钛蓝宝石飞秒超快光谱技术及其应用进展

介绍飞秒激光技术的进展、钛宝石飞秒激光放大技术及飞秒分辨相关测量技术.并介绍了飞秒分辨光荧光上转换和光克尔实验技术及其在各种学科中的应用. 关键词： 飞秒激光 飞秒光谱 光克尔 光荧光     

飞秒激光脉冲诱导透明介质的非线性吸收和折射率改变轮廓研究

实验研究了飞秒激光脉冲诱导熔融石英的非线性吸收特性,利用激光诱导自由电子等离子体浓度取决于多光子吸收系数和入射光强的关系;数值模拟了激光诱导折射率变化区域的大小,结合非线性吸收机理和飞秒激光脉冲与介质的相互作用,解释了飞秒激光脉冲超精细加工不受衍射极限的约束,可实现纳米级加工的机理结果表明,电介质的电离能越大,飞秒脉冲诱导的折射率变化区域就越小,但要求的激光脉冲能量也越大;为飞秒激光脉冲超精细加工的材料和激光参量选择提供了理论依据.     

双色光束增强飞秒激光氮气标记示踪测速技术的研究

本文主要是借助飞秒双色场增强荧光信号的基本原理,将其应用于飞秒激光诱导电子激发标记示踪(FLEET)过程,在266 nm激光最高输出为400μJ/pulse,和800 nm激光最高输出为3 mJ/pulse的条件下实现了荧光信号大约20%的增强,并根据光谱与荧光寿命曲线,确定了双色场荧光增强过程中对FLEET的生成与放出荧光的过程几乎没有影响。这些结果为后续研究提供了大量有价值的信息。     

飞秒激光与固体靶相互作用中光辐射时间特性的实验研究

为了探索光辐射的时间特性, 在100 TW掺钛蓝宝石飞秒激光器上利用光学条纹相机, 分别在靶背表面法线方向测量了光辐射的时间积分和时间分辨成像光斑. 实验测量结果显示: 光辐射时间积分成像光斑呈长条状, 而辐射区域有发散角、有光强分布, 包含多种辐射成分; 光辐射的时间分辨成像光斑进一步证明, 渡越辐射(TR) 是信号强而快, 持续时间短, 为皮秒(ps) 量级, 是最先到达屏幕上, 并推算出相应的持续时间为85.5ps. 其他成分光辐射是信号弱而慢, 持续时间长, 为纳秒(ns) 量级, 是最后到达屏幕上. 光辐射的时间特性能为鉴别和判断TR信号提供了新的依据.     

飞秒激光脉冲作用下光学玻璃的色心和折射率变化

实验研究了近红外飞秒激光脉冲诱导重钡火石玻璃产生的色心、紫外透明和折射率变化,测量了样品在激光辐照前后的吸收光谱和折射率的变化.实验发现色心的产生伴随着折射率的改变,但色心漂白后,折射率的改变依然存在,表明色心与折射率改变的热稳定性不一致,意味着飞秒激光脉冲诱导玻璃折射率变化的机理与色心产生的机理不同.实验还观察到色心区域在紫外产生透明;色心漂白后,紫外透明消失的现象,并阐述了可能的机理和应用.     

飞秒激光渡越辐射时间特性的实验研究

为了探索渡越辐射（TR）的时间特性，在100 TW掺钛蓝宝石飞秒激光器上利用光学条纹相机，在靶背表面法线方向测量了TR时间分辨成像光斑。实验测量结果显示:TR时间分辨成像光斑呈长条状，而辐射区域有发散角、有光强分布。 TR信号强而快，持续时间短，为ps量级，最先到达屏幕上。其他成分光辐射信号弱而慢，持续时间长，为ns量级，最后到达屏幕上。TR的时间特性能为鉴别和判断TR信号提供了新的依据。     

