激光技術(shù)的飛速發(fā)展，為光與物質(zhì)相互作用的研究提供了新的發(fā)展契機。強飛秒激光在大氣中傳輸，會產(chǎn)生衍射、色散、克爾自聚焦、多光子電離等線性效應(yīng)和非線性效應(yīng)。是克爾自聚焦效應(yīng)會使激光脈沖的強度不斷，導(dǎo)致空氣分子電離而產(chǎn)生一定濃度的等離子體，對激光脈沖起著散焦的作用。當克爾自聚焦效應(yīng)和等離子體散焦效應(yīng)達到動態(tài)平衡時會形成高強度的“光絲”。在光絲傳輸過程中，會產(chǎn)生豐富的物理現(xiàn)象，如錐角輻射、超連續(xù)波譜、高次諧波以及太赫茲輻射等。這些非線性現(xiàn)象不僅對于基礎(chǔ)研究有著重要的意義，而且對于實際應(yīng)用，如激光引雷、遙感探測和激光雷達等都有著巨大的應(yīng)用價值。因此，飛秒激光在大氣中傳輸已經(jīng)成為國際強場物理領(lǐng)域的一項研究熱點，吸引了眾多物理學(xué)家的研究興趣。


空心光束來發(fā)現(xiàn)的一類新型光束，它是一種中心強度為零 的激光束，由于空心光束具有新穎的物理性質(zhì)，如桶狀強度分布、較小的暗斑尺和傳播不變性，并且具有自旋與軌道角動量等，故這種空心激光束在現(xiàn)代光學(xué)和原子光學(xué)等方面都有著巨大的應(yīng)用潛力。是近空心光(如暗空高斯光、環(huán)形艾里光等）在非線性介質(zhì)中的傳播特性也引起了人們廣泛的研究興趣。


另外，飛秒激光在真實大氣環(huán)境中傳輸時會受到溫度、濕度、大氣密度，以及湍流等復(fù)雜、多樣的大氣條件的影響。相關(guān)研究的空間尺度從微米跨越到千米，時間尺度從飛秒跨越到毫秒。因此，強飛秒激光在大氣中傳輸所經(jīng)歷的復(fù)雜的物理過程是這一領(lǐng)域面臨的巨大挑戰(zhàn)�？蒲腥藛T經(jīng)過近30年的不斷探索，無論是理論模型，還是實驗技術(shù)都取得了很大展。由于其潛在的應(yīng)用前景，光絲傳輸?shù)难芯空�在形的光學(xué)分支——成絲非線性光學(xué)，交叉了物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等諸多學(xué)科，是當前物理科學(xué)研究的新前沿之一。


在本書中，我們圍繞實際應(yīng)用所需要的激光在大氣中長距離傳輸這一關(guān)鍵問題，通過改變激光脈沖的形狀(利用環(huán)形光作為激光光源），利用能量補充方法，以及采用多脈沖相干激光強度的方法，來產(chǎn)生長距離的光絲。并對這一過程中的基本物理機制和相關(guān)的物理問行了系統(tǒng)的研究。全書共8章，主要內(nèi)容概括如下：


第1章緒論。全面介紹了強飛秒激光在大氣中傳輸?shù)难芯堪l(fā)展現(xiàn)狀，以及在此過程中出現(xiàn)的多種線性和非線性效應(yīng)；并介紹了伴隨飛秒激光傳輸過程中的一些主要的物理現(xiàn)象，如光絲強度的鉗制、能量庫，多光絲產(chǎn)生、超連續(xù)波譜以及三次諧波輻射等；后對激光成絲的應(yīng)用前景也作了簡要介紹。


第2章飛秒激光在大氣中傳輸?shù)幕�本理論和�?shù)值研究方法。詳細推導(dǎo)了描述飛秒激光在大氣中傳輸?shù)姆蔷�性傳播方程，并對矢量波動方程、標量波動方程、前向Maxwell方程、非旁軸傳輸方程，以及非線絡(luò)傳輸方程，即(3D+1）的非線性薛定諤方程，分別作了簡要介紹；另外對求解波動方程所采用的多種數(shù)值研究方行了描述。


