本书围绕实际应用所需要的激光在大气中长距离传输这一关键问题，通过改变激光脉冲的形状(利用环形光作为激光光源)，利用能量补充方法，以及采用多脉冲相干增强激光强度的方法，来产生长距离的光丝。并对这一过程中的基本物理机制和相关的物理问题进行了系统的研究。主要内容包括：飞秒激光在大气中传输的基本理论和数值研究方法、强飞秒环形高斯光在大气中成丝传输的特性、飞秒环形高斯光束在大气中成丝的非线性效应、强飞秒环形高斯光在大气中成丝传输的透镜聚焦效应、利用三共线的飞秒脉冲在大气中产生长距离的双色光丝、强飞秒激光丝在连续变化气压的大气中的传输等。

激光技术的飞速发展，为光与物质相互作用的研究提供了新的发展契机。强飞秒激光在大气中传输，会产生衍射、色散、克尔自聚焦、多光子电离等线性效应和非线性效应。是克尔自聚焦效应会使激光脉冲的强度不断，导致空气分子电离而产生一定浓度的等离子体，对激光脉冲起着散焦的作用。当克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应达到动态平衡时会形成高强度的“光丝”。在光丝传输过程中，会产生丰富的物理现象，如锥角辐射、超连续波谱、高次谐波以及太赫兹辐射等。这些非线性现象不仅对于基础研究有着重要的意义，而且对于实际应用，如激光引雷、遥感探测和激光雷达等都有着巨大的应用价值。因此，飞秒激光在大气中传输已经成为国际强场物理领域的一项研究热点，吸引了众多物理学家的研究兴趣。


空心光束来发现的一类新型光束，它是一种中心强度为零 的激光束，由于空心光束具有新颖的物理性质，如桶状强度分布、较小的暗斑尺和传播不变性，并且具有自旋与轨道角动量等，故这种空心激光束在现代光学和原子光学等方面都有着巨大的应用潜力。是近空心光(如暗空高斯光、环形艾里光等）在非线性介质中的传播特性也引起了人们广泛的研究兴趣。


另外，飞秒激光在真实大气环境中传输时会受到温度、湿度、大气密度，以及湍流等复杂、多样的大气条件的影响。相关研究的空间尺度从微米跨越到千米，时间尺度从飞秒跨越到毫秒。因此，强飞秒激光在大气中传输所经历的复杂的物理过程是这一领域面临的巨大挑战。科研人员经过近30年的不断探索，无论是理论模型，还是实验技术都取得了很大展。由于其潜在的应用前景，光丝传输的研究正在形的光学分支——成丝非线性光学，交叉了物理、化学、生物医学、环境科学等诸多学科，是当前物理科学研究的新前沿之一。


在本书中，我们围绕实际应用所需要的激光在大气中长距离传输这一关键问题，通过改变激光脉冲的形状(利用环形光作为激光光源），利用能量补充方法，以及采用多脉冲相干激光强度的方法，来产生长距离的光丝。并对这一过程中的基本物理机制和相关的物理问行了系统的研究。全书共8章，主要内容概括如下：


第1章绪论。全面介绍了强飞秒激光在大气中传输的研究发展现状，以及在此过程中出现的多种线性和非线性效应；并介绍了伴随飞秒激光传输过程中的一些主要的物理现象，如光丝强度的钳制、能量库，多光丝产生、超连续波谱以及三次谐波辐射等；后对激光成丝的应用前景也作了简要介绍。


第2章飞秒激光在大气中传输的基本理论和数值研究方法。详细推导了描述飞秒激光在大气中传输的非线性传播方程，并对矢量波动方程、标量波动方程、前向Maxwell方程、非旁轴传输方程，以及非线络传输方程，即(3D+1）的非线性薛定谔方程，分别作了简要介绍；另外对求解波动方程所采用的多种数值研究方行了描述。


