超短脉冲强激光在大气中的传输特性

论文摘要

超短超强脉冲激光能够在大气中传输形成一条稳定的等离子体通道,并由此引发超连续白光、三次谐波、锥角辐射等很多物理现象。这些现象在激光遥感、激光引雷、激光诱导闪电、激光诱导核反应、强激光远距离能量输送等领域具有广阔的应用前景。因而超高功率和超短脉冲强激光在大气中的传输成为近年来激光物理学研究的新热点。本文基于一个由空间动态补偿模型发展而来的模型,主要讨论了超短超强激光脉冲在大气中传输形成的等离子体通道的演变和控制。目前人们普遍认为,超短超强脉冲激光在空气中自聚焦传输形成等离子体通道主要是衍射、色散、克尔效应和多光子吸收共同作用的结果。本文在考虑以上重要机制的基础上,还引入了拉曼散射、等离子体尾波场和相对论自聚焦等多种效应,并通过采用合理的近似,修正了表征超短脉冲强激光大气中传输的非线性薛定谔方程。采用分步傅里叶方法和差分法得到了二维和三维的数值仿真结果。主要讨论光强通量和电子密度在空间中的分布,光脉冲在时间域和空间域的演变情况,通过数值仿真,揭示不同波长、输入脉冲能量、脉宽、束腰半径等初始参数对成丝的影响,并对其他较为复杂的改变激光能量分布的方法提出了展望,如采用时域啁啾的初始脉冲、构造后继脉冲形成双脉冲结构等。这些工作为探索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新途径。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图表清单
• 1 绪论
• 1.1 超短超强激光研究和应用的发展史
• 1.2 超短超强激光大气传输的国内研究情况
• 1.3 超短超强激光大气传输的国外研究情况
• 1.4 本文的主要内容和结构安排
• 2 超短超强脉冲激光大气传输理论
• 2.1 强激光和等离子体的相互作用
• 2.1.1 激光等离子体相互作用的一些基本概念
• 2.1.2 激光等离子体的各种相互作用和能量转化机制
• 2.1.3 激光强度、脉冲长度与吸收机制强弱的关系
• 2.2 超短超强激光在大气中传输的光学现象
• 2.2.1 光的衍射和色散
• 2.2.2 光学自聚焦
• 2.2.3 自相位调制
• 2.2.4 多光子电离和多光子吸收
• 2.2.5 等离子体散焦和等离子体吸收所致能量损失
• 2.2.6 脉冲在时间上的自压缩和空间上分裂
• 2.2.7 成丝现象
• 2.2.8 光强箝位
• 2.2.9 多丝现象和储能池理论
• 3 超短脉冲强激光大气传输的数学模型和求解方法
• 3.1 超短脉冲强激光大气传输的数学模型的推导
• 3.2 模型的简化
• 3.3 NLS方程的数值解法
• 3.4 数值仿真中运算速度、精度的问题
• 3.5 仿真程序运行步骤示意图
• 4 超短脉冲强激光大气传输的仿真结果
• 4.1 相关仿真参数的说明
• 4.2 二维仿真结果
• 4.2.1 电子密度和光强通量的空间分布
• 4.2.2 光强箝位
• 4.2.3 脉冲在时域和径向空间的分裂
• 4.2.4 多丝现象和单脉冲能量演变过程
• 4.2.5 紫外激光与红外激光的比较
• 4.2.6 激光初始参数对成丝特性的影响
• 4.3 三维仿真结果
• 4.3.1 电子密度和光强通量的空间分布
• 4.3.2 电子密度和光强随脉冲时间的演变
• 4.3.3 三维空间上的多丝现象
• 5 总结和展望
• 参考文献
• 在校期间科研工作情况简介