面向在轨遥感应用的飞秒激光成丝调制延长方法研究

宋海英 安汶源 李瑶 刘勋 李维 刘世炳

面向在轨遥感应用的飞秒激光成丝调制延长方法研究

宋海英1安汶源1李瑶1刘勋2,*李维2刘世炳1

（1 北京工业大学，北京 100124）（2 北京空间机电研究所，北京 100094）

飞秒激光在大气中的远距离传输对于实时快速的遥感探测具有重要的应用价值。文章通过在聚焦镜前增加圆孔石英板，提出了一种延长激光光丝产生等离子体通道的新方法，结果显示飞秒激光等离子体通道延长了一倍；同时，研究了不同激光脉冲能量下，圆孔石英板的直径和厚度对形成的等离子体通道的影响，发现石英板中心圆孔的直径对形成光丝长度具有显著影响。基于延长的飞秒激光光丝，探测了氦气中充入空气量对混合气体光谱的影响，发现光谱信息对氦气的浓度变化非常敏感。

飞秒激光成丝 圆孔石英板 激光等离子体通道 激光成丝与气体相互作用 航天遥感

0 引言

自从Braun等首次观察到飞秒激光脉冲的成丝现象以来[1]，光学成丝现象由于具有许多潜在的应用价值成为了一个热门话题，如太赫兹辐射源[2]、远程触发和辐射源[3]、激光脉冲光谱处理[4]、引导放电[5-6]、大气遥感[7]、高次谐波产生[8]和大气遥感探测[9-10]等。目前大气组分探测技术主要分为两类：第一类是通过激光雷达技术测量特定波长的吸收率，监测以COCO2为主的气体，但由于每种气体只吸收特定波长激光，如果测量多组分气体时，就需要搭载多个激光雷达载荷，使得该技术方案具有局限性；另一类是通过光谱分辨或偏振分辨的光谱成像结果反演以气溶胶为主的细颗粒物（雾霾）的地理分布、浓度、平均颗粒直径和可定量检测的未知成分或组分及其浓度等信息，其不足在于检测过程为取样后在实验室进行检测，属非现场检测，易丢失现场原始信息[11-16]。鉴于此，本文提出了基于飞秒激光传输成丝诱导大气击穿光谱分析的实时、现场、远程检测的新方法，该方法兼备激光雷达远距离探测与光谱分析技术的优点。

基于等离子体通道形成机制的动力学过程计算，本文着重研究了在实际实验过程中，激光光丝诱导的等离子体通道的延长，并提出了一种简单的方法，即使用圆孔石英板，通过调节石英板中心圆孔的尺寸和厚度来实现光丝的延长。

本文以氦气为检测气体，初步探究了空气中氦气浓度对形成的激光诱导击穿光谱的影响。气体探测在一定程度上依赖于激光在空气中产生电离通道的寿命（即光丝的寿命），其决定了光丝激光的传输距离，较长的光丝也可以帮助得到更准确的混合气体成分指纹谱，这直接决定了光丝激光的探测范围和应用前景。

1 飞秒激光成丝光谱探测

作为一种重要的成分分析技术，近年来，激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）技术因其分析迅速、近似无损、可实时在线及远程检测等特点，获得了材料科学、生物医药、工农业生产、环境检测等领域的极大青睐。当然由于诸多因素的影响，LIBS技术在分析精度、稳定性和可靠性方面亦存在许多问题，而飞秒激光成丝（丝长≥10 mm）是飞秒强激光经过特殊的光路系统后产生功率密度极高的长光腰脉冲束，其在空气中传输时，当光腰处的能量强度高于大气分子或原子的电离阈值时，大气被击穿电离而形成等离子体，这种等离子体发出的光就称之为激光光丝，亦称光丝等离子体或等离子体通道。激光脉冲作用后，光丝等离子体中的电子迅即与其母核发生复合，同时辐射出不同分子或原子特有的荧光光谱，即指纹光谱。这些指纹光谱携带了激光击穿区域大气成分（即分子或原子）的信息，通过分辨分析这些指纹光谱的特征获得大气成分的准确信息[17-19]。在远程测量上，即可通过无人机搭载光电信号采集与发射、地面接收与光谱分析系统，直接获取大气的成分信息。因此，实验引入飞秒激光传输成丝击穿光谱探测大气成分的方法，具有以下难以替代的优势：①飞秒激光聚焦强度高，任何分子或原子都将被电离或解离，因此可获得大气成分的指纹光谱信息，具有极高的准确性和可靠性；②飞秒激光传播距离长，且几乎无处不入，能对现场无干扰地实时、快速摄取大气成分的指纹光谱信息。通过采集并分析这些特征光谱，便可识别出污染物的化学成分。

