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飞秒激光在玻璃介质中的成丝效应

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飞秒激光脉冲在玻璃介质中传输时,由于玻璃介质在强电场中表现出非线性克尔效应,即折射率开始与强度相关,此时需要考虑玻璃介质折射率中的非线性折射效应。非线性折射率的表达式为  

                                      (1)  

式中, n0是线性折射率,是非线性折射系数,I 是光强度。  

一般飞秒脉冲激光,能量分布为高斯分布,光束中心光强大,周围光强小。当光束在玻璃介质中传播时,介质折射率也会出现不均匀分布,光斑的中间区域折射率高,边缘区域的折射率低,折射率在空间分布可以类似于微小凸透镜,对光束产生自聚焦作用,即通常所说的克尔自聚焦效应。激光入射功率越强,产生的光束聚焦效应越强。当入射激光的峰值功率Pin高于产生自聚焦现象的临界值 Pcr时,形成自聚焦。Pcr的大小满足  

                                (2)  

式中,λ为入射激光波长,    为玻璃的线性折射率。  

入射光束近似为高斯光束,在 z 向发生偏振。电场的表达式为

    (3)

式中,    是电场幅值,      是光束束腰处的光斑半径,      是波数,定义为      ,z z 向的单位矢量。

    函数定义了光斑尺寸随其到束腰距离的变化:  

                                      (4)

式中,    是瑞利长度。曲率半径定义为  

                                        (5)

靠近束腰的相位变化,也就是所谓的Gouy 相移,定义为  

                                      (6)

当波长为1030nm时,    ,玻璃的非线性折射率系数为    。通过上式可以计算得到1030nm 激光在玻璃中的自聚焦阈值功率为    ,我们采用COMSOLMultiphysics软件建立仿真模型。  

▲图1光强分布

▲ 图2折射率分布

参考文献:

1ZHANG PingBIAN BaominQIAN Yan et al. The study of filament caused bypropagation of ultra-strong femtosecond laser in airJ.Laser Journal2004256):1-3.

2FONTAINE BLAVIDALFJIANG Zetal. Filamentation of ultrashort pulse laser beams resulting from their propagationover long distances in airJ.Physics of Plasmas199965):1615-1621.

3SHLENOV S ADERGACHEVA AIONIN A Aetal. Femtosecond laser filament and plasma channels in focusedbeam in airC.SPIE2015.

[4]COUAIRON A,MYSYROWICZA. Femtosecond filamentation in transparent media[J].Physics Reports,2007,441(2-4):47-189.


来源:旋算仿真工作室
Comsol非线性电场
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首次发布时间:2024-09-15
最近编辑:1月前
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