飞秒激光空气成丝

飞秒激光空气成丝
刘星煜，王骁原，王维赛，金忆凡
1.引言
当功率达到一定得阈值要求时，飞秒激光在光学介质传输过程中会产生一种独特的非线性光学现象——成丝现象。

在自聚焦效应和电离空气后产生的等离子体带来的散焦效应共同作用下，激光脉冲在空气中可实现超过光束瑞利长度很多倍的长距离传输，具有一个很长的较为稳定的激光通道。

自1995年首次发现飞秒激光的成丝现象以来，这一个领域已经蓬勃发展，具有一定的应用前景，如大气污染检测[1]和光频率转换[2]等。

最近发现飞秒激光成丝能引起空气中水分子的凝聚现象[3]，为人工降雨提供了新的途径。

此外，飞秒脉冲在光丝里的自压缩效应也可以用于超短脉冲的产生[4]。

本文我们主要研究了激光成丝在侧向的辐射谱线，以及测量了在能量下的光丝长度。

2. 实验原理及装置
1．飞秒激光空气成丝
飞秒激光脉冲在大气传输过程中,入射功率高于自聚焦阐值功率时,光束会因自聚焦而发生会聚,使能量向光束中心流动"光束聚焦后通过多光子电离产生低密度等离子体,衍射和产生的等离子体都起到散焦作用,又使光束发散,能量又由光束中心向周边流动"在不考虑多光子吸收耗散能量的情况下,聚焦和散焦在达到一种动态的平衡以后,可以使得光束能够稳定地传输很长一段距离，光束的半径和峰值强度几乎不变,光束能量被钳位在光束周围一定范围内，这种周期性的聚焦一散焦动态平衡!稳定的传输就形成一个个的聚焦点,焦点附近产生有低密度的等离子体,整条光束就形如一条由等离子体串组成的光丝。

实验中光丝的发射光谱，反映了激光与等离子体相互作用是发生的具体物理过程。

激光等离子体相互作用的本质是激光的强电场将空气分子电离，期间电子在不同能级之间的跃迁会放射或吸收电磁波。

如果某一个物理过程在激光等离子体相互作用中大量发生，反映在光谱上的表现就是一个特定波长处具有很高峰值的峰，这个波长是特征的，而峰与峰之间峰值的比例就是对应物理过程发生的比重。

2.实验装置图
其中M1-M6为平面镜，通过M3和M4之间的光阑调节激光基准，1/2WP为半波片，P1为衰减片，L1 L2为凸透镜，激光通过L2成丝，由CCD成像
我们的激光器是Spectrum Physics的，参数是70fs，重复频率是1KHz，单脉冲能量是1mJ。

3. 实验结果
在600mW功率下，得到的光丝长度为11.00mm0.20mm。

光丝在侧向的谱线：
在350-700nm之间为连续谱，分立谱主要集中在750-880nm之间。

分立谱中的峰主要有：391.16, 656.16, 746.91, 777.14, 821.45, 868.05等
关于777nm和868nm的辐射峰在不同功率下的辐射强度：
4. 实验分析
1关于光丝长度的测量：
测量光丝的长度主要有三个难点：一个是光丝不能直接接触，所以不能用常规的测量工具来测量；第二是光丝是悬在空中的，所以不能使用背景来定标；第三光丝的两端没有肉眼可见的明显边界，这更给精确测量增加了难度，使得光线、摄像头感光度、背景光强等因素都有可能影响测量。

第一种是把光丝和定标所用的针尖放在比较靠近的地方位于同一个视野之内，经过第一次的测试，可以把视野调整到使得光丝完整进入大约占据视野三分之二的距离，这样便于测量，另外在光丝的下方同一深度放置用来定标的针尖，针尖上提前做好标记用于测量。

