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材料对激光的吸收率及影响因素激光加工原理激光之所以能作为加工手段之一是因为其光作用。
激光的该种光作用主要有光化学反应和光热效应两类。
其中，激光去除加工（如切割、打孔）和激光焊接就是利用了激光的光热效应。
因此，为了获得较为理想的激光切割质量，首先须认识和理解激光与物质的相互作用机理。
激光加工材料的过程可分为如下几个：材料热吸收过程激光辐射到被加工材料表面时,该过程会发生反射、吸收、透射及散射等光学现象。
其中，散射或反射、透射会损失部分能量，而被吸收的大量光子通过与金属晶格的相互作用而转换成材料的热能，从而致使被加工材料表面发生温升。
在转换过程中，材料对激光的吸收率与材料的类型和结构、激光波长及是否偏振等参数有关。
由于吸收热较低，该阶段不能用于一般的热加工。
材料被加热过程当激光辐射到被加工材料时,其中，被吸收的那部分能量使内部晶格的热振动转换为热能。
转化后的热能以热传导的方式由外向里在被加工材料内部及四周扩散,从而形成温度场,从而达到加热的目的，该温度场致使其变性。
该过程为材料表面熔化和汽化做准备。
材料表面熔化和汽化过程当材料表面温度超过其熔点时，材料表面开始熔化，形成熔池，熔池外主要是传热，并随着热影响区不断向内部扩散，熔化也开始向内部发展。
当材料表面温度达到其气化点后，激光束可使材料表面产生气化和等离子体辐射。
随着照射时间的持续，熔池的表面将产生气化，并开始生成等离子体，进而形成表面烧蚀，从而达到去除材料的目的。
冷却、凝固过程当激光作用结束后,被加工区的材料开始冷却降温,熔化的材料重新凝固,形成新的表层。
该表层的形成会影响激光加工的质量，应尽量避免其形成或减小其形成面积。
激光加工实质上就是激光与物质之间的相互作用。
激光与物质的相互作用是指激光束投射到物质表面（或内部）时，部分能量被反射，部分被吸收，部分被传递出去，光能以电子和原子的振动激发形式被吸收，从而发生能量的转移与传递，能量转移与传递引起各种物理、化学和生物等效应与过程。
激光束的自聚焦、自散焦与相位调制引言：在各向同性的非线性介质中，光场会引起介质极化率的实部发生变化，或者说光致折射率变化或产生非线性折射率。
光致折射率变化的效应有多种，这里只介绍光学克尔效应，它表述为介质某处折射率变化的大小与该处光强大小成正比。
本文介绍自作用（自相位调制）和互作用（交叉相位调制）两种光克尔效应。
还要讨论由于高斯光束横向分布的不均匀性，光束在传播过程中引起的自聚焦，自散焦效应的理论，以及相关的时间和空间自相位调制的现象。
一．光学克尔效应光克尔效应是指光电场直接引起的折射率变化（即非线性折射率）的效应，其折射率变化大小与光电场的平方成正比，即2E Δn ∝。
这种效应属于三阶非线性光学效应。
具有克尔效应的介质称为克尔介质。
光学克尔效应因其产生的非线性极化率的方式不同而被分为两种：（1） 自作用光学克尔效应利用频率为ω的信号光自身的光强引起介质折射率变化，同时用一束信号光直接探测在该频率ω下的非线性极化率实部或非线性折射率的大小。
（2） 互作用光学克尔效应演示这种光克尔效应，需要两束光：泵浦光---引起折射率变化的强光；信号光----探测介质折射率变化大小的弱光。
也就是用频率不同（ω’）或偏振方向不同的强泵浦光引起介质折射率变化，同时用频率为ω的弱信号光探测介质非线性极化率实部或非线性折射率的大小。
图 1.给出了自作用克尔效应和互作用克尔效应的两个典型例子。
(a)自作用克尔效应 （b ）互作用克尔效应图1.两种光克尔效应设信号光频率为ω，泵浦光频率为ω’，忽略吸收，自作用克尔效应和互作用克尔效应的非线性极化强度分别表示为23(3)0()3(;,,)()()P E E =-u r u r u r （）ωεχωωωωωω （） 23(3)0()6(;',-',)(')()P E E =u r u r u r （）ωεχωωωωωω （） 在光波传播过程中，折射率的变化会引起光的相位的变化。
高能激光器光束传输损失的研究与优化1. 引言高能激光器光束传输损失是激光器技术中的一个重要问题，对于激光器的性能和应用具有重要影响。