第3章强飞秒环形高斯光在大气中成丝传输的特性。在慢络近似下，利用数值求解柱坐标对称的非线性薛定谔方程和电子密度的耦合方程；研究了强飞秒环形高斯光束在大气中传输的动力学行为，并分析了环形高斯光束成丝的物理机制；讨论了几何聚焦参数和脉冲参数对环形高斯光丝在大气传播中的影响；探讨了初始脉冲能量对环形高斯光束在大气中成丝动力学的影响。


第4章飞秒环形高斯光束在大气中成丝的非线性效应。研究了环形高斯光丝在大气中传输的延迟克尔非线性效应；讨论了在分子转动响应特征时间附近的不同脉宽下，延迟克尔效应对光丝特性的影响；分析了飞秒环形高斯光束在大气中产生的超连续谱，与相同初始条件下的高斯光丝的波谱展行了比较；然后对自相位调制和电离诱导的频率转移在波谱展宽中的作用行了分析；另外，还讨论了脉冲能量和空间啁啾对环形高斯光产生光滑超连续谱的影响。


第5章强飞秒环形高斯光在大气中成丝传输的透镜聚焦效应。研究了在标准大气压下，不同透镜和不同输人脉冲能量对强飞秒环形高斯光在大气中传输的影响。另外，讨论了固定透镜焦距f和空间明啾系数C时，脉冲能量对获得宽而光滑的超连续光谱所起的作用。


第6章利用三共线的飞秒脉冲在大气中产生长距离的双色光丝。


探索了一种新的产生长距离双色光丝的方法，并对两低强度的400nm环形光的相干叠加补充光丝能量的动力学机制做了详细的分析。


第7章强飞秒激光脉冲在连续变化气压的大气中成丝传输特性的研究。探讨了强飞秒激光通过一个2m长的气压连续变化的气室中在透镜不同焦距条件下传输时产生光丝的特性；并通过对光丝的时间动力学行为和超连续波谱的分析，探讨了固定压强和连续变化的压强对光丝特性的不同影响。


第8结和展望。


本书内容主要建立在著者及所在科研团队近几年的科研成果和承担的科研项目[国家研发计划，18YFB0504400；山西省面上青年科学，1601D021019；山西省“1331工程”创新团队建设计划(1331KIR)]基础上，是对强飞秒激光在大气中传输的研究成果的分析结。在此过程中得到了许多老师、同事和学生的支持和帮助，如（排名不分先后）刘杰研究员、傅立斌研究员、李卫东教授、李秀平教授、刘勋博士、李维博士、于承新博士、舒小芳博士、刘渊博士、李晋红教授，以及硕士研究生兰俊平、李荣、郝婷、刘丽娜等，在此致以衷心的感谢！


本书涉及的基本理论知识，节选自国内外本领域专家、学者公开文和研究成果，在此向这些原著者表示衷心的感谢。在写作中可能对参考资料在形式和内容行了不同程度的修改或取舍，文中尽可能对引用的参考文献加以著录，但很难保证没有遗漏或错误。由于作者学识水平有限，书中难免有许多不妥和疏漏之处，敬请广大读者和专家给予批评指正，谢谢。