另外测量针尖上标记的长度。

这样拍摄过后比较光丝和针尖上标记的长度计算出光丝长度。

第二种与第一种不同之处在于，先在平台上确定光丝位置在摄像头视野中确定高度，拍好一张之后把定标用的针尖放在相同的位置再拍一张。

这种方法的优点在于可以把针尖放的和光丝比较近，缺点是有深度的误差的风险。

在做实验的过程中我们发现第一种方法不可行，光丝和定标物不能靠的太近。

于是使用了第二种方法，并且舍弃了使用针尖定标而改用螺丝，螺丝的螺距是很好的定标的样品。

试验结果如下图：
经过计算L1:L2=6.5
又测得螺丝的螺距为标准螺距1.5mm
可得光丝长度约为9.8mm
但是这种方法实在是不精确，误差主要有肉眼观测边缘不精确，镜头的球差无法排除等问题，基本上只能精确到毫米数量级。

所以我们又利用螺旋测微器控制的平移台又做了一组实验。

实验中将摄像头和透镜都放到可以水平移动的平移台上调整镜头使其成尽量大的像。

如图：
然后调整螺旋测微器，在观测到光丝最左端和最右端时标记下位置（如下图），反复做六组数据。

数据如下：
左端右端
第一次 6.334 17.375
第二次7.052 17.52
第三次 6.535 17.596
第四次 6.842 17.764
第五次 6.461 17.726
第六次 6.139 17.384
平均 6.560 17.560
得到光丝长度为11.00mm0.20mm。

这种方法的主要问题在于探测器和透镜一起移动可能造成的误差，我们事后和助教进行讨论如何减少这种误差觉得可以通过改变平移台放在聚焦透镜下而不是观测系统的方法来改进。

而前一种方法得到的数据比这个小的原因是由于第一次实验光线比较亮拍摄放大倍数又不够导致两边的边界看的没有第二次清楚所致。

2光丝光谱的分析（辐射机制）：
a)轫致辐射——是由库仑碰撞引起的辐射，主要来源是电子和离子碰撞时电子的辐射．当
自由电子在运动过程中靠近离子时就会受到离子和库仑场的作用，运动速度发生变化，主要是改变运动方向，同时辐射出光子．轫致辐射是连续谱．
b)激发辐射——是当等离子体粒子上的轨道电子没有完全剥离时，激发到高能级的电子跳
回到低能级时发出的辐射．它的每条谱线都是与一特定的能级跃迁相对应，在空气中，主要是氮分子和氧分子引起的辐射．
c)复合辐射是当自由电子被正离子所俘获时，被俘获的电子在整个过程中失去的能量以辐
射的形式发射出来的辐射。

由于自由电子的速度有一个分布，故复合辐射也是连续谱，故在实验中测量到的等离子体连续光谱是轫致辐射和复合辐射之和．当等子体中电子温度很高时，连续光谱中的轫致辐射是主要的．因为电子运动速度快，就不容易被离子捕获．在低温弱电离的等离子体内，激发辐射起主要作用，随着温度的升高，连续辐射就会增大．
激光在空气中传输时形成等离子体细丝可以产生从远紫外到远红外的连续光谱，上面的各种辐射机制都有一定的贡献，比如激发辐射，很多人就是依据一些特定的谱线来对等离子体细丝进行诊断．
光谱中约400-600nm 可见光波段内的凸起成因：
在可见光范围内（400nm~700nm ）有一段很宽的连续白光谱，这一段白光谱是由于强激光在空气中的非线性效应产生的光脉冲急剧展宽造成的，称之为“超连续谱”。

目前，人们普遍认为自相位调制和其它的一些非线性效应例如多光子电离、群速度色散、受激拉曼散射、自陡峭等是产生超连续光谱的主要原因．
我们认为根本的原因是自相位调制(SPM)的作用．由于激光场的三阶非线性效应，使得光介质的折射率随光强的增加而线性增大，n =n 0+n 2∗I ，我们知道光在介质中的传播速度随光频和折射率变化而变化，因而在光丝中传播的激光其不同频率组分会因各自速度不同而引起整个脉冲形状的改变，就是所谓的的“自相位调制”。

当超强超短激光脉冲在空气中传输时，会出现很强的谱展宽，并且向短波方向展宽要多，这与产生的等离子体中的自感应的相位调制是分不开的，也与轫致辐射和复合辐射等几种辐射机制有关．激光场的相位通过非线性折射率、电离、拉曼效应等过程自我调制，使得激光光束在空气中传输一段距离后，光谱得到明显的展宽.
超强激光脉冲在空气中传输时产生等离子体细丝，在等离子体细丝内，低密度等离子体对空气折射率的影响为：222p p n ωω
∆=−。

