收藏本站
《西南交通大学》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

强激光自聚焦成丝数值与理论研究

马存良  
【摘要】:激光在空气中成丝的研究已经20多年,自从20世纪90年代中期A.Braun首次发现激光在空气中传输的成丝现象。由于其很高的潜在应用价值,科学界对此给予了高度热情和关注,相关的理论和实验研究层出不穷。本论文致力于对飞秒强激光在空气中传输的理论研究,具体如下。用两种方法实现了仿真强激光在空气中传输的并行程序。对高斯脉冲在透明介质中非线性传输的能流进行了理论分析。得到了可以替代现在仍在广泛使用的Marburger公式的更加通用的自聚焦焦距公式。对高阶克尔模型和克尔等离子体模型进行了研究对比。(1)使用两种技术(OpenMP和POSIX)编写了并行运行在多核计算机上的,数值求解强激光在透明介质中传输的,在径向使用Crank-Nicholson差分格式在时间上傅里叶变换求解的分步方法。此并行方法运行在多核服务器上的加速比随着线程的增加近乎线性。对于POSIX技术实现的并行程序,在24核服务器上加速效率可以达到90%以上。此并行方法在仿真强激光长距离传输(比如百米到千米量级传输)上具有应用前景。(2)能流密度的分析是分析强激光在空气中非线性传输的一个典型方法。在忽略群速度色散效应的情况下得到了高斯脉冲在透明介质中传输的近似能流演化公式。此能流演化公式在传输距离小时与数值仿真吻合。在传输初始阶段,能流与传输距离近乎成正比关系。通过能流公式,得到了克尔效应部分战胜衍射的临界功率,当初始峰值功率大于此临界功率时,光强会产生增长的现象。通过能流,还得到了光强随传输演化的渐近线。在光束径向存在能流转换点,在能流转换点外能量向外流,在能流转换点内能量向内聚焦。对于等相位高斯脉冲来说,不存在一个使得所有能量都向内聚焦的能量阈值。近似得到了光束非线性传输中能量衍射损耗(在径向转换点不变的假设下)。(3)自聚焦焦距是强激光在透明介质中传输的一个很重要的参数。当初始光束峰值功率大于光丝生成临界功率时,自聚焦焦距代表光丝的初始位置。结合群速度色散长度和Marburger公式,得到一个新的半经验公式。此公式可以预测自聚焦焦距的大小,无论群速度色散作用的强弱。通过模拟结果,发现存在一个功率阈值,在此阈值下自聚焦焦距为最大值。(4)以线性传输模型为对比研究了不同初始能量的环形光束在空气中的非线性传输。结果显示,在传输初始阶段,非线性克尔效应减弱了线性空间啁啾导致的聚焦作用。线性聚焦使能量向光轴方向流动导致强光强光束核心,在光轴附近形成类高斯脉冲结构,增强了非线性自聚焦效应,导致光强急剧增加形成光丝。环形光束的初始能量大小能够影响自聚焦焦距、光丝长度和光强通量。自聚焦焦距随着初始脉冲能量的增加而减小,但自聚焦焦距与初始功率的开方不成反比(这点与高斯脉冲不同)。光丝长度随着初始脉冲能量的增加而增加。轴上光强通量随初始脉冲能量的增加而增加。(5)用数值方法研究了各阶克尔非线性折射系数对强激光传输的影响,结果显示第7阶克尔非线性系数和第9阶克尔非线性系数协同影响激光传输,当第7阶克尔效应起作用时,忽略第9阶克尔效应的作用会导致光强随传输距离剧烈震荡,传输非常不稳定。要得到稳定传输需要第7阶克尔非线性系数和第9阶克尔非线性系数同时起作用或同时不起作用。在自聚焦阶段第3阶非线性折射率对折射率改变起主要作用,在稳定光丝阶段第7阶克尔系数,第9阶克尔系数起主要作用。第5阶克尔系数在整个传输过程中对折射率的改变一直比较小。(6)研究了超短强激光脉冲在空气中传输的周期。因为Loriot等测量的高阶克尔系数的争议性,采用两种模型仿真,高阶克尔模型和克尔等离子体模型(克尔等离子体模型不包含高阶克尔效应)。对两个因素进行了分析,即群速度色散和光束能量。结果显示,群速度色散效应不能简单的忽略,即使脉冲长度为数百飞秒。多光子吸收对光束造成的能量损失很小,不足以影响光丝的长度。另外,提出一种可以区分高阶克尔模型和克尔等离子体模型正确性的概率指标。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN24