飞秒激光在空气和水中对硅片烧蚀加工的实验研究

采用1 kHz,800 nm,50 fs—24 ps的钛宝石激光脉冲对单晶硅样品在空气和水溶液环境中的烧蚀加工特性进行了研究.实验观察到了超短脉冲激光在空气氛围中烧蚀形成的双层环状结构,分析揭示了加工区域中心和边缘的烧蚀物理机制分别为热熔化和库仑爆炸,并测量了双层环状结构半径随入射激光能量、脉冲数及持续时间等的变化关系,结果表明获取较大深-宽比的加工效果需选择小能量脉冲激光的多次作用.在水溶液环境中,实验发现飞秒激光在样品表面诱导产生了亚微米量级的多孔状结构,而皮秒激光则更容易实现对硅表面的非热性去除.这是由于激光诱导的光机械应力和空泡效应随脉冲宽度变大而增强所致,在实验上确立了区分这两种不同加工状态的临界脉冲宽度. 关键词： 飞秒激光 硅片 激光加工     

空气飞秒激光成丝现象中产生的椭圆偏振单周期太赫兹脉冲

飞秒激光在空气中形成的等离子体细丝会辐射出太赫兹(THz)信号.实验利用1 mJ,800 nm,50 fs的飞秒激光脉冲产生等离子体细丝.应用光电取样方法探测了激光成丝现象中前向辐射的THz脉冲,得到了持续时间为0.1 ps、光谱峰值在1 THz左右的单周期THz脉冲.转动抽运光的偏振态,分析了电光取样信号的变化.通过比较实验数据和计算结果,证明了成丝辐射THz脉冲的偏振态为椭圆偏振态.     

利用平面激光诱导荧光技术测量燃烧场内NO的浓度分布

 介绍了平面激光诱导荧光的原理及实验装置，利用可调谐OPO激光器，在甲烷 空气火焰及一些高能燃剂燃烧火焰中测得了NO分子在不同压力、不同燃烧时刻的系列荧光谱线及二维浓度分布，并给出实验结果分析。     

TP-LIF技术测量甲烷-空气火焰中CO的相对浓度分布

 阐述了双光子激光诱导荧光(TP-LIF)技术的原理及线性模型，利用双光子过程激励CO分子B¹∑+←←X¹∑＋(0,0)带Q支的跃迁(约230 nm)，分析了B¹∑+→A¹Π荧光带的荧光光谱特性，探讨了激光功率密度、激光波长及火焰温度等因素对测量的影响，并给出甲烷-空气火焰在一定燃烧条件下CO分子浓度随火焰位置及高度的变化关系。实验结果表明，利用TP-LIF技术测量CO的浓度分布，其时空分辨率及探测灵敏度都很高。当激光功率密度较强时，TP-LIF信号和激光能量成线性关系，而且由于光电离速率的增强，大大降低了碰撞猝灭速率等环境因素对信号测量造成的影响，该特性对实验标定及定量测量都非常有帮助。     

杨树叶片的飞秒等离子体丝诱导击穿光谱研究

开展了杨树叶片的飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱研究, 定性比较分析了长春市区的第一汽车厂、火车站、净月潭公园及长春理工大学四个地理区域的杨树叶片中重金属元素Ca, Fe和Cr. 实验结果表明, 通过分析杨树叶片中Ca Ⅱ 393.37 nm和Fe Ⅰ 422.87 nm光谱谱线可知叶茎中Ca和Fe元素浓度均高于叶肉. 比较长春四个地理区域的杨树叶的飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱, 发现汽车厂附近的杨树叶内重金属Ca, Fe和Cr 元素浓度最高, 净月公园的杨树叶重金属浓度最低. 由于飞秒激光等离子体丝光强度的“光学钳箍”效应, 对于杨树叶片这种表面不平整样品, 仍可获得稳定性较好的等离子体光谱. 飞秒激光等离子体丝诱导光谱技术有望在环境污染在线检测具有广泛的潜在应用.     

