强光束非线性传输的空间特性及其控制研究

论文摘要

激光光束的传输与控制是高功率激光驱动器创新发展的核心关键技术。研究高功率激光非线性传输的空间特性及其控制措施对提高高功率激光驱动器的运行通量、保障系统运行安全等具有十分重要的理论和实际意义。本论文主要探索了利用光束的带宽和最新的左手介质的独特光学特性控制光束非线性传输的空间特性的基本原理和规律,获得了若干创新性的成果,主要体现在如下三个方面:第一,尽管窄带激光脉冲放大和传输的数值模拟和程序编码已较为成熟,但由于宽带光束的脉冲宽度和带宽的特殊性,其非线性传输的数值模拟和算法尚处于探讨阶段。本论文基于宽带光束非线性传输的理论模型自主开发了宽带光束非线性传输的数值模拟程序,为研究高功率激光非线性传输的空间特性及其控制提供了可靠的模拟计算工具。该程序具有图形界面交互式操作、结果可视化等特点,能够模拟窄带和宽带光束的各种线性和非线性传输特性。第二,宽带激光是高功率超强激光驱动器的一个重要发展方向,宽频带激光驱动器中光束的传输与常规的窄带系统有很大区别,而宽带光束热成像这一非线性传输现象尚没有被系统研究过。本论文研究了宽带光束热成像的机理和特点,发现一定的带宽能抑制热像的形成,定量揭示了啁啾型带宽和变换极限型带宽对热像的控制规律。利用数值方法对宽带和窄带光束热成像进行了比较研究,发现宽带光束的热成像位置和窄带光束基本相同,但宽带光束的热像强度比窄带光束低很多,说明一定的宽带能很好地抑制非线性热像的形成。其次,通过改变脉冲啁啾和脉冲宽度两种方式分别定量揭示了带宽对热成像和光束匀滑的影响,发现不同带宽情形下热像的位置基本相同,均处于共轭位置处;热像的光强和热像处光束的调制对比度随着啁啾值的增大而降低、随脉冲宽度的增大而增大。特别是,我们发现,入射光束的时间宽度是影响带宽对热像的控制效果的最主要因素,时间宽度越大,带宽对热像的控制作用越小。对于二级热像,得到了类似结果,但在入射光束时间宽度较大时正、负啁啾型带宽都可以抑制二级热像。此外,还研究了入射功率、散射物的特性和介质的色散对宽带光束热成像的影响规律。第三,左手介质是一种具有人工设计的结构并呈现出天然和常规介质所不具备的超常物理性质的复合材料。左手介质不仅具有很多与常规右手介质完全相反的光学特性,更重要的是它具有很强的独特的操控光的能力,将在控制光束的空间特性方面发挥重要作用。我们建立了宽带光束在非线性左手介质中传输的理论模型,揭示了高斯光束在左手介质中非线性传输的基本规律,提出并从理论上论证了用左手介质片控制强光束空间特性的思路。借助脉冲光束在常规介质中非线性传输的基本理论,并结合左手介质的电磁色散特性,推导出了左手介质中宽带光束（3+1）维非线性传输模型,发现左手介质中色散磁导率的作用导致在传输模型中出现反常自陡峭效应项和类似于高阶色散特性的非线性效应项。基于建立的模型,揭示了一维时间孤子传输的反常延迟,研究了非线性左手介质中高斯光束的自聚焦和自散焦现象,得到了自聚焦焦点位置的表达式和自聚焦效应受调控的规律。结果表明,入射光束的会聚特性和左手介质的磁导率对自聚焦和自散焦等非线性过程有很强的调控作用。此外,提出并从理论上论证了用非线性左手介质片控制强光束传输和空间特性的思路,以高斯光束为例揭示了左手介质片控制强光束传输的规律,发现具有正（负）Kerr非线性的左手介质可以将高斯光束聚焦（扩展）。这种控制作用可以通过入射光束的发散度和功率以及介质片的物理性质来调节,且聚焦和扩展作用甚至可以发生相互转换。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 影响强激光光束质量的因素
• 1.3 自聚焦及其对光束空间特性的影响
• 1.3.1 自聚焦的基本概念和原理
• 1.3.2 整体自聚焦
• 1.3.3 小尺度自聚焦
