面向在軌遙感應(yīng)用的飛秒激光成絲調(diào)制延長方法研究

宋海英 安汶源 李瑤 劉勛 李維 劉世炳

面向在軌遙感應(yīng)用的飛秒激光成絲調(diào)制延長方法研究

宋海英1安汶源1李瑤1劉勛2,*李維2劉世炳1

（1 北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）（2 北京空間機電研究所，北京 100094）

飛秒激光在大氣中的遠(yuǎn)距離傳輸對于實時快速的遙感探測具有重要的應(yīng)用價值。文章通過在聚焦鏡前增加圓孔石英板，提出了一種延長激光光絲產(chǎn)生等離子體通道的新方法，結(jié)果顯示飛秒激光等離子體通道延長了一倍；同時，研究了不同激光脈沖能量下，圓孔石英板的直徑和厚度對形成的等離子體通道的影響，發(fā)現(xiàn)石英板中心圓孔的直徑對形成光絲長度具有顯著影響?；谘娱L的飛秒激光光絲，探測了氦氣中充入空氣量對混合氣體光譜的影響，發(fā)現(xiàn)光譜信息對氦氣的濃度變化非常敏感。

飛秒激光成絲 圓孔石英板 激光等離子體通道 激光成絲與氣體相互作用 航天遙感

0 引言

自從Braun等首次觀察到飛秒激光脈沖的成絲現(xiàn)象以來[1]，光學(xué)成絲現(xiàn)象由于具有許多潛在的應(yīng)用價值成為了一個熱門話題，如太赫茲輻射源[2]、遠(yuǎn)程觸發(fā)和輻射源[3]、激光脈沖光譜處理[4]、引導(dǎo)放電[5-6]、大氣遙感[7]、高次諧波產(chǎn)生[8]和大氣遙感探測[9-10]等。目前大氣組分探測技術(shù)主要分為兩類：第一類是通過激光雷達技術(shù)測量特定波長的吸收率，監(jiān)測以COCO2為主的氣體，但由于每種氣體只吸收特定波長激光，如果測量多組分氣體時，就需要搭載多個激光雷達載荷，使得該技術(shù)方案具有局限性；另一類是通過光譜分辨或偏振分辨的光譜成像結(jié)果反演以氣溶膠為主的細(xì)顆粒物（霧霾）的地理分布、濃度、平均顆粒直徑和可定量檢測的未知成分或組分及其濃度等信息，其不足在于檢測過程為取樣后在實驗室進行檢測，屬非現(xiàn)場檢測，易丟失現(xiàn)場原始信息[11-16]。鑒于此，本文提出了基于飛秒激光傳輸成絲誘導(dǎo)大氣擊穿光譜分析的實時、現(xiàn)場、遠(yuǎn)程檢測的新方法，該方法兼?zhèn)浼す饫走_遠(yuǎn)距離探測與光譜分析技術(shù)的優(yōu)點。

基于等離子體通道形成機制的動力學(xué)過程計算，本文著重研究了在實際實驗過程中，激光光絲誘導(dǎo)的等離子體通道的延長，并提出了一種簡單的方法，即使用圓孔石英板，通過調(diào)節(jié)石英板中心圓孔的尺寸和厚度來實現(xiàn)光絲的延長。

本文以氦氣為檢測氣體，初步探究了空氣中氦氣濃度對形成的激光誘導(dǎo)擊穿光譜的影響。氣體探測在一定程度上依賴于激光在空氣中產(chǎn)生電離通道的壽命（即光絲的壽命），其決定了光絲激光的傳輸距離，較長的光絲也可以幫助得到更準(zhǔn)確的混合氣體成分指紋譜，這直接決定了光絲激光的探測范圍和應(yīng)用前景。