飞秒激光在透明介质中诱导光学微腔的实验研究

鉴于飞秒激光脉冲持续时间极短且峰值功率极高，将其紧聚焦到透明介质体内部时，易引发双光子效应、碰撞电离、雪崩击穿等一系列非线性过程，在焦点处产生微爆，从而形成微腔结构。提出采用25fs的激光脉冲在透明介质内部诱导形成微腔结构。分析了微腔的能量阈值。结合三维精密位移台，制备了三维微腔点阵。探讨了超短激光脉冲在透明介质内部形成微腔结构的方法与基本实验参数。试验发现：采用更短脉宽的飞秒脉冲时可以降低微腔形成的能量阈值；通过调整飞秒激光功率、脉冲作用次数和光束聚焦情况等因素，可以有效改变微腔的纵深比；在数值孔径较低时因无法实现紧聚焦，故不能形成微腔。     

飞秒激光在空气中成丝诱导氮荧光发射的空间分布

测量了线偏振飞秒激光脉冲在空气中成丝产生的氮荧光发射的空间分布.通过改变激光的偏振方向研究成丝过程中氮荧光发射的径向角分布,发现N₂⁺荧光发射在垂直于激光偏振方向上更强,而在平行于激光偏振方向上较弱;N₂荧光发射在所有方向上具有近乎相同的强度.原子和分子的激发、电离等动力学过程受激光强度的影响.在飞秒激光成丝过程中沿着激光传播方向,强度呈现先增强后减弱的分布,从而影响这些过程的产物的空间分布及其荧光发射的空间分布.沿着激光传播方向,发现N₂荧光先于N₂⁺荧光出现且在N₂⁺荧光消失之后消失.激光强度分布和激光偏振方向均会影响氮荧光的空间分布.基于实验分析,在短焦距情况下,系间窜越过程能很好的解释N₂(C³Π_u⁺)的形成,这项研究有助于理解飞秒激光成丝过程中氮荧光发射的产生机制.     

Ni原子双飞秒脉冲激光诱导击穿光谱的信号增强研究

在大气环境下采用波长为800nm,脉宽为30fs的飞秒激光研究了Ni的双脉冲激光诱导击穿光谱,与单飞秒脉冲激光诱导击穿光谱相比,双飞秒脉冲在最优的双脉冲相对延时下,其信号强度增强接近10倍,实验研究了双脉冲相对延时在0-1300ps范围内不同延时对激光诱导击穿光谱信号强度增强因子的影响。整个相对延时区域可以分为三个阶段：在0-50ps区域内信号增强因子是一个持续增大的过程,在50ps左右,达到一个最大值;在50-300ps区域内,信号增强因子呈现出一个先下降后上升的过程;在300-1300ps,信号增强因子基本保持不变。     

Ni原子双飞秒脉冲激光诱导击穿光谱的信号增强研究

在大气环境下采用波长为800nm,脉宽为30fs的飞秒激光研究了Ni的双脉冲激光诱导击穿光谱,与单飞秒脉冲激光诱导击穿光谱相比,双飞秒脉冲在最优的双脉冲相对延时下,其信号强度增强接近10倍,实验研究了双脉冲相对延时在0-1300ps范围内不同延时对激光诱导击穿光谱信号强度增强因子的影响。整个相对延时区域可以分为三个阶段：在0-50ps区域内信号增强因子是一个持续增大的过程,在50ps左右,达到一个最大值;在50-300ps区域内,信号增强因子呈现出一个先下降后上升的过程;在300-1300ps,信号增强因子基本保持不变。     

基于飞秒激光的一维速度场测量方法

飞秒激光诱导氰基化学发光利用飞秒光丝标记流场中的气体分子,通过观测被标记分子在固定时间内的位移可获得流场的速度信息.一维的光丝在实验结果中包含了一维的速度场信息,但由于无法将光丝移动前后的位置信息精确关联,因此只能给出中心一点的速度.针对此问题,我们提出了一种一维速度场反演算法,可根据移动后光丝的位置及其线型反演出整条...     

