飞秒激光脉冲成丝的诊断及其应用概述

刘复麟

摘 要 高峰值功率飞秒激光脉冲在空气中传输时，会形成一种长度远远超过其光学瑞利距离的结构—光丝，人们习惯上称之为飞秒激光成丝现象。对于研究飞秒激光成丝的特性，包括成丝的电子密度等对于光丝在激光成丝诱导闪电、空气中水的凝聚及雪的形成、大气远程探测等众多领域的应用极其重要。本文总结了两种主要的飞秒激光成丝的诊断方法，以及简述了其在几个领域的应用。通过对其诊断方法和应用领域的概述，使人们能够更加深入地了解和认识飞秒激光成丝。

关键词 飞秒激光成丝 密度诊断 电子密度

1理论概述

飞秒激光的脉冲宽度仅有几飞秒或几十飞秒，一飞秒为10-15秒，其峰值功率极高。如今，在空气中传输的高功率飞秒激光脉冲可形成远距离的等离子体细丝，激光束可传输十几公里并产生超连续白光。超短超强脉冲激光在空气中传输诱导的等离子体细丝内部，峰值电子密度可达到10161018cm-3，峰值激光强度可达到10131014W/cm2，在此条件下，对细丝的直接测量是不可能的，必需依据细丝所表现出来的种种物理现象间接地进行测量。本文例举了两种对于飞秒激光成丝的诊断方法，并对其在诱导闪电等领域中的应用作了概述。

2飞秒激光成丝等离子体的诊断方法

等离子体诊断源自光学天文的观测，是天体物理学和天体测量学的重要基础。它对于激光等离子体等研究领域及其应用具有重要的价值。尤其是对电子密度等物理参量的诊断对深入研究激光等离子体原理尤为重要。

2.1微波法诊断飞秒激光成丝等离子体

此方法是通过测量等离子体的截止频率，从而推断等离子体的内部参数。将一束微波入射至等离子体，若微波频率小于等离子体的截止频率，那么微波将不能穿过等离子体。使用一个可连续调频率的微波发生器发射微波入射至等离子体，在等离子体的另一侧，也就是与微波发生器相对的位置，安装一个接收器用来接收微波信号。实验检测时，使用发生器发出微波，在接收器的一侧观察接收到的微波功率。调节微波发生器发射的微波频率，直至接收器恰好接收不到微波信号为止。此时微波发生器发射的微波频率即为等离子体的截止频率。根据等离子体的截止频率就可算得等离子体内的电子密度。

2.2激光干涉法诊断飞秒激光成丝等离子体

此方法主要是通过得到电子密度的二维图像来获得其信息。在激光干涉仪装置中，探测光被分成两束，然后再合束得到其干涉条纹。由于等离子体的折射率正比于自由电子的密度，折射率的改变则等效于探测光光程的变化，并导致相位的漂移，相位的漂移可以通过探测光和参考光之间的干涉条纹变化确定。根据干涉仪中两光束干涉条纹的变化就可以算得等离子体内的电子密度。

3飞秒激光成丝的应用

飞秒激光成丝在众多领域都有广泛的应用，本文简单例举了其在诱导闪电和大气远程探测方面的应用。

3.1激光诱导闪电

激光诱导闪电的原理为利用激光器电离空气分子，在大地和带电云层之间形成一条激光等离子体通道，进而改变雷电的轨迹，从而实现对重要场所（如机场、核电站等）设备仪器的保护。采用飞秒激光脉冲诱导成丝的方法可在大气中产生几十至几百米长的等离子体通道，且其中心的自由电子密度可达1015cm-31018cm-3，与传统的避雷针技术相结合，使得激光引雷在技术上成为可能。

3.2大气远程探测

大气远程探测技术对于当前大气污染监测、温室效应、天气预测、以及臭氧层问题等有着非常重要的意义。傅利葉变换红外光谱分析法（FTIR）以傅利叶光谱仪作为探测仪器，采用飞秒激光成丝所产生的超连续白光作为超连续辐射光源，同时测量较宽谱段范围内的吸收谱，这种方法可实现对多种气体成分的实时检测。

4结语

本文介绍了微波法和激光干涉法诊断飞秒激光成丝等离子体的方法和原理，通过对成丝等离子体的诊断，可以更深入地研究其物理机制和应用前景。利用飞秒激光诱导的成丝等离子体拥有独特的光学特性，对激光引雷等多个领域有重要的应用。

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