傾斜非線性介質熱像效應的實驗研究

王友文, 游開明, 陳列尊, 陸世專, 戴志平

(衡陽師范學院 物理與電子信息科學系, 湖南 衡陽 421008)

傾斜非線性介質熱像效應的實驗研究

王友文, 游開明, 陳列尊, 陸世專, 戴志平

(衡陽師范學院 物理與電子信息科學系, 湖南 衡陽 421008)

高功率激光系統(tǒng)中,熱像的強度可以達到光學元件的損傷閥值,從而威脅系統(tǒng)的安全運行．以往對熱像效應的研究主要針對光束正入射非線性介質的情況,而實際片狀放大器中的介質片往往傾斜放置．實驗研究了傾斜非線性介質的熱像效應,結果表明,非線性介質傾斜引起熱像的平移,且隨介質傾斜角度的增加,熱像位置平移的距離增加,其增加量與理論分析光束通過介質后的平移量符合較好,而熱像的強度變化很?。媒Y果對適當排布高功率激光系統(tǒng)中的元件以避免熱像帶來的損傷具有重要意義．

非線性光學; 高功率激光; 熱像; 小尺度自聚焦

0 引言

在高功率激光系統(tǒng)中,高強度激光通過系統(tǒng)光路鏈時,上游元件上的污點或缺陷等模糊斑(Obscurations)引起的散射光與主光束在下游非線性光學元件中相互作用,由于非線性光學元件的折射率與光強相關,部分主光束將被折射,在非線性元件的下游形成模糊斑的高強度的像,稱之為熱像[1-3],其強度可能超過主光束強度的許多倍而達到光學元件損傷閥值,從而對系統(tǒng)的安全運行造成威脅．Hunt等理論分析了熱像效應的形成機制,得到熱像位置及強度與B積分的關系[1], Williams等人從實驗和數值模擬上驗證了Hunt的理論結果[2-3]．趙建林等獲得了二級熱像及多元件缺陷熱像的形成規(guī)律[4,5]．文雙春等人研究了熱像光強隨模糊斑的尺寸和介質厚度的變化規(guī)律[6,7]．以往對非線性熱像效應的研究主要針對光束正入射非線性介質的情況,然而,眾所周知,實際高功率激光系統(tǒng)中片狀放大器的介質片均以布儒斯特角傾斜放置[8],那么,高強度激光通過傾斜非線性克爾介質是否產生熱像,介質的傾斜對熱像的位置與強度有何影響．對此,本文實驗研究傾斜介質的非線性熱像效應,著重考察介質情況下的熱像形成過程及介質傾斜對熱像光強與位置的影響,為正確排布高功率激光系統(tǒng)中的光學元件,提高系統(tǒng)運行安全提供參考．

1 實驗裝置介紹

圖1 傾斜非線性克爾介質熱像實驗裝置示意圖

圖2 光束經過非線性介質后其峰均比光強隨傳輸距離的變化

傾斜非線性介質熱像形成的實驗裝置如圖1所示．其中激光源為相干公司的Libra鈦寶石飛秒激光器,單脈沖最大能量1mJ,中心波長800nm,光束的空間輪廓也為近高斯分布,半高全寬約6.0mm．光束經中性密度濾光片衰減后,入射到寬度約0.2mm的細絲(相當于模糊斑或散射物),選擇細絲作為模糊斑是便于懸掛,而絲狀或點狀模糊斑形成熱像的規(guī)律基本相同．之后,光束通過放置在帶讀數盤的旋轉臺上裝有二硫化碳(CS2)的玻璃管,玻璃管長度為5.0cm,直徑5cm,兩端用厚約2.0mm的光學玻璃密封．選擇二硫化碳(CS2)作為非線性介質,是由于它的非線性系數較大[3],因而用中等強度的激光可以產生較大的非線性相移,并可以最小化其他元件的非線性作用,也便于保持良好的光束質量．從非線性介質出射的光場再經過一固定中性密度濾光片衰減,由放置在滑軌上的CCD相機記錄其空間輪廓分布．

