强飞秒激光在大气中的成丝传输

  激光具有高度的单色性、相干性和良好的方向性，这些优良的特性使激光具有广泛的应用。自从1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光技术已经从远红外激光器发展到了X射线激光器。其波长从微米（25~1000μm）波段发展到了当今的纳米甚至埃波段（0.01~50A）。随着激光技术的飞速发展，使光与物质相互作用的研究进入了一个崭新的时代。

  近年来，飞秒激光技术的快速发展更是引起了人们的高度关注。飞秒激光是一种以脉冲形式工作的激光，持续时间非常短，仅为几飞秒到几十飞秒，而脉冲的瞬时功率非常高，最高可达百万亿瓦。这种高功率超快激光在透明介质如空气、水、玻璃中传输时，克尔自聚焦会使飞秒激光束限制在微米量级内。此时，强激光的电场强度远大于原子中的电子所受到的束缚场作用强度。因此，介质分子会被电离而产生等离子体，这些等离子体会对激光光束产生散焦作用。特别是，飞秒激光在大气中传输，当非线性克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应两者达到一种动态平衡时，可以使激光在空气中产生一种在时间和空间上都具有特殊属性的等离子体通道11-8，该等离子体通道具有丝状结构，其芯径大小仅在100-200mm范围内（9]，人们就将该等离子体通道形象地称为“光丝”。其峰值电子密度可达到106~10"/cm30，相应的峰值光强可达到10”-10“W/em.11）。飞秒激光在大气中产生的光丝因其巨大的应用潜力而日趋成为强场物理领域里一个十分活跃的研究课题。

1.1强飞秒激光在大气中成丝的研究历史及进展

  激光成丝现象的研究最早可以追溯到1964年，利用调Q强激光脉冲在固体中传输]，在实验中观察到，激光束在固体中变为直径为几个微米的细丝，并造成了固体的损伤。随后，Chiao等人n4提出了一种自陷模型来解释这一实验现象，从而开拓了激光束自聚焦这一全新的领域。1968年，Marburger小组把自聚焦类比为粒子运动，研究了高斯光束的自聚焦现象并得出局部自聚焦临界功率]。同时，他们数值模拟了高斯光脉冲的自聚焦现象，并得出自陷临界功率[6]。随后的很长时间，相关方面的研究一直未取得突破性的进展。直到，20世纪80年代中后期，随着啁啾脉冲放大（CPA）技术的实现（17），激光脉冲的宽度进一步压缩到飞秒量级，以及激光的输出功率有了大幅度的提高。目前，在实验室中产生的超短脉冲激光的功率密度可以达到102W/cm²。此强度远大于原子核对核外电子的束缚场强(氢原子核对核外电子的束缚电场为5x10°V/cm)。强激光脉冲在介质中传播时会使材料的光学性质产生很大的改变，特别是飞秒激光在非线性介质中自聚焦后的光强会引起多光子电离、隧道电离等，但由于脉宽很短，可以避免介质因雪崩电离而被击穿。因此飞秒激光在非线性介质中的传输引起了人们的广泛关注。

本书围绕实际应用所需要的激光在大气中长距离传输这一关键问题，通过改变激光脉冲的形状（利用环形光作为激光光源），利用能量补充方法，以及采用多脉冲相干增强激光强度的方法，来产生长距离的光丝。并对这一过程中的基本物理机制和相关的物理问题进行了系统的研究。主要内容包括：飞秒激光在大气中传输的基本理论和数值研究方法、强飞秒环形高斯光在大气中成丝传输的特性、飞秒环形高斯光束在大气中成丝的非线性效应、强飞

秒环形高斯光在大气中成丝传输的透镜聚焦效应、利用三共线的飞秒脉冲在

大气中产生长距离的双色光丝、强飞秒激光丝在连续变化气压的大气中的传输等。