本文旨在对高能激光器光束传输损失进行深入研究与优化，以提高激光器的传输效率和稳定性。
2. 光束传输损失的影响因素2.1 入射角度入射角度是影响高能激光器光束传输损失的重要因素之一。
当入射角度偏离最佳角度时，会导致反射和折射现象，从而增加了能量损失。
2.2 入射孔径入射孔径是指高能激光器输出端口与接收端口之间的距离。
当入射孔径过大或过小时，会导致衍射效应和散焦现象，从而增加了传输损失。
2.3 入射波长入射波长也是影响高能激光器光束传输损失的关键因素之一。
不同波长的激光在大气中具有不同程度的吸收和散射效应，从而影响光束的传输损失。
3. 光束传输损失的研究方法3.1 数值模拟方法数值模拟方法是研究高能激光器光束传输损失的常用手段之一。
通过建立光束传输模型，利用数值计算方法对光束在传输过程中的损失进行模拟和分析，可以得到各种影响因素对传输损失的影响程度。
3.2 实验测试方法实验测试方法是研究高能激光器光束传输损失的另一种重要手段。
通过设计合适的实验方案和设备，对不同因素下的光束传输进行实际测试和观测，可以得到准确可靠的实验数据，并进行数据分析和比较。
4. 光束传输损失优化策略4.1 入射角度优化通过准确测量入射角度，并根据入射角度与最佳角度之间的误差进行调整，可以最大程度地减少反射和折射现象，从而降低能量损失。
4.2 入射孔径优化合理选择入射孔径大小，并根据不同应用场景调整孔径，可以减少衍射效应和散焦现象，提高光束的传输效率和稳定性。
4.3 入射波长优化根据实际需求选择合适的激光波长，可以降低大气中的吸收和散射效应，减少光束传输损失。
5. 光束传输损失优化案例分析以某高能激光器为例，通过数值模拟和实验测试方法对其光束传输损失进行分析和优化。
通过调整入射角度、入射孔径和入射波长等参数，并对比不同优化方案下的传输损失情况，得出最佳优化方案。
光束的自聚焦
光束的自聚焦是指当一束光通过某些介质时，由于介质的非线性光学特性或其他因素的影响，光束可以自行聚焦形成一个光子束的现象。
在常见的情况下，光束的自聚焦通常发生在高功率激光束的传输过程中，当激光束通过介质时，介质中的非线性光学效应会导致光子之间的相互作用，使光束发生聚焦。
介质中的非线性光学效应通常包括光学非线性折射、光学非线性吸收、光学非线性散射等。
在非线性光学中，最常见的自聚焦效应是自聚焦效应，即一束高功率激光通过某些介质时，光束半径会在传输过程中缩小，并且焦点位置会向前移动。
这种自聚焦效应在材料加工、激光器等领域具有重要的应用价值。
除自聚焦外，光束还可能发生自散焦效应，即光束传输过程中，光束半径会逐渐增大，并且焦点位置会向后移动。
这种自散焦效应在一些特殊情况下也具有一定的应用价值。
总之，光束的自聚焦是光束在介质中由于非线性光学效应或其他因素的影响，导致光束自行聚焦的现象。
这种现象在一些应用中具有重要意义，同时也需要合理控制以避免潜在的损坏风险。
超短脉冲放大过程中的脉宽和光谱特性摘要本文研究了超短脉冲在介质中传输的基本理论知识，进而更深一步的了解探究超短脉冲在介质中传输时所引起的一些非线性效应，主要是研究自相位调制效应以及群速度色散效应以及啁啾对脉宽和光谱特性在传输过程中的影响。
通过实验，研究一些非线性效应的影响下超短脉冲的脉宽和光普特性是如何展宽和压缩的。
传输特性取决于最近的色散长度L D和非线性长度L NL。
L D和L NL是激光在介质中传播时，脉冲宽度的演变量。
用L D和L NL可以衡量在传输过程中，群速度色散效应（GVD）和自相位调制效应，哪个影响占主导地位。
群速度色散效应(GVD)引起的脉冲展宽对脉冲沿的陡度是十分敏感的，自相位调制效应(SPM)主要影响脉冲的频谱。
