飛秒激光脈沖在混合氣體介質中傳輸特性研究

井晨睿,王朝暉,亓協興,丁超亮

(1.洛陽師范學院物理與電子信息學院,河南 洛陽 471934;2.河南省電磁傳輸與探測重點實驗室,河南 洛陽 471934; 3.中國航空集團公司洛陽電光設備研究所,河南 洛陽 471000)

1 引 言

當超強超短激光脈沖在氣體介質中傳輸時,在克爾自聚焦和自散焦效應的共同作用下,飛秒激光可以克服衍射等不利因素的影響,保持長距離傳輸而不發散,并在介質中形成明亮的光絲。在光絲內部激光光強通常鉗制在～5×1013W/cm2的數量級[1-2],在如此高光強的作用下,伴隨著飛秒激光光絲的形成,在激光與氣體介質的相互作用的過程中也誘導產生一系列新穎的非線性物理現象,如強場電離[3-5],高次諧波輻射[6-8],激光誘導人工增雨降雪[9-11],空氣激光[12-14]等。

值得注意的是,伴隨飛秒激光絲產生過程中出現的非線性物理效應均與氣體介質內部的光強密切相關。而在飛秒激光成絲的過程中,光絲的形成以及光強鉗制效應的出現,使得對光絲內部光強進行調控成為挑戰。近年來的研究結果表明,目前調控光絲內部光強主要可以通過改變入射光波波長以及聚焦條件這兩類方法實現。A.Couairon等人通過數值模擬對比研究了248 nm和800 nm飛秒激光脈沖入射到空氣介質中所形成的光絲光強以及等離子體密度,其中中心波長為800 nm的飛秒激光在空氣介質中的鉗制光強以及等離子體密度相對更高[15]。A.Dergachev等人[16]以及Y.Geints等人[17]通過進一步數值模擬以及實驗也同樣證實了這一結論。采用改變聚焦條件的方法,研究人員提出通過改變聚焦透鏡焦距[18-19]以及采用時空聚焦[20-21]等手段克服光強鉗制效應的出現的,從而提升光絲內的光強。

基于此本文提出了通過在純氮氣介質中注入不同的惰性氣體調控光絲內部光強的方案。數值模擬發現,通過在氮氣介質中注入不同惰性氣體,可以對光絲內部鉗制光強、等離子體密度以及軸上光強的時域分布進行調控。這一結果為飛秒激光光絲調控技術提供了一種新方案,也有望也飛秒激光誘導的非線性光譜學研究中發揮出更多應有價值。

2 理論模型

假定入射飛秒激光脈沖為沿z軸方向傳輸的線偏振光。根據非線性薛定諤傳輸方程,入射激光光場包絡關系滿足[2]:

(1)

對于飛秒激光脈沖,在介質中傳播過程中的高光強也伴隨著等離子體的產生。在成絲情況下,光絲內部的自由電子主要通過多光子電離產生,等離子體密度演化滿足如下方程[2]:

(2)

在計算過程中考慮了四種不同的氣體介質,即100 mbar Ne,Kr和Xe分別與900 mbar 氮氣混合后所得的混合氣體介質(為方便表述下文簡記做:Ne-N2,Kr-N2,Xe-N2)以及1000 mbar N2(為方便表述下文簡記做N2)。計算所用參數如表1所示。

表1 入射波長為800 nm,氣體氣壓為1 atm條件下氣體參數[2]Tab.1 Gas parameters at an incident wavelength of 800 nm and a gas pressure of 1 atm[2]

3 結果與討論

入射飛秒激光脈沖為:

