飞秒激光空气成丝

1第六章 系列实验二：飞秒激光空气成丝 6.1. 飞秒激光空气成丝现象 飞秒激光空气成丝的现象是1995年美国GerardMourou小组研究人员首先在实验中发现的[1]。通常激光在介质中（甚至真空）里传输，都会发生衍射，在传输一定距离后光束宽度会变宽（比如对于光强是高斯分布并且相位面是平面的光束，光束宽度在传输一个特征长度后增大为原来的√2倍，这个特征长度称为瑞利距离），光强应随之下降。然而，当他们采用峰值功率超过几个GW的飞秒激光脉冲工作中发现，当激光经过远距离的传播时反而更容易损伤反射镜。同时，他们还发现这样的飞秒激光脉冲在大气中传输能够形成长达几十米的光通道，它的内核直径在100微米量级，因此把它称为光丝。进一步研究表明当激光功率超过一定的阈值时，飞秒激光在介质中（如空气、水、光学玻璃等）传输会都会产生飞秒激光成丝（Femtosecondlaserfilament）这种独特的非线性光学现象。飞秒激光成丝现象包含了丰富的非线性效应，感兴趣的同学可以查阅相关文献综述[2,3]，也产生了广泛的应用，比如通过飞秒激光长距离成丝可以实现大气污染的远程检测[4]、激光诱导击穿光谱[5]、激光引雷放电[6]等。在系列实验二中我们重点考察飞秒激光在空气中的成丝现象，目前普遍认同的物理图像是：由于飞秒激光脉冲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最终达到一种动态平衡，使得飞秒激光脉冲在空气中形成较长的、稳定的激光通道。飞秒激光在空气中传输时，即使不外加透镜，由于空气的光克尔效应也能发生自聚焦现象[7,8]。所谓光克尔效应是指空气的折射率随入射光强而变化，此时空气折射率随激光强度变化的分布为： ∆其中n为空气的折射率，n0为线性折射率；∆是由克尔效应引起的非线性折射率，I为激光强度，n2为非线性折射率系数（折射率随光强的变化系数），对于空气n20。一般光斑中心光强较强，空气折射率相应较大；而边缘的光强较弱，折射率相应较小；因此光束中心的折射率要高于边缘部分，此时空气对入射光束呈现正透镜效果（图一a），使光束的波面发生了弯曲。2图一飞秒激光成丝原理示意图（摘自[2]）a.光克尔效应导致的光束自聚焦示意图b.等离子体导致的光束散焦示意图当激光的功率超过空气中的自聚焦阈值功率Pcr(一般为几个GW)时，光束就会发生自聚焦现象。随着光束宽度的减小，激光强度增强，当光强达到1013-1014W/cm2时会导致空气的电离，从而产生大量的低密度等离子体。等离子体的存在将降低介质的折射率：∆2其中ω0为激光脉冲的中心频率，e和me分别为电子的电量和质量，Ne为电子密度。与自聚焦引起折射率增加相反，对于激光光束来说，光强度较高的部分所产生的等离子体的密度较高，相应引起较大的折射率的降低。由此可见，等离子体对激光光束具有散焦作用，相当于一个负透镜（图一b），这与由自聚焦效应相抵消。此时如果激光功率仍然大于临界功率，会继续发生空气的自聚焦和等离子体的散焦，如此循环，形成能够长距离自导传输的光丝（图二）。此时，光束直径达到最小，光强达到最大，这个现象称为“光强钳制”（Intensityclamping），它设置了自聚焦区域中的光强上限，即满足：∆∆∆0通常飞秒激光空气成丝的通道内电子密度可达1016～1018cm-3，激光强度一般稳定在5x1013W/cm2，典型的光丝直径为80～120μm。3图二自聚焦-散焦达到平衡的示意图（摘自[2]）关于飞秒激光脉冲在空气中成丝的动态过程的描述有不同的解释，这里我们重点介绍其“slice-by-sliceself-focusing”模型（图三），图中横坐标为激光脉冲传输距离，纵坐标Pin/Pcr为入射激光光功率与自聚焦的临界功率阈值的比值，z为焦点出现的位置。其中Pcr为空气中自聚焦的临界功率阈值为[9]：3.778其中0为飞秒激光脉冲的中心波长。