飛秒脈沖激光1 維強(qiáng)度調(diào)制的傳輸特性

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1、第２２卷第８期強(qiáng)激光與粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．８２０１０年８月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＡｕｇ．，２０１０文章編號(hào)：１００１４３２２（２０１０）０８１７０９０４飛秒脈沖激光１維強(qiáng)度調(diào)制的傳輸特性鄧劍欽，王友文，章禮富，張進(jìn)，文雙春（湖南大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，微納光電器件及應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙４１００８２）摘要：實(shí)驗(yàn)研究了飛秒激光干涉條紋在ＣＳ２介質(zhì)中傳輸?shù)脑鲩L(zhǎng)率與條紋間隔以及增長(zhǎng)率與中心峰值強(qiáng)度的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在非線性介質(zhì)中傳輸?shù)模本S干涉調(diào)制特別是當(dāng)其調(diào)制頻率位于中心光強(qiáng)對(duì)

2、應(yīng)的最快增長(zhǎng)頻率附近時(shí)，隨著傳輸距離的增加調(diào)制場(chǎng)迅速獲得增長(zhǎng)，將高斯光束分裂成多根峰值強(qiáng)度很高的帶狀細(xì)絲。相應(yīng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。關(guān)鍵詞：自聚焦；飛秒激光；光成絲；調(diào)制不穩(wěn)定性中圖分類號(hào)：Ｏ５３２；Ｏ４３６．１文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２０８．１７０９［１］自聚焦現(xiàn)象是非線性光學(xué)中最常見(jiàn)的物理現(xiàn)象之一，在非線性Ｋｅｒｒ介質(zhì)中傳輸?shù)募す猱?dāng)功率超過(guò)介質(zhì)的自聚焦臨界功率，非線性作用強(qiáng)于衍射效應(yīng)時(shí)，光束將發(fā)生自聚焦現(xiàn)象。而與全光束自聚焦不同的是，對(duì)于光束較寬且其功率遠(yuǎn)超過(guò)自聚焦臨界功

3、率的高功率激光而言，小尺度自聚焦才是使光束質(zhì)量下降和導(dǎo)致激光［２５］介質(zhì)破壞的主要因素。這是因?yàn)榀B加在光束本底上的小尺度調(diào)制很可能隨傳輸距離而呈指數(shù)增長(zhǎng)，最終將整個(gè)光束分裂成許多根強(qiáng)度非常高的細(xì)絲，這種過(guò)程有時(shí)也叫做光束分裂成絲。ＢＴ理論為小尺度自聚焦現(xiàn)［６］［７９］象給出了一個(gè)非常清晰的物理解釋。２０世紀(jì)６０年代末到７０年代初的幾個(gè)早期的實(shí)驗(yàn)研究，很好地驗(yàn)證了ＢＴ理論。然而，基于單平面波假設(shè)的ＢＴ理論給出的是一個(gè)不完善的物理圖像。如果綜合考慮實(shí)際光束（高斯光束或超高斯光束），超短脈沖（飛秒）和飽和非線性效應(yīng)等因素

4、，在這種情況下，線性分析理論將很難得到與實(shí)驗(yàn)相一致的理論結(jié)果。例如，高斯光束由于其空間強(qiáng)度分布的特殊性在非線性介質(zhì)中傳輸時(shí)，很容易塌陷成湯斯形，比較平滑干凈的高斯光束在功率高至１００犘時(shí)仍然趨向于整體自聚焦而非小尺度自聚（犘為ｃｒｃｒ［１０］介質(zhì)的臨界功率）；而超高斯光束在相似的噪聲程度下，當(dāng)功率達(dá)到相對(duì)較低的１０犘時(shí)就很容易分裂形成ｃｒ環(huán)狀的多絲結(jié)構(gòu)；在超短脈沖情況下，群速度色散將迅速導(dǎo)致脈沖峰值強(qiáng)度的下降，這將延緩多絲的形成甚至避免分裂成絲。此外，小尺度光束自聚焦的矢量效應(yīng)、超連續(xù)譜的產(chǎn)生與自聚焦的關(guān)系以及紫外波段的自聚