国际上，利用光丝激光成丝现象对大气进行遥感探测的概念最先由欧洲的Teramobile研究小组于2003年率先提出[20]，加拿大拉瓦尔大学的Chin科研小组已经成功地在几十米远的距离上实现了气体杂质、生化样品浮质和固体金属等多种样品的远程检测。不仅如此，拉瓦尔大学的研究人员还发现光丝形成过程中所辐射的荧光谱和普通光致等离子光谱有着本质的区别，荧光谱没有传统理论所预期的超连续谱，这就是所谓的清晰指纹荧光谱，这一现象为光丝激光在大气污染监测应用中的强大分辨能力提供 了物理基础[21-23]。法国国家科学研究中心利用圆偏振的飞秒激光在纯氮气中获得了337nm的受激辐射 光谱[24]。

国内在超快激光成丝现象研究领域已经拥有了一定的研究基础。中科院物理所的科研小组早在2002年就利用超强飞秒激光装置“极光II号”在大气中产生了光丝，开展了强激光成丝在三次谐波产生、高压控制和空气湍流引起光丝性质变化等方面的应用基础研究[25]；北京大学的科研小组重点研究了固体和液体中成丝现象的基本规律，他们在国际上首先实验观测到了玻璃中多次自聚焦现象，并对熔融石英中激光破坏阈值与激光偏振态关系以及水中超连续谱偏振态改变现象机制开展研究。另一方面，北京大学和天津大学联合研究小组研究了利用气体纯度来控制成丝动态过程的新技术。南开大学开展了超快激光成丝现象及其应用的基础研究，对成丝现象处于超高激光强度、超快时间尺度、超远工作距离、多样化的介质条件等极端的微观与宏观环境条件中的实验困难，提出了一系列光丝特性表征和基本参数测量的实验新技术，为丰富实验认识、理解成丝机制及研究调控原理提供了技术支撑[26]。

由于激光光丝形成过程中激光能量的损失，自聚焦和等离子体散焦不再平衡，光丝在平衡点消失，激光光丝的长度和寿命因此受到限制。实验上也提出了一些研究空气中成丝现象的方法，主要集中在两个方面，一是延长成丝的长度，二是延长激光等离子体的寿命。结合两个研究方面的独立理论，通过计算等离子体通道在激光脉冲后的动能分布，给出了等离子体通道演化的非平衡初始条件[27]。

2 实验

实验装置如图1所示，激光系统为商用飞秒激光系统，脉冲宽度为35fs，中心波长800nm，脉冲能量3.5mJ，重复频率1kHz，光斑直径7.5mm。飞秒激光首先通过中心带有孔的石英板，在通过分束镜后，偏转的光被衰减后进入光斑分析仪来获得激光强度剖面。透过的光在通过聚焦镜聚焦后形成光丝，在侧面聚焦镜的辅助下在一次触发曝光时间为2ns的ICCD（PI-MAX3）上得到光丝的像，从而测量灯丝的长度。为了比较两种圆孔石英板的效果，利用光斑分析仪获得了圆孔石英板调制的飞秒激光脉冲的强度分布。

