強非線性作用下超短脈沖激光的檢測與控制機理研究.pdf

1、當入射激光光強不大時，激光在非線性傳輸過程中將不會導致物質(zhì)的相關特性發(fā)生明顯的改變；當激光強度達到一定的量級時，激光在非線性傳輸過程中將會導致物質(zhì)的相關狀態(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特性?；诒闷痔綔y技術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)展出光束的實時時空控制技術，對高功率超快激光和激光材料方面的發(fā)展和應用具有很大的實際意義。本文詳細研究了強非線性作用下超短脈沖激光的檢

2、測與控制相關問題，獲得如下主要成果：
　　第一，利用泵浦探測技術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，并在此基礎上提出了一種改進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)律進行了測量。研究結果表明，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，空間強度增長的不一致導致了其時間

3、脈寬出現(xiàn)不同的變化趨勢。在時空耦合效應的作用下，調(diào)制峰位置空間強度的增長將會導致其脈寬壓縮；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，這導致了其脈寬被擴展。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驗方案中的狹縫來改進了實驗裝置，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。同時應用此改進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度最

4、快增長區(qū)的時間演變，研究結果表明，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，此改進型方法可以便利且有效地用來對超短脈沖進行實時監(jiān)控及評價。
　　第二，實現(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現(xiàn)了空間光調(diào)制。
　　當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。我們實驗觀測到了由飛秒脈沖在二硫化碳中傳輸時誘導產(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，得到了等離子體通道的壽命高達400 us。實驗結果表明，改變泵浦光束的空間強度分布可以便利地控制形成的等離子體通道的形狀，基于該實驗系統(tǒng)可以對它的形狀變化進行動態(tài)監(jiān)控。另外，基于泵浦光束在 CS2中誘導產(chǎn)生的等離子體通道，實驗展示了等離

6、子體通道對探測光束空間光調(diào)制的實現(xiàn)。實驗結果表明，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來產(chǎn)生環(huán)形光束的新方法，并首次發(fā)現(xiàn)了拓撲絕緣體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鑷子、定向冷卻原子、超熒光顯微鏡等。當激光脈沖在非線性介質(zhì)中傳輸時，具有

7、高斯型強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，這將導致環(huán)形光束的形成。實驗結果表明，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、進行了理論驗證，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)學的拓撲絕緣體 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具有極大的光學非線性以及擁有獨特的表面態(tài)特性，導致它更加適合用來產(chǎn)生環(huán)形光束。實驗結果表明，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