[科普中國]-光束自聚焦

光束自聚焦是指強(qiáng)激光束通過非線性介質(zhì)時會自動會聚成直徑為幾微米的細(xì)線或一串串細(xì)小的焦點的現(xiàn)象。

簡介一束普通的平行光經(jīng)過透鏡會產(chǎn)生會聚或者發(fā)散，但是若通過均勻透明的平行平板玻璃卻仍然是平行光。一束強(qiáng)光卻不是這樣的，當(dāng)它通過均勻的平行平面晶體時，將會聚成直徑為幾個徽米的細(xì)線或一串串細(xì)小的焦點，這一現(xiàn)象稱為光束自聚焦1。光束自聚焦是一種非線性效應(yīng)。2

特點光束自聚焦形成的細(xì)絲可長達(dá)幾厘米，但直徑往往只有幾微米且近乎不變。細(xì)絲的光強(qiáng)很強(qiáng)，可達(dá)10W/cm或更高。此外，盡管入射光是單色的，但細(xì)絲處的光卻具有大于100cm的光譜寬度，伴隨自聚焦出現(xiàn)的這個現(xiàn)象稱為光束自加寬。自聚焦在液體和氣體中是同樣存在的。同時，都存在一定的閾值，只有當(dāng)入射光強(qiáng)高于該閾值時自聚焦才會發(fā)生。

原理光束自聚焦是一種重要的三階非線性光學(xué)效應(yīng)，根源是介質(zhì)感應(yīng)折射率的變化與通過介質(zhì)的光強(qiáng)成正比。已知，在很多情況下激光光強(qiáng)在其光束截面上的分布是不均勻的，而往往呈高斯分布。由于中心部分光強(qiáng)強(qiáng)，折射率增加也大；邊緣部分光強(qiáng)弱，折射率增加也小。折射率在光束截面上這種不均勻性的后果，是光在中心部分的相速度小于邊緣部分。因而，原來的波陣面就發(fā)生了畸變，波陣面的中心部發(fā)生凹陷，根據(jù)光線總是垂直于波陣面的原則，光束走了一段距離后就要自動聚焦到一點。

自聚焦不僅要求介質(zhì)有足夠大的非線性系數(shù)，而且光強(qiáng)要足夠強(qiáng)。因此一般都要用脈沖激光。這時又可工作在兩種不同的狀態(tài)，即準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)，分別相應(yīng)于脈寬較介質(zhì)折射率發(fā)生變化的響應(yīng)時間大得多或小得多這兩種情況。激光束經(jīng)非線性介質(zhì)自聚焦后為什么會成為一條絲而不是一個光點，對于上述兩種工作狀態(tài)，進(jìn)一步的解釋是有所不同的。

光脈沖有一定的波形，其前沿、中心和后沿各部位不僅強(qiáng)度不同，通過介質(zhì)的時間也不同。在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工作時，光脈沖的任何部位在介質(zhì)中折射率的大小，是由當(dāng)時這部位光的強(qiáng)度決定的。于是，由于不同時間通過介質(zhì)的是光脈沖的不同部位，因而光束截面中心部分折射率與邊緣部分的差值也因光束通過的時間不同而有差異。其后果是，不同時間通過介質(zhì)的光束，盡管屬于同一個光脈沖，但卻自聚焦在不同位置上，看上去像是一條細(xì)絲。計算表明，幾納秒脈寬的光脈沖，焦點隨時間的移動可達(dá)10cm以上。在瞬態(tài)工作時，光脈沖的后沿部位通過介質(zhì)時，所遇到的是前沿部位通過時已造成的折射率的變化。情況就更加復(fù)雜，但同樣可以滿意地解釋細(xì)絲的形成。

光束自加寬效應(yīng)光束自聚焦后，在焦點附近的局域光強(qiáng)很強(qiáng)，會進(jìn)一步產(chǎn)生感應(yīng)折射率的變化。另一方面，聚焦的焦點又隨時間快速運動。因而激光束本身的位相也在經(jīng)歷著快速的變化，這表現(xiàn)為光束的自調(diào)制效應(yīng)。位相調(diào)制的直接結(jié)果就是光譜增寬，這正是實驗觀察到的在細(xì)絲區(qū)域的自加寬效應(yīng)2。

研究意義自聚焦是光學(xué)材料受激光損傷的主要原因，光束自聚焦的機(jī)理研究為克服或避免材料損傷提供了有效的途徑。光束自聚焦又可在一定區(qū)域內(nèi)大幅度增加激光的功率密度，使人們可以在一般強(qiáng)度的激光源條件下，去研究并獲得必須在強(qiáng)光條件下才能出現(xiàn)的一些光學(xué)效應(yīng)（例如受激散射效應(yīng)）。自聚焦的研究也有助于人們對三階非線性極化的特性及其有關(guān)效應(yīng)的了解。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李曉林 - 教授 - 西南大學(xué)