到Kr高价离子价态显著地依赖于激光波长,当分别用波长为1064,532,355和266 nm的激光照射Kr原子团簇时,可分辨的离子最高价态分别为+17,+11,+4和+2价;然而离子价态与激光功率密度的依赖关系并不明显。实验结果支持多光子电离-逆轫致吸收加热-电子碰撞电离三步电离模型,表明电子碰撞电离是高价离子产生的主要途径。     

激光烧蚀硅表面的发射光谱分析

研究了不同能量的纳秒激光脉冲聚焦到单晶硅片上时,激光等离子体的自由电子密度和温度以及损伤形貌随激光脉冲能量增加的变化规律。研究结果表明：激光脉冲击穿硅介质产生的激光等离子体的体积以及自由电子密度和温度大小,决定了硅表面损伤的形貌特点和大小。自由电子密度和温度的变化特点是：随着激光脉冲能量的增加,激光等离子体的体积不断增大,自由电子温度缓慢增加而密度基本不变。又由于激光等离子体的自由电子密度和温度呈现从中心到边缘由大到小的变化趋势,所以损伤形貌总的特点是内部区域的熔化非常充分,形成明显的周期性排列的规则条纹,且条纹的排列趋势呈现环状;中部区域熔化不充分,形成条纹不很规则;边缘区域处分界明显,有时出现等离子体产生喷溅变色痕迹。     

初始电子密度对光学薄膜激光损伤机制的影响

光学元件的激光损伤问题是激光器件向高功率密度方向发展中必须认识和克服的问题.基于Forkker-Planck方程,研究了激光与材料相互作用时的雪崩电离机制、多光子电离机制以及联合两种机制的情况.雪崩电离的产生需要一定密度的初始自由电子存在,该自由电子可以是材料中原本就存在的,也可能是光电离产生的.着重分析了材料中的初始自由电子对材料电离机制的影响.结果表明,雪崩过程在激光作用一段时间后会达到一个稳定的电离阶段(以自由电子平均能量不随时间变化为特征,且此时雪崩电离为材料电离的主导机制),该时间与光电离速率、材料中初始自由电子密度有关.材料中的初始自由电子可以在一定程度上掩盖光电离的作用效果.     

初始电子密度对光学薄膜激光损伤机制的影响

光学元件的激光损伤问题是激光器件向高功率密度方向发展中必须认识和克服的问题.基于Forkker-Planck方程,研究了激光与材料相互作用时的雪崩电离机制、多光子电离机制以及联合两种机制的情况.雪崩电离的产生需要一定密度的初始自由电子存在,该自由电子可以是材料中原本就存在的,也可能是光电离产生的.着重分析了材料中的初始自由电子对材料电离机制的影响.结果表明,雪崩过程在激光作用一段时间后会达到一个稳定的电离阶段（以自由电子平均能量不随时间变化为特征,且此时雪崩电离为材料电离的主导机制）,该时间与光电离速率、材料中初始自由电子密度有关.材料中的初始自由电子可以在一定程度上掩盖光电离的作用效果.
关键词:初始电子;激光损伤;光电离;雪崩电离     

空气中激光等离子通道的演变和控制

为精确再现超强飞秒脉冲激光在大气中的传输特性,有效控制激光诱导等离子体通道的性能参数,基于扩展的非线性薛定谔方程,研究了空气中产生的等离子通道的演变过程。该模型在考虑衍射、色散和多光子效应的基础上,引入了拉曼散射、等离子体尾波场和相对论自聚焦等多种效应。讨论了电子密度和光强通量的空间分布特性,运用分步傅里叶法和有限差分法得到了电子密度和光强通量的分布,仿真结果显示,激光波长、单脉冲能量、脉宽和束腰半径等初始参数的变化将对等离子体通道的演变产生显著影响,为超短脉冲强激光在大气中成丝位置和形态控制提供了可能的途径。     

Energy transmissivity of high-power nanosecond laser pulse focused on glass

The experimental results show that if the pulse energy is low, the damage does not occur and the corresponding transmissivity is 100%. But with the increase of the pulse energy, the damage occurs and the transmissivity decreases to between 100% and 50%, equal to 50% and lower than 50%.The concept of the cut-off time (T_cut) is proposed to give the physics explanation on it, and by taking the free electron density (FED) and the laser-induced damage threshold (LIDT), mathematical simulation of the change law of the T_cut and the corresponding energy transmissivity with the laser energy has been done, respectively. The analysis results indicate that the former definition method can predict all the situations successfully, but the second one cannot predict the situation of the transmissivity being between 100% and 50%, the reasons of this difference also be analyzed.     

