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

2、，當入射的激光功率高于自聚焦閾值功率時，經(jīng)常會觀察到多絲的現(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度橫截面分布不均勻，或者因為外部的擾動而造成的。值得注意的是，多絲都會從脈沖的背景能量池吸收能量來完成自身的自聚焦，這也就構成了多絲之間能量競爭的物理現(xiàn)象。多絲競爭的物理機制就是脈沖在傳播過程中場能量的重新分布，這導致了多絲的數(shù)量和位置都是不可預測的，多絲呈隨機性分布，稱為“光學湍流”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際中的應用。如何控制多絲成為當前飛秒激光成絲研究的熱點問題。
　　 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爭，提高光絲的魯棒性，延長光絲的長度。從而滿足成絲現(xiàn)象在脈沖壓縮和長距離的探測技術等應用。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域的應用

4、需求。本文針對多絲控制的新技術展開了一系列創(chuàng)新性研究。
　　 本文首先研究了基于望遠系統(tǒng)的多絲抑制技術。通過望遠系統(tǒng)減小光斑直徑大小的實驗方法成功地抑制了多絲的產(chǎn)生，產(chǎn)生了一根長度較長而且比較穩(wěn)定的光絲，實現(xiàn)了多絲抑制的目的。結合391nm和337nm的氮氣熒光光譜比值與峰值強度之間的關系式，實驗研究了光絲縱向激光強度分布情況。結果表明峰值強度最初保持穩(wěn)定，隨著傳播距離的增大，在光絲尾部區(qū)域激光強度出現(xiàn)了強烈的增長并伴隨著強度尖

5、峰的出現(xiàn)，實驗驗證了Physical Review Letters在2009年發(fā)表的“Intensity Spikes in Lasei Filamentation：diagnostics and aoolication”一文中理論預測成絲將產(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。高斯光束通過軸錐鏡聚焦之后會產(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)生一根較長的光絲。實驗觀測結果中并沒有多絲現(xiàn)象的出現(xiàn)，可見利用軸錐鏡可以達到多絲抑制的目的。結合氮氣熒光光譜信號的測量，本文分析了光絲不同位置峰值強度的變化，發(fā)現(xiàn)了脈沖壓縮的現(xiàn)象。
　　 在此基礎上，本文研究了基于軸錐鏡的多絲空間分布控制技術，研究結果表明，當激光的脈沖能量高于自聚焦閾值功率的許多倍(P>500Pcr)時，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軸錐鏡產(chǎn)生的貝塞爾中心光斑和各級次圓

7、環(huán)峰值強度所對應位置上。實驗發(fā)現(xiàn)利用軸錐鏡可以有效地抑制“光學湍流”現(xiàn)象，不但多絲長度得到延長，而且多絲在空間中呈規(guī)律地排布。本文相應的數(shù)值模擬計算揭示了入射光強度圓柱對稱性的破壞將導致激光經(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。理論研究表明，當入射功率遠遠大于自聚焦閾值功率時，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光絲的背景能量池面積。