1、第 卷第 期大学物理实验 年 月 收稿日期：基金项目：教育部第二批新工科研究与实践项目（）；兰州大学教育教学改革研究项目（）通讯联系人文章编号：（）空气中飞秒激光成丝的荧光测量和声音测量实验研究丁晶洁，李梓源，罗恩康，殷龙涛，王景怡，郑 悦，刘作业（兰州大学 核科学与技术学院，甘肃 兰州）摘要：基础知识学习与知识综合应用的脱节一直困扰着大学基础物理教学。由于空气自聚焦效应和等离子体散焦效应共同导致的飞秒激光成丝现象是强激光非线性光学研究的热点话题。为了培养学生的对光学、原子物理学、电子学、数值分析和机械制图等基础知识的综合应用能力，和学生一起设计了创新演示实验去探究飞秒激光成丝过程。采用荧光测
2、量和声音测量两种方法对比研究光丝在不同位置处的演化情况。关键词：创新演示实验；飞秒激光成丝；荧光测量；声学测量中图分类号：文献标志码：大学物理实验投稿网址：思政工作是高校各项工作的生命线，需要贯穿大学教育教学全过程。该工作不仅限于思想政治理论的教育教学和学生的日常事务管理，而是要扩展到专业知识传授、人文素质教育、科学研究等过程。物理课程思政教育的本质就是科学认知能力培养，是物理文化的传承。教师将思政教育与科研工作有机融合，切实落实体验式教育理念，可以探索出一种有效、可行的思政教育新模式。近年来，将思政教育与创新研究相结合，在核工程类大学物理教学中进行了系列尝试探索。结合自身科研方向和研究热点问
3、题，以不同专业课程涉及的基础知识的综合应用为导向，指导学生设计创新实验，开展研究工作。激光技术自从其诞生之初就倍受关注，近年来更是发展迅速，在科学研究、国防军事、生物医疗、机械制造等领域得到了应用广泛，如激光诱导核聚变、激光武器、激光矫正近视、激光微纳加工等，是世界各国竞相发展与应用的战略技术。在国家中长期科学与技术发展规划纲要（）中，激光技术被列为八大前沿技术之一。随着单个激光脉冲能量的不断提升、脉冲宽度的不断减少，超强激光的瞬时功率密度可以达到，对应电场强度约为 （原子基态玻尔轨道上库仑场的 倍）。目前，成熟的商用激光器可以提供脉冲宽度为几十到几百个飞秒的脉冲激光。科研人员利用飞秒激光基于
4、光谱、带电粒子等测量方式研发了各类装置，主要用于原子分子物理、飞秒化学、分子生物学的研究工作。另外，飞秒激光可以驱动产生持续时间更短的阿秒脉冲用于更短时间尺度的阿秒物理研究。相比于带电粒子测量所需的真空环境、复杂的探测、信号采集与数据处理系统，光谱测量可以在空气中进行，且光谱仪的信号采集与数据获取集成化程度高，结构简单。当一定强度的飞秒激光脉冲在空气中传播时，激光与空气中的氮气、氧气作用形成明亮的、长度远远大于光束的瑞利长度的细丝，即飞秒光丝。飞秒激光成丝实际上是激光激发、电离空气形成的等离子体通道，是空气的克尔自聚焦效应和激光等离子体的散焦效应共同作用的结果。强激光脉冲在空气中成丝时，光丝中
5、的激光峰值功率密度可达 ，等离子体的电子密度在 量级。成丝过程中会伴随有衍射效应、自相位调制、自陡峭效应、激光强度钳制和超连续谱的产生等非线性现象，在远程探测、污染物监测和激光雷达等领域有着广泛的应用前景。鉴于飞秒激光在前沿科学技术研究中的重要作用，同时考虑到实验的可操作性和难易程度，我们以飞秒激光在空气中成丝过程为对象，以光谱测量并辅助声音测量为测量手段，设计了创新演示实验。研究等离子体荧光和声音强度随着光丝位置的变化关系，实现对光丝长度的表征。实验部分 飞秒激光成丝基本原理飞秒激光在空气中成丝过程主要涉及空气的克尔自聚焦效应和激光等离子体的散焦效应，是二者共同作用达到动态平衡后的结果。空气
6、介质在强激光场下的折射率为：，（）其中，为空气中的折射率，为线性折射率，其值是恒定不变的，为激光功率密度。为非线性克尔系数，其大小与三阶极化率（）有关，（），（）这里，为真空介电常数，为光速。该式所描述的折射率随激光功率密度的变化即为光学克尔效应。空气中，空气的折射率随着激光功率密度的增加而增加。激光束横截面上的功率密度呈高斯分布，光束中心功率密度高，边缘功率密度低。光束中心处的折射率也比边缘处的折射率大，就像一个凸透镜，对光束有会聚作用。随着激光在空气中传播距离的增加，激光强度不断汇聚增强。这种现象称为克尔自聚焦效应。激光脉冲自聚焦使得光斑中心的光强不断增加，当激光功率密度增加到一定阈值后，