1 飛秒激光成絲光譜探測

作為一種重要的成分分析技術(shù)，近年來，激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）技術(shù)因其分析迅速、近似無損、可實時在線及遠(yuǎn)程檢測等特點，獲得了材料科學(xué)、生物醫(yī)藥、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境檢測等領(lǐng)域的極大青睞。當(dāng)然由于諸多因素的影響，LIBS技術(shù)在分析精度、穩(wěn)定性和可靠性方面亦存在許多問題，而飛秒激光成絲（絲長≥10 mm）是飛秒強激光經(jīng)過特殊的光路系統(tǒng)后產(chǎn)生功率密度極高的長光腰脈沖束，其在空氣中傳輸時，當(dāng)光腰處的能量強度高于大氣分子或原子的電離閾值時，大氣被擊穿電離而形成等離子體，這種等離子體發(fā)出的光就稱之為激光光絲，亦稱光絲等離子體或等離子體通道。激光脈沖作用后，光絲等離子體中的電子迅即與其母核發(fā)生復(fù)合，同時輻射出不同分子或原子特有的熒光光譜，即指紋光譜。這些指紋光譜攜帶了激光擊穿區(qū)域大氣成分（即分子或原子）的信息，通過分辨分析這些指紋光譜的特征獲得大氣成分的準(zhǔn)確信息[17-19]。在遠(yuǎn)程測量上，即可通過無人機搭載光電信號采集與發(fā)射、地面接收與光譜分析系統(tǒng)，直接獲取大氣的成分信息。因此，實驗引入飛秒激光傳輸成絲擊穿光譜探測大氣成分的方法，具有以下難以替代的優(yōu)勢：①飛秒激光聚焦強度高，任何分子或原子都將被電離或解離，因此可獲得大氣成分的指紋光譜信息，具有極高的準(zhǔn)確性和可靠性；②飛秒激光傳播距離長，且?guī)缀鯚o處不入，能對現(xiàn)場無干擾地實時、快速攝取大氣成分的指紋光譜信息。通過采集并分析這些特征光譜，便可識別出污染物的化學(xué)成分。

國際上，利用光絲激光成絲現(xiàn)象對大氣進行遙感探測的概念最先由歐洲的Teramobile研究小組于2003年率先提出[20]，加拿大拉瓦爾大學(xué)的Chin科研小組已經(jīng)成功地在幾十米遠(yuǎn)的距離上實現(xiàn)了氣體雜質(zhì)、生化樣品浮質(zhì)和固體金屬等多種樣品的遠(yuǎn)程檢測。不僅如此，拉瓦爾大學(xué)的研究人員還發(fā)現(xiàn)光絲形成過程中所輻射的熒光譜和普通光致等離子光譜有著本質(zhì)的區(qū)別，熒光譜沒有傳統(tǒng)理論所預(yù)期的超連續(xù)譜，這就是所謂的清晰指紋熒光譜，這一現(xiàn)象為光絲激光在大氣污染監(jiān)測應(yīng)用中的強大分辨能力提供 了物理基礎(chǔ)[21-23]。法國國家科學(xué)研究中心利用圓偏振的飛秒激光在純氮氣中獲得了337nm的受激輻射 光譜[24]。

國內(nèi)在超快激光成絲現(xiàn)象研究領(lǐng)域已經(jīng)擁有了一定的研究基礎(chǔ)。中科院物理所的科研小組早在2002年就利用超強飛秒激光裝置“極光II號”在大氣中產(chǎn)生了光絲，開展了強激光成絲在三次諧波產(chǎn)生、高壓控制和空氣湍流引起光絲性質(zhì)變化等方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究[25]；北京大學(xué)的科研小組重點研究了固體和液體中成絲現(xiàn)象的基本規(guī)律，他們在國際上首先實驗觀測到了玻璃中多次自聚焦現(xiàn)象，并對熔融石英中激光破壞閾值與激光偏振態(tài)關(guān)系以及水中超連續(xù)譜偏振態(tài)改變現(xiàn)象機制開展研究。另一方面，北京大學(xué)和天津大學(xué)聯(lián)合研究小組研究了利用氣體純度來控制成絲動態(tài)過程的新技術(shù)。南開大學(xué)開展了超快激光成絲現(xiàn)象及其應(yīng)用的基礎(chǔ)研究，對成絲現(xiàn)象處于超高激光強度、超快時間尺度、超遠(yuǎn)工作距離、多樣化的介質(zhì)條件等極端的微觀與宏觀環(huán)境條件中的實驗困難，提出了一系列光絲特性表征和基本參數(shù)測量的實驗新技術(shù)，為豐富實驗認(rèn)識、理解成絲機制及研究調(diào)控原理提供了技術(shù)支撐[26]。