5、焦［１１１４］現(xiàn)象的研究拓展了自聚焦現(xiàn)象的研究領(lǐng)域和應(yīng)用前景。本文從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面研究了具有一定帶寬的１維正弦調(diào)制高斯光束的調(diào)制增長(zhǎng)規(guī)律。得到了與平面波近似條件下的線性分析理論類似的小尺度增益譜圖。１實(shí)驗(yàn)分析為了從實(shí)驗(yàn)上考察１維干涉強(qiáng)度調(diào)制的增長(zhǎng)規(guī)律，我們搭建了如圖１所示的實(shí)驗(yàn)裝置，其中，Ａ１，Ａ２為中性密度可調(diào)衰減片；Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４為銀鏡；ＢＳ１，ＢＳ２為分光鏡；ＣＣＤ為Ｃｏｈｅｒｅｎｔ公司的ＬａｓｅｒＣａｍＨＲＴＭＢｅａｍｖｉｅｗ，其解析點(diǎn)陣為１２８０×１０２４，分辨力為６．７μｍ×６．７μｍ。實(shí)驗(yàn)用

6、的激光光源為Ｃｏｈｅｒｅｎｔ公司生產(chǎn)的商用鈦寶石再生放大激光系統(tǒng)，其輸出中心波長(zhǎng)為８００ｎｍ，帶度約為１２ｎｍ，束寬約為６ｍｍ的高斯光束。實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取的脈沖寬度（ＦＷＨＭ）為１５０ｆｓ，重復(fù)頻率為１ｋＨｚ。如圖所示，，首先，我們利用Ａ１來(lái)控制進(jìn)入非線性介質(zhì)（長(zhǎng)度為５ｃｍ裝滿ＣＳ２介質(zhì)的玻璃管）光束功率的大小，然后ＢＳ１將入射光分成兩束，其中透射部分為８５％的主光束，兩束光分別經(jīng)過(guò)Ｍ１，Ｍ２和Ｍ３，Ｍ４的反射經(jīng)過(guò)ＢＳ２重新疊加在一起，其中Ｍ１，Ｍ２安裝在微調(diào)平移臺(tái)上，其作用是調(diào)整兩束激光的光程以確保兩束激光在ＢＳ２之后形成１維

7、干涉調(diào)制場(chǎng)；而調(diào)制頻率由ＢＳ２來(lái)控制，ＢＳ２裝在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)節(jié)ＢＳ２的角度來(lái)控制兩束激光的夾角來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的調(diào)制頻率；在ＣＣＤ與ＢＳ２之間的是一根裝滿ＣＳ介質(zhì)密封的玻璃管，在本２實(shí)驗(yàn)中作為非線性介質(zhì)的玻璃管相當(dāng)于弱強(qiáng)度調(diào)制的放大器，使原本較弱的１維干涉調(diào)制經(jīng)過(guò)非線性介質(zhì)之收稿日期：２００９１１１９；修訂日期：２０１００３１１作者簡(jiǎn)介：鄧劍欽（１９８３—），男，博士研究生，主要從事寬帶光束傳輸和放大的實(shí)驗(yàn)方面的研究工作；ｄ＿ｊ＿ｑ＿００１＠１６３．ｃｏｍ。１７１０強(qiáng)激光與粒子束第２２卷Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔ

8、ｉｃｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ圖１實(shí)驗(yàn)裝置示意圖后獲得增長(zhǎng)；Ａ１是為了保護(hù)ＣＣＤ而放置的可調(diào)衰減片，用來(lái)控制ＣＣＤ成像的入射功率。圖２是ＣＣＤ在同一位置且在相同衰減情況下ＢＳ２與ＣＣＤ之間沒(méi)有非線性介質(zhì)和有非線性介質(zhì)時(shí)的ＣＣＤ成像樣圖。比較圖２可以看出，ＣＳ２介質(zhì)對(duì)