7、空气中氮气和氧气分子被激发、电离，从而产生激光等离子体。等离子体会导致局域折射率的降低，（）公式中 为等离子体密度，为等离子体密度临界值。对于中心波长为 激光脉冲而言，。激光等离子体的密度随着局部激光功率密度的增加而增加。在激光束的横截面上，功率密度为高斯分布。对应光斑中心处的等离子体密度高、折射率负效应高，边缘处刚好相反。随着激光传播距离的不断增加，等离子体的散焦效应不断累计，起到一个凹透镜的作用，即等离子体散焦效应。当克尔自聚焦和等离子体散焦效应达到动态平衡时，飞秒激光就会在空气中形成一条光丝。实验测量方法为了研究飞秒激光成丝，我们设计图 所示的实验测量装置。实验中使用的激光系统型号为（，
8、），该系统可输出中心波长为 ，脉冲宽度为 ，重复频率为 ，单脉冲能量最高为 的线偏振激光脉冲。激光束经反射后入射到渐变的中性密度衰减片，由焦距为 的透镜聚焦，在空气中形成一条细长的光丝。中性密度衰减片可以调节形成光丝的激光脉冲能量，实验中我们控制激光的脉冲能量为 。在光丝两侧分别放置光纤探头和麦克风。光纤探头收集光丝的荧光信号，后导入光谱仪完成光谱采集。光谱仪型号为（，），单次光谱测量的积分时间为 ，累计 次求平均。光纤探头和麦克风安装在同一电动位移台上，可以沿激光传输方向改变它们的位置。以光谱仪测量到荧光信号的位置为起点，每隔 进行一次光谱和声音测量，直至荧光信号消失。图 实验测量装置示意图
9、为了采集声音信号，我们采用高灵敏度、低噪声的 麦 克 风（，），结合电子学相关课程学习内容自制了声音的放大电路，如图 所示。电阻 和 组成反相放大器的交流负反馈结构，实现对声音信号的放大，其增益为。为平衡电阻，通过抑制平衡点的漂移来减小误差。测量中需要放大的信号仅仅是交流信号部分，因此在输入端和输出端用电容 和 滤掉直流信号来隔绝直流信号的干扰，提高收集到的交流信号的准确性。要实现声音信号的线性放大，需要保证发射极正偏、集电极反偏，即基极、发射极和集电极之间具备正确的电压关系，为此设置 为偏置电阻。为供电电压，端接入示波器（，大 学 物 理 实 验 年），实现放大后声音信号的输出。图 放大器电
10、路示意图 实验测量结果与分析脉冲激光在空气中成丝时，会发出尖锐的声音，先前研究发现其频率范围在 左右。研究光丝的声音信号可以得到等离子体光丝内的激光强度和电子密度等相关信息。光丝的声音测量可以确定激光等离子体的相关参量提供了一种较为简单的手段。实验中使用麦克风测量声音信号，图（）为飞秒光丝的荧光信号强度达到最强时所对应的声音信号的时域波形。（）（）图 （）实验测量的声音信号和（）声音信号频谱对声音的时域信号进行傅里叶变换，可以获得信号的频域信息。函数（）的定义域为（，），且（），则它的傅里叶变换函数或频谱函数为（）（），（）这里，为频率。在数据的具体分析过程中，我们采用快速傅里叶变换（）对实验
11、测量的声音信号进行处理。是离散傅里叶变换的快速计算方法，它充分利用了离散傅里叶变换运算中的对称性和周期性，通过减少乘法次数，显著提高了运算速度。要求变换对应的数据点数为。实验测量结果很难刚好满足这一要求，我们首先对数据进行三次样条插值计算得到满足要求的数据再进行傅里叶变换。声音信号变换后得到的频谱信号如图（）所示，可以发现实验中飞秒激光产生的光丝发出声音的频率不是连续的，而是多个不同的频率成分组成，间隔约为 ，主要集中在 。氮气是空气中的主要成分，当飞秒强激光与空气作用时，由于激光会导致氮气分子的激发和电离，产生大量处于激发态的 和。电离是强激光场与原子分子相互作用的一个最基本过程，而在不同的
