強(qiáng)非線性作用下超短脈沖激光的檢測與控制機(jī)理研究.pdf

1、當(dāng)入射激光光強(qiáng)不大時，激光在非線性傳輸過程中將不會導(dǎo)致物質(zhì)的相關(guān)特性發(fā)生明顯的改變；當(dāng)激光強(qiáng)度達(dá)到一定的量級時，激光在非線性傳輸過程中將會導(dǎo)致物質(zhì)的相關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變（例如等離子通道的產(chǎn)生），物質(zhì)狀態(tài)的改變這時將會反過來影響激光的相關(guān)特性?；诒闷痔綔y技術(shù)來分析檢測激光脈沖傳輸過程中不同時刻的激光特性，并發(fā)展出光束的實(shí)時時空控制技術(shù)，對高功率超快激光和激光材料方面的發(fā)展和應(yīng)用具有很大的實(shí)際意義。本文詳細(xì)研究了強(qiáng)非線性作用下超短脈沖激光的檢

2、測與控制相關(guān)問題，獲得如下主要成果：
　　第一，利用泵浦探測技術(shù)研究了超短激光脈沖非線性傳輸過程中光束不同空間位置的時空演化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)型的超短脈沖激光不同空間位置的時空測量的方法。
　　首先，對光束非線性傳輸時在小尺度自聚焦過程中光束的空間演變規(guī)律進(jìn)行了測量。研究結(jié)果表明，隨著輸入功率的增大，在光束不同的空間位置（特別是空間調(diào)制峰以及空間調(diào)制谷位置）出現(xiàn)了不同的增長趨勢，空間強(qiáng)度增長的不一致導(dǎo)致了其時間

3、脈寬出現(xiàn)不同的變化趨勢。在時空耦合效應(yīng)的作用下，調(diào)制峰位置空間強(qiáng)度的增長將會導(dǎo)致其脈寬壓縮；由于調(diào)制谷位置的空間對比度隨著輸入功率的增大出現(xiàn)下降，這導(dǎo)致了其脈寬被擴(kuò)展。通過此方案雖然獲得了脈沖激光的時空演化規(guī)律，但是測量精度有待提高。其次，通過使用柱透鏡來替換原實(shí)驗(yàn)方案中的狹縫來改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置，這徹底解決了使用狹縫帶來的旁瓣的問題并提高了測量精度。同時應(yīng)用此改進(jìn)型方法測量了脈沖激光不同空間位置的脈寬，以及小尺度自聚焦過程中光束空間強(qiáng)度最

4、快增長區(qū)的時間演變，研究結(jié)果表明，光束中心位置的脈寬會小于其邊緣位置的脈寬，空間強(qiáng)度最快增長區(qū)的脈寬隨著功率的增大出現(xiàn)了壓縮，此改進(jìn)型方法可以便利且有效地用來對超短脈沖進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控及評價。
　　第二，實(shí)現(xiàn)了長壽命可控形狀激光等離子體通道的產(chǎn)生，并基于此長壽命等離子體通道實(shí)現(xiàn)了空間光調(diào)制。
　　當(dāng)超短脈沖激光在克爾介質(zhì)中傳輸時，隨著輸入功率的增大將電離產(chǎn)生等離子體通道。我們實(shí)驗(yàn)觀測到了由飛秒脈沖在二硫化碳中傳輸時誘導(dǎo)產(chǎn)生的一個

5、長壽命等離子體通道，這個等離子通道能穩(wěn)定存在；通過測量探測光束橫向通過等離子體通道時產(chǎn)生的暗斑的形狀變化，得到了等離子通道的長度為15 mm；通過測量探測光束共線通過等離子體通道時形成環(huán)形光束的中心光強(qiáng)，得到了等離子體通道的壽命高達(dá)400 us。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改變泵浦光束的空間強(qiáng)度分布可以便利地控制形成的等離子體通道的形狀，基于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以對它的形狀變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控。另外，基于泵浦光束在 CS2中誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體通道，實(shí)驗(yàn)展示了等離

6、子體通道對探測光束空間光調(diào)制的實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可以通過調(diào)節(jié)平移鏡以及改變泵浦光束的空間強(qiáng)度分布來控制探測光束被調(diào)制的方向和被調(diào)制的形狀，也可以通過改變泵浦光束的功率來便利地改變調(diào)制深度。
　　第三，提出了一種基于漸變折射率等離子體透鏡效應(yīng)來產(chǎn)生環(huán)形光束的新方法，并首次發(fā)現(xiàn)了拓?fù)浣^緣體Sb2Te3可以更加有利于環(huán)形光束的產(chǎn)生。
　　環(huán)形光束可以用于光學(xué)鑷子、定向冷卻原子、超熒光顯微鏡等。當(dāng)激光脈沖在非線性介質(zhì)中傳輸時，具有

7、高斯型強(qiáng)度輪廓的泵浦光束電離產(chǎn)生的等離子體通道的電子密度分布也將服從高斯分布。等離子體通道中折射率分布也滿足高斯分布，由于折射率在等離子體通道的中心與其邊緣之間存在一漸變的差異，類似于光束通過一個漸變折射率發(fā)散透鏡，當(dāng)探測光束在等離子體通道邊緣傳輸時，探測光束將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這將導(dǎo)致環(huán)形光束的形成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于此方法產(chǎn)生的環(huán)形光束具有良好的空間傳輸性能，通過調(diào)節(jié)飛秒脈沖的功率可以輕易地控制環(huán)形光束的暗斑大小。同時也對形成環(huán)形光束的過程

8、進(jìn)行了理論驗(yàn)證，分析了等離子體通道的軸向電子密度、等離子體寬度及傳輸距離對產(chǎn)生環(huán)形光束的影響。另外，通過溶劑熱法制備了具有良好形態(tài)學(xué)的拓?fù)浣^緣體 Sb2Te3納米片，并在Sb2Te3分散液中生成了環(huán)形光束。對于用漸變折射率等離子體透鏡法產(chǎn)生環(huán)形光束而言，由于Sb2Te3具有極大的光學(xué)非線性以及擁有獨(dú)特的表面態(tài)特性，導(dǎo)致它更加適合用來產(chǎn)生環(huán)形光束。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在Sb2Te3分散液中生成的環(huán)形光束具有優(yōu)異的傳輸性能；生成一個相同大小的環(huán)形