強激光自聚焦成絲數(shù)值與理論研究.pdf

1、激光在空氣中成絲的研究已經(jīng)20多年，自從20世紀90年代中期A.Braun首次發(fā)現(xiàn)激光在空氣中傳輸?shù)某山z現(xiàn)象。由于其很高的潛在應(yīng)用價值，科學(xué)界對此給予了高度熱情和關(guān)注，相關(guān)的理論和實驗研究層出不窮。本論文致力于對飛秒強激光在空氣中傳輸?shù)睦碚撗芯?，具體如下。
　　用兩種方法實現(xiàn)了仿真強激光在空氣中傳輸?shù)牟⑿谐绦?。對高斯脈沖在透明介質(zhì)中非線性傳輸?shù)哪芰鬟M行了理論分析。得到了可以替代現(xiàn)在仍在廣泛使用的Marburger公式的更加通用的自

2、聚焦焦距公式。對高階克爾模型和克爾等離子體模型進行了研究對比。
　　(1)使用兩種技術(shù)(OpenMP和POSIX)編寫了并行運行在多核計算機上的，數(shù)值求解強激光在透明介質(zhì)中傳輸?shù)?，在徑向使用Crank-Nicholson差分格式在時間上傅里葉變換求解的分步方法。此并行方法運行在多核服務(wù)器上的加速比隨著線程的增加近乎線性。對于POSIX技術(shù)實現(xiàn)的并行程序，在24核服務(wù)器上加速效率可以達到90％以上。此并行方法在仿真強激光長距離傳輸（

3、比如百米到千米量級傳輸）上具有應(yīng)用前景。
　　(2)能流密度的分析是分析強激光在空氣中非線性傳輸?shù)囊粋€典型方法。在忽略群速度色散效應(yīng)的情況下得到了高斯脈沖在透明介質(zhì)中傳輸?shù)慕颇芰餮莼健４四芰餮莼皆趥鬏斁嚯x小時與數(shù)值仿真吻合。在傳輸初始階段，能流與傳輸距離近乎成正比關(guān)系。通過能流公式，得到了克爾效應(yīng)部分戰(zhàn)勝衍射的臨界功率，當(dāng)初始峰值功率大于此臨界功率時，光強會產(chǎn)生增長的現(xiàn)象。通過能流，還得到了光強隨傳輸演化的漸近線。在光束

4、徑向存在能流轉(zhuǎn)換點，在能流轉(zhuǎn)換點外能量向外流，在能流轉(zhuǎn)換點內(nèi)能量向內(nèi)聚焦。對于等相位高斯脈沖來說，不存在一個使得所有能量都向內(nèi)聚焦的能量閾值。近似得到了光束非線性傳輸中能量衍射損耗（在徑向轉(zhuǎn)換點不變的假設(shè)下）。
　　(3)自聚焦焦距是強激光在透明介質(zhì)中傳輸?shù)囊粋€很重要的參數(shù)。當(dāng)初始光束峰值功率大于光絲生成臨界功率時，自聚焦焦距代表光絲的初始位置。結(jié)合群速度色散長度和Marburger公式，得到一個新的半經(jīng)驗公式。此公式可以預(yù)測自聚

5、焦焦距的大小，無論群速度色散作用的強弱。通過模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)存在一個功率閾值，在此閾值下自聚焦焦距為最大值。
　　(4)以線性傳輸模型為對比研究了不同初始能量的環(huán)形光束在空氣中的非線性傳輸。結(jié)果顯示，在傳輸初始階段，非線性克爾效應(yīng)減弱了線性空間啁啾導(dǎo)致的聚焦作用。線性聚焦使能量向光軸方向流動導(dǎo)致強光強光束核心，在光軸附近形成類高斯脈沖結(jié)構(gòu)，增強了非線性自聚焦效應(yīng)，導(dǎo)致光強急劇增加形成光絲。環(huán)形光束的初始能量大小能夠影響自聚焦焦距、光

6、絲長度和光強通量。自聚焦焦距隨著初始脈沖能量的增加而減小，但自聚焦焦距與初始功率的開方不成反比（這點與高斯脈沖不同）。光絲長度隨著初始脈沖能量的增加而增加。軸上光強通量隨初始脈沖能量的增加而增加。
　　(5)用數(shù)值方法研究了各階克爾非線性折射系數(shù)對強激光傳輸?shù)挠绊?，結(jié)果顯示第7階克爾非線性系數(shù)和第9階克爾非線性系數(shù)協(xié)同影響激光傳輸，當(dāng)?shù)?階克爾效應(yīng)起作用時，忽略第9階克爾效應(yīng)的作用會導(dǎo)致光強隨傳輸距離劇烈震蕩，傳輸非常不穩(wěn)定。要得

7、到穩(wěn)定傳輸需要第7階克爾非線性系數(shù)和第9階克爾非線性系數(shù)同時起作用或同時不起作用。在自聚焦階段第3階非線性折射率對折射率改變起主要作用，在穩(wěn)定光絲階段第7階克爾系數(shù)，第9階克爾系數(shù)起主要作用。第5階克爾系數(shù)在整個傳輸過程中對折射率的改變一直比較小。
　　(6)研究了超短強激光脈沖在空氣中傳輸?shù)闹芷?。因為Loriot等測量的高階克爾系數(shù)的爭議性，采用兩種模型仿真，高階克爾模型和克爾等離子體模型（克爾等離子體模型不包含高階克爾效應(yīng)）。