强飞秒激光脉冲诱导大气等离子体辐射太赫兹和声波研究

摘要

气体等离子体做为一种新的辐射源，因具有辐射范围宽、结构简单等诸多优点，而受到人们的广泛关注。本文主要针对强飞秒激光脉冲诱导大气等离子体辐射太赫兹波和光声信号现象进行了深入的研究。对空气产生太赫兹辐射的光电流模型进行了理论推导和完善，并以该模型为依据，数值模拟了飞秒激光脉冲的参数变化对空气等离子体辐射太赫兹波强度的影响；实验研究了空气等离子体产生的光声信号与泵浦激光脉冲的部分参数及其径向传输距离的依赖关系；分析了最新出现的可用于太赫兹波远程探测的太赫兹增强声波（TEA）现象的物理过程和物理机制，推导出了该现象的近似物理模型，并通过数值模拟计算，得到了太赫兹辐射与声压增强之间的定量关系。具体研究工作如下：
　　(1)理论研究了由800nm基频光和400nm二倍频光组成的双色激光脉冲激励空气等离子体辐射太赫兹波的物理过程，探讨了用于解释该过程的两个物理模型，即四波混频模型和光电流模型。重点对光电流模型进行了理论推导和完善，针对空气的隧道电离方式，电离过程考虑到二阶，得到了光电流关于激光电场的数学表达式以及太赫兹电场的计算式。
　　(2)以完善的光电流模型为基础，采用数值方法深入研究了太赫兹辐射电场与双色激光脉冲的能量、脉冲宽度、波长以及两脉冲间的相对相位之间的关联。数值模拟的结果表明，当双色激光脉冲的总能量处于适中的量值时，太赫兹辐射随激光能量的增加而线性增大；改变激光的脉冲宽度，太赫兹波的强度会有明显的变化，激光脉冲越窄，辐射的太赫兹波越强；在激光脉宽为50fs时，基频激光的波长在400nm到1.25μm范围内变化时，太赫兹辐射随激光波长的增大而线性增强；改变两激光脉冲间的相对相位时，经计算发现，在两激光脉冲间的相对相位为π/4时太赫兹辐射最强。
　　(3)论述了单色飞秒激光脉冲激励空气产生光声脉冲信号的物理基础，理论推导了光致发声的的两个物理过程，即光的吸收和声的激发。实验研究了激光脉冲能量、偏振方向以及声传输的径向距离对光声信号强度的影响。结果表明，光声脉冲信号随激光脉冲能量的增加以二次幂的规律增强，随径向传输的距离的增大以倒数趋势减弱，激光脉冲的偏振方向对光声信号没有影响。
　　(4)初步探讨了TEA现象的物理过程及其内在的物理机制，以粒子运动能量转移理论为基础，推导出了TEA过程的近似理论模型，得到了太赫兹辐射与光声信号幅度增强之间的定量关系。TEA现象巧妙的将太赫兹辐射和光声信号有机的结合起来，为太赫兹波的远程探测提供一种有效途径。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 太赫兹波的独特性质

1.3 太赫兹波的产生、探测及应用

1.4 太赫兹技术的国内外研究概况

1.5 飞秒激光技术简介

1.6 气体产生太赫兹辐射的发展过程

1.7 论文的主要研究工作

2 双色飞秒激光脉冲激励空气产生太赫兹波数值研究

2.1 引言

2.2 激光能量对太赫兹辐射的影响

2.3 太赫兹辐射对激光脉冲宽度的依赖关系

2.4 激光脉冲波长对太赫兹辐射的影响

2.5 太赫兹辐射对两脉冲间的相对相位的依赖

2.6 本章小结

3 等离子体辐射声与太赫兹波过程及理论模型

3.1 引言

3.2 光声信号的产生、检测与传输

3.3 气体等离子体产生太赫兹波的理论模型

3.4 本章小结

4 单色飞秒激光脉冲激励空气辐射光声信号实验研究

4.1 引言

4.2 激光诱导空气等离子体辐射光声信号实验研究

4.3 激光激励空气等离子体细丝的声学测量

4.4 本章小结

5 太赫兹波远程探测方法及TEA数值模拟

5.1 引言

5.2 THz-REEF太赫兹波远程探测

5.3 TEA太赫兹波远程探测

5.4 TEA太赫兹波远程探测数值模拟

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录