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环形斑激光束在克尔介质中的非线性效应

沈常宇  
【摘要】:本文在理论上针对环形斑激光束,进行横向一维模拟,考虑介质的非线性克尔效应和衍射效应,通过数值求解非线性SchrOdinger方程,详细讨论了环形斑激光束在克尔介质中传输时的非线性效应。 数值计算结果表明,当入射光超过一定的功率时,出现以下现象: 1.单环形斑光束在克尔介质中传输时出现自聚焦效应。介质中出现了多级焦点,并且焦点不是出现在光轴上,而是在离轴的环上。环形斑光束自聚焦的阈值与环半径有关,环半径越小,出现自聚焦的阈值越小;阈值与环半径的变化关系呈现非线性变化。 2.光斑出现横向分裂效应。当单环形斑光束在克尔介质中传输距离为19cm时,出现了第一个自聚焦焦点,焦点横向分布为:中心是一个很亮的爱里斑,在爱里斑附近出现了衍射环,衍射环的强度比爱里斑的中心强度小得多。继续向前传输时,分裂程度逐渐加强,在51cm处,分裂达到最大,在此位置之后,分裂又逐渐减小,最后在第二个自聚焦焦点处达到最小。 3.单环形斑光束在克尔介质中传输时出现光分束现象。 1)对入射光强度为250kw/cm’,环半径为2mm,半宽度为0.1mm的光束,在第二个焦点处开始出现光分束,原光束一分为二,其中一束沿原方向传输,另一束光偏向轴心,分束后沿原方向传输的光束成为丝状聚焦,而分束光强度虽然振荡变化,但无自聚焦效应。 2)光分束对入射光强度存在一个阈值,光分束阈值与半宽度有关;对相同的环半径,半宽度大的光束,光分束的强度阈值大。光分束的方式、分裂程度与入射光强度有关。入射光强度较小时,光束一分为二,其中一束沿原方向传输,另一束偏向轴心,二者之间有一定的夹角:入射光强度较大时,光束一分为三,其中一束沿原方向传输,一束偏向轴心,最后一束远离轴心。沿原方向传输的光束均有自聚焦效应,且为丝状聚焦,而分束光均无自聚焦效应。光束分裂均在自聚焦焦点以后产生;但分束光的强度、光束间的夹角、从第几个焦点开始分束,都与入射光强度有关。 3)光分束与自聚焦焦点处强度的横向分布有关。对于不发生光分束的焦点,焦点上光强度横向分布具有对称结构,在中心亮斑周围有次级亮纹,亮纹对称地分布在中央亮斑两侧;而对于发生分束的焦点,其光强度横向分布的对称性 消夫,不仅中央亮斑光强分布没有对称性,而且两侧的次级亮纹光强分介也没有 对称性,在强度较强的分束光偏折方向的异侧次级亮纹较强。 4.分柬光出现互相关效应。分束现象中,原光束一分为二,其中一束沿原 方向传输,另一束光偏向轴心。在一定的位置上,分束后的两束偏折光交迭。在 相交点上,产生了一个光强度很强的互相关光脉冲。当入射光强度不同时,相关 点的位置、相关脉冲的强度、半宽度都不同。入射光强越强,相关点位置越远; 而相关脉冲的强度对入射光强并非单调变化。 5.在双环耦合输人情况下,也产生自聚焦效应,且出现多级焦点。对于外 环;耦合输入情况下,当传输到一定距离时,出现了丝状聚焦,而在单环输入时, 在同样的传输范围内没有丝状聚焦;耦合输入时自聚焦焦斑的尺度小于单环输入 时焦斑的尺度;耦合输入的焦距小于单环输入的焦距;另外,耦合输入自聚焦的 阈值比单环输入的阈值小。而对于内环:耦合输入和单独输入两种情况下,其传 输情况基本相同。 另外,我们对上述数值分析结果进行了初步的实验验证。用一双环形斑激光 束入射到克尔介质CS。中,研究其传输情况。当入射光功率超过一定阈值时,我 们观察到了双环光斑的自聚焦效应、双环的分裂及双环之间的耦合效应;并研究 了自聚焦与入射光强度的关系。


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