飞秒激光脉冲在混合气体介质中传输特性研究

井晨睿,王朝晖,亓协兴,丁超亮

(1.洛阳师范学院物理与电子信息学院,河南 洛阳 471934;2.河南省电磁传输与探测重点实验室,河南 洛阳 471934; 3.中国航空集团公司洛阳电光设备研究所,河南 洛阳 471000)

1 引 言

当超强超短激光脉冲在气体介质中传输时,在克尔自聚焦和自散焦效应的共同作用下,飞秒激光可以克服衍射等不利因素的影响,保持长距离传输而不发散,并在介质中形成明亮的光丝。在光丝内部激光光强通常钳制在～5×1013W/cm2的数量级[1-2],在如此高光强的作用下,伴随着飞秒激光光丝的形成,在激光与气体介质的相互作用的过程中也诱导产生一系列新颖的非线性物理现象,如强场电离[3-5],高次谐波辐射[6-8],激光诱导人工增雨降雪[9-11],空气激光[12-14]等。

值得注意的是,伴随飞秒激光丝产生过程中出现的非线性物理效应均与气体介质内部的光强密切相关。而在飞秒激光成丝的过程中,光丝的形成以及光强钳制效应的出现,使得对光丝内部光强进行调控成为挑战。近年来的研究结果表明,目前调控光丝内部光强主要可以通过改变入射光波波长以及聚焦条件这两类方法实现。A.Couairon等人通过数值模拟对比研究了248 nm和800 nm飞秒激光脉冲入射到空气介质中所形成的光丝光强以及等离子体密度,其中中心波长为800 nm的飞秒激光在空气介质中的钳制光强以及等离子体密度相对更高[15]。A.Dergachev等人[16]以及Y.Geints等人[17]通过进一步数值模拟以及实验也同样证实了这一结论。采用改变聚焦条件的方法,研究人员提出通过改变聚焦透镜焦距[18-19]以及采用时空聚焦[20-21]等手段克服光强钳制效应的出现的,从而提升光丝内的光强。

基于此本文提出了通过在纯氮气介质中注入不同的惰性气体调控光丝内部光强的方案。数值模拟发现,通过在氮气介质中注入不同惰性气体,可以对光丝内部钳制光强、等离子体密度以及轴上光强的时域分布进行调控。这一结果为飞秒激光光丝调控技术提供了一种新方案,也有望也飞秒激光诱导的非线性光谱学研究中发挥出更多应有价值。

2 理论模型

假定入射飞秒激光脉冲为沿z轴方向传输的线偏振光。根据非线性薛定谔传输方程,入射激光光场包络关系满足[2]:

(1)

对于飞秒激光脉冲,在介质中传播过程中的高光强也伴随着等离子体的产生。在成丝情况下,光丝内部的自由电子主要通过多光子电离产生,等离子体密度演化满足如下方程[2]:

(2)

在计算过程中考虑了四种不同的气体介质,即100 mbar Ne,Kr和Xe分别与900 mbar 氮气混合后所得的混合气体介质(为方便表述下文简记做:Ne-N2,Kr-N2,Xe-N2)以及1000 mbar N2(为方便表述下文简记做N2)。计算所用参数如表1所示。

表1 入射波长为800 nm,气体气压为1 atm条件下气体参数[2]Tab.1 Gas parameters at an incident wavelength of 800 nm and a gas pressure of 1 atm[2]

3 结果与讨论

入射飞秒激光脉冲为:

其中,束腰r0= 1 mm,脉宽τ= 80 fs,峰值光强I0=1.2×1016W/m2。不同气体介质中轴上光强和等离子体密度随传输距离的演化关系图线如图1所示。从图1(a)中可以看出,当介质中加入气压相同的不同惰性气体时,光丝内轴上钳制光强发生了明显改变。在光丝溃缩位置处,Ne-N2混合气体与N2介质中钳制光强基本相同,而Kr-N2以及Xe-N2混合气体中钳制光强则下降明显。对于光丝内的等离子体密度,从图1(b)中可以看出Xe-N2以及 Kr-N2混合气体介质中轴上等离子体密度为最强,N2次之,Ne-N2混合气体中等离子体密度最弱。这是由于在经典模型中,飞秒激光光丝的形成来源于克尔自聚焦效应和等离子散焦效应的共同作用。计算中所考虑的四种气体介质可以看做由100 mbar Ne、N2、Kr和Xe分别与900 mbar N2均匀混合得到。由于Ne、N2、Kr和Xe四种气体电离势不同,因此当其分别与900 mbar N2混合后,Ne-N2混合气体的电离势最高,Xe-N2混合气体的电离势最低,因此在纯N2介质中加入Ne所得Ne-N2混合气体中等离子体密度下降,而加入Xe所得的Xe-N2混合气体中等离子体密度增加。另一方面,由多光子电离产生的等离子体在激光传输过程中呈现出负透镜效应,因此等离子体密度高的气体介质内,散焦效应更为明显,光丝内的钳制光强更低,反之亦然。因此在四种不同介质中,在Ne-N2混合气体中钳制光强较高,而Xe-N2混合气体中钳制光强较低。

图1 不同气体介质中轴上光强和等离子体密度随传输距离的演化关系Fig.1 Evolution of on-axis intensity and plasma density along with propagation distance in different gas media

为了进一步研究混合气体介质中的光强变化规律,图2描绘了不同气体介质中,轴上光强时间分布随传输距离的变化关系。从图2可以看出,在四种气体介质中,在光丝的自聚焦位置处,脉冲峰值前移明显。这是由于飞秒激光脉冲峰值位置光强较高,当其在介质中传输时电离产生的等离子体,可以降低介质的折射率,从而导致脉冲后沿位置传输速度更快,并出现峰值前移。当脉冲在气体介质中继续传输一段距离后,入射脉冲出现时域劈裂,因而轴上光强时间分布呈现出“V”型特征。另一方面值得注意的是,当改变气体介质时(即由Ne-N2混合气体变化至N2,Kr-N2以及Xe-N2混合气体时,)入射激光脉冲自聚焦对应的溃缩位置逐渐前移,且光丝内轴上光强时间分布对应的 “V”型开口逐渐增大。这是由于在四种混合气体介质中,由于Ne、N2、Kr以及Xe的电离势不同,因此光丝内的等离子体密度满足Ne-N2

图2 不同气体介质中,轴上光强时间分布随传输距离的变化关系Fig.2 The evolution of on-axis intensity as the function of propagation distance in different gas media

根据以上分析可以看出,不同气体介质中光强和等离子体密度的变化是由于惰性气体注入使气体介质的非线性折射率和电离势发生改变所致。由于不同惰性气体的非线性系数,以及多光子电离截面均与入射光波波长以及气压密切相关。可以预测通过改变入射光波波长,在上述四种气体介质中,钳制光强以及等离子体密度变化规律必然不同。进一步探索在不同波长条件下以及气压条件下,光强和等离子体密度的变化规律,阐明其实现的物理机制,值得我们在此基础上更进一步研究与探索。

4 结 论

本文采用非线性传输模型模拟,研究了飞秒激光脉冲在混合气体介质中传输特性。初步证实了在介质中加入不同惰性气体,可以对光丝内的钳制光强、等离子体密度以及轴上光强的时间演化特征进行调控。这一结果为深入理解光丝产生机制,调控光丝的特性提供了一种新的思路,更为重要的是这一方法也有望在飞秒激光非线性光学以及飞秒激光诱导的超快光谱领域发挥更多应用。