飞秒脉冲激光1 维强度调制的传输特性

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1、第２２卷第８期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．８２０１０年８月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＡｕｇ．，２０１０文章编号：１００１４３２２（２０１０）０８１７０９０４飞秒脉冲激光１维强度调制的传输特性邓剑钦，王友文，章礼富，张进，文双春（湖南大学计算机与通信学院，微纳光电器件及应用教育部重点实验室，长沙４１００８２）摘要：实验研究了飞秒激光干涉条纹在ＣＳ２介质中传输的增长率与条纹间隔以及增长率与中心峰值强度的关系。结果发现，在非线性介质中传输的１维干涉调制特别是当其调制频率位于中心光强对

2、应的最快增长频率附近时，随着传输距离的增加调制场迅速获得增长，将高斯光束分裂成多根峰值强度很高的带状细丝。相应的数值模拟与实验结果具有较好的一致性。关键词：自聚焦；飞秒激光；光成丝；调制不稳定性中图分类号：Ｏ５３２；Ｏ４３６．１文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２０８．１７０９［１］自聚焦现象是非线性光学中最常见的物理现象之一，在非线性Ｋｅｒｒ介质中传输的激光当功率超过介质的自聚焦临界功率，非线性作用强于衍射效应时，光束将发生自聚焦现象。而与全光束自聚焦不同的是，对于光束较宽且其功率远超过自聚焦临界功

3、率的高功率激光而言，小尺度自聚焦才是使光束质量下降和导致激光［２５］介质破坏的主要因素。这是因为叠加在光束本底上的小尺度调制很可能随传输距离而呈指数增长，最终将整个光束分裂成许多根强度非常高的细丝，这种过程有时也叫做光束分裂成丝。ＢＴ理论为小尺度自聚焦现［６］［７９］象给出了一个非常清晰的物理解释。２０世纪６０年代末到７０年代初的几个早期的实验研究，很好地验证了ＢＴ理论。然而，基于单平面波假设的ＢＴ理论给出的是一个不完善的物理图像。如果综合考虑实际光束（高斯光束或超高斯光束），超短脉冲（飞秒）和饱和非线性效应等因素

4、，在这种情况下，线性分析理论将很难得到与实验相一致的理论结果。例如，高斯光束由于其空间强度分布的特殊性在非线性介质中传输时，很容易塌陷成汤斯形，比较平滑干净的高斯光束在功率高至１００犘时仍然趋向于整体自聚焦而非小尺度自聚（犘为ｃｒｃｒ［１０］介质的临界功率）；而超高斯光束在相似的噪声程度下，当功率达到相对较低的１０犘时就很容易分裂形成ｃｒ环状的多丝结构；在超短脉冲情况下，群速度色散将迅速导致脉冲峰值强度的下降，这将延缓多丝的形成甚至避免分裂成丝。此外，小尺度光束自聚焦的矢量效应、超连续谱的产生与自聚焦的关系以及紫外波段的自聚

5、焦［１１１４］现象的研究拓展了自聚焦现象的研究领域和应用前景。本文从实验和数值模拟两方面研究了具有一定带宽的１维正弦调制高斯光束的调制增长规律。得到了与平面波近似条件下的线性分析理论类似的小尺度增益谱图。１实验分析为了从实验上考察１维干涉强度调制的增长规律，我们搭建了如图１所示的实验装置，其中，Ａ１，Ａ２为中性密度可调衰减片；Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４为银镜；ＢＳ１，ＢＳ２为分光镜；ＣＣＤ为Ｃｏｈｅｒｅｎｔ公司的ＬａｓｅｒＣａｍＨＲＴＭＢｅａｍｖｉｅｗ，其解析点阵为１２８０×１０２４，分辨力为６．７μｍ×６．７μｍ。实验用

6、的激光光源为Ｃｏｈｅｒｅｎｔ公司生产的商用钛宝石再生放大激光系统，其输出中心波长为８００ｎｍ，带度约为１２ｎｍ，束宽约为６ｍｍ的高斯光束。实验参数选取的脉冲宽度（ＦＷＨＭ）为１５０ｆｓ，重复频率为１ｋＨｚ。如图所示，，首先，我们利用Ａ１来控制进入非线性介质（长度为５ｃｍ装满ＣＳ２介质的玻璃管）光束功率的大小，然后ＢＳ１将入射光分成两束，其中透射部分为８５％的主光束，两束光分别经过Ｍ１，Ｍ２和Ｍ３，Ｍ４的反射经过ＢＳ２重新叠加在一起，其中Ｍ１，Ｍ２安装在微调平移台上，其作用是调整两束激光的光程以确保两束激光在ＢＳ２之后形成１维

7、干涉调制场；而调制频率由ＢＳ２来控制，ＢＳ２装在旋转台上，通过旋转台调节ＢＳ２的角度来控制两束激光的夹角来实现不同的调制频率；在ＣＣＤ与ＢＳ２之间的是一根装满ＣＳ介质密封的玻璃管，在本２实验中作为非线性介质的玻璃管相当于弱强度调制的放大器，使原本较弱的１维干涉调制经过非线性介质之收稿日期：２００９１１１９；修订日期：２０１００３１１作者简介：邓剑钦（１９８３—），男，博士研究生，主要从事宽带光束传输和放大的实验方面的研究工作；ｄ＿ｊ＿ｑ＿００１＠１６３．ｃｏｍ。１７１０强激光与粒子束第２２卷Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔ

8、ｉｃｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ图１实验装置示意图后获得增长；Ａ１是为了保护ＣＣＤ而放置的可调衰减片，用来控制ＣＣＤ成像的入射功率。图２是ＣＣＤ在同一位置且在相同衰减情况下ＢＳ２与ＣＣＤ之间没有非线性介质和有非线性介质时的ＣＣＤ成像样图。比较图２可以看出，ＣＳ２介质对