超快激光在液态水中的非线性光学效应研究

论文摘要

超快激光在液态水中的激光成丝涉及到丰富的物理效应,包括锥状辐射、超连续谱白光、气泡的产生、超声冲击波、受激拉曼散射以及光丝诱导的化学反应等,相关的物理效应将加深人们对水这种液体更深层次的了解,从而对生命科学、环境监测、水下通信、核反应冷却等与人类生活息息相关的领域具有重要研究意义。然而,由于水中光丝过程的复杂性以及对水中光丝直观诊断手段的缺乏,人们对水中光丝过程的认知仍然不够全面,需要继续深入探索。本文采用800 nm和400 nm飞秒激光,对其聚焦后在液态水中成丝的非线性效应进行了研究,并借助于悬浮在水中的纳米金颗粒作为散射介质,实现了对水中光丝的直接观测,从而对超快激光在水中传输时的流体动力学、超连续谱散射、干涉效应、受激拉曼散射等过程进行了详细研究与讨论。本文的主要研究内容及进展包括:1、利用800 nm飞秒激光在液态水中成丝,发现在飞秒光丝的作用下,水中产生的气泡会做纺锤状的定向运动。该现象揭示了飞秒光丝在液态介质中由冲击波引起的液体对流过程,从而证明激光具有对液态介质中的反应物进行无接触、定点地光学搅拌的潜能。而在纯水中,光丝不同部位产生的气泡密度则反映了该处的光丝强度。由于纯水中激光成丝具有较弱的侧向散射及等离子体荧光信号,光丝产生的气泡可以作为一种评判纯水中光丝的直观手段。2、利用皮秒光纤激光器在液态水中对金块进行激光消融,获得了一批直径为～30 nm的纳米金颗粒。该方法不需要添加其它化学试剂,具有绿色、纯净、产物天然稳定的独特优势。随后,利用近红外800 nm飞秒激光在纳米金水溶胶中成丝,获得了沿传播方向色彩从短波长到长波长依次变化的“彩色”光丝,光丝中超连续谱的演化与纳米金颗粒对超连续谱的Mie氏散射可用来对其进行解释。3、通过往纯水中添加低浓度的纳米金颗粒作为散射介质,实现了对水中由两束800 nm飞秒光丝干涉形成的等离子体光栅的直接成像观测。随后将此前用于气态介质中测量光丝相对电子密度的电导率测量方法引入液态介质中,证明了液态介质中的等离子体光栅同气态介质一样,具有突破单根光丝光强钳制的超高等离子体密度,从而从侧面印证了水中等离子体光栅确实具有电子密度的空间调制特性。本工作拓展了等离子体光栅这一新型全光光学器件的适用范围。4、利用400 nm飞秒激光在液态水中成丝,在前向观测到了水的高强度受激拉曼散射信号,并通过将两束400 nm飞秒激光在水中形成等离子体光栅,实现了对水的受激拉曼散射信号的增强。由此证明,等离子体在飞秒激光激发的受激拉曼散射过程中扮演着重要角色,这是因为液态水作为正常色散介质,拉曼光与泵浦光在传输过程中由于群速度色散会在时间上很快走离,而等离子体作为一种负色散介质可以从一定程度上补偿这种走离。在等离子体光栅中,突破光强钳制的超高等离子体密度会更进一步地补偿群速度色散,从而使得水的受激拉曼散射得到增强。该工作对于高强度拉曼激光器以及飞秒拉曼光谱等应用具有一定的指导意义。

论文目录

• 论文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 超快激光的非线性传输：光丝简介
•   1.2 液态介质中的飞秒光丝
•     1.2.1 液态介质中超快激光成丝的主要光物理过程
•     1.2.2 光丝与液态介质的相互作用
•   1.3 论文的研究意义、工作内容及创新点
•     1.3.1 论文的研究意义
•     1.3.2 论文的工作内容
•     1.3.3 论文的创新点
• 第二章 液态水中的光丝诊断及流体动力学过程
•   2.1 液态介质中光丝的实验诊断
•   2.2 液态水中光丝驱动的流体动力学过程
•     2.2.1 液态水中激光成丝产生的气泡
•     2.2.2 水中光丝驱动的气泡定向运动
•   2.3 本章小结
• 第三章 水中超快激光与纳米金颗粒的相互作用
•   3.1 激光消融法制备纳米金水溶胶
•   3.2 纳米金水溶胶中的“彩色”光丝
•     3.2.1 800nm飞秒激光在低浓度的纳米金水溶胶中成丝
•     3.2.2 800nm飞秒激光在高浓度的纳米金水溶胶中成丝
•   3.3 本章小结
• 第四章 水中等离子体光栅的产生与探测
•   4.1 等离子体光栅的数值模型
•   4.2 水中等离子体光栅的观测
•   4.3 水中等离子体光栅电子密度的测量
•   4.4 不同入射能量下的水中等离子体光栅
•   4.5 本章小结
• 第五章 400nm飞秒光丝在液态水中的受激拉曼散射
•   5.1 液态水的拉曼特性
•   5.2 400nm近紫外飞秒激光在水中成丝的受激拉曼散射
•   5.3 等离子体光栅对水受激拉曼散射的增强
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 论文工作总结
•   6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果
• 后记

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘峰江

导师: 曾和平,丁良恩

关键词: 飞秒光丝,液态水,气泡,纳米金颗粒,氏散射,等离子体光栅,受激拉曼散射,群速度色散

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学

单位: 华东师范大学

分类号: O437;TN24

总页数: 111

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