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(jī)。強(qiáng)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(qiáng)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(dāng)克爾自聚焦效應(yīng)和等離子體散焦效應(yīng)達(dá)到動態(tài)平衡時會形成高強(qiáng)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(dá)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(dāng)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(bǔ)充方法，以及采用多脈沖相干激光強(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(xì)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(biāo)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(qiáng)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(biāo)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不同透鏡和不同輸人脈沖能量對強(qiáng)飛秒環(huán)形高斯光在大氣中傳輸?shù)挠绊憽Ａ硗�，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(qiáng)度的400nm環(huán)形光的相干疊加補(bǔ)充光絲能量的動力學(xué)機(jī)制做了詳細(xì)的分析。


第7章強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)和連續(xù)變化的壓強(qiáng)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(tuán)隊近幾年的科研成果和承擔(dān)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(tuán)隊建設(shè)計劃(1331KIR)]基礎(chǔ)上，是對強(qiáng)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(xiàn)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