关键词：群速度色散 , 自相位调制 ,脉宽压缩Pulse width and spectral characteristics in the process of amplification of ultrashort laserpulseAbstractPulse,laser has developed into a prosperous front scientific. This paper studies the basic theory of knowledge in the ultrashort pulse transmission medium.So and a deeper understanding of some nonlinear effect caused by ultrashort pulse transmission in the medium.Its mainly to study the self-phase modulation (SPM)and group velocity (GVD)and the effect of the chirp.To studies these effects on the pulse width and spectral characteristics in the amplication and propagation process.Studies on some nonlinear effects by experiment,to know how the width of ultrashort pulse broadening and compression in the process.Transmission properties mainly depended on the dispersion length and nonlinear length.The dispersion length and nonlinear length of laser propagation in a medium amont of pulse width evolution . The dispersion length and nonlinear length can determine the group velocity dispersion(GVD) and self phase modulation (SPM)effect which occupies the dominant position.Pulse broadening caused by group velocity dispersion on the pulseedge is very sensitive,Since the main effect of pulsed phase modulation effect.KEY WORDS :gvd， spm， pulse compression目录超短脉冲放大过程中的脉宽和光谱特性 (1)致谢 ........................................................................................... 错误！未定义书签。
光的自聚焦效应解析与应用自聚焦效应是光学中一个重要的现象，在很多领域都有着广泛的应用。
本文将对光的自聚焦效应进行深入解析，并探讨其在实际应用中的潜力。
一、自聚焦效应的基本原理与表现形式自聚焦效应是波动光学中的一种现象，当高斯光束通过一个非线性介质时，由于介质的非线性性质，光束将自动聚焦到一个更小的尺寸范围内。
这种现象可以用非线性薛定谔方程来描述。
在实际应用中，光的自聚焦效应可以表现为以下几种形式：1. 光束的局部聚焦当高斯光束通过非线性介质时，光束会在介质中的某个位置发生自聚焦，形成一个亮斑。
2. 光束的聚焦宽度变窄光束的自聚焦效应会使光束的宽度变窄，从而提高光束的光强。
3. 光束的聚焦深度变大光束的自聚焦效应还会导致光束在介质中的聚焦深度增加，使得聚焦点距离入射面更远。
二、自聚焦效应的原因自聚焦效应的原因主要是由于介质的非线性光学特性导致的。
非线性光学效应是指在高光强条件下，材料对光的响应不再呈线性关系，而表现出非线性关系。
常见的非线性光学效应包括光 Kerr 效应、自相位调制效应以及光的自聚焦效应。
其中，光的自聚焦效应是非线性材料中最常见且最重要的现象。
