飞秒涡旋光束自聚焦临界功率的焦斑法测量研究.pdfVIP

目录

摘要I

AbstractIII

第一章绪论1

1.1引言1

1.2飞秒激光成丝现象简介2

1.2.1自聚焦效应2

1.2.2自散焦效应2

1.2.3自相位调制3

1.2.4自陡峭效应3

1.2.5钳制光强3

1.3成丝的物理模型4

1.3.1自导引模型4

1.3.2移动焦点模型4

1.3.2空间动态补偿模型5

1.4飞秒激光成丝现象应用5

1.4.1大气遥感6

1.4.2人工干预天气8

1.4.3太赫兹辐射10

1.4.4飞秒激光超精细加工10

第二章焦斑法测量飞秒高斯和涡旋光束的自聚焦临界功率13

2.1自聚焦临界功率的测量方法13

2.2实验装置16

2.3实验结果讨论16

2.4本章小结20

第三章径向和角向偏振光光谱法阈值测量的研究21

3.1径向、角向偏振光成丝阈值及方法建立21

3.2实验装置22

3.3实验结果讨论23

3.4本章小结26

第四章总结及展望29

4.1工作总结29

4.2论文创新点30

4.3工作展望30

参考文献33

附录攻读硕士学位期间发表的论文、参加会议及获奖情况43

致谢45

摘要

自1995年以来，超短激光脉冲在空气中成丝现象备受关注，在大气遥感、人工干预天

气、太赫兹辐射、飞秒激光加工等领域具有广泛的应用前景。这种现象的产生是由多种非

线性作用共同作用的结果。高功率飞秒激光脉冲在光学介质中传输时，由于自聚焦效应而

导致功率密度增大，进而引起多光子电离，最终形成飞秒“成丝”现象。在这个过程中，

自聚焦临界功率是一个至关重要的物理参数，用它可以预判飞秒激光成丝现象的产生与否

以及成丝数目、演化等过程。但是，飞秒涡旋光束的自聚焦临界功率的定量研究实验都较

为复杂，目前的研究手段极其缺乏，迫切需要发展新的测量手段。因此，本论文提出了激

光焦斑面积测量方法研究飞秒涡旋光束的自聚焦临界功率，获得了飞秒高斯激光和低阶涡

旋激光在空气中的自聚焦临界功率，并进一步运用光谱扫描法测量了柱矢量飞秒激光在熔

融石英中的自聚焦阈值。

本文的研究内容主要分为两个部分。论文首先综述了飞秒激光成丝的发展历程和应用，

以及自聚焦临界功率的测量方法，提出并简单介绍了用焦斑法测量自聚焦临界功率的方法

以及其优点和创新性，然后重点研究了使用这一简便方法（焦斑法）测量飞秒高斯光束及

飞秒低阶（1、2阶）涡旋光束的自聚焦临界功率。此外，用光谱扫描法研究了径向偏振光

和角向偏振光的自聚焦临界功率及成丝的阈值功率。最后，本文对研究内容的主要工作进

行了总结，并将围绕这些结果对更深入的研究进行了展望。本论文研究内容的主要工作分

为以下两项内容：

（1）通过分析焦点，提出了焦斑法测定飞秒激光脉冲在空气中自聚焦的临界功率。该

方法基于当激光功率超过一定功率时，焦点位置在自聚焦的作用下会向激光光源方向移动，

而在临界功率以下时，焦点位置基本保持不变这一现象。通过统计计算不同输入能量下在

不同传播距离下的烧蚀光斑面积，得到了焦点位置的位移量随输入激光能量的演化。成功

实现了飞秒高斯光束和低阶涡旋光束的自聚焦临界功率的测量。然而，我们的研究结果还

表明，该方法和常用的焦点移动法一样，并不适用于高阶的涡旋光束。

（2）利用光谱扫描法研究了径向、角向偏振光脉冲在熔融石英中的非线性传输演化。

该方法可以区分飞秒激光脉冲从线性、自聚焦到成丝三个传输模式。通过分析光谱截止波

长的变化，还可以得到径向、角向偏