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飞秒激光成丝现象中多丝控制的研究

作　者: 孙晓东
导　师: 母国光
学　校: 南开大学
专　业: 光学工程
关键词: 飞秒激光成丝多丝控制轴锥镜氮气荧光光谱脉冲压缩轴锥镜阵列
分类号: O431.2
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

飞秒激光成丝是一种独特的非线性光学现象，此现象中飞秒激光脉冲以几乎不变的光斑直径进行无衍射长距离传输，并且传输长度可以超过光束瑞利距离的许多倍。成丝现象一般认为是由于克尔效应所引起的激光光束自聚焦与等离子体所产生的散焦效应之间动态平衡。成丝现象包含丰富的非线性光学过程，例如光强钳制、自相位调制、超连续光谱的产生等。由于其独特的优势，成丝现象具有广泛的应用前景，例如大气污染探测，引雷控制以及微波通道等等。在实际的实验环境中，当入射的激光功率高于自聚焦阈值功率时，经常会观察到多丝的现象。多丝的产生往往是由于脉冲波前不均匀导致的，这种不均匀性主要是来自激光本身的强度横截面分布不均匀，或者因为外部的扰动而造成的。值得注意的是，多丝都会从脉冲的背景能量池吸收能量来完成自身的自聚焦，这也就构成了多丝之间能量竞争的物理现象。多丝竞争的物理机制就是脉冲在传播过程中场能量的重新分布，这导致了多丝的数量和位置都是不可预测的，多丝呈随机性分布，称为“光学湍流”现象。显然，无序的多丝降低了激光光束的光斑质量，影响了光丝的能量分布，限制了飞秒激光成丝在实际中的应用。如何控制多丝成为当前飞秒激光成丝研究的热点问题。多丝控制的目的主要有两种，第一种是抑制多丝的产生，避免多丝之间的能量竞争，提高光丝的鲁棒性，延长光丝的长度。从而满足成丝现象在脉冲压缩和长距离的探测技术等应用。另一种是克服多丝分布的空间无序性，使多丝可以在空间中实现稳定、有序的分布，以满足成丝现象在高精密的微加工以及微波通道领域的应用需求。本文针对多丝控制的新技术展开了一系列创新性研究。本文首先研究了基于望远系统的多丝抑制技术。通过望远系统减小光斑直径大小的实验方法成功地抑制了多丝的产生，产生了一根长度较长而且比较稳定的光丝，实现了多丝抑制的目的。结合391nm和337nm的氮气荧光光谱比值与峰值强度之间的关系式，实验研究了光丝纵向激光强度分布情况。结果表明峰值强度最初保持稳定，随着传播距离的增大，在光丝尾部区域激光强度出现了强烈的增长并伴随着强度尖峰的出现，实验验证了Physical Review Letters在2009年发表的“Intensity Spikes in Laser Filamentation: diagnostics and application”一文中理论预测成丝将产生亚周期脉冲的新现象。随后，本文研究了基于轴锥镜的多丝抑制技术。高斯光束通过轴锥镜聚焦之后会产生贝塞尔光束。由于贝塞尔光束具有无衍射的传输特性，在非线性传输过程中飞秒激光成丝将在轴锥镜的焦深范围内产生一根较长的光丝。实验观测结果中并没有多丝现象的出现，可见利用轴锥镜可以达到多丝抑制的目的。结合氮气荧光光谱信号的测量，本文分析了光丝不同位置峰值强度的变化，发现了脉冲压缩的现象。在此基础上，本文研究了基于轴锥镜的多丝空间分布控制技术，研究结果表明，当激光的脉冲能量高于自聚焦阈值功率的许多倍（P>500Pcr）时，利用轴锥镜可以产生多丝，并且多丝规律地分布在线性传输时轴锥镜产生的贝塞尔中心光斑和各级次圆环峰值强度所对应位置上。实验发现利用轴锥镜可以有效地抑制“光学湍流”现象，不但多丝长度得到延长，而且多丝在空间中呈规律地排布。本文相应的数值模拟计算揭示了入射光强度圆柱对称性的破坏将导致激光经过轴锥镜聚焦后多丝现象的产生。论文最后研究了空气中基于轴锥镜阵列的多丝控制技术。