三、自聚焦效应的应用领域1. 光通信领域光的自聚焦效应在光通信领域有着广泛的应用。
光通信系统中的光纤通常会受到色散效应的限制，而光的自聚焦效应可以通过调节光的特定参数来抵消色散效应，提高光通信的传输质量和距离。
2. 材料加工领域光的自聚焦效应可以应用于激光材料加工中。
通过调节激光的功率和聚焦参数，可以实现对材料的高精度加工，例如微电子器件的制造和光纤的连接。
3. 医学影像领域光的自聚焦效应还被应用于医学影像领域。
通过将聚焦光束引导到需要观察的组织区域，可以实现高分辨率的成像，提高医学诊断的准确性。
4. 光子学研究在光子学研究领域，自聚焦效应可以用于产生超快激光脉冲。
通过光的自聚焦效应，可以将短脉冲的光束进一步压缩，产生纳秒甚至飞秒级别的超快激光脉冲，以实现对物质的高精度探测和研究。
一种研究不均匀介质中激光传输的新方法刘俊国;吕志伟;王雨雷【摘要】为了解决非均匀介质中的光传输问题,利用光学相位共轭波的时间反演特性,实现了对克斯林衍射积分公式的改进.并通过改进后的计算方法对均匀及非均匀介质中的光传输进行了数值模拟.模拟结果表明,该方法能够实现计算非均匀介质中的衍射场的近场分布的计算.这一结果对高功率激光系统中的传输模拟和参数优化等问题是有帮助的.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2008(032)004【总页数】4页(P441-444)【关键词】非线性光学;非均匀介质;激光传输;数值计算;高功率激光系统【作者】刘俊国;吕志伟;王雨雷【作者单位】哈尔滨工业大学,光电子技术研究所,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,光电子技术研究所,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,光电子技术研究所,哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】O437.2引言研究激光在非均匀介质中的传输对于优化设计高功率放大系统的参数有重要意义[1-2]，而菲涅耳衍射积分公式和夫琅和费衍射积分公式是经典标量衍射传输理论中常用的公式[3]，它对经典光学中遇到的大量空域中的衍射问题都是适用的，在激光光学中常用来处理近轴标量光束在自由空间中的传输问题。
但是，当处理衍射面和观察面之间不是自由空间而是复杂光学系统的时候，经典衍射理论就显得无能为力了。
对此做出重要推广的是柯林斯，推广后的柯林斯公式可以处理任意一个可以用ABCD传输矩阵表示的复杂光学系统中的场分布的问题。
然而不论是经典的标量衍射理论还是改进后的柯林斯衍射积分公式，都只有在满足旁轴条件时才可以应用。
作者利用光学位相共轭波的时间反演特性对一般意义下的柯林斯衍射积分公式进行改进，改进后公式通过两次柯林斯衍射积分不仅可以计算满足旁轴近似的衍射积分的远场分布，而且对不满足旁轴近似条件的近场分布也可以进行计算。
利用此算法可以研究不均匀介质中的激光传输的问题[4-7]，包括各种畸变、自聚焦[8-11]对激光横场模式的影响。
L OP网络预出版：标题：高斯光束小尺度自聚焦的临界功率作者：邓剑钦,王兴龙,刘侠,肖青收稿日期：2016-08-03录用日期：2016-09-19DOI：10.3788/lop54.011901引用格式：邓剑钦,王兴龙,刘侠,肖青. 高斯光束小尺度自聚焦的临界功率[J].激光与光电子学进展,2017,54(01):011901.网络预出版文章内容与正式出版的有细微差别，请以正式出版文件为准！