由于激光光絲形成過程中激光能量的損失，自聚焦和等離子體散焦不再平衡，光絲在平衡點消失，激光光絲的長度和壽命因此受到限制。實驗上也提出了一些研究空氣中成絲現(xiàn)象的方法，主要集中在兩個方面，一是延長成絲的長度，二是延長激光等離子體的壽命。結(jié)合兩個研究方面的獨立理論，通過計算等離子體通道在激光脈沖后的動能分布，給出了等離子體通道演化的非平衡初始條件[27]。

2 實驗

實驗裝置如圖1所示，激光系統(tǒng)為商用飛秒激光系統(tǒng)，脈沖寬度為35fs，中心波長800nm，脈沖能量3.5mJ，重復(fù)頻率1kHz，光斑直徑7.5mm。飛秒激光首先通過中心帶有孔的石英板，在通過分束鏡后，偏轉(zhuǎn)的光被衰減后進入光斑分析儀來獲得激光強度剖面。透過的光在通過聚焦鏡聚焦后形成光絲，在側(cè)面聚焦鏡的輔助下在一次觸發(fā)曝光時間為2ns的ICCD（PI-MAX3）上得到光絲的像，從而測量燈絲的長度。為了比較兩種圓孔石英板的效果，利用光斑分析儀獲得了圓孔石英板調(diào)制的飛秒激光脈沖的強度分布。

圖1 飛秒激光成絲延長裝置

圖2給出了比較結(jié)果，其中，圖2（a）是未經(jīng)調(diào)制的飛秒激光強度分布，光斑包絡(luò)截面顯示出了高斯分布；圖2（b）是飛秒激光通過圓孔石英板調(diào)制后的強度分布，光斑包絡(luò)呈現(xiàn)出環(huán)狀分布，在水平和垂直方向的投影呈波動高斯分布。

圖2 中空石英光闌調(diào)制前后的光斑分布

3 結(jié)果和討論

為了提供直觀的視覺效果，圖3給出了上述兩種情況下飛秒激光光絲的圖像。從圖3可以看到，經(jīng)過圓孔石英板調(diào)制后得到的光絲長度比未經(jīng)過圓孔調(diào)制獲得的光絲長度明顯增長。

圖3 激光成絲延長圖像

為了進一步研究和比較，使用ICCD更加精確地測量了光絲的長度（此處使用的透鏡焦距也為200mm），得到的完整飛秒激光光絲圖像如圖4所示。圖4清楚地展示出：經(jīng)過圓孔石英板調(diào)制得到的飛秒激光光絲（圖4（b），330像素，290像素到620像素）長度大概為未經(jīng)圓孔調(diào)制得到的飛秒激光光絲（圖4（a），140像素，380像素到520像素）長度的2.3倍；在使用圓孔石英板后得到的光絲最強位置向前移動了80個像素長度（在水平軸上顯示為從485像素到565像素），這是激光光絲內(nèi)能量重新分布的結(jié)果。