图1 飞秒激光成丝延长装置

图2给出了比较结果，其中，图2（a）是未经调制的飞秒激光强度分布，光斑包络截面显示出了高斯分布；图2（b）是飞秒激光通过圆孔石英板调制后的强度分布，光斑包络呈现出环状分布，在水平和垂直方向的投影呈波动高斯分布。

图2 中空石英光阑调制前后的光斑分布

3 结果和讨论

为了提供直观的视觉效果，图3给出了上述两种情况下飞秒激光光丝的图像。从图3可以看到，经过圆孔石英板调制后得到的光丝长度比未经过圆孔调制获得的光丝长度明显增长。

图3 激光成丝延长图像

为了进一步研究和比较，使用ICCD更加精确地测量了光丝的长度（此处使用的透镜焦距也为200mm），得到的完整飞秒激光光丝图像如图4所示。图4清楚地展示出：经过圆孔石英板调制得到的飞秒激光光丝（图4（b），330像素，290像素到620像素）长度大概为未经圆孔调制得到的飞秒激光光丝（图4（a），140像素，380像素到520像素）长度的2.3倍；在使用圆孔石英板后得到的光丝最强位置向前移动了80个像素长度（在水平轴上显示为从485像素到565像素），这是激光光丝内能量重新分布的结果。

为了进一步细致的讨论圆孔石英板的调制效果，又选择了两种焦距分别为17mm和20mm的透镜进行了对比实验。通过改变圆孔石英板上孔的直径大小，用ICCD测量了一系列光丝的长度，实验结果如图5所示。从图5中曲线可以看出：当孔的直径为0～2mm时，激光光丝长度为一个较低的常数值且无明显变化；当孔的直径为2～4.2mm时，光丝长度剧烈变化，稳定在一个更大的值；当孔的直径为4.2～8mm时，光丝的长度逐渐变短，最终将还原回无孔径的长度。这里高斯脉冲区可以分为三个区域，无干涉条纹的衍射区（I区），有干涉条纹的干涉区（II区），无干涉条纹的非干涉区（III区）。在II区，干涉条纹可以看作是一组透镜系统，该系统对激光的多聚焦作用使激光光丝长度显著增加，这也是曲线波动较大的原因。在实验中发现，当石英板的孔径固定时，石英板的厚度或孔的深度对光丝长度没有明显的影响。

图4 延长前（a）后（b）的光丝对比图

图5 光丝长度随石英中心圆孔直径的变化

为了更好理解圆孔石英板是如何延长光丝的，引入了移动焦点模型和自聚焦模型来进行解释。图6中的（1）为移动焦点模型，（2）为自引导模型，（3）为移动焦点模型和自引导模型的结合。经过圆孔石英板调制后，激光横截面光场重新分布，每一个圆环对应一个不同焦距的聚焦镜，所有圆环一起组成的透镜系统使光丝得到延长。

从图6可以看出，功率最高层的焦点对应于光轴上距离最近的位置，相邻层的焦点对应于距离最近的位置，以此类推，对移动焦点模型的模拟还可以成功地预测光丝的产生和结束。根据自聚焦效应，光强越强，折射率越大，聚焦位置越近。图6可以看出：不同的激光强度对应不同的聚焦位置；在通过石英板后，激光横截面变大，激光能量重新分配；内环能量较于初始变小，光丝位置会稍远一些，而外环的能量弱，因此形成的光丝位置相较内环更远。不同的光环就像不同焦距的透镜，可产生更长的光丝。同时，外环通过内环影响光丝的储能器，这个效应使光丝左右两侧整体延长。

