倾斜非线性介质热像效应的实验研究

王友文, 游开明, 陈列尊, 陆世专, 戴志平

(衡阳师范学院 物理与电子信息科学系, 湖南 衡阳 421008)

倾斜非线性介质热像效应的实验研究

王友文, 游开明, 陈列尊, 陆世专, 戴志平

(衡阳师范学院 物理与电子信息科学系, 湖南 衡阳 421008)

高功率激光系统中,热像的强度可以达到光学元件的损伤阀值,从而威胁系统的安全运行．以往对热像效应的研究主要针对光束正入射非线性介质的情况,而实际片状放大器中的介质片往往倾斜放置．实验研究了倾斜非线性介质的热像效应,结果表明,非线性介质倾斜引起热像的平移,且随介质倾斜角度的增加,热像位置平移的距离增加,其增加量与理论分析光束通过介质后的平移量符合较好,而热像的强度变化很小．所得结果对适当排布高功率激光系统中的元件以避免热像带来的损伤具有重要意义．

非线性光学; 高功率激光; 热像; 小尺度自聚焦

0 引言

在高功率激光系统中,高强度激光通过系统光路链时,上游元件上的污点或缺陷等模糊斑(Obscurations)引起的散射光与主光束在下游非线性光学元件中相互作用,由于非线性光学元件的折射率与光强相关,部分主光束将被折射,在非线性元件的下游形成模糊斑的高强度的像,称之为热像[1-3],其强度可能超过主光束强度的许多倍而达到光学元件损伤阀值,从而对系统的安全运行造成威胁．Hunt等理论分析了热像效应的形成机制,得到热像位置及强度与B积分的关系[1], Williams等人从实验和数值模拟上验证了Hunt的理论结果[2-3]．赵建林等获得了二级热像及多元件缺陷热像的形成规律[4,5]．文双春等人研究了热像光强随模糊斑的尺寸和介质厚度的变化规律[6,7]．以往对非线性热像效应的研究主要针对光束正入射非线性介质的情况,然而,众所周知,实际高功率激光系统中片状放大器的介质片均以布儒斯特角倾斜放置[8],那么,高强度激光通过倾斜非线性克尔介质是否产生热像,介质的倾斜对热像的位置与强度有何影响．对此,本文实验研究倾斜介质的非线性热像效应,着重考察介质情况下的热像形成过程及介质倾斜对热像光强与位置的影响,为正确排布高功率激光系统中的光学元件,提高系统运行安全提供参考．

1 实验装置介绍

图1 倾斜非线性克尔介质热像实验装置示意图

图2 光束经过非线性介质后其峰均比光强随传输距离的变化

倾斜非线性介质热像形成的实验装置如图1所示．其中激光源为相干公司的Libra钛宝石飞秒激光器,单脉冲最大能量1mJ,中心波长800nm,光束的空间轮廓也为近高斯分布,半高全宽约6.0mm．光束经中性密度滤光片衰减后,入射到宽度约0.2mm的细丝(相当于模糊斑或散射物),选择细丝作为模糊斑是便于悬挂,而丝状或点状模糊斑形成热像的规律基本相同．之后,光束通过放置在带读数盘的旋转台上装有二硫化碳(CS2)的玻璃管,玻璃管长度为5.0cm,直径5cm,两端用厚约2.0mm的光学玻璃密封．选择二硫化碳(CS2)作为非线性介质,是由于它的非线性系数较大[3],因而用中等强度的激光可以产生较大的非线性相移,并可以最小化其他元件的非线性作用,也便于保持良好的光束质量．从非线性介质出射的光场再经过一固定中性密度滤光片衰减,由放置在滑轨上的CCD相机记录其空间轮廓分布．

2 实验结果与分析

2.1 倾斜克尔介质非线性热像形成过程观察

图3 光场在非线性介质后100cm处(热像位置)的光强二维分布(左)及其对应的水平轴上的轮廓分布(右)．

图2所示为光束经过倾斜角度分别为0°及30°的非线性介质后,其峰均比光强(Ipa)随传输距离(离非线性介质后表面的距离d2)的变化曲线,入射光平均功率为P=200mW,散射细丝离非线性介质前表面的距离为d1=100cm．从图中可以看出,在非线性介质CS2后面约100cm处均有一峰均比光强极大值,对应所谓的热像,非线性介质后约50cm处有另一稍弱的峰均比强度峰,为所谓的二级热像[7],值得注意的是,二级热像强度也较高,可能对元件造成破坏．而介质倾斜角度0°及30°时两曲线的差别不大,即介质倾斜引起热像的光强变化不大．

