[發明專利]拉蓋爾高斯渦旋飛秒激光在透明介質中傳輸的仿真方法

有效

• 申請號: 201610811919.8
• 申請日: 2016-09-08
• 公開（公告）號: CN106709125B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 宋娟
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種拉蓋爾高斯渦旋飛秒激光在透明介質中非線性傳輸的數值求解方法，屬于飛秒激光應用技術領域。本發明求解拉蓋爾高斯渦旋飛秒激光在透明介質中非線性傳輸的問題，也就是飛秒渦旋激光與透明介質相互作用的問題。采用分布傅里葉方法來數值求解非線性薛定諤方程，采用龍格庫塔方法求解電子密度速率方程。分步傅里葉方法通過假定在傳輸過程中，光場每通過一小段距離Δz，橫向衍射效應、群速度色散和非線性效應可分別作用，得到近似聯合效應的結果，可獲得光場能流密度分布圖和電子密度分布圖。

技術領域

本發明涉及一種拉蓋爾高斯渦旋飛秒激光在透明介質中非線性傳輸的數值求解方法，屬于飛秒激光應用技術領域。

背景技術

20世紀90年代初，高質量的摻鈦拉曼寶石研制成功后，用作固體激光器的工作物質，推動了飛秒激光技術及其應用領域的極大發展。飛秒激光脈沖持續時間約為幾十到幾百飛秒量級，因此它有高達TW甚至PW的瞬時和峰值功率。在如此高的峰值功率下，多光子吸收、多光子電離、雪崩電離、克爾自聚焦、等離子體散焦等非線性效應尤為顯著。

過去的二十幾年，利用摻鈦藍寶石再生放大系統發射的飛秒高斯光束，通過與透明介質間的非線性相互作用，產生了很多有趣的物理現象，如白光超連續譜、激光成絲和超衍射極限微加工。最近，飛秒渦旋光束與透明介質的非線性相互作用引起了科學家新的研究興趣。渦旋光束具有螺旋形相位波前，其波前繞著渦旋中心旋轉，因此光波攜帶了軌道角動量。這種光波渦旋中心處存在相位奇點，因此光束的渦旋中心是一個暗核，在傳播過程保持中心光強為零。研究人員通過實驗研究了飛秒渦旋光束在空氣中的非線性傳輸，發現了渦旋光束具有超高的臨界自聚焦功率、特殊的自聚焦模式和數百米高功率傳輸能力(Vincotte A,Bergé L.Femtosecond optical vortices in air[J].Physical reviewletters,2005,95(19):193901.Polynkin P,Ament C,Moloney J V.Self-focusing ofultraintense femtosecond optical vortices in air[J].Physical review letters,2013,111(2):023901.)。此外，一些微加工研究小組嘗試了利用螺旋相位板、q-plate、單軸晶體等器件將飛秒高斯激光整形為飛秒渦旋光束，研究了飛秒渦旋光束在材料表面燒蝕形成環形結構(Sahin R,Ersoy T,Akturk S.Ablation of metal thin films usingfemtosecond laser Bessel vortex beams[J].Applied Physics A,2015,118(1):125-129；Anoop K K,Rubano A,Fittipaldi R,et al.Femtosecond laser surfacestructuring of silicon using optical vortex beams generated by a q-plate[J].Applied Physics Letters,2014,104(24):241604；Hnatovsky C,Shvedov V G,Krolikowski W,et al.Materials processing with a tightly focused femtosecondlaser vortex pulse[J].Optics letters,2010,35(20):3417-3419)。

盡管飛秒渦旋光束已經在非線性傳輸和微加工領域初露鋒芒，但是飛秒激光渦旋光束的基本參量(激光能量、脈寬、拓撲荷)和聚焦系統參數(數值孔徑和聚焦深度)對非線性效應的影響需要進一步系統研究。特別是在微加工領域，目前飛秒渦旋光束的應用還僅限于材料表面加工。由于飛秒激光與透明介質材料相互作用是基于多光子電離效應，可輕松實現在透明材料內部的三維可選區微加工。隨著對多功能集成的微器件芯片的研發需要，飛秒渦旋光束深入材料內部進行三維體加工是必然的趨勢，也將是微加工前沿研究方向之一。

飛秒激光與透明介質相互作用遵循以下耦合的非線性傳輸微分方程組：