強(qiáng)激光自聚焦成絲數(shù)值與理論研究.pdf

1、激光在空氣中成絲的研究已經(jīng)20多年，自從20世紀(jì)90年代中期A.Braun首次發(fā)現(xiàn)激光在空氣中傳輸?shù)某山z現(xiàn)象。由于其很高的潛在應(yīng)用價(jià)值，科學(xué)界對(duì)此給予了高度熱情和關(guān)注，相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究層出不窮。本論文致力于對(duì)飛秒強(qiáng)激光在空氣中傳輸?shù)睦碚撗芯?，具體如下。
　　用兩種方法實(shí)現(xiàn)了仿真強(qiáng)激光在空氣中傳輸?shù)牟⑿谐绦?。?duì)高斯脈沖在透明介質(zhì)中非線性傳輸?shù)哪芰鬟M(jìn)行了理論分析。得到了可以替代現(xiàn)在仍在廣泛使用的Marburger公式的更加通用的自

2、聚焦焦距公式。對(duì)高階克爾模型和克爾等離子體模型進(jìn)行了研究對(duì)比。
　　(1)使用兩種技術(shù)(OpenMP和POSIX)編寫了并行運(yùn)行在多核計(jì)算機(jī)上的，數(shù)值求解強(qiáng)激光在透明介質(zhì)中傳輸?shù)?，在徑向使用Crank-Nicholson差分格式在時(shí)間上傅里葉變換求解的分步方法。此并行方法運(yùn)行在多核服務(wù)器上的加速比隨著線程的增加近乎線性。對(duì)于POSIX技術(shù)實(shí)現(xiàn)的并行程序，在24核服務(wù)器上加速效率可以達(dá)到90％以上。此并行方法在仿真強(qiáng)激光長(zhǎng)距離傳輸（

3、比如百米到千米量級(jí)傳輸）上具有應(yīng)用前景。
　　(2)能流密度的分析是分析強(qiáng)激光在空氣中非線性傳輸?shù)囊粋€(gè)典型方法。在忽略群速度色散效應(yīng)的情況下得到了高斯脈沖在透明介質(zhì)中傳輸?shù)慕颇芰餮莼健４四芰餮莼皆趥鬏斁嚯x小時(shí)與數(shù)值仿真吻合。在傳輸初始階段，能流與傳輸距離近乎成正比關(guān)系。通過能流公式，得到了克爾效應(yīng)部分戰(zhàn)勝衍射的臨界功率，當(dāng)初始峰值功率大于此臨界功率時(shí)，光強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生增長(zhǎng)的現(xiàn)象。通過能流，還得到了光強(qiáng)隨傳輸演化的漸近線。在光束

4、徑向存在能流轉(zhuǎn)換點(diǎn)，在能流轉(zhuǎn)換點(diǎn)外能量向外流，在能流轉(zhuǎn)換點(diǎn)內(nèi)能量向內(nèi)聚焦。對(duì)于等相位高斯脈沖來說，不存在一個(gè)使得所有能量都向內(nèi)聚焦的能量閾值。近似得到了光束非線性傳輸中能量衍射損耗（在徑向轉(zhuǎn)換點(diǎn)不變的假設(shè)下）。
　　(3)自聚焦焦距是強(qiáng)激光在透明介質(zhì)中傳輸?shù)囊粋€(gè)很重要的參數(shù)。當(dāng)初始光束峰值功率大于光絲生成臨界功率時(shí)，自聚焦焦距代表光絲的初始位置。結(jié)合群速度色散長(zhǎng)度和Marburger公式，得到一個(gè)新的半經(jīng)驗(yàn)公式。此公式可以預(yù)測(cè)自聚

5、焦焦距的大小，無論群速度色散作用的強(qiáng)弱。通過模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)功率閾值，在此閾值下自聚焦焦距為最大值。
　　(4)以線性傳輸模型為對(duì)比研究了不同初始能量的環(huán)形光束在空氣中的非線性傳輸。結(jié)果顯示，在傳輸初始階段，非線性克爾效應(yīng)減弱了線性空間啁啾導(dǎo)致的聚焦作用。線性聚焦使能量向光軸方向流動(dòng)導(dǎo)致強(qiáng)光強(qiáng)光束核心，在光軸附近形成類高斯脈沖結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了非線性自聚焦效應(yīng)，導(dǎo)致光強(qiáng)急劇增加形成光絲。環(huán)形光束的初始能量大小能夠影響自聚焦焦距、光

6、絲長(zhǎng)度和光強(qiáng)通量。自聚焦焦距隨著初始脈沖能量的增加而減小，但自聚焦焦距與初始功率的開方不成反比（這點(diǎn)與高斯脈沖不同）。光絲長(zhǎng)度隨著初始脈沖能量的增加而增加。軸上光強(qiáng)通量隨初始脈沖能量的增加而增加。
　　(5)用數(shù)值方法研究了各階克爾非線性折射系數(shù)對(duì)強(qiáng)激光傳輸?shù)挠绊?，結(jié)果顯示第7階克爾非線性系數(shù)和第9階克爾非線性系數(shù)協(xié)同影響激光傳輸，當(dāng)?shù)?階克爾效應(yīng)起作用時(shí)，忽略第9階克爾效應(yīng)的作用會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)隨傳輸距離劇烈震蕩，傳輸非常不穩(wěn)定。要得

7、到穩(wěn)定傳輸需要第7階克爾非線性系數(shù)和第9階克爾非線性系數(shù)同時(shí)起作用或同時(shí)不起作用。在自聚焦階段第3階非線性折射率對(duì)折射率改變起主要作用，在穩(wěn)定光絲階段第7階克爾系數(shù)，第9階克爾系數(shù)起主要作用。第5階克爾系數(shù)在整個(gè)傳輸過程中對(duì)折射率的改變一直比較小。
　　(6)研究了超短強(qiáng)激光脈沖在空氣中傳輸?shù)闹芷?。因?yàn)長(zhǎng)oriot等測(cè)量的高階克爾系數(shù)的爭(zhēng)議性，采用兩種模型仿真，高階克爾模型和克爾等離子體模型（克爾等離子體模型不包含高階克爾效應(yīng)）。