非傍轴光束的小尺度自聚焦研究

基于非傍轴传输方程,利用线性扰动理论,得到了小尺度调制增长率的表达式.在此基础上,讨论了非傍轴对小尺度自聚焦的影响.通过对非傍轴和傍轴情形下小尺度调制的增益谱分析,发现非傍轴对小尺度调制的增益谱的影响程度与光束的强度有关,光强越强,影响越大.但总的趋势是非傍轴使小尺度调制增长的截止频率、最快增长频率和最大增长率减小,而非傍轴对截止频率和最快增长频率的影响比对最大增长率的更大 关键词：     

增益介质中发散光束的小尺度自聚焦

将Bepalov-Talanov理论拓展为发散光束在增益介质中的情形,研究了介质小信号增益和饱和增益情况下小尺度扰动的自聚焦特性.在小信号增益情形下,对于确定的输入功率,不同的光束初始曲率半径,小尺度调制增长的临界频率、最快增长频率及其对应的最大增益随介质小信号增益或传输距离的变化有不同的变化性质.光束初始曲率半径表征着光束衍射发散的程度,它的减小在一定程度上能够使小尺度调制的最快增长频率和最大增益减小.小信号增益情形下,对于确定的输出功率,增加介质小信号增益,扰动的最大增益会随之减小,而最快增长频率相应向低频方向移动.相比于小信号增益情形,饱和增益介质情形下小尺度调制增长的最快增长频率及最大增益较小.在不同的系统设计中,需权衡放大器增益及光束参数,选择合适的系统参数及光束控制装置进行实际应用.     

超短脉冲激光空间调制下小尺度自聚焦的实验研究

实验研究了超短脉冲激光的空间小尺度自聚焦的动态变化过程.具体实验过程是使经过正交细丝的衍射来实现激光的空间调制,然后通过非线性Kerr介质二硫化碳,随着输入功率的增大,超短脉冲开始出现小尺度自聚焦增长现象.实验发现,每个小尺度自聚焦峰值并不是随着功率的增大而无限地增长下去,而是在不同位置出现了新的调制增长点,这些新出现的增长与原有的增长相互竞争,最终导致了分裂成丝.通过数值模拟相应的传输过程,发现数值模拟结果与实验结果符合很好. 关键词： 小尺度自聚焦 高功率激光 超短脉冲     

强光束局部小尺度调制致多路成丝现象研究

基于非线性Schrdinger方程模拟了Kerr介质中强光束局部小尺度调制致光束多路成丝现象，发现在一定的B积分范围内，光束局部小尺度调制基本上只从该局部本底场中吸收能量获得增长，从而将该局部光束分裂成细丝.当光束不同部分的小尺度调制相隔较远时，各 细丝的演化基本上不相关. 关键词： 自聚焦 多路成丝 非线性Schrdinger方程     

高功率激光放大器中光束的成丝和B积分

研究了高功率激光放大器中光束的成丝问题,利用弗兰兹－诺德威克（Frantz-Nodvik)模型将准稳态波动议程推广到介质有饱和增益的情形,进而得到高功率激光放大器中小尺度调制的传输方程,在小信号增益和饱和增益情形下,分别得到了小尺度调制方程的精确解析解和数值解。结果表明,对于相同的输入光强,增益使小尺度调制增益谱的范围加宽,最快增长频率增高,最大增长率提高;同时,在放大介质中,小尺度调制的最快增长频率和最大增长率还随传输距离变化,增益饱和效应使小尺度调制的增长速度以及B积分的增长低于无饱和放大情形。     

钕玻璃介质中强激光束传输特性的初步研究

 由入射强激光束的强度或相位调制引起的小尺度纹波在经过非线性介质后,将产生强烈的自聚焦效应。在非线性相位延迟(B积分)超过一定值后,将严重影响光束的近场强度分布,甚至造成丝状破坏。数值模拟和实验研究了在一定强度调制下的光束经过钕玻璃介质发生自聚焦成丝效应的阈值条件,以及非线性传输的一般规律。可以通过模拟计算,给出高功率激光系统设计中的D-B判据。     

发散光束小尺度自聚焦特性的研究

研究了发散光束的小尺度自聚焦效应。从非线性傍轴波动方程出发,利用坐标变换,推导出发散光束小尺度扰动的传输方程,进而得到小尺度扰动增长的临界频率、最大增长频率和相应B积分值的变化规律。研究了发散光束初始曲率半径对小尺度自聚焦效应的影响。结果表明,对于一定的传输距离,随着发散光束初始曲率半径的减小,小尺度扰动的最大增长频率减小,相应的最大增益减小,即B积分值也减小。对于一定的初始曲率半径,随着传输距离的增大,B积分值增长变缓,并最终停止。利用局部能量守恒定律研究了发散光束的成丝距离,发现小的初始曲率半径可以延长成丝距离。     