為了進一步細(xì)致的討論圓孔石英板的調(diào)制效果，又選擇了兩種焦距分別為17mm和20mm的透鏡進行了對比實驗。通過改變圓孔石英板上孔的直徑大小，用ICCD測量了一系列光絲的長度，實驗結(jié)果如圖5所示。從圖5中曲線可以看出：當(dāng)孔的直徑為0～2mm時，激光光絲長度為一個較低的常數(shù)值且無明顯變化；當(dāng)孔的直徑為2～4.2mm時，光絲長度劇烈變化，穩(wěn)定在一個更大的值；當(dāng)孔的直徑為4.2～8mm時，光絲的長度逐漸變短，最終將還原回?zé)o孔徑的長度。這里高斯脈沖區(qū)可以分為三個區(qū)域，無干涉條紋的衍射區(qū)（I區(qū)），有干涉條紋的干涉區(qū)（II區(qū)），無干涉條紋的非干涉區(qū)（III區(qū)）。在II區(qū)，干涉條紋可以看作是一組透鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)對激光的多聚焦作用使激光光絲長度顯著增加，這也是曲線波動較大的原因。在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石英板的孔徑固定時，石英板的厚度或孔的深度對光絲長度沒有明顯的影響。

圖4 延長前（a）后（b）的光絲對比圖

圖5 光絲長度隨石英中心圓孔直徑的變化

為了更好理解圓孔石英板是如何延長光絲的，引入了移動焦點模型和自聚焦模型來進行解釋。圖6中的（1）為移動焦點模型，（2）為自引導(dǎo)模型，（3）為移動焦點模型和自引導(dǎo)模型的結(jié)合。經(jīng)過圓孔石英板調(diào)制后，激光橫截面光場重新分布，每一個圓環(huán)對應(yīng)一個不同焦距的聚焦鏡，所有圓環(huán)一起組成的透鏡系統(tǒng)使光絲得到延長。

從圖6可以看出，功率最高層的焦點對應(yīng)于光軸上距離最近的位置，相鄰層的焦點對應(yīng)于距離最近的位置，以此類推，對移動焦點模型的模擬還可以成功地預(yù)測光絲的產(chǎn)生和結(jié)束。根據(jù)自聚焦效應(yīng)，光強越強，折射率越大，聚焦位置越近。圖6可以看出：不同的激光強度對應(yīng)不同的聚焦位置；在通過石英板后，激光橫截面變大，激光能量重新分配；內(nèi)環(huán)能量較于初始變小，光絲位置會稍遠(yuǎn)一些，而外環(huán)的能量弱，因此形成的光絲位置相較內(nèi)環(huán)更遠(yuǎn)。不同的光環(huán)就像不同焦距的透鏡，可產(chǎn)生更長的光絲。同時，外環(huán)通過內(nèi)環(huán)影響光絲的儲能器，這個效應(yīng)使光絲左右兩側(cè)整體延長。

圖6 模型演化過程

由于較長的光絲可以得到更準(zhǔn)確的混合氣體成分指紋譜，因此利用延長后的激光光絲對混合氣體的成分進行了檢測。首先向靶腔內(nèi)充入氦氣，然后緩慢注入空氣，得到如圖7所示的光譜變化圖?？梢钥吹剑寒?dāng)空氣的注入量為0.02L時，一些譜線有明顯的減弱；當(dāng)注入的空氣為0.10L時，位于400～550nm范圍的光譜顯著減弱，此外，位于590～900nm范圍的光譜變化較小；最后注入1.5L空氣后，光譜變?yōu)榱斯饨z在空氣中的光譜。因此，當(dāng)空氣中氦氣的含量較高時，激光成絲產(chǎn)生的光譜對氦氣濃度的變化是非常敏感的。這是由于氦的電離能較高，氧和氮的電離能較低導(dǎo)致的。當(dāng)氦氣與空氣混合時，高斯激光脈沖會先一步電離空氣中的氮氣與氧氣，當(dāng)氦氣中填充少量空氣時，激光電離空氣的效率很高，但由于空氣總量很小而無法展現(xiàn)出空氣的光譜。同時，由于電離空氣導(dǎo)致一部分激光能量的消耗，用于電離氦氣能量的減少導(dǎo)致了氦離子光譜的減弱。隨著空氣的不斷注入，電離空氣消耗的激光能量進一步增加，直至激光的能量幾乎全部用于空氣的電離，最終便只能得到激光在空氣中成絲的光譜。

