飛秒激光成絲現(xiàn)象中多絲控制的研究.pdf

1、飛秒激光成絲是一種獨(dú)特的非線性光學(xué)現(xiàn)象，此現(xiàn)象中飛秒激光脈沖以幾乎不變的光斑直徑進(jìn)行無衍射長(zhǎng)距離傳輸，并且傳輸長(zhǎng)度可以超過光束瑞利距離的許多倍。成絲現(xiàn)象一般認(rèn)為是由于克爾效應(yīng)所引起的激光光束自聚焦與等離子體所產(chǎn)生的散焦效應(yīng)之間動(dòng)態(tài)平衡。成絲現(xiàn)象包含豐富的非線性光學(xué)過程，例如光強(qiáng)鉗制、自相位調(diào)制、超連續(xù)光譜的產(chǎn)生等。由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成絲現(xiàn)象具有廣泛的應(yīng)用前景，例如大氣污染探測(cè)，引雷控制以及微波通道等等。
　　 在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中

2、，當(dāng)入射的激光功率高于自聚焦閾值功率時(shí)，經(jīng)常會(huì)觀察到多絲的現(xiàn)象。多絲的產(chǎn)生往往是由于脈沖波前不均勻?qū)е碌?，這種不均勻性主要是來自激光本身的強(qiáng)度橫截面分布不均勻，或者因?yàn)橥獠康臄_動(dòng)而造成的。值得注意的是，多絲都會(huì)從脈沖的背景能量池吸收能量來完成自身的自聚焦，這也就構(gòu)成了多絲之間能量競(jìng)爭(zhēng)的物理現(xiàn)象。多絲競(jìng)爭(zhēng)的物理機(jī)制就是脈沖在傳播過程中場(chǎng)能量的重新分布，這導(dǎo)致了多絲的數(shù)量和位置都是不可預(yù)測(cè)的，多絲呈隨機(jī)性分布，稱為“光學(xué)湍流”現(xiàn)象。顯然，無

3、序的多絲降低了激光光束的光斑質(zhì)量，影響了光絲的能量分布，限制了飛秒激光成絲在實(shí)際中的應(yīng)用。如何控制多絲成為當(dāng)前飛秒激光成絲研究的熱點(diǎn)問題。
　　 多絲控制的目的主要有兩種，第一種是抑制多絲的產(chǎn)生，避免多絲之間的能量競(jìng)爭(zhēng)，提高光絲的魯棒性，延長(zhǎng)光絲的長(zhǎng)度。從而滿足成絲現(xiàn)象在脈沖壓縮和長(zhǎng)距離的探測(cè)技術(shù)等應(yīng)用。另一種是克服多絲分布的空間無序性，使多絲可以在空間中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、有序的分布，以滿足成絲現(xiàn)象在高精密的微加工以及微波通道領(lǐng)域的應(yīng)用

4、需求。本文針對(duì)多絲控制的新技術(shù)展開了一系列創(chuàng)新性研究。
　　 本文首先研究了基于望遠(yuǎn)系統(tǒng)的多絲抑制技術(shù)。通過望遠(yuǎn)系統(tǒng)減小光斑直徑大小的實(shí)驗(yàn)方法成功地抑制了多絲的產(chǎn)生，產(chǎn)生了一根長(zhǎng)度較長(zhǎng)而且比較穩(wěn)定的光絲，實(shí)現(xiàn)了多絲抑制的目的。結(jié)合391nm和337nm的氮?dú)鉄晒夤庾V比值與峰值強(qiáng)度之間的關(guān)系式，實(shí)驗(yàn)研究了光絲縱向激光強(qiáng)度分布情況。結(jié)果表明峰值強(qiáng)度最初保持穩(wěn)定，隨著傳播距離的增大，在光絲尾部區(qū)域激光強(qiáng)度出現(xiàn)了強(qiáng)烈的增長(zhǎng)并伴隨著強(qiáng)度尖

5、峰的出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Physical Review Letters在2009年發(fā)表的“Intensity Spikes in Lasei Filamentation：diagnostics and aoolication”一文中理論預(yù)測(cè)成絲將產(chǎn)生亞周期脈沖的新現(xiàn)象。
　　 隨后，本文研究了基于軸錐鏡的多絲抑制技術(shù)。高斯光束通過軸錐鏡聚焦之后會(huì)產(chǎn)生貝塞爾光束。由于貝塞爾光束具有無衍射的傳輸特性，在非線性傳輸過程中飛秒激光成絲將在軸

6、錐鏡的焦深范圍內(nèi)產(chǎn)生一根較長(zhǎng)的光絲。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果中并沒有多絲現(xiàn)象的出現(xiàn)，可見利用軸錐鏡可以達(dá)到多絲抑制的目的。結(jié)合氮?dú)鉄晒夤庾V信號(hào)的測(cè)量，本文分析了光絲不同位置峰值強(qiáng)度的變化，發(fā)現(xiàn)了脈沖壓縮的現(xiàn)象。
　　 在此基礎(chǔ)上，本文研究了基于軸錐鏡的多絲空間分布控制技術(shù)，研究結(jié)果表明，當(dāng)激光的脈沖能量高于自聚焦閾值功率的許多倍(P>500Pcr)時(shí)，利用軸錐鏡可以產(chǎn)生多絲，并且多絲規(guī)律地分布在線性傳輸時(shí)軸錐鏡產(chǎn)生的貝塞爾中心光斑和各級(jí)次圓

7、環(huán)峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)位置上。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用軸錐鏡可以有效地抑制“光學(xué)湍流”現(xiàn)象，不但多絲長(zhǎng)度得到延長(zhǎng)，而且多絲在空間中呈規(guī)律地排布。本文相應(yīng)的數(shù)值模擬計(jì)算揭示了入射光強(qiáng)度圓柱對(duì)稱性的破壞將導(dǎo)致激光經(jīng)過軸錐鏡聚焦后多絲現(xiàn)象的產(chǎn)生。
　　 論文最后研究了空氣中基于軸錐鏡陣列的多絲控制技術(shù)。理論研究表明，當(dāng)入射功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自聚焦閾值功率時(shí)，由于飛秒激光經(jīng)過軸錐鏡聚焦后，產(chǎn)生光絲周圍的背景能量池面積要大于沒有軸錐鏡作用時(shí)光絲的背景能量池面積。