2 實驗結果與分析

2.1 傾斜克爾介質非線性熱像形成過程觀察

圖3 光場在非線性介質后100cm處(熱像位置)的光強二維分布(左)及其對應的水平軸上的輪廓分布(右)．

圖2所示為光束經過傾斜角度分別為0°及30°的非線性介質后,其峰均比光強(Ipa)隨傳輸距離(離非線性介質后表面的距離d2)的變化曲線,入射光平均功率為P=200mW,散射細絲離非線性介質前表面的距離為d1=100cm．從圖中可以看出,在非線性介質CS2后面約100cm處均有一峰均比光強極大值,對應所謂的熱像,非線性介質后約50cm處有另一稍弱的峰均比強度峰,為所謂的二級熱像[7],值得注意的是,二級熱像強度也較高,可能對元件造成破壞．而介質傾斜角度0°及30°時兩曲線的差別不大,即介質傾斜引起熱像的光強變化不大．

圖3所示為熱像所在平面內的光強分布圖及其對應的輪廓圖,其中圖3(a)為沒有放置非線性介質CS2時距離細絲200cm處(熱像所在位置)的光強分布,顯然,沒有放置非線性介質CS2時,此處的光強分布為細絲的衍射圖樣．圖3(b)為光束垂直入射非線性介質CS2后,在細絲關于非線性介質大致對稱共軛的位置,即介質后100cm處的光強分布圖,可以看到,在光束中央出現很亮的亮條紋,這是所謂的熱像．圖3(c)所示為放置傾斜30°的非線性介質CS2后,介質后100cm處的光強分布圖,在光束中央也有對應熱像的很亮的亮條紋,與圖3(b)比較可以看出,兩熱像的形狀與峰均比均基本相同,即介質傾斜引起熱像的光強變化不大．

2.2 介質傾斜對熱像強度與位置的影響

圖4 介質傾斜引起非線性熱像平移的示意圖

2.2.1 理論分析

圖4示意性地描述了介質傾斜引起非線性熱像平移及光束在介質中光程增加的過程．開始時,介質豎直放置,入射光與介質表面法線重合,當介質旋轉θ1角時,入射光線將與法線成θ1角,折射光線在介質中與法線成θ2角,之后經第二個界面折射后出射,出射光線與入射光線平行．介質傾斜前后,光線平移的距離ΔL為

ΔL=d×[tg(θ1)-tg(θ2)]×cosθ1

(1)

因而,當介質傾斜時,熱像將產生ΔL距離的平移．

在介質中,光線通過的路程長度增加量為

Δd=d×(1/cosθ2-1)

(2)

該路程的增加,將引起光束通過介質非線性相移的增加,即B積分的增加,B積分的增量為

ΔB=2πγIΔd/λ

(3)

其中λ為工作激光的波長,I為其光強,γ為克爾介質的非線性系數,因而最快增長調制(對應衍射光)將增加exp(ΔB)．

2.2.2 實驗結果與討論

圖5 光束經四種不同傾角非線性介質后其峰均比光強隨傳輸距離變化

表1為光束入射功率為100mW,模糊斑到第非線性介質前表面的距離100cm,非線性介質厚度5.0cm時,熱像平移距離隨非線性介質旋轉角度的變化列表．從表中可以看出,隨介質傾斜角度的增大,熱像移動的距離增加,且理論結果與實測距離大致相符．

圖5所示為光束在四種不同入射角度情況下,從非線性介質出射光場峰均比光強沿傳輸軸的變化曲線,從圖中可以看出,在4種傾斜角度下,峰均比光強曲線基本重合,熱像光強基本相等,即在5cm厚的介質傾斜30°以內的情況下,熱像光強變化很?。@可從表2中得到解釋,由于100mW功率的光束傳輸通過5cm厚的介質時由介質非線性引起的B積分約2.0rad,由于介質傾斜產生的路程增加引起的B積分的變化列于表中,從表中看出,在30°傾斜角度以內,該路程增加量很小,相應的增加的B積分也很?。疅嵯窆鈴姷脑黾?主要是由于各空間頻率成份增長引起的,最快增長空間頻率成份的增長率約為exp(ΔB),表中列出了由于介質傾斜引起的增加的B積分對應的最快增長空間頻率成份的增長率,可以看到它的值不大,由于熱像強度的增長一般比最快增長空間頻率成份的增長率要小,因此,可知,由于非線性介質傾斜引起的熱像的強度的增加不大．

