为了研究超短激光脉冲与双液滴相互作用过程中的光学击穿和等离子体分布, 基于麦克斯韦方程组和电离速率方程, 构建了飞秒激光与双液滴的瞬态耦合模型, 使用有限元分析方法, 对飞秒激光辐照微米量级双液滴的自由电子密度和光场分布进行了计算, 得到了双液滴结构对液滴光学击穿和等离子体变化的影响。结果表明, 第2个液滴的击穿阈值约为同等条件下单液滴击穿阈值的35%; 等离子体的形态和击穿点的位置随双液滴间距发生变化, 且在聚焦区域产生纳米等离子体射流; 第2个液滴对激光能量的吸收随着双液滴间距的增加而减少; 当分别使用满足击穿阈值的光强入射, 双液滴吸收的能量约为单液滴的3%; 第2个液滴对激光能量的吸收随光强增大而增大, 能量吸收比例最终趋于0.01, 仅为单液滴的1.5%。该研究为激光诱导水击穿和激光在大气中的传输提供了一定的参考。

纳米金颗粒可以有效增强激光诱导光学击穿效应,但不同脉冲激光下激光诱导光学击穿的机理不同。为了从微观角度揭示纳秒和飞秒激光照射纳米金颗粒过程中颗粒内部的光热转换和环境介质的变化,建立了脉冲激光加热水介质中纳米金棒的电子-声子双温度模型,结合实验研究,分析了不同激光能量密度和脉冲宽度对光热转换过程的影响,以及纳米金棒微观熔化特性的差异。结果显示,纳秒和飞秒激光照射下纳米金棒内部的电子和晶格温度的变化趋势基本一致。飞秒激光照射时纳米金棒的熔化阈值约为纳秒激光照射时的1%,纳秒激光照射时纳米金棒周围的水温更高。飞秒激光照射时纳米金棒形貌的改变主要以机械碎裂为主,而纳秒激光作用下则主要以热致纳米金棒熔化为主。

利用调Q的Nd:YAG激光器输出的1064 nm纳秒脉冲激光聚焦在石英上采用激光诱导等离子体法加工微通道，加工出的微通道在显微镜下没有观察到热裂纹，通道深度可达4 mm。强激光辐照石英，石英吸收激光能量气化、电离，形成等离子体，发生光学击穿，高温等离子体烧蚀石英形成微通道。研究了强激光辐照下等离子体形成的机理以及介电常数、折射率、反射率等光学性质，分析了光学击穿的关键自由电子密度，并计算了光学击穿长度。

实验上分析了在多模激光抽运的条件下，水中宽带受激布里渊散射（WSBS）及前向受激拉曼散射（FSRS）产生的物理机制及二者之间能量变化的关系。实验结果表明，在多模激光抽运过程中，WSBS能量与FSRS能量处于不断变化的状态。聚焦长度较短或抽运光能量相对较低时，WSBS在散射过程中占据主导地位；随着聚焦长度和抽运光能量的增加以及光学击穿的产生，FSRS在散射过程中逐渐占据优势。

对短脉冲激光作用水介质中引起光学击穿的机制进行了分析,通过自由电子密度速率方程的数值解确定激光的击穿阈值.将数值计算结果与波长在可见光和近红外波段,脉宽为ns、ps和fs的激光脉冲在纯净水和含有杂质的水中的实验测量的击穿阈值作了比较.还计算了等离子体中自由电子密度的演化、等离子体吸收系数和能量密度.通过解自由电子密度速率方程得到结果与实验测量的值符合得很好.

通过对自由电子密度速率方程的简化,得到了计算光学击穿阈值的解析式.将计算结果与波长分别在可见光和近红外波段,脉宽分别为纳秒、皮秒和飞秒的激光脉冲在纯净水和含有杂质的水中实验测量的击穿阈值做了比较,吻合较好.对于纳秒激光脉冲,在纯净水中多光子电离提供初始电子,随后雪崩电离很快在电离的过程中占主导地位.对于短脉冲,多光子电离作用显得尤为重要,并且在击穿的过程中复合损失和碰撞损失对击穿阈值的影响逐渐消失.

研究了超快脉冲激光与生物组织相互作用的机理 ,建立了生物软组织中激光诱导光学击穿模型 ;结果表明 ,对于纳秒或亚纳秒脉冲激光 ,强吸收介质的热电子发射对电子雪崩电离过程有很大影响 ,等离子体光学击穿阈值随生物组织吸收的增加而降低 ;在激光脉宽为亚皮秒量级时 ,多光子电离成为光学击穿的主要机制 ,介质的击穿阈值几乎与线性吸收系数无关。在达到光学击穿阈值时 ,激光能量沉积在厚度约 1μm的薄层之内 ;随着激光能量显著超过击穿阈值 ,有效的激光透过深度减小。

对国内外关于飞秒激光与水相互作用主要研究领域的研究进展和一些新兴的研究方向进行了简单介绍,并简述了这些研究的应用前景。