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近年来,超短脉冲激光在大气等介质中传输所引起的成丝(Filamentation)及有关现象受到了国内外相关领域研究者的广泛关注,并逐渐形成了一个较为活跃的研究分支。值得说明的是,在逐步发现、理解其中内在的物理现象,并给出相应合理的机理分析与解释的同时,研究的主要目的之一是如何应用上述现象。
超短脉冲激光在大气中传输时,由于存在高阶非线性效应,导致介质折射率的改变,从而对激光束在大气中的传输特性产生了较大影响。目前针对超短激光脉冲在大气中传输特性,开展了如下的探索性、面向应用的研究工作,诸如光脉冲压缩、大气污染检测、人工引雷放电、激光等离子体天线以及高次谐波的产生等等。其中超强飞秒激光脉冲在空气中传输所形成的等离子体通道不仅开辟了激光传输特性研究的新方向,也发现了其在工业、军事等领域中应用的潜力。但在某些应用领域,等离子体通道(光丝)的分裂特性使其应用受到了一定限制,且上述研究中的绝大部分工作都没有考虑到大气参数变化的因素(这里主要是指湍流)所带来的影响,这主要是由于湍流效应在理论分析与实验验证条件等方面存在的困难所造成的。
本硕士论文主要围绕以下两方面内容开展了探索性研究工作:
1)对大气湍流现象的模拟;
2)超短激光脉冲在大气中传输成丝的控制方法及大气湍流对其产生的影响等。
本论文工作初步获得了如下的阶段性研究结果:
1)提出了一种基于光寻址液晶空间光调制器的(大气)湍流模拟装置。其构成沿写入光方向依次是偏振片、TFT(Thin Film Transistor,薄膜场效应晶体管)液晶屏、薄透镜、光寻址液晶空间光调制器和分光片,读出光是由分光片入射的,分光片与读出光光束成45°,计算机经驱动模块与TFT液晶屏相连,其中偏振片、TFT液晶屏、驱动模块、计算机、薄透镜构成了写入光装置。该装置工作过程为:首先由湍流模拟软件计算出相位屏参数,该参数通过计算机控制的驱动模块加载至TFT液晶屏。从一侧入射的写入光通过TFT液晶屏,由薄透镜成像在基于光寻址的液晶空间光调制器的光敏层上,借助于光敏层电阻随光强增大而减小的特性,从而实现动态调节液晶分子排列,并写入相位信息,最后由另一侧入射的读出光读出此相位信息。上述湍流模拟装置不仅具有普通电寻址液晶湍流模拟装置的可动态调节、成本低等优点,而且也克服了其分辨率限制、开口率较低等问题,同时也具有真实湍流的折射率连续分布等特点。
2)提出了一种可实现的利用漩涡孤子结构控制光丝传输的方法。即通过采用四束位相差为π/2且在空间上成环状的高斯脉冲,并利用其漩涡孤子特性来控制光丝传输。初步计算结果表明,四束高斯脉冲之间的相互耦合与作用,使其传输时能够发生能量的旋转传递,而且能把光丝的分裂结构限制在一个环形光场内,同时这个效应随着光场能量的提高而减弱,随着脉冲之间的距离减小而增强。上述现象同已有的虚构漩涡孤子的传输特性有所不同,主要是我们采用了普通高斯脉冲入射的结构,该结构能较好地限制光丝的结构及其形成位置,该结果对光丝的传输及其应用研究具有一定的参考意义,也需要进一步开展深入的理论分析及可实现的实验验证。
3)进一步将模拟湍流的多层相位屏方法引入了光丝传输特性的模拟。通过建立超短激光脉冲在湍流大气中传输的物理模型,给出了针对飞秒激光脉冲在大气中受到不同强度湍流影响的数值模拟结果。即利用分步傅里叶方法求解超短脉冲在大气中传输的非线性薛定谔方程的同时,把模拟湍流大气的多层相位屏法引入超短脉冲的传输,得到了在不同强度湍流大气中的激光光束传输特性。初步计算结果表明:在大气折射率结构常数C2n为10-17的湍流中,开始时光束被湍流形成数个波峰,同无湍流的大气相比,在较短的距离上成丝,然后不断重复以下过程:光丝被湍流的随机效应匀化,直径增大,之后自聚焦效应又将其聚焦,光束直径缩小,在此过程中也不断发生分裂,这说明大气湍流主要还是在光丝结构上有所影响,但对其整个成丝过程的影响不大。在大气折射率结构常数C2n为10-16的湍流中,光束也在初始阶段被湍流形成数个波峰,也在更短的距离上成丝,然后在一定的距离上(约20m左右),我们发现光丝传输存在以下的近似重复过程:光丝被湍流的随机效应匀化,直径变大,同时自聚焦效应的存在使直径聚焦缩小,在此过程中也发生分裂现象,之后大气湍流的随机效应占据优势,光丝尺寸不断增大,能量快速衰减。而在大气折射率结构常数C2n为10-15或更高的湍流中,大气的随机效应已经使得光束无法发生成丝。在计算中,我们采用的脉冲峰值功率为160GW,当激光峰值功率更高时,虽然能够克服较强的湍流而发生成丝现象,但总体情况大致是相近的。