如图所示，沿传输方向将飞秒激光脉冲分为若干光片，对于光功率P/Pcr1的光片均可在空气中发生自聚焦效应，每一光片到达自聚焦焦点处的距离Zf可用Margburger公式进行计算[9]：0.3670.8520.0219其中k为飞秒激光脉冲中心波长对应的波数，α0为光束截面半径(峰值的1/e2处)，P为每一个光片对应的光功率。根据上式可知，具有不同功率的光片经自聚焦后形成焦点的距离是不一致的，不同的焦点之间就可以形成光丝。Zf随功率的增加而减小，对一定峰值功率Pmax的飞秒激光脉冲，光丝出现于P=Pmax~Pcr之间，通过求出相应的Zf，计算其差值就可以估算光丝的长度。4图三slice-by-sliceself-focusing模型示意图（摘自[10]）尽管飞秒激光脉冲可以发生自聚焦，但是可探测的成丝距离远。本实验通过增加一个焦距为f的外部透镜将飞秒激光在空气中直接聚焦，缩短成丝起始的位置，并用CCD对其直接成像，此时光丝开始的位置（复合焦距）d满足：111图四显示外部透镜的焦距对光丝的影响，实验中使用的是5mJ,42fs的激光脉冲。对于几何焦距较长的透镜（f=100cm），成丝早于透镜的几何焦点（图四a）；如果缩短焦距（f=30cm），光丝将终结于几何焦点（图四b）；若进一步缩短焦距（f=5cm），自聚焦和几何焦距将不可分辨。通过实验测量d与激光功率P之间关系，就有可能获得自聚焦的临界功率阈值Pcr以及非线性折射率系数n2。在非线性光学中，非线性折射率系数是一个很重要的参数，对于气体介质，该系数通常比凝聚态物质的对应数值小3个数量级，因此传统测量凝聚态物质非线性折射率系数的Z-scan方式不再适用，选做实验中还将着重介绍其他3种不同的测量方法用于测定空气的非线性折射率系数。实验中我们还将探测飞秒激光空气成丝的荧光光谱，可以反映激光与空气相互作用后所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发射或吸收电磁波。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。例如波长777nm处的特征峰，对应于N原子的一级电离峰；其峰值极高，原因在于其一，此物理过程是空气电离的主要物理过程；其二，空气中N原子的比重最大。其他强度不同的峰值，都可以在读取其对应的波长后查阅资料获知其对应的能级跃迁过程。5图四空气中自聚焦与几何聚焦的竞争关系（摘自[3]）光丝的光谱除了强度各异的特征峰外，在可见光范围内（400~700nm）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”(Supercontinuum)[2,11]。超连续谱的本质是由于激光场的非线性效应，使得光介质的折射率随光强的增加而线性增大，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”（Self-phasemodulation）。根据自相位调制理论，脉冲前沿光强递增，造成脉冲向长波长方向展宽，脉冲后沿光强递减，造成脉冲向短波方向展宽。感兴趣的同学可以查阅相关参考文献[2,3]。 66.2. 实验内容（一） （一）注意事项1.必须经过激光安全培训并通过考核。2.预习了解本实验的理论基础、光路和实验方案设计。3.预习了解实验仪器的基本操作方法。4.实验室内不允许进食以及饮水。（二）实验光路图五实验光路示意图（三）实验内容与方法示意图1.透镜焦距估测：方法一：将头顶上的日光灯管发出的光视作平行光，手持透镜在光学平台上方，调整到平台上出现日光灯的清晰地像，则认为此时透镜到平台的距离为透镜的焦距。方法二：将小手电置于透镜上方，其余操作同方法一，当平台上呈现清晰的与手电大小相当的灯泡的像，则认为此时透镜到平台的距离的一半为透镜的焦距。这个方法也可以在光具座上实现。72.