飞秒激光诱导的空气等离子体冲击波探究_牟彦霏.pdf

文章编号：1005-5630(2023)02-0069-06DOI:10.3969/j.issn.1005-5630.2023.002.009 飞秒激光诱导的空气等离子体冲击波探究飞秒激光诱导的空气等离子体冲击波探究牟彦霏，张岐源，梁青青（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）摘要：一定强度的飞秒激光聚焦于空气能生成空气等离子体并诱导生成冲击波。为了观察该冲击波传播特性，引入了超快时间分辨涡旋滤波成像技术，并对观测到的冲击波动力学过程进行了分析。实验探测到泵浦能量为 1.5 mJ 的飞秒激光经过透镜聚焦到空气中产生等离子体空气冲击波，分析了在 315 s 时间段冲击波的动态演化过程。结果表明，飞秒激光等离子体空气冲击波在传输时以不对称的球形形状向外扩散，且沿着激光传播方向的传播速度与背着激光传播方向的传播速度不同，分别为 372 m/s 和 341 m/s。这一观察结果与传统的点爆炸模型的对称情形不同，尝试对该不对称动力学过程进行了合理解释。关键词：超快时间分辨成像；涡旋滤波；空气等离子体；冲击波中图分类号：O 437 文献标志码：A Investigation of air plasma shock waves induced byfemtosecond laserMOU Yanfei，ZHANG Qiyuan，LIANG Qingqing（School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technoology,Shanghai 200093,China）Abstract:With a certain intensity,a femtosecond laser focusing in the air will generate an airplasma and induce a shock wave.In order to study the propagation process of the shock wave,anultrafast time-resolved vortex filtering imaging technique is introduced in this paper,and theobserved dynamic process of the shock wave is analyzed.The shock wave from air plasma wasobserved when pumped by a 1.5 mJ femtosecond laser focused into the air through a lens,and thedynamic evolution of the shock wave in the period from 3-15 microseconds was analyzed.Theresults show that the femtosecond laser plasma air shock wave diffuses outwards in anasymmetrical spherical shape,and the propagation velocity is different along the laser propagationdirection and behind the laser propagation direction,which are 372 m/s and 341 m/s,respectively.This observation is different from the traditional point explosion model,namely the symmetric case.We give a reasonable explanation for this asymmetric dynamic process.收稿日期：2022-11-08基金项目：国家自然科学基金（11904232，12034013）；上海市教委创新计划项目（2017-01-07-00-07-E00007）第一作者：牟彦霏(1997)，女，硕士研究生，研究方向为超快非线性光学。E-mail：通信作者：梁青青(1981)，女，讲师，研究方向为超快非线性光学。E-mail：第 45 卷 第 2 期光 学 仪 器Vol.45，No.22023 年 4 月OPTICAL INSTRUMENTSApril，2023Keywords:ultrafast time-resolved；vortex filter；air plasma；shock wave引言近年来，随着飞秒激光技术的迅速发展，强激光诱导产生的冲击波被广泛应用，受到了人们的大量关注1-2。2006 年，King 等3发现冲击波产生的力可细化材料、降低材料表面粗糙度。2018 年，Chen 等4发现，用冲击波来冲击纯镍表面，使其发生变形，能够增加材料的硬度和耐腐蚀性。此外，等离子体强空气冲击波也被广泛用来清洗硅片以及器件上的纳米粒子5-9，通过精准控制，可达到高精度且强有力的冲洗效果10。2022 年，Schaffer 等11通过固体中的TPa 值和液体中的 GPa 值测量出了强冲击波的高压强度，并且提出了利用飞秒激光诱导的空气冲击波开发超高速发射装置的设想。为了更好地拓展其应用，有必要对等离子体空气冲击波的形成原因、后续传输特性，尤其是各分段过程中的传输动力学进行研究。2011年，Mahdieh 等12提出，等离子体形成的最初动力学过程主要发生在亚纳秒的时间尺度，即冲击波的产生是在 100 ns 的时间内开始，并持续传播数十微秒。2014 年，Jhajj 等13的研究工作表明，冲击波在初始形成的高密度区域首先会在数十纳秒内快速膨胀，之后经过 12 s，冲击波内压力会达到平衡，最后在毫秒的尺度内衰减。