————————————————————————————————————————————————————您感兴趣的其他相关论文：贝塞尔晶格中高斯光束的传输鄢曼 覃亚丽 任宏亮 李伽 薛林林浙江工业大学信息工程学院光纤通信与信息工程研究所, 浙江 杭州 310023激光与光电子学进展,2015,52(2):021901 非线性诱导的功率控制高斯光束变换效应陆大全华南师范大学信息光电子科技学院 广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室, 广东 广州 510631激光与光电子学进展,2013,50(7):071901 用于实现激光高效率加工的光束整形技术夏国才 孙小燕 段吉安中南大学机电工程学院, 湖南 长沙 410083激光与光电子学进展,2012,49(10):100002高功率激光系统中的小尺度自聚焦研究陈宝算 张军勇 张艳丽 刘德安 朱健强中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室, 上海 201800激光与光电子学进展,2012,49(1):010002非局域空间光孤子临界功率的确定寿倩华南师范大学光子信息技术广东省高校重点实验室， 广东 广州 510631激光与光电子学进展,2011,48(8):081901网络出版时间：2016-10-14 14:14:21网络出版地址：/kcms/detail/31.1690.TN.20161014.1414.050.html高斯光束小尺度自聚焦的临界功率邓剑钦1,2王兴龙2 刘侠2肖青1,21天津大学精密仪器与光电子工程学院，激光与光电子研究所，天津 3000722珠海光库科技股份有限公司，广东珠海 519000摘要通过理论分析和数值模拟研究了高斯光束发生小尺度自聚焦的临界功率。
非线性光学中的自聚焦效应光学在非线性物理学中扮演着重要的角色，尤其是自聚焦效应引起了科学家们的广泛关注。
自聚焦是指在非线性介质中，当通过一个非常强的激光束时，光线会自动聚焦成一个更小的点。
在这篇文章中，我们将介绍非线性光学中的自聚焦效应的原理、应用和相关研究进展。
自聚焦效应的原理可以通过光束的传播方程来解释。
通常情况下，光束在传播过程中会发生衍射，即光的波动性会导致光束的扩散。
然而，在非线性介质中，随着光强度的增加，介质的折射率也随之改变。
这种折射率的变化会导致折射率的调制，从而影响光束的传播特性。
在适当的条件下，光束的衍射效应和介质的非线性效应会相互作用，使光束自动聚焦到一个更小的点。
自聚焦效应在很多领域都有着广泛的应用。
其中一个重要的应用是在激光切割和焊接中。
传统的激光切割技术往往需要使用复杂的聚焦系统来实现高精度的切割。
而利用自聚焦效应，可以使激光束自动聚焦到一个非常小的点，从而实现更高的精度和效率。
类似地，自聚焦效应还可以用于激光打印、激光医疗和激光雷达等领域。
除了应用之外，自聚焦效应的研究也在不断取得新的进展。
科学家们发现，在某些非线性介质中，光束的自聚焦现象可以与光束的自整流效应相结合，从而产生更奇特的光学现象。
自整流效应是指在某些情况下，光束会自动调整自己的传播路径，从而避免由于非线性效应引起的光束的分裂和扩散。
由于自整流效应的存在，光束可以以一种稳定的方式在非线性介质中传播，从而产生强大的光束。
另一个有趣的研究方向是光学孤子的产生与应用。
光学孤子是一种特殊类型的光束，它在传播过程中能够保持自己的形状和强度。
通过调控非线性介质的参数，科学家们可以实现自聚焦效应并生成光学孤子。
这些光学孤子可以在光纤通信、光学计算和光学存储等领域中发挥重要的作用。
总之，非线性光学中的自聚焦效应是一个广泛研究的领域，其原理和应用都具有重要意义。
从激光切割到光学孤子，自聚焦效应为我们提供了许多技术和科学的突破。
第14卷 第2期强激光与粒子束V o l.14,N o.2 2002年3月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S M ar.,2002 文章编号: 100124322(2002)022*******介质的增益与损耗对高功率激光小尺度自聚焦的影响Ξ林晓东1,2, 景 峰2, 王 逍1, 陈建国1, 李大义1(1.四川大学光电科学系,四川成都610064; 2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘 要: 由光束在非线性介质中传输所满足的近轴波方程,应用Bespalov2T alanov(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。