第3章強飛秒環(huán)形高斯光在大氣中成絲傳輸?shù)奶匦�。在慢絡(luò)近似下，利用數(shù)值求解柱坐標對稱的非線性薛定諤方程和電子密度的耦合方程；研究了強飛秒環(huán)形高斯光束在大氣中傳輸?shù)膭恿�學(xué)行為，并分析了環(huán)形高斯光束成絲的物理機制；討論了幾何聚焦參數(shù)和脈沖參數(shù)對環(huán)形高斯光絲在大氣傳播中的影響；探討了初始脈沖能量對環(huán)形高斯光束在大氣中成絲動力學(xué)的影響。


第4章飛秒環(huán)形高斯光束在大氣中成絲的非線性效應(yīng)。研究了環(huán)形高斯光絲在大氣中傳輸?shù)难舆t克爾非線性效應(yīng)；討論了在分子轉(zhuǎn)動響應(yīng)特征時間附近的不同脈寬下，延遲克爾效應(yīng)對光絲特性的影響；分析了飛秒環(huán)形高斯光束在大氣中產(chǎn)生的超連續(xù)譜，與相同初始條件下的高斯光絲的波譜展行了比較；然后對自相位調(diào)制和電離誘導(dǎo)的頻率轉(zhuǎn)移在波譜展寬中的作用行了分析；另外，還討論了脈沖能量和空間啁啾對環(huán)形高斯光產(chǎn)生光滑超連續(xù)譜的影響。


第5章強飛秒環(huán)形高斯光在大氣中成絲傳輸?shù)耐哥R聚焦效應(yīng)。研究了在標準大氣壓下，不同透鏡和不同輸人脈沖能量對強飛秒環(huán)形高斯光在大氣中傳輸?shù)挠绊�。另外，討論了固定透鏡焦距f和空間明啾系數(shù)C時，脈沖能量對獲得寬而光滑的超連續(xù)光譜所起的作用。


第6章利用三共線的飛秒脈沖在大氣中產(chǎn)生長距離的雙色光絲。


探索了一種新的產(chǎn)生長距離雙色光絲的方法，并對兩低強度的400nm環(huán)形光的相干疊加補充光絲能量的動力學(xué)機制做了詳細的分析。


第7章強飛秒激光脈沖在連續(xù)變化氣壓的大氣中成絲傳輸特性的研究。探討了強飛秒激光通過一個2m長的氣壓連續(xù)變化的氣室中在透鏡不同焦距條件下傳輸時產(chǎn)生光絲的特性；并通過對光絲的時間動力學(xué)行為和超連續(xù)波譜的分析，探討了固定壓強和連續(xù)變化的壓強對光絲特性的不同影響。


第8結(jié)和展望。


本書內(nèi)容主要建立在著者及所在科研團隊近幾年的科研成果和承擔的科研項目[國家研發(fā)計劃，18YFB0504400；山西省面上青年科學(xué)，1601D021019；山西省“1331工程”創(chuàng)新團隊建設(shè)計劃(1331KIR)]基礎(chǔ)上，是對強飛秒激光在大氣中傳輸?shù)难芯砍晒�的分析結(jié)。在此過程中得到了許多老師、同事和學(xué)生的支持和幫助，如（排名不分先后）劉杰研究員、傅立斌研究員、李衛(wèi)東教授、李秀平教授、劉勛博士、李維博士、于承新博士、舒小芳博士、劉淵博士、李晉紅教授，以及碩士研究生蘭俊平、李榮、郝婷、劉麗娜等，在此致以衷心的感謝！


本書涉及的基本理論知識，節(jié)選自國內(nèi)外本領(lǐng)域?qū)＜�、學(xué)者公開文和研究成果，在此向這些原著者表示衷心的感謝。在寫作中可能對參考資料在形式和內(nèi)容行了不同程度的修改或取舍，文中盡可能對引用的參考文獻加以著錄，但很難保證沒有遺漏或錯誤。由于作者學(xué)識水平有限，書中難免有許多不妥和疏漏之處，敬請廣大讀者和專家給予批評指正，謝謝。


著者


21年12月