成丝长度估算：方法一：在已知激光功率密度与透镜焦距的情况下，可以从几何上粗略地估测成丝的长度。具体方法如下：图六通过激光功率密度估算光丝丝长的示意图如图六所示，激光的功率密度与光口径的平方成反比，由此可由相似三角形法算出在何处激光功率密度达到成丝的强度（图中红框），相应求出光丝的大致长度。方法二：只有当激光功率密度P大于空气电离阈值Pcr时才能产生等离子体形成光丝，所以光丝出现于P=Pmax~Pcr之间，求出相应的Zf，其差值就是光丝的长度。3.飞秒激光成丝现象观察：搭建如图五所示的光路，对于本实验所使用的飞秒激光，只需要用一个凸透镜聚焦，就可以直接用肉眼看到成丝现象（一般为白光），伴随着还有比较刺耳的噪声（想一想，为什么？），观察的时候应注意安全。注意到在佩戴激光眼镜的情况下仍能观察到成丝现象以及成丝后的光斑，说明激光束的光谱成分在成丝后发生了改变。在激光光束质量较好的情况下，可看到成丝后的光斑是不同彩色环构成的锥形辐射（图七）。当激光功率过高或光束波面不均匀时，会有多丝的产生。图七光丝的锥形辐射（剖面图，摘自[2]）84.空气中光丝的光谱探测图八光丝通道侧向光谱采集示意图本实验从激光成丝的侧向采集光谱（图八），使用一个短焦距凸透镜收集信号耦合到光纤探头中。注意光纤探头的采集截面十分狭小，所以少许偏差就无法采集到信号。因此在手动微调时应尽量小心仔细。我们使用专用的光谱采集处理程序对采集到的信号进行处理，如果信号较弱或者跳动较大，可以改变采集信号的积分时间和平均次数，常用积分时间2000毫秒，平均不少于20次为宜。同学们在论文中应对光谱中的特征谱线、连续光谱形成的原理进行深入的分析。对于能够出色完成课程要求内容的同学，如果对本实验的进一步研究有兴趣，则可以尝试完成选做的实验内容。5.（选做）考察光丝侧向光谱与能量之间的关系（图八）：图八不同激光能量下的飞秒激光成丝侧向光谱图9通过800纳米的半波片（half-waveplate）和偏振分光棱镜（polarizingbeam-splittingprism），可以连续改变激光能量/平均功率，获得不同激光能量下的侧向光谱图。选择特征谱线与连续光谱区域，考察它们的强度随激光能量的变化关系。6.（选做）前向光丝光谱测量通过前面观察光丝后光斑的颜色可以发现，扩散开来的光斑内部不同波长的光分布并不是均匀的，因此，我们从光丝的侧向收集光谱数据，并不能够很好的反映整个光丝内部的物理过程，我们采集到的绝大多数是等离子体通道最外层光谱信号。事实上，飞秒激光空气成丝后发散的光在很大的立体角范围内有着各不相同的分布，光谱中的频率组分所占的比重也不相同。所以使用光纤探头收集的角度变化也会影响到实验结果。本实验的难点在于我们使用的光纤光谱仪的损伤阈值较低，如何控制在前向收集光谱的同时保证光谱仪不被强激光伤害，是本选做实验的难点。此外，有兴趣、有能力的实验组也可以尝试在各个不同的角度采集光谱，并比较数据讨论光丝后光斑分布情况的成因。7.(选做)飞秒成丝激光诱导击穿光谱（Filamentlightinducedbreakdownspectroscopy）激光诱导击穿光谱(LIBS)利用高能量脉冲激光烧蚀材料，表面微量样品瞬间形成激光等离子体，通过检测待测样品内元素的特征等离子体光谱波长及其强度，对样品成分进行定性和定量分析。近年来随着激光和光谱检测技术发展，LIBS技术受到广泛应用，特别值得一提的是2012年美国NASA的“好奇”号火星探测器所携带的ChemCam系统就采用LIBS技术对火星上的岩石成分进行分析。由于“光强钳制”效应的存在，飞秒激光等离子体丝内的激光强度基本稳定，可极大降低LIBS光学系统的复杂程度，提高LIBS的测量稳定性；同时由于光丝的传播距离远，因此可以实现远距离的原位探测[5]。我们在实验中，将样品（如铜箔、铅块、树叶等）放置在聚焦透镜几何焦点的附近，在斜侧面探测样品的特征等离子体光谱。106.3. 实验内容（二） 空气中的非线性折射率系数测量可归结为对飞秒