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强激光非线性热像效应研究

王友文  
【摘要】: 高强度激光通过非线性介质时,因受上游光学元件上的污点或缺陷等模糊斑调制,在下游会导致非线性热像的形成,热像强度可能达到光学元件的损伤阀值,从而造成元件的损坏。系统研究强激光非线性热像效应,研究结果对提高高功率激光系统的光束质量和安全运行性能有重要的理论意义和实际应用价值。取得的创新性结果如下: 1.以往的热像理论都将光束看作是无限宽的平面波,而且基于薄介质近似,而实际光束的宽度总是有限的,介质也有一定的厚度,因此,结合实际情况重新考察基于理想情况的热像理论对实际工作有指导意义。我们以高斯光束为例,研究了有限空间宽度的光束通过薄自聚焦介质的热像效应,揭示了热像位置和光强与光束宽度之间的关系,给出了用平面波近似处理有限束宽光束热像问题的条件。此外,理论研究了光束通过厚介质的热像特性,得到了有、无增益和损耗厚介质热像光强表达式,给出了薄介质近似的适用条件,发现产生最强热像因而最具破坏威胁的模糊斑尺寸基本上与由小尺度自聚焦理论决定的最快增长小尺度调制尺寸相同。 2.理论和数值模拟研究了非线性介质级联排布系统中的热像形成的规律,对热像在级联排布介质序列中奇特的元件损坏特征给出了合理的解释,并给出了热像随介质参数、系统布局等的变化关系。单个模糊斑在级联克尔介质中可引起多个热像形成,一般来说,介质片数越多,热像个数越多,而热像的具体数量则由介质数量及模糊斑到第一片非线性介质的距离与介质间间距比较共同决定。随着每片介质引入的B积分的增加,热像光强增强,而随着相邻介质间间距的增加,热像光强单调减小;当输入光强给定时,随介质厚度的增加,B积分增加,热像强度单调增加,而若介质引入的B积分给定,则随着介质厚度的增加,由于调制增长截止频率随介质厚度的增加而减小,热像光强单调减弱。 3.普遍认为热像是小尺度自聚焦的一种特殊形式,而自聚焦效应一般在强激光通过自聚焦介质时才会发生。我们首次发现强激光通过自散焦介质时也会产生热像现象,其原因是自散焦介质非线性热像的形成,类似于实时在线的相位全息成像,非线性自散焦介质起全息记录片的作用。进一步的理论和数值研究表明,合理设置介质参数,能够利用自散焦介质抑制强激光通过非线性自聚焦介质的热像形成。 4.宽带光束是目前高功率固体激光驱动器的发展方向,已有的强激光非线性热像理论都是针对单纵模激光的,我们开展了宽带光束热像的实验研究。对于单片非线性介质,实验上首次发现了二级热像;并且,随着入射光束功率的增加,一、二级热像均逐渐增强并最后达到某饱和光强值,而随着介质厚度的增加,若入射功率一定,则热像不断增强,若B积分一定,则热像的峰均比光强略有减小;随着入射脉冲宽度的增加,若脉冲能量一定,热像光强不断下降,若峰值功率相同,热像则逐渐增强。对于级联非线性介质,证实单个模糊斑可导致多个热像形成,且各个热像随入射功率的增加而增强,随介质间距的增加而减弱。


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