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基于光斑分割的光场空间调制及其强场诱导光丝光谱效应

丁良恩  
【摘要】: 超短脉冲激光在在光学介质中传输时,会产生丰富的非线性光学现象:如等离子体通道形成、锥状辐射、频谱展宽、脉冲自压缩等。其中尤其是短波段谐波辐射的伴随产生,不仅为人们提供了向更短波长光谱范围拓展的新手段,宽频谱的谐波辐射的获得也为短波脉冲激光的进一步压缩带来希望。然而,如何获得稳定的宽带紫外波段谐波辐射一直存在着许多尚待解决的困难,而成为其许多潜在利用价值投入应用的障碍。 近几年来,许多科研组织发现通过光场空间调制可以使光丝的稳定性得到控制。许多光场空间调制方法也因此出现,如:设置小孔光阑,利用掩膜、引入相差、使用椭圆光束等,在光丝的控制方面获得了初步成果。利用激光衍射、干涉特性在空间场上产生有规律的强度调制也是一种有效的光场空间调制方法。在高强度的空间调制光场作用下,介质中的分子原子强烈地响应并形成密度周期性重新分布,这一过程也对非线性效应起着微妙的调控作用。本文以此为出发点,研究了当等频且相位恒定的两束高斯型激光脉冲,和同一束超短脉冲激光的不同部分在非线性介质中同步传播时,其交汇处形成的空间调制光场的分布状况,并对调制后的光场对谐波的作用,包括基频光和谐波的谱线展宽状况、光斑稳定性等问题进行了理论和实验上的研究和探讨。论文内容主要包括以下几个方面: 1.等离子通道、三次谐波的产生理论,包括其产生特点、以及伴随光物理效应。理论表明:当入射光在大气中的峰值功率超过5GW时达到自聚焦阈值而产生光丝,同时伴随谐波辐射。 2.理论研究了光束干涉形成的空间调制光场的机理。以普通点光源干涉理论为基础,结合飞秒激光的特点和实际情况进一步延伸;对高斯型双光束干涉现象,和在使用具有一定尺度的环形高斯光束作为光源的情况下,光源上各点在远场自我干涉出现调制现象的进行初步分析。通过计算模拟展现其光场调制后的强度空间分布图像。发现双光束的夹角、以及环状光源宽度变化均会带来空间光场调制状态的改变。 3.在实验中观察到调制光场的空间周期结构,及其对伴随非线性效应的影响。我们将一束大尺度飞秒激光脉冲光束分割成两部分,并用凹面镜将其汇聚,在焦点附近干涉出调制光场。在适当的参数下,对等离子体通道中衍射出的光斑的特性进行研究,发现调制后的基频光光谱,尤其是三次谐波光谱得到了极大展宽——谱宽达到14.8nm,约为不使用调制法的3倍。我们同时发现原本不稳定的三次谐波光斑经光场调制后能量在空间小区域内变得集中,光斑呈现稳定清晰的特征,干涉后形成的调制光场明显提高了谐波信号的质量和稳定性。


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