在此过程中，即使激光对等离子的作用结束且等离子体不再吸收激光能量，冲击波的波前仍会在空气中继续传播，之后波阵面的峰值不断地下降，直到衰减消退为声波14-15。2016 年，Zhou等16利用纳秒时间尺度的分辨方法，观察到在第 182 ns 之后，冲击波才会逐渐演化为球形。2021 年，Rastegari 等17观察到紫外飞秒光聚焦产生的冲击波在微秒时间尺度上的演化过程。2008 年，Thiyagarajan 等18利用阴影诊断法，探究了 1 064 nm 的红外光泵浦产生空气等离子体冲击波过程中的中性气体密度分布，为了解激光诱导等离子体的动力学过程提供了方法。等离子体产生冲击波是热能转化为动能的一个过程，在热量向周围空气扩散的过程中，将会引起空气折射率的变化。等离子体产生的冲击波的波阵面是高温高压以及高密度态的，在传播过程中，周围空气的压强、温度等因素都会发生突变19。2022 年，Koritsoglou 等20利用泵浦探测显微成像技术，观察到了冲击波形成初期皮秒至纳秒时间尺度内的膨胀过程，并分析了该时间尺度内等离子体丝能量转换过程。本文测量了光丝后续在微秒时间尺度内演化过程，利用具有超快时间分辨的涡旋滤波成像方法观测到了后续空气冲击波的传输过程，获得了冲击波的半径随时间延时的变化情况，并计算了冲击波前向和背向的传输速度。本文首次运用涡旋滤波成像技术探测到冲击波在 315 s 时间尺度内的演化过程。1超快时间分辨涡旋滤波成像装置采用超快时间分辨涡旋滤波成像法，实验光路由泵浦和探测两部分组成。用于泵浦的飞秒激光由美国相干公司的钛蓝宝石激光器输出，激光中心波长为 796 nm，脉冲宽度为 35 fs，重复频率为 1 kHz，偏振方向为水平，全能量为 11 mJ，经过分束镜后用来产生冲击波的能量为 1.5 mJ。飞秒激光在空气中传输并经透镜聚焦时，因峰值功率大于自聚焦临界功率，在克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应共同作用下，会在透镜后生成细长的等离子体通道，即光丝。实验中，用于聚焦飞秒激光的透镜焦距为 7.5 cm，更紧密的聚焦能产生更高的等离子体密度，生成更强的冲击波。探测光路光源采用的是水平线偏振的氦氖激光（型号为 HRS015B，波长 632.8 nm）。氦氖激光先经过扩束器成为准直平行的大光斑，随后经过孔径光阑滤波后，选取中心光斑均匀的地方作为探测光。利用光丝对探测光的微小相位改变，通过由 2 个焦距均为 30 cm 的透镜组成的 4f 成像装置，在其频谱面放置拓扑荷数为 1 的涡旋半波片（型号为 VR1，LBTEK-633 nm），实现微结构的边缘增强，出射后成像于增强电荷耦合器件（intensified charge coupled device,ICCD）（型号为 iStar 334T，Andor）。ICCD 放置于透镜 2 的成像面处，实验装置如图 1 所示。70 光 学 仪 器第 45 卷超快相机透镜 2透镜 3透镜 1涡旋半波片796 nm飞秒激光632.8 nmHe-Ne 激光小孔光阑扩束器ff 图1探测飞秒激光等离子体空气冲击波的时间分辨涡旋滤波实验装置Fig.1Atime-resolvedvortexfilterfordetectingfemtosecondlaserplasmaairshockwave 观察飞秒激光等离子体丝诱导产生的空气冲击波时，利用高速像增强型 ICCD 进行时间分辨。ICCD 自带时间闸门，像素单元尺寸为13 m，门宽小于 2 ns，即纳秒之上的时间尺度事件都可以被测到，可实现对冲击波时间分辨成像的探测。通过在 4f 系统的频谱面上放置 VR1 滤波元件，实现了边缘增强的涡旋滤波成像。2011年，Maurer 等21发现经过拓扑荷数为 1 的涡旋半波片滤波后，探测样品成像时会出现边缘增强的效果，该成像技术能够灵敏地探测微弱相位型样品的边缘结构。图 2 所示为该滤波技术的边缘增强效果。图 2（a）所示为一圆孔在无滤波条件下的成像，该图呈现出圆孔原本的样子。而如果对其进行拓扑荷数为 1 的涡旋滤波，则圆孔成像如图 2（b）所示，边缘呈现增强，中间平坦区域因为无结构或无边缘而呈现暗场。Maurer 等证明了该一阶涡旋滤波成像边缘增强的原因是滤波技术实现了原图像的一阶求导，从而导致了具有一阶导数的边缘呈上述增强的效果。对于圆孔而言，中间平坦区域一阶求导为零，因而光强分布为零，而在小孔的边缘因具有较大的一阶导数值，所以在该处具有较强的光强分布。本文运用该技术实现了对弱相位物体空气冲击波的灵敏探测。2冲击波的超快时间分辨实验结果及动力学过程分析实验中，通过调节 ICCD 的门宽和步长，设置合适的曝光时间，能够观测到冲击波在不同时间延时下的图像。图 3 所示为观测到的 311 s间的冲击波图像，其中激光传输方向由左向右，ICCD 设置的探测步长为 1 s，门宽为 800 ns，积分时间为 2 s。图 3 中，冲击波的波前面清晰可见，中间最亮的部分是飞秒激光聚焦产生的等离子体。如果将等离子体最清楚明亮的时刻定义为时间零点，则随着 ICCD 的逐步采集，可观察到冲击波的波阵面是以中心为原点逐渐向外膨胀，且半径逐渐变大。t=3 st=4 st=5 st=6 st=7 st=8 st=9 st=10 st=11 s2.5 mm背向前向激光传播方向 图3涡旋滤波边缘增强成像技术探测到的不同时间延时下的空气冲击波Fig.3Airshockwaveunderdifferenttimedelaydetectedbyvortexfilteringedgeenhancement 此外，在波阵面膨胀的过程中，还观测到冲击波沿着光传输方向和背着光传输方向的膨胀速度不同，即冲击波是以不对称的形状向外扩散。图 4（a）所示为左侧逆着激光传输的冲击波波阵面的移动情况，其中红色的虚线框代表的是冲击(a)(b)415 m 图2圆孔的涡旋滤