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《高功率超高斯光束传输的非线性补偿研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、第16卷 第3期强激光与粒子束Vol.16,No.32004年3月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMar.,2004文章编号:100124322(2004)0320291205X高功率超高斯光束传输的非线性补偿研究1211211赵华君, 朱启华, 冯国英, 刘文兵, 张清泉, 马再如, 陈建国(1.四川大学光电科学技术系,四川成都610064;2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘 要:分析了高功率超高斯光束在非线性介质中传播的基本理论,用分步傅里叶变换方法计算了10阶超高斯光束
2、在非线性介质内的传输过程,最后采用具有负折射率系数的非线性介质作为补偿材料,对不同的补偿方式进行了对比分析。研究表明,四种补偿方式均可以大大减小光束的B积分,有效防止超高斯光束边缘的非线性增长,降低光束的小尺度自聚焦,同时选用后补偿作为最佳补偿方式。 关键词:非线性补偿; 超高斯光束;B积分; 小尺度自聚焦 中图分类号:O437文献标识码:A[1] 研究表明,强激光在非线性介质中传输时会出现自聚焦、自散焦、自相位调制等非线性现象。这些非线性效应是由介质的折射率随光强的变化引起的,而折射率与光强的关系可以表示为n=n0+γI(1)式
3、中n0为线性折射率;γ为非线性折射率系数;I为光强。通常,光束中心的强度比边缘的要高,因此会引起介质折射率横向分布的变化,使光束产生位相弯曲。非线性折射率系数可分为正、负两种,对于γ>0的介质,若光束的光强分布为中间高边缘低,光束通过时其中心的位相落后于边缘的位相,这样光束在传播过程中就会发生汇聚;而对于γ<0的介质,则中心的位相超前于边缘的位相,因而光束传播时就会产生发散。我们称前一种情况为自聚焦,而后一种则称为自散焦。在实际应用中,如果所用的介质非线性折射率系数为正(或负),我们可以采用具有负(或正)折射率系数的介质来抵消这种非线性
4、效应。 由非线性效应带来的自聚焦可分为全光束自聚焦(WBSF,whole2beamself2focusing)和小尺度自聚焦(SSSF,[2]small2scaleself2focusing)两种基本类型。小尺度自聚焦是由在非线性介质中传输的微小扰动通过非线性效应[3]从主光束中获得能量而放大形成的,它具有非常大的危害性,是高功率激光系统提高性能的主要障碍之一。[4]为了减小非线性效应,通常有两种做法:一种是使用空间滤波器,空间滤波器可以滤除光束中有害的频率部分,从而减小非线性效应的负面影响,实验证明这种方法在高功率激光系统设计中非常
5、有效;另一种是采用具有负折射率系数(γ<0)的非线性介质来补偿非线性效应,它被证明是另一种抑制非线性效应的有效办法,受[5]到人们越来越多的关注。UlrichRoth等人对非线性效应的补偿进行了研究,并用实验证实了他们的结果。以前的研究只是针对高斯光束进行的,而对实际中应用较多的超高斯光束的非线性歧点衍射及补偿研究较少,针对这种情况,我们对超高斯光束的非线性效应的补偿进行了研究,并用计算机进行了模拟,得出了一些有用的结果。1 基本理论分析[6] 我们可以用非线性薛定谔方程来描述光束在非线性介质内的传输行为25E2γI2¨⊥E+2ik+
6、kE=0(2)5zn0222式中:¨⊥=¨x+¨y;k是真空中的波数。等号左边第一项表示光场的衍射,第二项表示光场沿z轴传输,第三项表示非线性效应。其中E为超高斯光束的电场强度,即NE(x)=I=I0exp[-(x/w0)](3)-2式中:N为超高斯光束的阶数(N≥2),I0/(W·cm)为初始光强;w0为光腰宽度。[7] 研究非线性效应时,通常采用B积分来表征光束的非线性位相延迟,即X收稿日期:2003209204;修订日期:2003211217基金项目:中国工程物理研究院2国家自然科学基金委联合基金资助课题(10176019)作者
7、简介:赵华君(1974—),男,硕士研究生,研究方向为激光与光通信;Email:z20001hj@163.com。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.292强激光与粒子束第16卷L2πB(x,0)=γI(x,0,z)dz(4)λ∫0式中:λ为波长;L为非线性介质长度。从上式可以看出B积分是一个与光强相关的物理量,它随着光强的变化而变化。显然,(4)式是一个可迭加的式子。如果光束在传输过程中通过两种非线性介质,那么光束的B积分可写成光束分别通过两种介
8、质的B积分之和。在这种情况下,通过选择介质非线性折射率系数的正负可以使总的B积分小于通过单个介质的B积分,从而达到降低非线性效应的目的。如果光束通过补偿片和非线性介质的B积分分别为Bcom和Bnon,那么有
