Space-frequency coupling, conical waves, and small-scale filamentation in water

Numerical simulations of fs laser propagation in water have been made to explain the small-scale filaments in water we have observed by a nonlinear fluorescence technique. Some analytical descriptions combined with numerical simulations show that a space-frequency coupling mainly from the interplay among self-phase modulation, dispersion and phase mismatching will reshape the laser beam into a conical wave which plays a major role of energy redistribution and can prevent laser beam from self-guiding over a long distance. An effective group velocity dispersion is introduced to explain the pulse broadening and compression in the filamentation. (c) 2005 American Institute of Physics.

变形镜对千赫兹掺钛蓝宝石飞秒激光频谱相位补偿

尝试用光谱展宽的方法从频谱相位(而非时域相位)的角度利用变形反射镜来补偿1kHz飞秒激光系统输出光路的频谱相位畸变，从而提高飞秒激光脉冲的时域强度衬比度，改善其光束质量。频谱相位补偿实验是在一台1kHz掺钛蓝宝石飞秒激光系统输出光路中，针对超短脉冲光束通过传输介质后的频谱相位畸变，引入变形反射镜进行补偿。应用频谱相位干涉直接电场重构(SPIDER)方法和仪器作为测量手段，建立了一套相位测量补偿系统。实验结果表明用变形反射镜可使激光脉冲的相位畸变得到较好的补偿，脉冲的光束质量得到改善。这种方法的主要思想就是

飞秒激光在石英玻璃中诱导微爆炸的理论研究

利用有限元方法建立了二维模型，研究了飞秒激光作用下石英玻璃中导带电子的产生、激光能量的沉积、导带电子和能量扩散等微观过程．计算了导带电子扩散引起的局部净电荷及其形成的静电场分布，初步揭示了微爆炸的演化过程．

超短脉冲照射下氟化锂的烧蚀机理及其超快动力学研究

研究了超短脉冲激光照射下LiF晶体的破坏机理及其超快动力学过程，利用扫描电镜和原子力显微镜等测试手段，观测了飞秒激光照射下LiF晶体的烧蚀形貌。利用烧蚀面积与激光脉冲能量的对数关系确定了LiF晶体的破坏阈值，并利用非线性玻璃棒展宽脉宽，得到了800nm激光作用下LiF破坏阈值对激光脉宽（50～1000fs）的依赖关系；利用抽运一探针超快探测平台，探测了LiF烧蚀过程中反射率的变化。采用雪崩击穿模型，并根据晶体材料反射率与材料的介电常量的依赖关系，通过数值计算，模拟了材料烧蚀阈值与脉宽的依赖关系及材料激发过

飞秒激光作用下全向高反膜破坏的激发过程

设计和制备了全向高反膜SiO2／TiO2，研究了它在不同脉冲宽度、不同脉冲能量的飞秒激光作用下的破坏阈值和烧蚀深度．利用发展的抽运．探针方法，研究了抽运脉冲作用下材料中导带电子的超快激发和能量沉积过程，建立并求解了飞秒激光激发材料和材料的激发对抽运光自身反作用的耦合动力学模型．模型较好地揭示了材料破坏的激发过程．

相对论飞秒激光脉冲在真空中对预加速电子的加速

通过求解电子运动的相对论方程，发现预加速电子在超强超短激光脉冲的作用下可以获得很高的能量增益．飞秒激光脉冲的上升沿在焦点附近的区域有效加速电子后，电子和光脉冲一起传播一段距离（远大于瑞利长度）后，激光强度变得很弱，从而使脉冲下降沿对电子的减速作用可以忽略不计，因此电子只经历加速过程而没有被减速，当电子和光脉冲分离时，电子获得了很高的能量增益．当光强为10^19W／cm^2，电子的初始能量为MeV量级时，电子的能量增益可以达到0．1GeV．进一步讨论了电子的能量增益与电子的初始条件与激光脉冲的参数之间的关系

飞秒激光脉冲在正色散固体材料中的自压缩

实验研究了正色散固体介质中的激光脉冲自压缩现象，证明了无需任何外加色散补偿情况下，固体透明介质中的自聚焦传输过程可使高功率飞秒激光脉冲实现时域脉冲压缩，并详细研究了输出脉冲的时域和频域特性随入射脉冲强度的演化规律．实验结果表明脉冲自压缩量随入射脉冲强度的增加呈递增趋势，然而当入射光强增大到足以引起超连续谱及锥形辐射产生时，脉冲时域形状会发生分裂．此外还发现发散光束入射情况下同样可以观察到脉冲自压缩现象．

高强度飞秒激光脉冲在空气中的自压缩

利用高重复频率(1kHz)、吉瓦级飞秒激光脉冲实验验证了高强度飞秒脉冲在空气中的自压缩现象，研究了入射脉冲在不同初始啁啾情况下经空气中聚焦成丝后，时域及频域特性随入射脉冲能量的变化规律．实验结果表明，在无需后继色散补偿情况下，高强度飞秒脉冲仅通过在空气中的非线性传输过程就可以实现脉冲压缩；在入射脉冲为负啁啾情况下，实验观察到脉冲光谱及时域宽度同时得到压缩，并可获得比激光源所能提供的更短的近双曲正割型变换限脉冲．