关键词: BT理论; 小尺度自聚焦; 最快增长频率; 积分指数增益; 最大增益因子 中图分类号: TN244 文献标识码: AΞ收稿日期:2001207224; 修订日期:2001210231基金项目:国防重点实验室预研基金资助课题(00JS77.9.1.JW1911)作者简介:林晓东(19752),男,硕士研究生,主要从事非线性光传输研究;绵阳9192988信箱。
i2k 0(d E d z -ΑE 2)+ 2⊥E =-2k 20(∆n n 0)E (1)式中:实函数I (r ,z ),S (r ,z )分别为光束的光强和程函,后者与位相的变化有关;k 0=2Πn 0 Κ为介质中的波数;Α为增益(损耗)系数;r =(x ,y )为光束剖面的坐标。
运用文献[7]中我们得出的小尺度扰动增长所满足的微分方程d 27 d z 2-q 2ΧI λ0e az n 0-q 2 (4k 20)7=0(2)式中:7=I 1 I 0为小尺度扰动增益,I 0和I 1分别为背景和扰动光强;Χ为非线性折射系数;q 为扰动的空间频率。
要得出上式的解析解或数值解是困难的。
本文采用一种简洁的、近似的方法对方程进行了分析。
由方程(2)可以看出,当纹波增长因子g =q 2ΧI λ0e az n 0-q 2 (4k 20)1 2≥0时,即e az ≥H =q2 q 2c0(3)可见,扰动的幅度将指数地增长,其中q c0=2k 0(ΧI λ0 n 0)1 2为无损耗介质中的截止空间频率,即在无损耗介质中,H 可以认为是归一化空间频率,对于q ≥q c0的空间纹波只能振荡而不会指数增长了。
而对于存在增益(或损耗)的介质,则截止空间频率为q c =q c0eaz 2(4)那么增益系数就可以表示为g =[q 2(q 2c -q 2)]1 2,对q 求导,可以得出具有最大增益的空间频率q m 以及相应的最大增长因子g m =12q 2c =2k 20ΧI 0n 0e az (5)2 分析与讨论2.1 损耗介质情况 在介质为损耗的情况下,Α<0。
由(3)式可知,存在一个指数增长的最大距离z m ax =(1 Α )ln (q 2 q 2c0)=(2 Α )ln (q q c0)(6)对于某一特定的空间频率分量,它可能在传输的初始阶段会不断地增长;当在介质中传输的距离z 等于z m ax 后,增长就会停止。
因此我们可以根据实际需要,通过选择适当的介质长度来最大限度地限制某些危险频率成分的增长。
因此,指数增长的特性可用积分指数增益G =∫z 0q 2ΧI λ0e az n 0-q 2 (4k 20)1 2d z来完全描述,它表示光束传输了z 之后所获得的增益,对它进行积分,得到G =4k 0ΧI λ0n 01ΑH 1-H -e az -H +H tan -1e az H -1-tan -11H-1(7) 图1和图2分别为当z =40c m 和Α=-0.02c m -1时G随H 的变化曲线。
参数设置为:n 0=1.5,Χ=2×10-16c m 2 W ,I 0=1G W c m2,Κ=1.06Λm ,k 0=2Πn 0 Κ。
由于扰动增长的特性与背景光强有关,而背景光强由于损耗随传输距离减小,因此从图2可以看出,最快增长频率随传输距离的增加而减小。
F ig .1 Integral exponential gainG againstH w ithdifferent lo ss facto rs in nonlinear m edia w ith lo ss 图1 吸收介质中不同吸收系数下积分指数增益G 随H 的变化F ig .2 Integral exponential gain G against H w ith different p ropagati on distances in nonlinear m edia w ith lo ss图2 吸收介质中不同传输距离下积分指数增益G 随H 的变化261强激光与粒子束第14卷 在不同的吸收系数下(如图1),小尺度调制的增益随吸收系数的增加而减小,但这并不能说明吸收系数对抑制小尺度自聚焦的积分指数增益有好处,因为损耗同时会降低输出功率,在输出功率一定时,吸收系数大的系统中的光强也要大,进而使B 积分值大于吸收系数小的系统。