表1 介質傾斜引起熱像位置的平移量(入射功率100mW)

表2 非線性介質傾斜引起光程增加與B積分增加及最快增長空間頻率增長率

3 結論

通過以上光束通過傾斜自聚焦介質熱像效應的實驗研究,我們發(fā)現,強激光經過傾斜非線性介質可以產生熱像．而非線性介質傾斜時的熱像,相對于光束正入射時的熱像,位置發(fā)生平移,且隨非線性介質傾斜角度的增加,熱像位置的平移量增加,而在實際激光系統(tǒng)運行參數下,由于介質傾斜引起光束通過非線性介質的B積分變化很小,熱像強度變化很?。媒Y果可為適當排布高功率激光系統(tǒng)中光學元件以避免熱像帶來的損傷提供參考．

[1] Hunt J T, Manes K R, Renard P A, et al. Hot images from obscurations[J]. Appl Opt, 1993, 32(30):5973-5982.

[2] Widmayer C C, Milam D, Deszoeke S P. Nonlinear formation of holographic images of obscurations in laser beams[J]. Appl Opt, 1997, 36(36):9342-9347.

[3] Widmayer C C, Nickels M R, Milam D. Nonlinear holographic imaging of phase errors[J], Appl Opt, 1998, 37(21):4801-4805.

[4] Xie L P, Zhao J L, Jing F. Second-order hot image from a scatter in high-power laser systems[J]. Appl Opt, 2005, 44(13): 2553-2557.

[5] 蔡朝斌,趙建林,彭濤,等. 高功率固體激光系統(tǒng)中隨機分布缺陷產生的“熱像”效應[J]. 物理學報,2011,60(11):114209.

[6] 王友文,文雙春,胡勇華,等. 強激光非線性熱像與克爾介質厚度的關系[J]. 中國激光,2008,35(5): 698-705

[7] Wang Y W, Wen S C, Zhang L F, et al. Obscuration size dependence of hot image in laser beam through a Kerr medium slab with gain and loss[J]. Appl Opt, 2008, 47(8): 1152-1163.

[8] Kemp A J, Valentine G J, Burns D. Progress towards high-power, high-brightness neodymium-based thin-disk lasers[J]. Prog Quantum Electron, 2004, 28(6):305-344.

[責任編輯：蔣海龍]

ExperimentalStudyofHotImageEffectthroughTiltedNonlinearMediumSlab

WANG You-wen, YOU Kai-ming, CHEN Lie-zun, LU Shi-zhuan, DAI Zhi-ping

(Department of Physics and Electronic Information Science, Hengyang Normal University, Hengyang Hunan 421008, China)

In high-power laser system, hot image can be intense enough to damage expensive optical components, and hinder the safe operation of the laser system. Previous study of hot image effect has been concentrated on the case of the light beam normally incident on the nonlinear medium slab. However, the nonlinear medium slab in the realistic disk amplifier is tilted with respect to the propagation axis. An experimental study of hot image effect in an intense laser beam through a tilted nonlinear medium slab is presented. It is shown that, relative to the case of laser beam normally incident on the nonlinear medium slab, the location of the hot image will shift transversely, and the shift increment will increase with the incident angle increasing, while the intensity of the hot image is changed very little. These results are significant for appropriately laying out the optical components to avoid damage risks of hot image in high power laser system.

nonlinear optics; high-power lasers; hot image; small-scale self-focusing

O437.5

A

1671-6876(2012)02-0146-04

2012-02-22

湖南省自然科學基金資助項目(11JJ3076)

王友文(1972-), 男, 湖南衡陽人, 教授, 博士, 主要從事強激光傳輸與控制等方面的研究.