• 1.4 热像效应及其对光束空间特性的影响
• 1.5 常用的光束空间特性控制技术
• 1.5.1 高斯光束的聚焦、扩束和准直
• 1.5.2 改善光束质量的常用技术简介
• 1.5.3 焦斑平滑技术简介
• 1.6 宽带脉冲光束的传输特性及研究进展回顾
• 1.7 左手介质及其对光束空间特性的控制
• 1.7.1 左手介质简介
• 1.7.2 左手介质的光学特性及应用
• 1.7.3 左手介质对光波传输控制的研究进展
• 1.8 本文框架
• 第2章 宽带光束非线性传输的数值模拟和程序设计
• 2.1 物理模型
• 2.2 宽带光束非线性传输方程的数值计算方法
• 2.2.1 差分和差商
• 2.2.2 快速傅里叶变换方法
• 2.2.3 分步傅里叶方法
• 2.3 程序的实现和功能
• 2.4 计算实例
• 2.4.1 超短脉冲光束的圆孔衍射
• 2.4.2 自陡峭效应对基态孤子的影响
• 2.4.3 脉冲光束的非线性传输
• 2.4.4 宽带啁啾脉冲的时域不稳定性
• 2.5 小结
• 第3章 宽带光束的热像效应研究
• 3.1 强光束的热像位置与强度
• 3.2 宽带情况下热像形成的机理分析
• 3.3 宽带和窄带光束非线性成像特性比较
• 3.3.1 振幅调制型散射物的热像形成的比较
• 3.3.2 相位调制型散射物的热像形成的比较
• 3.3.3 薄非线性介质情况下热像形成的比较
• 3.3.4 带宽对热像位置的影响
• 3.4 带宽对热像的影响
• 3.4.1 啁啾型带宽
• 3.4.2 变换极限带宽
• 3.4.3 两种类型带宽的影响的对比分析
• 3.4.4 带宽一定时入射宽带光束时间啁啾对热像形成的影响
• 3.5 其他因素对宽带光束热像的影响
• 3.5.1 入射宽带光束峰值功率的影响
• 3.5.2 相位调制型散射物引起的相移的影响
• 3.5.3 介质群速度色散的影响
• 3.5.4 调制宽度的影响
• 3.6 宽带光束的二级热像效应
• 3.6.1 与窄带光束二级热像处光场分布的比较
• 3.6.2 宽带光束二级热像的位置
• 3.6.3 带宽对二级热像的影响
• 3.6.4 相位调制型散射物的相位调制度对二级热像的影响
• 3.6.5 入射宽带光束峰值功率的影响
• 3.7 小结
• 第4章 左手介质中光束的非线性传输和自聚焦研究
• 4.1 左手介质中3+1 维脉冲光束非线性传输方程的导出
• 4.2 左手介质的色散特性
• 4.3 左手介质中超短脉冲非线性传输的反常自陡峭效应
• 4.4 左手介质中光束非线性传输的模型
• 4.5 左手介质中高斯光束的非线性传输特性和自聚焦理论
• 4.5.1 高斯光束在左手介质中的非线性传输
• 4.5.2 高斯光束在左手介质中的自聚焦
• 4.5.3 磁导率对高斯光束自聚焦的影响
• 4.6 左手介质中光束自聚焦和自散焦的数值模拟结果及讨论
• 4.7 小结
• 第5章 左手介质片对光束空间特性的控制研究
• 5.1 线性左手介质片对光束的控制
• 5.1.1 左手介质片对光束的控制作用
• 5.1.2 左手介质片对傍轴高斯光束的相位补偿作用
• 5.2 非线性左手介质片对高斯光束空间特性的控制
• 5.2.1 理论模型
• 5.2.2 解析结果
• 5.2.3 非线性左手介质片对高斯光束的聚焦特性的控制
• 5.3 非线性左手介质片对高斯光束的控制作用的特点分析
• 5.3.1 与线性左手介质片的对比
• 5.3.2 与常规非线性介质片的对比
• 5.3.3 与常规透镜的对比
• 5.4 数值模拟结果
• 5.4.1 入射高斯光束束腰在介质入射面处
• 5.4.2 入射高斯光束束腰不在介质入射面处
• 5.5 小结
• 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）