2.2 增益介质情况 在介质为增益介质的情况下,Α>0。
同理可得小尺度纹波增长的最小距离z m in =(2 Α)ln (q q c0)(8)即只有当传输距离达到z m in 后,指数增长才出现。
在图3和图4中,作出了Α=0.02c m -1和z =40c m 时,不同传输距离下的积分指数增益G 随H 的变化曲线,参数同上。
可以看出,随着传输距离和增益系数的增大,最快增长空间频率将向中高频部分移动,使这一部分的频率成分成为最危险的成分。
从图4中可以看到,随着增益系数的增大,小尺度扰动的增益将减小,这从某种程度上说明了介质的增益特性对抑制小尺度自聚焦有一定的作用。
F ig .3 Integral exponential gainG againstH w ithdifferent p ropagati on distances in nonlinear m edia w ith gain 图3 增益介质中不同传输距离下积分指数增益G 随H的变化F ig .4 V alues of integral exponential gain G against H w ith different gain coefficients in nonlinear m edia w ith gain 图4 增益介质中不同增益系数下积分指数增益G 随H 的变化2.3 增益与损耗对成丝距离的影响 众所周知,小尺度扰动最终将由于小尺度自聚焦而形成一些高功率的细丝,由于引起小尺度扰动的原因很多,要在实践中完全消除扰动几乎是不可能的。
于是,从初始扰动到最后形成细丝这一段所谓的成丝距离对高功率激光系统的设计就显得非常重要了,我们可以尽量地延长成丝距离以使光束在介质中传输时不会形成细丝。
那么介质的增益和损耗对于成细距离有什么影响呢? 文献[11]指出,当高功率激光在非线性介质中传输时,小尺度调制的增长是来源于背景光强的,它不断地从背景光强中提取能量,最后形成稳定的细丝。
在一个小的局域范围内,小尺度扰动所提取的能量就等于背景损失的光强,即光束的能量在局部范围内是守恒的。
因此我们可以建立以下的一个关系式来估算一下介质的增益和损耗对成丝距离的影响I 0e az f =I 1e g m z f (9)式中左边部分代表背景光在传输了z f 距离后的能量,右边部分为小尺度扰动增长的能量,它取了B T 理论中的B 积分的形式,考虑到最严重的情况,以最快增长频率的最大增长因子g m 的指数增益作为小尺度自聚焦严重程度的判据。
由(8)式可得z f =1g m -Αln 17(10)可以看出,对于Α>0的情况,增益越大,成丝距离就越大;而对于Α<0情况,损耗越大,成丝距离就越小。
因此,我们可以认为提高增益可以在一定程度上有效地抑制小尺度自聚焦的增长。
3 结论分析 在B T 理论的基础上,加入了介质的增益和损耗特性,从非线性近轴波方程推导出了小尺度扰动增361第2期林晓东等:介质的增益与损耗对高功率激光小尺度自聚焦的影响461强激光与粒子束第14卷长所满足的微分方程,并分别进行了分析,得到了一系列的新特性。
得出了一个增益和损耗介质中小尺度调制增长的最小和最大距离;分析了两种介质中小尺度扰动的最快增长频率、截止空间频率、积分指数增益等特征量的变化规律;大致地估算了增益和损耗对于小尺度扰动的成丝距离的影响:介质的增益系数越大,成丝距离就越大。
但是这只是一个大致的变化规律,并非无限制地增大增益系数就可以最终消除小尺度自聚焦,从(8)式可以看出,当增益系数增大时,其最小增长距离也减小,也就是说,小尺度自聚焦发生的地点提前了,相对地延长了扰动增长的距离,也容易造成成丝破坏。
同时我们注意到,在g m 中包含有e az项,这就不得不考虑:在超出了某个范围之外后,g m的增长比Α更快,这样,情况就变得更加复杂。
因此,要想在最大限度上抑制成丝破坏的发生,就必须综合地考虑这些方面因素的影响,这还需要进一步精确的解析和数值计算。
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