强飞秒激光在大气中超长距离自由传输的非线性光学过程研究

飞秒激光在大气中长距离传输由于其丰富的非线性现象和激光遥感、诱导闪电等潜在应用而备受关注。飞秒激光无聚焦自由传输形成通道的长度可达公里量级，但关于自由传输物理机制的研究报道很少。本项目针对强飞秒激光在大气中超长距离的自由传输过程进行深入的理论研究。具体研究激光超长距离传输形成的多丝等离子体通道、超连续光谱和三次谐波辐射等非线性过程的物理机制，并通过改变激光条件和空气参数来探索改善多丝等离子体通道、提高超连续光谱和三次谐波辐射转化效率的条件。本项目的研究将为更深入地理解激光在介质中的非线性传输提供理论基础，并为飞秒激光在大气中传输的实验研究和实际应用提供理论指导。

本项目对飞秒激光在大气中传输的非线性过程进行了系统的理论研究，探索控制多光丝模式以及提高超连续光谱和三次谐波转化效率的物理机理。本项目在理论上通过数值求解非线性薛定谔方程，模拟了具有空间啁啾的飞秒脉冲在大气中的成丝传输过程。由于空间啁啾、群速度色散和克尔自聚焦的共同作用，使得飞秒脉冲能量分布发生了时空扭转，由此形成了成丝起点变远，并由单丝到多光丝的模式转变，同时在此过程中形成了更多陡峭的脉冲沿，产生了更强的超连续光谱。因此通过控制脉冲的空间啁啾量，可以实现光丝起点的可控，多光丝模式的改变以及超连续光谱转化效率的提高。本项目还模拟了飞秒激光光丝与等离子体细丝相互作用后三次谐波转化效率提高的过程。对比了外加等离子体的相位调制效应和等离子体增强三阶极化率对于提高三次谐波辐射的作用。发现对于三次谐波辐射增强的物理机制主要源于等离子体的相位调制效应减小了基频光和三次谐波间的相消干涉。