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 胡炳儒;自聚焦棒透镜及其应用[J];高速摄影与光子学;1982年02期
2 Ronald I. Miller;Thomas G. Roberts;谢富能;;激光在大气中的自聚焦[J];应用光学;1989年05期
3 唐永林,张小民,景峰,陈建国,李大义;强激光超高斯光束形成的自聚焦环的分裂与抑制[J];光学学报;2001年04期
4 ;关于高功率钕玻璃棒放大器中自聚焦损坏的研究[J];激光与光电子学进展;1974年05期
5 陈彩廷;;瞬态热自聚焦时激光束压缩的动力学[J];激光与光电子学进展;1979年04期
6 王启忠;锥形自聚焦纤维光线追迹计算方法[J];光机技术;1975年02期
7 程科华;玻璃自聚焦板的成像研究[J];物理学报;1981年01期
8 程希望;以干涉截距法测量自聚焦样品的光学参数[J];无机材料学报;1986年03期
9 李育林;董新意;;超细刺入型自聚焦内窥镜的实验研究[J];应用激光;1986年05期
10 徐铁峰,徐至展;双频激光在等离子体中的共振自聚焦[J];光学学报;1987年01期
中国重要会议论文全文数据库 前4条
1 彭志涛;景峰;刘兰琴;张小民;张清泉;;高功率激光束非线性自聚焦效应[A];中国工程物理研究院科技年报(1999)[C];1999年
2 杜丞香;唐波;;双参数估计的改进自聚焦算法[A];第28届中国气象学会年会——S1第四届气象综合探测技术研讨会[C];2011年
3 袁鹏;郑坚;;太瓦激光装置及强激光在大气中的自聚焦实验研究[A];第十五届全国等离子体科学技术会议会议摘要集[C];2011年
4 田继华;路绪光;张玉玺;孙进平;;压缩感知SAR成像自聚焦运动补偿[A];第九届全国信息获取与处理学术会议论文集Ⅰ[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 记者 张晔 实习生 蔡阿芳;我自主研发出自聚焦“超声刀”[N];科技日报;2013年
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 马存良;强激光自聚焦成丝数值与理论研究[D];西南交通大学;2017年
2 蒋锐;合成孔径雷达自聚焦算法研究及其在机载干涉技术中的应用[D];南京航空航天大学;2012年
3 胡克彬;SAR高精度成像方法研究[D];电子科技大学;2017年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘涛;反向投影穿透成像的自聚焦理论与实验研究[D];国防科学技术大学;2013年
2 王未未;基于光线光学迭代法的强激光非线性自聚焦现象仿真[D];浙江大学;2016年
3 郭江哲;高分辨率机载SAR两维自聚焦处理及FPGA实现[D];南京航空航天大学;2016年
4 刘仁德;基于近场熵的强激光装置光束小尺度自聚焦评价研究[D];中国工程物理研究院;2016年
5 宋晓骥;表层穿透雷达精细成像技术研究[D];国防科学技术大学;2014年
6 冯则胡;宽带激光小尺度自聚焦的实验研究[D];湖南大学;2008年
7 王越;合成孔径雷达自聚焦算法研究[D];南京航空航天大学;2006年
8 马磊;合成孔径雷达自聚焦算法的研究[D];上海交通大学;2008年
9 朱静;宽带脉冲光束传输及其小尺度自聚焦性质研究[D];华南师范大学;2005年
10 马仑;SAR成像自聚焦算法研究[D];西安电子科技大学;2006年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026