圖7 氦氣中充入空氣后成絲光譜變化圖

4 結(jié)論與展望

飛秒激光在大氣中的遠(yuǎn)距離傳輸對于實時快速的遙感探測具有重要的應(yīng)用價值。本文提出選用圓孔石英板對飛秒激光光斑進行調(diào)制來延長飛秒激光光絲的長度，以實現(xiàn)飛秒激光成絲對大氣組分的探測。采用ICCD和數(shù)碼相機對飛秒激光光絲進行圖像的測量，記錄了不同石英板圓孔直徑對光絲長度的影響。實驗結(jié)果表明，圓孔石英板能有效延長飛秒激光聚焦產(chǎn)生的光絲，且在實驗室條件下，當(dāng)石英板圓孔直徑為4mm時，獲得了最長的光絲；同時，驗證了光絲長度與石英板厚度和孔的深度沒有明顯的相關(guān)性。圓孔石英板具有制作簡單、成本低廉、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點，在延長飛秒激光光絲中具有很好的應(yīng)用價值。利用延長的激光光絲對空氣與氦氣的混合氣體光譜進行了檢測，結(jié)果表明獲得的光譜信息對氦氣的濃度變化非常敏感。論文的研究結(jié)果對于超快激光成絲對大氣污染物進行大范圍和垂直距離的連續(xù)、實時快速的遙感探測方面具有重要的應(yīng)用價值。

致 謝

感謝國家重點研發(fā)計劃（2018YFB0504400）對本工作的支持。

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Femtosecond Laser Filamentation Modulation Extension for the Remote Sensing Application in Orbit

SONG Haiying1AN Wenyuan1LI Yao1LIU Xun2,*LI Wei2LIU Shibing1

（1 Beijing University of Technology, Beijing 100124, China）（2 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

The long-distance propagation of femtosecond lasers in the atmosphere has important application value for real-time and rapid remote sensing detection. In this paper, a new method for extending the laser filament to generate plasma channels is proposed by adding round-hole quartz plates in front of the focusing mirror, and the results show that the length of femtosecond laser plasma channels are doubled. At the same time, the effect of the diameter and thickness of the round hole quartz plate on the formation of plasma channels under different laser pulse energies was studied, and it was found that the diameter of the round hole in the center of the quartz plate had a significant impact on the length of the formed filament. Based on the extended filament, the effect of the amount of air filled in helium on the spectrum of the gas mixture was studied.

femtosecond laser filament; round hole quartz plate; laser plasma channel; interaction between laser filament and gas; space remote sensing

TP702

A

1009-8518(2022)05-0070-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.05.007

2022-06-15

國家重點研發(fā)計劃（2018YFB0504400）

宋海英, 安汶源, 李瑤, 等. 面向在軌遙感應(yīng)用的飛秒激光成絲調(diào)制延長方法研究[J]. 航天返回與遙感, 2022, 43(5): 70-77.

SONG Haiying, AN Wenyuan, LI Yao, et al. Femtosecond Laser Filamentation Modulation Extension for the Remote Sensing Application in Orbit[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(5): 70-77. (in Chinese)

宋海英，女，1979年生，2017年在北京工業(yè)大學(xué)獲博士學(xué)位，副研究員。研究方向為強場與超快光子學(xué)。E-mail：hysong@bjut.edu.cn。

劉勛，男，1982年生，2012年獲中國科學(xué)院物理研究所光學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，高級工程師。主要研究方向為光絲激光雷達技術(shù)等。E-mail：Liuxun_laby@163.com。

（編輯：毛建杰）