空气激光是以空气为增益介质产生的相干辐射,具有高准直度、高相干性、高强度以及自由空间传输等优点,为远程探测提供了全新的技术途径。同时,空气激光是强场超快激光与空气中的原子分子相互作用的结果,蕴含了新颖而丰富的强场物理效应。综述了空气激光近年来的主要研究进展。首先介绍了三类空气激光的产生途径及基本特征,然后从氮气离子激光的增益机制以及量子相干性两个层面阐述了空气激光所蕴含的新物理效应,并讨论了空气激光在远程探测中的应用,最后总结了空气激光研究的意义,展望了该方向面临的机遇与挑战。

采用3D particle-in-cell(PIC)数值模拟方法, 研究高品质高能质子束经由脉冲电流螺线管传输并聚焦于远端的情况。模拟结果表明:初始时刻中心能量为250 MeV, 能散度为10%, 空间发散角小于15 mrad的质子束, 通过长度为760 mm、中心磁感应强度为10.87 T的通电螺线管, 可以被聚焦于距离质子源约2.5 m的远端, 焦斑横截面直径约为1.2 mm, 小于模拟初始时刻的1.8 mm, 质子数目的损失小于3%。研究结果表明利用通电螺线管来传输和调控高能质子束流的方案是可行的。该方案可用于优化质子束流品质, 促进激光驱动质子加速在癌症治疗等对质子束单能性和发散角要求较高的领域得到早日应用。

利用改进的强场近似方法分析了长程势以及短程势在阈上电离能谱中的贡献, 确定了能谱中低能结构的起因。同时, 为了确定在计算电子与分子离子散射截面时用纯分子代替分子离子是否合理, 计算了不同入射电子能量条件下, 电子和原子离子弹性散射的微分散射截面。理论计算和实验结果表明在入射电子能量较大时, 长程势在激光诱导的电子离子大角度背向散射时的影响可以忽略, 证明了在大角度散射时, 用纯分子来代替分子离子是合理的。

在短丝条件下, 激光与喷气靶产生的介质相互作用, 可产生局部高密度等离子体, 在较短距离内实现双色场相位差的剧烈变化, 容易得到椭圆偏振的太赫兹(THz)辐射。通过调节气体背压, 产生了椭偏度为0.438的THz辐射。利用瞬态光电流模型对实验结果进行模拟, 所得结果和实验结果基本一致, 揭示了光电流和等离子体色散共同作用的机理。

本文利用飞秒激光频谱相位整形技术和偏振调制技术, 对罗丹明B溶液中双光子荧光的相干控制进行了研究。通过对飞秒激光脉冲进行π相位扫描和余弦相位调制, 实现了罗丹明B溶液中双光子荧光的相干控制, 荧光强度能够被有效操控。经过理论模拟与分析, 证实罗丹明B溶液中双光子荧光强度的变化由双光子跃迁过程中不同量子路径之间的干涉相长和干涉相消引起的。对激光脉冲进行偏振调制的实验, 罗丹明B溶液中双光子荧光强度呈现出周期性变化; 经过理论模拟计算, 发现这种变化是受激光偏振的影响产生的。

利用飞秒激光脉冲相位整形技术，从理论和实验两方面，对强激光场下分子体系苝溶液中非共振双光子跃迁的相干控制进行了研究。通过对飞秒激光脉冲进行π相位扫描和余弦相位调制，发现分子体系中非共振双光子的跃迁几率能够被削弱，但不能完全消除。分子体系中非共振双光子跃迁的相干控制受到激光光场的形状和分子吸收谱谱宽的影响；与原子体系相比，分子体系中非共振双光子跃迁相干控制的调制效率降低。

The autocorrelation function of electronic wave packet of hydrogen atom in a strong electric field below the zero-field ionization threshold is investigated in the formalism of semiclassical theory. It is found that the autocorrelation depends on the applied laser pulse significantly. In the case of narrow laser pulse, the reviving peaks in the autocorrelation can be attributed to the closed orbits of electrons, which are related to the classical dynamics of the system. But this correspondence is wiped out with increasing the laser width because of the interference among the adjacent reviving peaks.

研究了一种利用超短强激光脉冲实现在真空中加速自由电子的方案, 并讨论了其具体实施的可行性。同时给出了实现该方案的计算机模拟结果, 与理论分析很好地符合。结果表明该方案简易可行, 具有很高的实用价值。