位相调制产生“热像”效应理论研究

通过理论分析和数值模拟方法，研究了高功率激光系统中的非线性“热像”效应. 利用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分和非线性近轴波动方程，在远场近似及光学薄近似条件下，得出了位相调制产生“热像”出现的位置及强度满足的解析关系.结果表明，“热像”形成在非线性介质后与衍射物对称的位置，其强度可能比振幅调制产生“热像”的强度大几倍. 通过计算机模拟，并与理论预测结果进行比较，显示两者符合较好. 同时给“热像”的形成过程赋予了明确的物理意义，指出“热像”的形成类似于同轴位相夫琅禾费全息过程. 关键词： “热像”效应 全息成像 小尺度自聚焦 高功率激光     

高功率激光系统中非线性热像与模糊斑大小的关系

高功率激光系统中非线性热像的强度可能达到光学元件的损伤阈值,从而危及系统的安全运行。明确并避免引起最强热像大小的模糊斑,可以降低热像的破坏威胁。通过理论分析与数值模拟方法,研究了高功率激光系统中非线性热像光强与模糊斑大小的关系。根据角谱传输和Bespalov-Talanov小尺度自聚焦理论,推导出一定厚度非线性介质的热像光强表达式,得到了热像光强随模糊斑大小的变化规律,并用数值模拟结果进行了验证。结果表明,随着模糊斑尺寸的增大,热像光强先是单调增大,达到一最大值后单调下降;热像光强最大时对应的模糊斑大小基本上与由Bespalov-Talanov小尺度自聚焦理论决定的最快增长小尺度调制尺寸相同。     

有限能量Airy光束的小尺度自聚焦特性

研究了有限能量Airy光束在克尔介质中的非线性传输过程及整体自聚焦(特别是小尺度自聚焦)特性.研究发现相对于整体自聚焦,有限能量Airy光束主峰的小尺度自聚焦更容易发生,而且其噪音调制的增长速度随着截断系数的增加而变慢.通过对比研究不同截断系数小尺度自聚焦的增益谱,发现截断系数也极大地影响有限能量Airy光束的增益谱,截断系数越小Airy光束受噪音影响分裂的可能性就越大;对于较大的截断系数,有限能量Airy光束增益谱和由它主瓣拟合的高斯光束的增益谱越来越接近.研究结果对于有限能量Airy光束的潜在应用有一定的指导作用.     

均匀液滴的形成机理及实验研究

 在均匀液滴O₂(¹Δ)发生器的研制过程中,发生器中液流受到外界扰动后,扰动沿着液流表面呈指数增长,最终导致液流破段成液滴。在液滴的形成过程中,各种参数的改变都将对液流的状态产生影响,最终影响O₂(¹Δ)发生器的总体性能。分别从理论和实验两部分对液滴的形成过程进行了对比分析:理论部分论述了液滴形成的理论依据及在发生器中,外界扰动频率、液流喷射流速的改变对扰动增长率的影响及影响趋势;实验部分以成像的方式着重分析了在相同条件下,分别改变扰动频率、液流喷射流速,液滴流的状态及趋势。实验结合理论,寻求可控参数范围,为均匀液滴发生器的液流研究提供依据。     

飞秒脉冲激光1维强度调制的传输特性

实验研究了飞秒激光干涉条纹在CS2介质中传输的增长率与条纹间隔以及增长率与中心峰值强度的关系。结果发现,在非线性介质中传输的1维干涉调制特别是当其调制频率位于中心光强对应的最快增长频率附近时,随着传输距离的增加调制场迅速获得增长,将高斯光束分裂成多根峰值强度很高的带状细丝。相应的数值模拟与实验结果具有较好的一致性。     

Small-scale self-focusing of divergent beam in nonlinear media with loss

<正>Bespalov-Talanov theory on small-scale self-focusing is extended to include medium loss for a divergent beam.Gain spectrum of small-scale perturbation is presented in integral form,and based on the derived equations we find that the cutoff spatial frequency for perturbation keeps a constant value.The larger the medium loss is,the smaller the fastest growing frequency and the maximum gain of perturbation with defined propagation distance are.For a given medium loss the maximum gain of perturbation becomes larger,while the fastest growing frequency becomes smaller as the propagation distance becomes longer. Furthermore,physical explanations for the appearance of these features are given.     