12、激光强度下会发生不同的电离过程。绝热参数 定义为激光场的振荡频率 与电子穿越势垒的特征频率 之比：，（）式中，为粒子的电离能（），为电子在激光场中获得有质动能，其中激光功率密度 的单位是 ，为入射激光的中心波长（）。参数可以把非线性光电离现象分为多光子电离（）和隧穿电离（）两个极限情况。对于空气中氮气电离，一般认为激光功率密度 时，以隧穿电离为主，反之，以多光子电离为主。光丝内部的激光功率密度一般钳制在 左右，同时存在两种电离机制。飞秒光丝中处于激发态的 和 向低能态跃迁，会产生荧光辐射。图（）为当入射激光能量为 时，在光丝中间位置附近测量得到的荧光光谱，并标记了 和 对应的电子态上下振动能级
13、之间的跃迁。可以看出由等离子体光丝所辐射的荧光主要分布在 的区域，主要来源于 的第一负带系 第 期丁晶洁，等：空气中飞秒激光成丝的荧光测量和声音测量实验研究跃迁和 的第二正带系 跃迁。当入射激光能量为 时，图（）是实验测量荧光光谱随传输距离的变化。从图中可知，随着传播距离的增加，荧光光谱的强度整体先增大后减小。在成丝初期，由于克尔自聚焦效应，激光强度不断增加。当其值达到空气中原子或分子的电离阈值时，原子或分子会被电离，产生等离子体。随着等离子体密度的增加，等离子体散焦效应逐渐地起主导作用，使光束发散从而激光强度减小。因此荧光强度随着光丝传输距离的增加，先增大后减小。（）（）图 焦距 ，能量为
14、时，（）荧光光谱强度随传输距离的变化；（）光丝中心位置处的荧光光谱。图 中 表示电子态的振动能级，和 分别代表上、下振动能级。传输距离为相对值，零点对应荧光光谱出现的位置。进一步地，可以对测量获得荧光光谱和声音信号进行积分获得荧光辐射强度和声音强度，并对比二者对传输距离的依赖关系。对于不同位置处的荧光光谱，我们采用复化辛普森公式对荧光的主要辐射区域 的光谱进行积分。复化积分法是将总积分区域细分为多个小的区域，在每个小区间用低阶插值积分公式进行积分，再把每个小区间的积分值累加求和，得到最终的积分结果的一种数值积分方法。例如，对（）在区间，内进行积分。首先，将积分区间等分成 个小区间，分点为（，）
15、，其中 （），在子区间，（，）内使用辛普森公式：（）（）（）（），（）对所有子区间求和，即可得到所求积分值：（）（）（）（）。（）控制位移台沿着激光传输方向移动，声音信号强度和荧光信号强度随光丝传输距离的变化关系如图 所示。图 声音信号和荧光信号强度随光丝传输距离的变化可以发现脉冲激光在空气形成了一条长度超过 的光丝。两种信号随着传输距离的变化趋势是一致的。信号首先随着传输距离的增加而达到增强，达到极大值后逐渐减少。信号强度的最大出现光丝的中部位置，对应传输距离为 处。结果表明声音测量和光测量都可以准确给出光丝的长度信息，且结果自洽。然而，对比两种信号的结果也不难发现，声音信号具有较高的本底噪
16、声。荧光信号是由光纤收集并传输进入光谱仪进行探测。光纤头的直径仅为 ，灵敏区域小。同时，光收集相比于其他信号收集，可以很好地避免侧向和其他方向的信号干扰。声音测量则不然。麦克风能够接受声音的灵敏区域大，直径接近 。侧向和方向的声音可以进入麦克风转化为测量信号，很难屏蔽。结 语精深并重地推进本科教学中“课前、课中、课后”紧密结合和学与用紧密融合的教学改革，可大 学 物 理 实 验 年以持续提升学生学习的精度和深度，形成知识的有效串联，提升学生发现问题、解决问题的能力。近年来，快速发展的脉冲激光技术极大地推动了传统产业和新兴产业的发展。以基于超快激光的相关研究热点为切入点，在综合考虑实验复杂程度和可操作性等问题后，我们将飞秒激光成丝作为了研究对象，指导学生开展创新实验研究。让学生通过查阅文献系统了解超快激光技术与飞秒激光成丝；引导学生利用所学电子学相关知识自行设计、制作了麦克风的放大电路；让学生主导实验设计，结合所学光学和机械制图知识、基于荧光与声音测量搭建了实验测量装置。通过测量激光光丝的荧光信号和声音信号，以及信号随着传输距离的演化，研究飞秒激光脉冲在空气中的成丝过程。在数据分析过程中
