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技術(shù)前沿

上海光機所高重頻飛秒激光大氣成絲方面取得進展

來源:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所2023-08-11 我要評論(0 )   

近期,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊發(fā)現(xiàn)了高重頻mJ量級飛秒激光成絲大氣成絲過程中激光重復(fù)頻率越高光絲光強越高的現(xiàn)象,并提...

近期,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊發(fā)現(xiàn)了高重頻mJ量級飛秒激光成絲大氣成絲過程中激光重復(fù)頻率越高光絲光強越高的現(xiàn)象,并提出了一種基于“低密度孔”的飛秒激光大氣成絲脈沖累加效應(yīng)的物理圖像。相關(guān)論文發(fā)表于High Power Laser Science and Engineering。

隨著kHz乃至百kHz重頻飛秒強激光技術(shù)的快速發(fā)展,高重頻飛秒激光大氣成絲為激光加工、穿霧通信、激光成云致雨、激光引雷等應(yīng)用提供了前所未有的機遇。源于空氣分子毫秒量級的光致熱弛豫過程,高重頻飛秒強激光大氣成絲過程中的脈沖累加效應(yīng)不可避免地會發(fā)生,深入理解脈沖累加效應(yīng)對高重頻激光成絲過程的影響是進一步開拓激光大氣成絲新應(yīng)用的關(guān)鍵。圍繞上述關(guān)鍵問題,研究團隊利用重頻高達100kHz、脈沖能量0.4mJ的飛秒激光開展了大氣成絲研究,發(fā)現(xiàn)重頻越高光絲越長,單脈沖熒光減弱,光絲誘導(dǎo)的三次諧波越強,誘導(dǎo)高壓放電擊穿閾值顯著降低,初步提出了高重頻通過脈沖累加效應(yīng)產(chǎn)生了低密度的空氣通道的物理機制 [Advanced Photonics Research 4, 2200338 (2023)]。

在本項工作中,研究人員通過數(shù)值模擬計算了單發(fā)飛秒激光脈沖的成絲過程,得到光絲等離子體密度的空間分布,根據(jù)等離子體密度計算等離子體的復(fù)合熱,結(jié)合熱傳導(dǎo)方程得到不同重復(fù)頻率下光絲誘導(dǎo)的“低密度孔”情況。通過“低密度孔”修正飛秒激光脈沖非線性傳輸數(shù)值模擬方程的相關(guān)系數(shù),從而得到不同重頻激光脈沖的成絲結(jié)果,發(fā)現(xiàn)了飛秒強激光大氣成絲光強隨重頻升高而增大的現(xiàn)象。通過測量光絲誘導(dǎo)的氮氣分子和氮氣離子熒光表征光絲內(nèi)部的光強,實驗上證實了理論預(yù)期,成功地解釋了不同重復(fù)頻率飛秒激光脈沖誘導(dǎo)大氣光絲內(nèi)部光強的變化規(guī)律,為深入理解高重頻飛秒激光大氣成絲、開拓其新應(yīng)用提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院國際合作重點項目、上海市科學(xué)技術(shù)項目等的支持。

上海光機所在高重頻飛秒激光大氣成絲方面取得進展

圖1不同脈沖能量下100Hz和1000Hz重頻飛秒激光大氣成絲光強空間演化的理論計算結(jié)果:(a) 0.1 mJ, (b) 0.2 mJ, (c) 0.7 mJ and (d) 1.2 mJ。

上海光機所在高重頻飛秒激光大氣成絲方面取得進展

圖2 100Hz和1000Hz重頻激光非線性傳輸平均強度隨激光脈沖能量變化(a)和激光脈沖能量為1.2mJ時,光絲內(nèi)部光強隨激光重頻變化(b)的實驗結(jié)果。(c)和(d)為對應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果。(e) 不同重復(fù)頻率下低密度區(qū)的空氣分子密度分布情況。


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中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所激光脈沖
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