图6 模型演化过程

由于较长的光丝可以得到更准确的混合气体成分指纹谱，因此利用延长后的激光光丝对混合气体的成分进行了检测。首先向靶腔内充入氦气，然后缓慢注入空气，得到如图7所示的光谱变化图。可以看到：当空气的注入量为0.02L时，一些谱线有明显的减弱；当注入的空气为0.10L时，位于400～550nm范围的光谱显著减弱，此外，位于590～900nm范围的光谱变化较小；最后注入1.5L空气后，光谱变为了光丝在空气中的光谱。因此，当空气中氦气的含量较高时，激光成丝产生的光谱对氦气浓度的变化是非常敏感的。这是由于氦的电离能较高，氧和氮的电离能较低导致的。当氦气与空气混合时，高斯激光脉冲会先一步电离空气中的氮气与氧气，当氦气中填充少量空气时，激光电离空气的效率很高，但由于空气总量很小而无法展现出空气的光谱。同时，由于电离空气导致一部分激光能量的消耗，用于电离氦气能量的减少导致了氦离子光谱的减弱。随着空气的不断注入，电离空气消耗的激光能量进一步增加，直至激光的能量几乎全部用于空气的电离，最终便只能得到激光在空气中成丝的光谱。

图7 氦气中充入空气后成丝光谱变化图

4 结论与展望

飞秒激光在大气中的远距离传输对于实时快速的遥感探测具有重要的应用价值。本文提出选用圆孔石英板对飞秒激光光斑进行调制来延长飞秒激光光丝的长度，以实现飞秒激光成丝对大气组分的探测。采用ICCD和数码相机对飞秒激光光丝进行图像的测量，记录了不同石英板圆孔直径对光丝长度的影响。实验结果表明，圆孔石英板能有效延长飞秒激光聚焦产生的光丝，且在实验室条件下，当石英板圆孔直径为4mm时，获得了最长的光丝；同时，验证了光丝长度与石英板厚度和孔的深度没有明显的相关性。圆孔石英板具有制作简单、成本低廉、可批量生产等优点，在延长飞秒激光光丝中具有很好的应用价值。利用延长的激光光丝对空气与氦气的混合气体光谱进行了检测，结果表明获得的光谱信息对氦气的浓度变化非常敏感。论文的研究结果对于超快激光成丝对大气污染物进行大范围和垂直距离的连续、实时快速的遥感探测方面具有重要的应用价值。

致 谢

感谢国家重点研发计划（2018YFB0504400）对本工作的支持。

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Femtosecond Laser Filamentation Modulation Extension for the Remote Sensing Application in Orbit

SONG Haiying1AN Wenyuan1LI Yao1LIU Xun2,*LI Wei2LIU Shibing1

（1 Beijing University of Technology, Beijing 100124, China）（2 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

The long-distance propagation of femtosecond lasers in the atmosphere has important application value for real-time and rapid remote sensing detection. In this paper, a new method for extending the laser filament to generate plasma channels is proposed by adding round-hole quartz plates in front of the focusing mirror, and the results show that the length of femtosecond laser plasma channels are doubled. At the same time, the effect of the diameter and thickness of the round hole quartz plate on the formation of plasma channels under different laser pulse energies was studied, and it was found that the diameter of the round hole in the center of the quartz plate had a significant impact on the length of the formed filament. Based on the extended filament, the effect of the amount of air filled in helium on the spectrum of the gas mixture was studied.

femtosecond laser filament; round hole quartz plate; laser plasma channel; interaction between laser filament and gas; space remote sensing

TP702

A

1009-8518(2022)05-0070-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.05.007

2022-06-15

国家重点研发计划（2018YFB0504400）

宋海英, 安汶源, 李瑶, 等. 面向在轨遥感应用的飞秒激光成丝调制延长方法研究[J]. 航天返回与遥感, 2022, 43(5): 70-77.

SONG Haiying, AN Wenyuan, LI Yao, et al. Femtosecond Laser Filamentation Modulation Extension for the Remote Sensing Application in Orbit[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(5): 70-77. (in Chinese)

宋海英，女，1979年生，2017年在北京工业大学获博士学位，副研究员。研究方向为强场与超快光子学。E-mail：hysong@bjut.edu.cn。

刘勋，男，1982年生，2012年获中国科学院物理研究所光学专业博士学位，高级工程师。主要研究方向为光丝激光雷达技术等。E-mail：Liuxun_laby@163.com。

（编辑：毛建杰）