三倍频光学系统中近场调制增长规律研究

高功率固体激光装置的光束质量控制既要满足精密物理实验的苛刻要求,又要保证激光装置在高负载条件下的安全运行,是建造激光器的核心环节。三倍频光学系统承担着将1.053 μm的基频光转换成0.351 μm的三倍频光并聚焦到靶上的任务,是影响激光装置光束质量的重要环节。基于B-T理论研究了非线性传输条件下三倍频光学系统中光束调制的增长规律,基于典型的KDP晶体面形数据建立的中高频相位屏模型,通过数值计算获得了三倍频光学系统不同B积分下光束近场的变化规律。研究表明,三倍频光学系统中最快增长频率和相应的最快增长因子都是为基频光系统的三倍,空间调制周期在0.1～1 mm之间的空间频率成分增长最快。当三倍频光学系统B积分的设计值为1.5,要求三倍频光近场调制度小于1.15时,中高频噪声的RMS值必须控制在1.6 nm以下。     

Small-scale Self-focusing of Intense Laser Beams in Nonlinear Media with Loss

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｉｔｉｓｗｅｌｌｋｎｏｗｎｔｈａｔｓｍａｌｌ ｓｃａｌｅｓｅｌｆ ｆｏｃｕｓｉｎｇ (ＳＳＳＦ)ｃａｎｃａｕｓｅｔｈｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎａｎｄｂｒｅａｋｕｐｏｆｈｉｇｈｐｏｗｅｒｌａｓｅｒｂｅａｍｓｂｙａｍｐｌｉｆｙｉｎｇｓｍａｌｌ ｓｃａｌｅｂｅａｍｉｍｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｓ.Ｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍｉｓｏｆｐｒａｃｔｉｃａｌｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｂｅｃａｕｓｅｉｔｉｓｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｌｉｍｉｔｉｎｇｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒａｖａｉｌａｂｌｅｆｒｏｍａ…     

增益(损耗)介质中高功率激光束的小尺度自聚焦理论研究

将Bespalov-Talanov理论推广到介质有增益(损耗)的情形,揭示了在介质有增益或损耗从而 光强随传输距离变化的情况下小尺度自聚焦的特性.主要是在一定的输入功率下,小尺度调 制增长的临界频率、最快增长频率及其对应的最大增益(B积分)均随介质增益或传输距离的 增大而增大;对于确定的输出功率,随介质增益的提高,B积分值变小,同时最快增长频率 向低频方向移动.利用局部能量守恒定律唯象地研究了增益和损耗对激光束成丝的影响,发 现增益使成丝距离延长而损耗使成丝距离缩短.讨论了介质增益和损耗对高功率激光放大器 设计的影响.尽量使激光器在小输入高增益状态下运行,可以从某种程度上抑制因小尺度自 聚焦而导致的介质破坏效应. 关键词： 自聚焦 成丝 强激光传输     

介质的增益与损耗对高功率激光小尺度自聚焦的影响

 由光束在非线性介质中传输所满足的近轴波方程，应用Bespalov Talanov（BT）理论，导出了光束在两种介质中传输时，小尺度不稳定增长所遵循的微分方程。通过对比分析介质的增益和损耗对高功率激光的小尺度自聚焦行为的不同影响，得出了截止频率、最快增长频率、纹波的积分指数增益等特性随各参量的变化,求得了最大和最小的纹波增长的距离，以及介质的增益和损耗特性对成丝距离的影响。     

小尺度自聚焦理论的非傍轴修正

从原始的非傍轴传输方程出发,研究了光束的非傍轴效应对小尺度自聚焦现象的影响结果是,非傍轴效应对不稳定区间的截止频率没有影响,但使最快增长频率增大,最大增长率减小同时,由于非傍轴的影响出现了一个新的增益区间,在该区间里,增益远远大于在原区间里的增益,但是,随着背景光强的增大,增益迅速减小.     

Characteristics of gain spectrum of modulation instability in soft matter

We investigate the spatial modulation instability in colloidal suspension based on the nonlinear Schrödinger equation. By a standard linear stability analysis, we obtain the expression for instability gain and identified the relationship between the measurable instability characteristic parameters and the particle radius, the optical beam width. It is shown that the modulation growth rate, the maximum growth rate, cut-off frequency and the fastest growth frequency increase as the particle radius decreases and (or) the beam width increases if the optical intensity is constant. Moreover, the ultimate values of the cut-off frequency and the fastest growth frequency are proportional to the beam width, while are independent of the sphere radius. The results provide a new approach to measure the sphere radius and to control the characteristic parameters of modulation instability through the beam width.