不同偏振飞秒激光经块状材料传输后的脉宽压缩

实验研究了线偏振和圆偏振状态下的飞秒强激光脉冲在块状材料中的传输过程。不同偏振的激光脉冲在传输过程中得到了不同程度的光谱展宽，经色散补偿后，脉冲时域宽度均得到了压缩。详细分析了压缩脉冲的脉宽以及啁啾情况与入射激光脉冲能量之间的关系，比较了飞秒激光在线偏振及圆偏振情况下的不同压缩效果。在线偏振入射光情况下得到了最短21fs的压缩脉冲宽度，在圆偏振情况下得到的最短脉冲宽度为22fs。实验结果表明，这种光谱展宽与色散补偿方式对圆偏振光同样适用，而且圆偏振的入射激光将更有利于对更高能量的脉冲进行压缩。在色散补偿量

飞秒激光对氟化镁烧蚀机理研究

用扫描电镜（SEM）研究了氟化镁在800nm超短脉冲激光作用下的单枪表面烧蚀形貌．根据烧蚀斑面积与激光脉冲能量间的对数关系，测得烧蚀阈值与激光脉宽的关系曲线（55—750fs）．计算了导带电子的双光子吸收，改进了多速率方程模型．很好地解释了实验结果．

飞秒激光作用下透明介质材料的反射率演化

利用800nm抽运和400nm探针技术，测量了CaF2和MgO的时间分辨反射率，研究了材料的电子激发和弛豫超快动力学过程。采用耦合动力学模型，探讨了飞秒激光对透明介质材料的激发，以及材料的激发对抽运激光在材料中的传输、分布和反射特性的影响。根据这个理论模型计算了时间分辨反射率的演化，计算结果和实验结果相吻合。研究表明，多光子电离（MPI）和碰撞电离（II）在介质材料的导带电子激发中起着重要的作用。

飞秒强激光脉冲与氢团簇相互作用产生的最大质子能量与团簇尺寸的相关性

报道了飞秒强激光脉冲（60fs，790nm，2×10^16W／cm^2与纳米尺寸的氢团簇（半径rc约为1～3nm）相互作用，产生的最大质子能量Emax对于团簇半径rc相关性的实验研究结果。从激光-氢团簇相互作用产生的质子的飞行时间谱测量以及团簇尺寸的瑞利散射诊断结果，得到Emax与rc^2成线性正比关系，比例系数为0．75，与报道的理论模拟结果一致，表明氢团簇发生纯库仑爆炸。实验结果同时提示，进一步的理论模拟应考虑气体喷流中团簇的尺寸分布。

利用块状介质进行飞秒强激光脉冲的腔外压缩

高强度飞秒激光脉冲的腔外压缩是获得高次谐波阿秒脉冲驱动源的必要手段。实验研究了超强超短飞秒激光脉冲在经过块状介质后的光谱展宽和色散补偿压缩现象。单脉冲能量0．26mJ，脉宽50fs的激光脉冲经透镜在空气中聚焦后再入射到块状材料上，出射脉冲光谱被展宽到接近40nm。由于在块状材料中的自聚焦效应，出射光束质量变好并保持较小的空间啁啾。利用熔融石英棱镜对补偿带有正色散的出射脉冲，最后得到〉0．1mJ，19fs的压缩脉冲。利用SPIDER装置测量了出射脉冲的脉宽和光谱相位。整个系统的能量效率大约为35％，压缩后的

飞秒强激光经氩气和氩团簇的传播

通过数值求解三维电场传播方程，理论模拟了飞秒强激光脉冲（50fs，10^16w／cm^2）在氩气和中等尺寸氩团簇中的传播效应．结果表明，飞秒强激光脉冲经氩气传播将发生频谱蓝移展宽和光束发散；而经中等尺寸氩团簇传播，则存在一定程度的自聚焦效应．

飞秒强激光作用下电子振荡导致的谐波辐射频谱的展宽和红移

采用单电子模型研究了圆偏振飞秒脉冲激光作用下电子振荡导致的谐波辐射频谱的特性。研究发现随着激光强度的增加，电子在激光场中运动的相对论效应可以导致谐波辐射，并且发现谐波辐射频谱随着激光强度的增加发生了展宽和红移。电子与强激光脉冲相互作用，电子除了在激光场的作用下做横向振荡运动之外，激光脉冲的纵向有质动力对电子还有推动作用，这是产生谐波频谱红移的原因，而谐波辐射频谱展宽是由电子纵向速度的变化引起的。分析激光场中电子在不同方向的辐射频谱表明：随着谐波阶数的升高，红移在有规律地变大；在θ=3π／4方向上电子频谱的