图3所示为热像所在平面内的光强分布图及其对应的轮廓图,其中图3(a)为没有放置非线性介质CS2时距离细丝200cm处(热像所在位置)的光强分布,显然,没有放置非线性介质CS2时,此处的光强分布为细丝的衍射图样．图3(b)为光束垂直入射非线性介质CS2后,在细丝关于非线性介质大致对称共轭的位置,即介质后100cm处的光强分布图,可以看到,在光束中央出现很亮的亮条纹,这是所谓的热像．图3(c)所示为放置倾斜30°的非线性介质CS2后,介质后100cm处的光强分布图,在光束中央也有对应热像的很亮的亮条纹,与图3(b)比较可以看出,两热像的形状与峰均比均基本相同,即介质倾斜引起热像的光强变化不大．

2.2 介质倾斜对热像强度与位置的影响

图4 介质倾斜引起非线性热像平移的示意图

2.2.1 理论分析

图4示意性地描述了介质倾斜引起非线性热像平移及光束在介质中光程增加的过程．开始时,介质竖直放置,入射光与介质表面法线重合,当介质旋转θ1角时,入射光线将与法线成θ1角,折射光线在介质中与法线成θ2角,之后经第二个界面折射后出射,出射光线与入射光线平行．介质倾斜前后,光线平移的距离ΔL为

ΔL=d×[tg(θ1)-tg(θ2)]×cosθ1

(1)

因而,当介质倾斜时,热像将产生ΔL距离的平移．

在介质中,光线通过的路程长度增加量为

Δd=d×(1/cosθ2-1)

(2)

该路程的增加,将引起光束通过介质非线性相移的增加,即B积分的增加,B积分的增量为

ΔB=2πγIΔd/λ

(3)

其中λ为工作激光的波长,I为其光强,γ为克尔介质的非线性系数,因而最快增长调制(对应衍射光)将增加exp(ΔB)．

2.2.2 实验结果与讨论

图5 光束经四种不同倾角非线性介质后其峰均比光强随传输距离变化

表1为光束入射功率为100mW,模糊斑到第非线性介质前表面的距离100cm,非线性介质厚度5.0cm时,热像平移距离随非线性介质旋转角度的变化列表．从表中可以看出,随介质倾斜角度的增大,热像移动的距离增加,且理论结果与实测距离大致相符．

图5所示为光束在四种不同入射角度情况下,从非线性介质出射光场峰均比光强沿传输轴的变化曲线,从图中可以看出,在4种倾斜角度下,峰均比光强曲线基本重合,热像光强基本相等,即在5cm厚的介质倾斜30°以内的情况下,热像光强变化很小．这可从表2中得到解释,由于100mW功率的光束传输通过5cm厚的介质时由介质非线性引起的B积分约2.0rad,由于介质倾斜产生的路程增加引起的B积分的变化列于表中,从表中看出,在30°倾斜角度以内,该路程增加量很小,相应的增加的B积分也很小．热像光强的增加,主要是由于各空间频率成份增长引起的,最快增长空间频率成份的增长率约为exp(ΔB),表中列出了由于介质倾斜引起的增加的B积分对应的最快增长空间频率成份的增长率,可以看到它的值不大,由于热像强度的增长一般比最快增长空间频率成份的增长率要小,因此,可知,由于非线性介质倾斜引起的热像的强度的增加不大．

表1 介质倾斜引起热像位置的平移量(入射功率100mW)

表2 非线性介质倾斜引起光程增加与B积分增加及最快增长空间频率增长率

3 结论

通过以上光束通过倾斜自聚焦介质热像效应的实验研究,我们发现,强激光经过倾斜非线性介质可以产生热像．而非线性介质倾斜时的热像,相对于光束正入射时的热像,位置发生平移,且随非线性介质倾斜角度的增加,热像位置的平移量增加,而在实际激光系统运行参数下,由于介质倾斜引起光束通过非线性介质的B积分变化很小,热像强度变化很小．所得结果可为适当排布高功率激光系统中光学元件以避免热像带来的损伤提供参考．

[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,赵建林,彭涛,等. 高功率固体激光系统中随机分布缺陷产生的“热像”效应[J]. 物理学报,2011,60(11):114209.

[6] 王友文,文双春,胡勇华,等. 强激光非线性热像与克尔介质厚度的关系[J]. 中国激光,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.

[责任编辑：蒋海龙]

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

湖南省自然科学基金资助项目(11JJ3076)

王友文(1972-), 男, 湖南衡阳人, 教授, 博士, 主要从事强激光传输与控制等方面的研究.