开放空间等离子体对微波传输影响的模拟研究

以氮气为背景气体,采用脉冲式微波产生等离子体,使用另外一束连续波作为传输模拟对象,并基于扩散效应的全域模型分析等离子体电子温度与电子密度的演化过程。实验中放电气压为300Pa,实验结果表明:在微波脉冲开始之后极短的时间内,连续波接受信号发生剧烈衰减;而在微波脉冲结束后,连续波接受信号则缓慢恢复。微波传输主要受到等离子体电子密度的影响,而全域模型的计算结果显示等离子体电子密度在开始放电时迅速上升,甚至高于放电微波频率对应的临界密度,在放电微波脉冲结束时电子密度则缓慢下降。这说明开放空间中等离子体在失去能量维持之后,由于扩散效应占主导作用,电子密度不会迅速下降,此时连续波依然会被阻碍,直到电子密度下降到连续波频率对应的临界密度以下。     

Time of a semiconductor-metal phase transition induced by an ultrashort light pulse in vanadium dioxide

A relationship is obtained for a time τ of a photoinduced semiconductor-metal phase transition of the Peierls type under exposure to an ultrashort laser pulse. It is demonstrated that (i) the time τ increases as the pulse energy density W decreases, and (ii) the phase transition is initiated when the pulse energy density W exceeds a critical value W _c . The results obtained are compared with the experiment on irradiation of a vanadium dioxide film in a light field.     

Ultrashort electron beam and volume high-current discharge in air under the atmospheric pressure

Conditions are studied under which an electron beam and a volume discharge with a subnanosecond rise time of a voltage pulse are produced in air under atmospheric pressure. It is shown that the electron beam appears in a gas-filled diode at the front of the voltage pulse in ∼0.5 ns, has a half-intensity duration of ≤0.4 ns and an average electron energy of ∼0.6 of the voltage across the gas-filled diode, and terminates when the voltage across the gap reaches its maximum value. The electron beam with an average electron energy of 60 to 80 keV and a current amplitude of ≥70 A is obtained. It is assumed that the electron beam is formed from electrons produced in the gap due to gas ionization by fast electrons when the intensity of the field between the front of the expanding plasma cloud and the anode reaches its critical value. A nanosecond volume discharge with a specific power input of ≥400 MW/cm³, a density of the discharge current at the anode of up to 3 kA/cm², and specific energy deposition of ∼1 J/cm³ over 3 to 5 ns is created.     

Effect of dispersion on the operation of free-electron lasers driven by short electron bunches

The effect of dispersion on the lasing of waveguide free-electron lasers driven by short periodic electron bunches is considered. In the high-Q cavity approximation, the generation of electromagnetic pulses is described in terms of a parabolic equation. For the linear stage of interaction, starting lasing conditions are found analytically and the spatio-temporal structure of supermodes, which represent a set of phase-locked eigenmodes of the cold cavity, is determined. Dispersion is shown to allow the free-electron laser to operate at both positive and negative mismatches between the period of electron bunch injection and the time taken for the electromagnetic pulse to circulate over the cavity. The simulation of the nonlinear lasing conditions with allowance for dispersion spread makes it possible to find the stationary profile of radiated pulses and the optimum values of the group and time detunings that provide a maximum efficiency of the waveguide free-electron laser. It is also shown that, when the length of interaction is much longer than the starting value, the laser operates under the conditions of periodic or chaotic pulse profile self-modulation.     

超短脉冲激光在电介质材料中传输及破坏深度微观理论计算

基于Fokker-Planck方程和激光传输方程建立超短脉冲激光在电介质材料中的传输及材料破坏理论模型,计算材料内不同位置处导带电子数密度及激光电场强度随时间的变化,进而得到激光的反射率、透射率及沉积率随激光能量密度的变化特征.选取导带电子数密度阈值作为材料破坏的判断条件,计算了不同激光能量密度下的破坏深度,发现破坏深度随激光能量密度的变化曲线呈现先增长后减小,讨论了激光能量沉积特性对破坏深度的影响.计算最大破坏深度随激光脉宽的变化发现,激光脉宽越短则最大破坏深度越小. 关键词： 超短脉冲激光 电介质材料 破坏深度 微观理论模型     

On the influence of the voltage pulse rise time and cathode geometry on the generation of a supershort avalanche electron beam

The influence of the voltage pulse rise time on the amplitude of a runaway electron beam and X-ray generation in air and nitrogen under atmospheric pressure is studied experimentally and theoretically. Generalization of the whistle criterion for the case of a nonuniform field is suggested. It is shown that the maximal energy of beam electrons and the beam current amplitude grow when the voltage pulse rise time decreases. It is found that the amplitude of the runaway electron current reaches a maximum at a certain curvature of the cathode. The maximal energy of electrons increases when the radius of curvature of the cathode exceeds the value at which the beam current amplitude is the highest. If the field is nonuniform, its critical value at which many electrons run away is more than an order of magnitude lower than in the uniform field.     

激光诱导空气等离子体光谱时间演化特性的研究

利用能量为150mJ和500mJ的激光击穿空气获得空气等离子体,依据光谱信息,计算得到等离子体电子温度,密度,并探讨了其时间演化特性,证实了在此过程中,复合相比电离居于主导地位.同时,结果表明:随着延迟时间的增加,谱线强度在300ns内迅速减小,之后缓慢减小;电子密度和谱线强度的变化规律基本一致;电子温度的衰减近似呈现指数拟合线型,并且激光能量越高,电子温度的衰减越慢.