烧孔效应的研究与应用.doc

烧孔效应的研究与应用 余伟亚 （通信与信息工程学院 电子科学与技术 陕西 西安 710068） 摘要：光学烧孔效应是六十年代以来人们就开始大量研究的一类物理现象。光学烧孔理论在光谱分析和光学存储方面均有着重要的应用。目前，人们还在不断深入研究各种新的材料和介质的光学烧孔现象，并取得了许多成就。由于光通讯的飞速发展以及光存储在其中的重要地位，所以人们正在投入更多的精力在这一研究方向上开展工作。超强激光的等离子体烧孔效应，Rb原子相干烧孔效应的实验研究，用增益钳制法观察烧孔效应，基于多模光纤偏振烧孔效应的双波长掺铒光纤激光器等很多的研究。 关键词：烧孔效应 等离子体烧孔效应 用增益钳制法观察烧孔效应 双波长掺铒光纤激光器 引言 人们对光学烧孔效应的研究始于上世纪60年代初。当一束强的单频激光}s通过一非均加宽介质时，它可以选择性地将一群与共振频率相对应的原子激发至饱和状态，这时若有另一束频率扫描的弱探测光勿*通过该介质，则在它的吸收光谱的相应位置上将出现一个凹陷，这就是所谓光学烧孔，通常也称兰姆凹陷。在图1-5中，虚线对应于饱和场不存在时的粒子数分布，实线则对应于饱和场存在时的粒子数分布。图1-6给出了传统烧孔效应的能级图。可见，饱和场将一群特殊原子选择性地由基态…1)激发到了激发态…2) o基于光学烧孔效应的消多普勒的饱和光谱技术使得人们能够在多普勒加宽的介质中分辨出原子的精细能级、超精细能级以及分子的转动能级。如果非均匀加宽介质的吸收谱线足够宽，而饱和光和探测光的线宽足够窄，那么在该介质的一个非均匀加宽的谱线内就可以烧出大量的孔。在一些特定的介质中，这些烧孔可以永久保留或随时擦去，从而使光学烧孔在光学存储中具有重要的价值。 一、超强激光的等离子体烧孔效应 超强激光的等离子体烧孔效应重点是激光的渗透及渗透区的等离了体密度分布。当l}z 10‘8 W(um)Z/cmz(l, }为激光强度与波长)时，等离了体 中的电了在激光驱动下的振荡具有明显相对论特征。目前用于实验的激光强度已达到I }Z一 10‘9 W (um) Z/ cmz量级，并可望在近期达到I }Z一10z} W (um) Z/ cmz，而快速点火方案所需的 点火激光正是这种超强激光。因而有必要针对超强激光进一步研究等离了体烧孔效应。在文献[ 4]中，最早提出烧孔效应的W ilk、指出:在超强激光打靶中，湘当一部分能量以驱动向 等离了体内传播的激波的形式被离了吸收”。本文将结合烧孔效应对这种新的激光吸收机制 作定量研究。 当脉宽为T的平顶激光脉冲(flat}opped laser pulse)垂直辐照到固体平面靶，立即在靶 内形成一个热波，其温度轮廓及时问发展可由Rosen提出的白相似解[5] T(x，t)=T(o, t)[1一x/L( t)]2/ 5(1) 描述，其中L( t)=Ott/9(cm), T(0,，)=尽z/ 9 ( keV ) ( 2) 为热波穿透深度及靶面温度，它们都随时问增大，(2)式中的常数。=1. 8 X 105Z-(1广lnf In厂)9，乃=4( 1z In !1/ n f)嗜 其中，I。为被吸收的激光能流以w cm_zW cm为单位，no为靶离了密度以cm_3cm为单位，f描写电 离过程取为2, In !1= 5。由(1)式出发可以求出热波向靶内传播速度 dl/ dt=0. 78at- z/9(〔m / a}(3) 在激光辐照的初始阶段，热波传播速度远大于离了声速 、=1. 5 X 10厅t9(〔m / a}(4) 激光生成等离了体可视为静止不动的。随着被加热的物质增多，热波的传播变慢，而离了声 速则随时问递增，直至t = to时热波传播速度降至声速量级，等离了体开始流动。由(1)一 ( 4)式可求出 ，。=1 X 1023 ( I,}/ In !1n犷2Z3\(s ec)(5) 时，等离了体中出现激波并迅速达到稳态。此后，激波取代热波成为主导机制。在激光光压超过等离了体热压时，激光压迫等离了体沿着光压梯度向内流动并直接驱动的激波，这就是所谓等离了体烧孔效应。在实验中，临界点附近的等离了体流动速度及方向可以由反射光的多普勒频移测定。 二、用增益钳制法观察烧孔效应 在玻璃基质中，由于玻璃结构的无序性，各个激活离了处于不等价的配位场中的格点上，不同格点上饵离了的吸收和发射谱线的线形、中心频率等都是随机变化的，从而引起了谱线的非均匀加宽。在EDFA掺饵光纤放大器中，由于非均匀加宽作用，饱和信号光除了消耗公共的上能级粒了(