光束自聚焦是指強雷射束通過非線性介質時會自動會聚成直徑為幾微米的細線或一串串細小的焦點的現象。
基本介紹
- 中文名：光束自聚焦
- 外文名：Beam self-focusing
- 類型：電子工程術語
- 對象：光束
簡介,特點,原理,光束自加寬效應,研究意義,
簡介
一束普通的平行光經過透鏡會產生會聚或者發散，但是若通過均勻透明的平行平板玻璃卻仍然是平行光。一束強光卻不是這樣的，當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線或一串串細小的焦點，這一現象稱為光束自聚焦。光束自聚焦是一種非線性效應。
特點
光束自聚焦形成的細絲可長達幾厘米，但直逕往往只有幾微米且近乎不變。細絲的光強很強，可達10W/cm或更高。此外，儘管入射光是單色的，但細絲處的光卻具有大於100cm的光譜寬度，伴隨自聚焦出現的這個現象稱為光束自加寬。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，只有當入射光強高於該閾值時自聚焦才會發生。
原理
光束自聚焦是一種重要的三階非線性光學效應，根源是介質感應折射率的變化與通過介質的光強成正比。已知，在很多情況下雷射光強在其光束截面上的分布是不均勻的，而往往呈高斯分布。由於中心部分光強強，折射率增加也大；邊緣部分光強弱，折射率增加也小。折射率在光束截面上這種不均勻性的後果，是光在中心部分的相速度小於邊緣部分。因而，原來的波陣面就發生了畸變，波陣面的中心部發生凹陷，根據光線總是垂直於波陣面的原則，光束走了一段距離後就要自動聚焦到一點。
自聚焦不僅要求介質有足夠大的非線性係數，而且光強要足夠強。因此一般都要用脈衝雷射。這時又可工作在兩種不同的狀態，即準穩態和瞬態，分別相應於脈寬較介質折射率發生變化的回響時間大得多或小得多這兩種情況。雷射束經非線性介質自聚焦後為什麼會成為一條絲而不是一個光點，對於上述兩種工作狀態，進一步的解釋是有所不同的。
光脈衝有一定的波形，其前沿、中心和後沿各部位不僅強度不同，通過介質的時間也不同。在準穩態工作時，光脈衝的任何部位在介質中折射率的大小，是由當時這部位光的強度決定的。於是，由於不同時間通過介質的是光脈衝的不同部位，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。其後果是，不同時間通過介質的光束，儘管屬於同一個光脈衝，但卻自聚焦在不同位置上，看上去像是一條細絲。計算表明，幾納秒脈寬的光脈衝，焦點隨時間的移動可達10cm以上。在瞬態工作時，光脈衝的後沿部位通過介質時，所遇到的是前沿部位通過時已造成的折射率的變化。情況就更加複雜，但同樣可以滿意地解釋細絲的形成。
光束自加寬效應
光束自聚焦後，在焦點附近的局域光強很強，會進一步產生感應折射率的變化。另一方面，聚焦的焦點又隨時間快速運動。因而雷射束本身的位相也在經歷著快速的變化，這表現為光束的自調製效應。位相調製的直接結果就是光譜增寬，這正是實驗觀察到的在細絲區域的自加寬效應。
研究意義
自聚焦是光學材料受雷射損傷的主要原因，光束自聚焦的機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域內大幅度增加雷射的功率密度，使人們可以在一般強度的雷射源條件下，去研究並獲得必須在強光條件下才能出現的一些光學效應（例如受激散射效應）。自聚焦的研究也有助於人們對三階非線性極化的特性及其有關效應的了解。