著者


21年12月

第1章绪论


1.1强飞秒激光在大气中成丝的研究历史展


1.2飞秒激光成丝的物理效应


1.3激光成丝传输的非线性特性


1.4激光成丝的基本物理模型


1.5强飞秒激光脉冲成丝的应用简介


参考文献


第2章飞秒激光在大气中传输的基本理论和数值研究方法


2.1基本理论


2.2数值方法参考文献


第3章强飞秒环形高斯光在大气中成丝传输的特性


3.1引言


3.2利用飞秒环状高斯光束在大气中产生扩展光丝


3.3几何聚焦参数和激光脉冲参数对环形高斯丝在大气中传输的影响


3.4脉冲能量对飞秒环形高斯光束成丝动力学的影响


3.5本章小结参考文献


第4章飞秒环形高斯光束在大气中成丝的非线性效应4.1延迟克尔效应对环形高斯丝的影响


4.2飞秒环形高斯光束在大气中产生的超连续波谱参考文献·


第5章强飞秒环形高斯光在大气中成丝传输的透镜聚焦效应…5.1引言


5.2理论模型及方程


5.3结果与讨论


5.4本章小结参考文献·


第6章利用三共线的飞秒脉冲在大气中产生长距离的双色光丝…


6.1引言


6.2模型和传播方程


6.3结果与讨论


6.4本章小结


参考文献


第7章强飞秒激光丝在连续变化气压的大气中的传输


7.1 引言


7.2高斯光在连续变化气压大气中传播的理论模型及方程·


7.3结果讨论与分析


7.4本章小结参考文献·


第8结和展望


8.1空气激光


8.2星载强飞秒激光丝的长程传输参考文献

激光具有高度的单色性、相干性和良好的方向性，这些优良的特性使激光具有广泛的应用。自从1960年台红宝石激光器问世以来，激光技术已经从远红外激光器发展到了X射线激光器。其波长从微米（25~1000μm）波段发展到了当今的纳米甚至埃波段（0.01~50A）。随着激光技术的飞速发展，使光与物质相互作用的研入了一个崭新的时代。


来，飞秒激光技术的快速发展更是引起了人们的高度关注。飞秒激光是一种以脉冲形式工作的激光，持续时间短，仅为几飞秒到几十飞秒，而脉冲的率高，高可达百万亿瓦。这率超快激光在透明介质如空气、水、玻璃中传输时，克尔自聚焦会使飞秒激光束限制在微米量级内。此时，强激光的电场强度远大于原子中的电子所受到的束缚场作用强度。因此，介质分子会被电离而产生等离子体，这些等离子体会对激光光束产生散焦作用。是，飞秒激光在大气中传输，当非线性克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应两者达到一种动态平衡时，可以使激光在空气中产生一种在时间和空间上都具有特殊属性的等离子体通道11-8，该等离子体通道具有丝状结构，其芯径大小仅在100-0mm范围内（9]，人们就将该等离子体通道形象地称为“光丝”。其峰值电子密度可达到106~10"/cm30，相应的峰值光强可达到10”-10“W/em.11）。飞秒激光在大气中产生的光丝因其巨大的应用潜力而日趋成为强场物理领域里一个十分活跃的研究课题。


1.1强飞秒激光在大气中成丝的研究历史展


激光成丝现象的研究早可以追溯到1964年，利用调Q强激光脉冲在固体中传输]，在实验中观察到，激光束在固体中变为直径为几个微米的细丝，并造成了固体的损伤。随后，Chiao等人n4提出了一种自陷模型来解释这一实验现象，从而开拓了激光束自聚焦这一的领域。1968年，Marburger小组把自聚焦类比为粒子运动，研究了高斯光束的自聚焦现象并得出局部自聚焦率]。同时，他们数值模拟了高斯光脉冲的自聚焦现象，并得出自陷率[6]。随后的很长时间，相关方面的研究一直未取得突破性展。直到，世纪80年代中后期，随着啁啾脉冲放大（CPA）技术的实现（17），激光脉冲的宽一步压缩到飞秒量级，以及激光的率有了大幅度的提高。目前，在实验室中产生的超短脉冲激率密度可以达到102W/cm2。此强度远大于原子核对核外电子的束缚场强(氢原子核对核外电子的束缚电场为5x10°V/cm)。强激光脉冲在介质中传播时会使材料的光学性质产生很大的改变，是飞秒激光在非线性介质中自聚焦后的光强会引起多光子电离、隧道电离等，但由于脉宽很短，可以避免介质因雪崩电离而被击穿。因此飞秒激光在非线性介质中的传输引起了人们的广泛关注。