理论研究表明，当入射功率远远大于自聚焦阈值功率时，由于飞秒激光经过轴锥镜聚焦后，产生光丝周围的背景能量池面积要大于没有轴锥镜作用时光丝的背景能量池面积。因此，利用轴锥镜在空气中不易实现多丝控制的空间分布。在此基础上本文提出了基于轴锥镜阵列在空气中的多丝控制技术。理论研究结果表明，合理控制相邻轴锥镜之间的距离，可以实现控制多丝之间的距离，避免多丝之间的能量竞争，并使多丝按照预想的空间图样排布，光丝的长度得到延长，达到了多丝控制的研究目的。此外，基于激光直写技术和电感耦合等离子刻蚀技术，论文简要阐述了制作轴锥镜阵列结构的加工工艺。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-31
  第一节飞秒激光成丝现象简介  12-13
  第二节飞秒激光成丝现象的物理机制简介  13-24
    1.2.1 激光自聚焦效应  13-15
    1.2.2 等离子体散焦效应  15-17
    1.2.3 成丝的基本物理模型  17-19
    1.2.4 超连续谱的产生（白光激光）  19-21
    1.2.5 背景能量池的重要性  21-22
    1.2.6 多丝以及多丝竞争  22-24
  第三节飞秒激光成丝现象应用简介  24-27
  第四节本文的研究目的和研究内容  27-31
    1.4.1 本文的研究目的和研究背景  27-29
    1.4.2 本文的主要内容及创新点  29-31
第二章成丝非线性动力学理论模型及数值模拟方法  31-45
  第一节描述非线性传输的波动方程  31-35
  第二节数值模拟方法  35-43
    2.2.1 Crank-Nicolson 方法求解偏微分空间域数值解  36-41
    2.2.2 分步傅里叶算法求解偏微分方程的时间域数值解  41-43
  第三节小结  43-45
第三章基于望远镜系统的多丝抑制实验研究  45-56
  第一节概述  45
  第二节基于望远系统的多丝抑制实验研究  45-54
    2.2.1 实验装置  45-46
    2.2.2 光丝激光强度测量方法简介  46-50
    2.2.3 实验结果分析  50-54
  第三节小结  54-56
第四章基于轴锥镜的多丝抑制实验研究  56-72
  第一节轴锥镜的无衍射传输特性  56-63
    4.1.1 轴锥镜简介  56-59
    4.1.2 光束经过轴锥镜聚焦的衍射理论  59-63
  第二节基于轴锥镜的多丝抑制实验研究  63-71
  第三节小结  71-72
第五章基于轴锥镜的多丝控制研究  72-82
  第一节基于轴锥镜实现多丝空间有序分布实验研究  72-78
  第二节利用轴锥镜控制多丝的理论研究  78-81
  第三节小结  81-82
第六章基于轴锥镜阵列的多丝控制理论研究  82-102
  第一节概述  82-83
  第二节空气中利用轴锥镜控制多丝空间分布的理论研究  83-93
  第三节在空气中基于轴锥镜阵列控制多丝的理论研究  93-95
  第四节轴锥镜阵列的制作工艺  95-100
    6.4.1 光刻胶上的轴锥镜阵列  95-97
    6.4.2 电感耦合等离子体刻蚀技术  97-100
  第五节小结  100-102
第七章总结与展望  102-105
  第一节论文主要内容总结  102-104
  第二节展望  104-105
项目资助  105-106
参考文献  106-116
致谢  116-117
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  117-118

飞秒激光成丝现象中多丝控制的研究

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