飞秒激光诱导微结构中飞秒时间分辨等离子体的时空动力学过程(特邀)

利用飞秒时间分辨泵浦探测阴影成像技术研究了不同数值孔径显微物镜聚焦的单脉冲飞秒激光诱导熔融石英微结构中等离子体的瞬态时间-空间演化特性及瞬态电子密度空间分布与激光诱导微结构的联系.实验结果表明显微物镜聚焦的飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度随延时的增加先增大后逐渐减小.当显微物镜的数值孔径为0.45时,飞秒激光在样品...     

高焓流场氧原子激光诱导荧光技术初步研究

基于双光子吸收激光诱导荧光(TALIF)技术,在纯净的高焓流场环境中,将脉冲激光从垂直于流场方向射入流场,并通过布置在风洞试验段外与流场和激光形成的平面向垂直方向上的ICCD测量获取到了二维氧原子的荧光信号,该信号可以反映氧原子相对浓度。为保证实验中使用到的激发激光波长为最佳激发波长,分别对氧原子基态处在不同角量子数的情况进行了测试,最终确定J=2时,波长为225.584 nm为最终实验激发波长,为了保证所获取的氧原子荧光信号在非饱和线性区,在同种状态下,将激发激光能量从小到大调整并进行荧光信号的测试,获取了激光能量在3.4 mJ以下的线性区域。为确保获取清晰对比度最优的ICCD荧光图像,选择了Nikon f=105 mm F/2.8镜头为实验测试镜头, 同时将50次曝光的累计结果作为图像输出。对所获取的荧光图像进行分析,实验结果可以清晰地看到超声速流场中压缩波形成的距中心线约±50 mm位置处左右各一个的小峰,亚声速流场中中心处氧原子浓度有一个约60 mm宽的均匀区域,区域以外氧原子浓度急剧下降,这些结果符合实验风洞特性,此测试方法可以很好地运用到流场测量中。     

模拟溢油样品激光诱导荧光光谱的偏振特性研究

激光诱导荧光是海洋溢油探测的有效手段之一,但该技术的应用易受自然水体中叶绿素、CDOM等物质荧光信号的干扰。为了寻求排除自然水体荧光干扰的方法,基于532 nm连续激光器搭建了激光诱导偏振荧光实验装置,并针对六种不同密度的模拟溢油样品和自然水体开展了荧光光谱偏振特性研究。实验结果发现,与自然水体的荧光光谱不具有明显的偏振特性不同,所有模拟溢油样品的诱导荧光均具有明显的偏振特性,这一结论说明激光诱导荧光光谱的偏振特性可以作为排除叶绿素、CDOM等物质荧光干扰的依据。实验还发现,溢油样品的荧光偏振性质因样品种类而异。在线偏振光激发下,原油样品荧光偏振度随波长逐渐降低,其中重质原油样品偏振度降低幅度最大,轻质原油样品幅度最小,而柴油样品荧光偏振度没有明显变化;当周期性改变激发光的偏振状态时,所有模拟溢油样品的荧光偏振度随之发生趋势相同的周期性波动,中质样品荧光偏振度波动的幅度低于重质样品,但明显超过轻质样品。这一结果说明,模拟溢油样品诱导荧光偏振度的波长变化特性及对激发光偏振态的响应特性均与样品密度存在一定关联,其偏振特性可以作为辅助油种识别的重要参量。     

飞秒激光光刻波导偏振器

飞秒激光诱导折射率变化提供了一种灵活的三维光子器件制作手段.飞秒激光光刻的Ⅱ类波导具有偏振导光特性,可以作为波导偏振器,但是对于要保留的偏振分量损耗太大.本文阐述了一种利用飞秒激光在熔融石英中制作的新型低损耗波导偏振器.它由中间的一根Ⅰ类波导及两侧的两根Ⅱ类纳米光栅轨迹构成.基于飞秒激光诱导的纳米光栅的偏振依赖散射特性...