式中p ω为等离子体频率，e N 为等离子体密度．则等离子体引起的相位变化为：
2222p L ωπφωλ
∆=− 那么引起的频率变化就是：
22242e e N e t m z
φππωλω∂∂∆∆=−=∂∂ 可见，e N z
ω∂∆∝∂。

从上面我们提到的运动焦点模型中可以看到，激光脉冲在时间上分的不同的层聚焦在各自的焦点上，激光脉冲的后沿的“每一层”遇到的将是突然增加的电子密度，也就是说，
()0e N z z ∂>∂，结果就造成了光谱在短波方向很大的展宽．又因为电子密度梯度从小到大连续变化，结果就使频率有一个连续的增加，形成了短波方向上的连续谱．在等离子体细丝的末端，电子密度会缓慢减少，使频率有一定的减小，造成长波方向一定的展宽，但相对于短波方向来说要小得多．从上面分析可以看出，激光在空气中传输一段距离后，光谱会展宽很大的范围，尤其是短波方向上．考虑到我们常用的飞秒激光的频率在近红外，那么光谱短波方向的展宽就会进入可见光区域，这就是我们常说的白光辐射．若考虑到束缚电子、拉曼散射和等离子体对光谱展宽的贡献，在激光脉冲的前沿，相对于激光频率出现了 10 %的红移，在脉冲的后沿出现了 40 %的蓝移．
在本实验中有几个较强的峰，其成因：
由于空气中N,O 的含量较大，故几个较强的峰大部分为氮和氧的原子和离子发射峰。

868nm
从表中我们可以知道，868nm处的峰主要是由868.028nm、868.340nm的N I发射峰构成。

844nm
查表可知844nm出的峰主要是由844.636nm的O I线所致。

821nm
由表可知，821nm处的峰是由821.072nm、821.634nm的N I发射峰构成。

777nm
777nm处的峰是有777.194nm、777.417nm、777.539nm的O I发射峰构成，由于氮气在776.224nm处也有较强的NⅡ发射峰，且空气中N的含量很高，故我们认为NⅡ峰也起到了一定的作用。

746nm
由上表，在746.831nm处的N I发射峰起了主要作用。

656nm
没有查到N和O对应的谱线。

由于空气中有一定含量的水蒸气，故我们猜测是H和D在656nm 处的双线。

另外，657nm处的CⅡ峰也可能有一定作用（CO2）。

391nm
391nm处的峰主要应该是NⅡ发射峰，另外OⅡ、CⅡ峰也起到了一定作用。

5. 总结
通过本次实验，我们对光丝的长度进行了精度到10微米的测量，并且对光丝侧向的辐射谱线进行了分析，对激光丝中的主要跃迁过程有了一定的定性的认识。

成丝现象是激光等离子体领域一个重要的基本现象，通过对这个过程的学习，有助于我们掌握相应的应用技术，和认识到它的应用前景。

参考文献：
[1]J. Kasparian, M. Rodriguez, G. Mejean, J.Yu, E. Salmon, H. Wille, R. Bourayou,
S. Frey, YB Andre, A. Mysyrowicz, R. Sauerbrey, JR Wolf, L. Woste "White-Light Filaments for Atmospheric Analysis" Science Jul. 4, 2003: vol. 301. No. 5629, pp. 61-64
[2] N. Aközbek, A. Iwasaki, A. Becker, M. Scalora, S. L. Chin, and C. M. Bowden, Third-Harmonic Generation and Self-Channeling in Air Using High-Power Femtosecond Laser Pulses, Phys. Rev. Lett. 89, 143901 (2002)
[3] P.Rohwetter, J.Kasparian, K.Stelmaszczyk et al. Laser Induced water condensation in air Nat. Photonics,2010,115(4): 451-456
[4]C.P. Hauri, W. Kornelis, F.W. Helbing, A. Heinrich, A. Couairon, A. Mysyrowicz, J. Biegert, U. Keller, Generation of intense, carrier-envelope phase-locked few-cycle laser pulses through filamentation, Appl. Phys. B, 2004, 79(6): 673-677。