其中,束腰r0= 1 mm,脈寬τ= 80 fs,峰值光強I0=1.2×1016W/m2。不同氣體介質中軸上光強和等離子體密度隨傳輸距離的演化關系圖線如圖1所示。從圖1(a)中可以看出,當介質中加入氣壓相同的不同惰性氣體時,光絲內軸上鉗制光強發生了明顯改變。在光絲潰縮位置處,Ne-N2混合氣體與N2介質中鉗制光強基本相同,而Kr-N2以及Xe-N2混合氣體中鉗制光強則下降明顯。對于光絲內的等離子體密度,從圖1(b)中可以看出Xe-N2以及 Kr-N2混合氣體介質中軸上等離子體密度為最強,N2次之,Ne-N2混合氣體中等離子體密度最弱。這是由于在經典模型中,飛秒激光光絲的形成來源于克爾自聚焦效應和等離子散焦效應的共同作用。計算中所考慮的四種氣體介質可以看做由100 mbar Ne、N2、Kr和Xe分別與900 mbar N2均勻混合得到。由于Ne、N2、Kr和Xe四種氣體電離勢不同,因此當其分別與900 mbar N2混合后,Ne-N2混合氣體的電離勢最高,Xe-N2混合氣體的電離勢最低,因此在純N2介質中加入Ne所得Ne-N2混合氣體中等離子體密度下降,而加入Xe所得的Xe-N2混合氣體中等離子體密度增加。另一方面,由多光子電離產生的等離子體在激光傳輸過程中呈現出負透鏡效應,因此等離子體密度高的氣體介質內,散焦效應更為明顯,光絲內的鉗制光強更低,反之亦然。因此在四種不同介質中,在Ne-N2混合氣體中鉗制光強較高,而Xe-N2混合氣體中鉗制光強較低。

圖1 不同氣體介質中軸上光強和等離子體密度隨傳輸距離的演化關系Fig.1 Evolution of on-axis intensity and plasma density along with propagation distance in different gas media

為了進一步研究混合氣體介質中的光強變化規律,圖2描繪了不同氣體介質中,軸上光強時間分布隨傳輸距離的變化關系。從圖2可以看出,在四種氣體介質中,在光絲的自聚焦位置處,脈沖峰值前移明顯。這是由于飛秒激光脈沖峰值位置光強較高,當其在介質中傳輸時電離產生的等離子體,可以降低介質的折射率,從而導致脈沖后沿位置傳輸速度更快,并出現峰值前移。當脈沖在氣體介質中繼續傳輸一段距離后,入射脈沖出現時域劈裂,因而軸上光強時間分布呈現出“V”型特征。另一方面值得注意的是,當改變氣體介質時(即由Ne-N2混合氣體變化至N2,Kr-N2以及Xe-N2混合氣體時,)入射激光脈沖自聚焦對應的潰縮位置逐漸前移,且光絲內軸上光強時間分布對應的 “V”型開口逐漸增大。這是由于在四種混合氣體介質中,由于Ne、N2、Kr以及Xe的電離勢不同,因此光絲內的等離子體密度滿足Ne-N2

圖2 不同氣體介質中,軸上光強時間分布隨傳輸距離的變化關系Fig.2 The evolution of on-axis intensity as the function of propagation distance in different gas media

根據以上分析可以看出,不同氣體介質中光強和等離子體密度的變化是由于惰性氣體注入使氣體介質的非線性折射率和電離勢發生改變所致。由于不同惰性氣體的非線性系數,以及多光子電離截面均與入射光波波長以及氣壓密切相關。可以預測通過改變入射光波波長,在上述四種氣體介質中,鉗制光強以及等離子體密度變化規律必然不同。進一步探索在不同波長條件下以及氣壓條件下,光強和等離子體密度的變化規律,闡明其實現的物理機制,值得我們在此基礎上更進一步研究與探索。

4 結 論

本文采用非線性傳輸模型模擬,研究了飛秒激光脈沖在混合氣體介質中傳輸特性。初步證實了在介質中加入不同惰性氣體,可以對光絲內的鉗制光強、等離子體密度以及軸上光強的時間演化特征進行調控。這一結果為深入理解光絲產生機制,調控光絲的特性提供了一種新的思路,更為重要的是這一方法也有望在飛秒激光非線性光學以及飛秒激光誘導的超快光譜領域發揮更多應用。