[发明专利]拉盖尔高斯涡旋飞秒激光在透明介质中传输的仿真方法

说明书

本发明涉及一种拉盖尔高斯涡旋飞秒激光在透明介质中非线性传输的数值求解方法，属于飞秒激光应用技术领域。本发明求解拉盖尔高斯涡旋飞秒激光在透明介质中非线性传输的问题，也就是飞秒涡旋激光与透明介质相互作用的问题。采用分布傅里叶方法来数值求解非线性薛定谔方程，采用龙格库塔方法求解电子密度速率方程。分步傅里叶方法通过假定在传输过程中，光场每通过一小段距离Δz，横向衍射效应、群速度色散和非线性效应可分别作用，得到近似联合效应的结果，可获得光场能流密度分布图和电子密度分布图。

技术领域

本发明涉及一种拉盖尔高斯涡旋飞秒激光在透明介质中非线性传输的数值求解方法，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

20世纪90年代初，高质量的掺钛拉曼宝石研制成功后，用作固体激光器的工作物质，推动了飞秒激光技术及其应用领域的极大发展。飞秒激光脉冲持续时间约为几十到几百飞秒量级，因此它有高达TW甚至PW的瞬时和峰值功率。在如此高的峰值功率下，多光子吸收、多光子电离、雪崩电离、克尔自聚焦、等离子体散焦等非线性效应尤为显著。

过去的二十几年，利用掺钛蓝宝石再生放大系统发射的飞秒高斯光束，通过与透明介质间的非线性相互作用，产生了很多有趣的物理现象，如白光超连续谱、激光成丝和超衍射极限微加工。最近，飞秒涡旋光束与透明介质的非线性相互作用引起了科学家新的研究兴趣。涡旋光束具有螺旋形相位波前，其波前绕着涡旋中心旋转，因此光波携带了轨道角动量。这种光波涡旋中心处存在相位奇点，因此光束的涡旋中心是一个暗核，在传播过程保持中心光强为零。研究人员通过实验研究了飞秒涡旋光束在空气中的非线性传输，发现了涡旋光束具有超高的临界自聚焦功率、特殊的自聚焦模式和数百米高功率传输能力(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，一些微加工研究小组尝试了利用螺旋相位板、q-plate、单轴晶体等器件将飞秒高斯激光整形为飞秒涡旋光束，研究了飞秒涡旋光束在材料表面烧蚀形成环形结构(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)。

尽管飞秒涡旋光束已经在非线性传输和微加工领域初露锋芒，但是飞秒激光涡旋光束的基本参量(激光能量、脉宽、拓扑荷)和聚焦系统参数(数值孔径和聚焦深度)对非线性效应的影响需要进一步系统研究。特别是在微加工领域，目前飞秒涡旋光束的应用还仅限于材料表面加工。由于飞秒激光与透明介质材料相互作用是基于多光子电离效应，可轻松实现在透明材料内部的三维可选区微加工。随着对多功能集成的微器件芯片的研发需要，飞秒涡旋光束深入材料内部进行三维体加工是必然的趋势，也将是微加工前沿研究方向之一。

飞秒激光与透明介质相互作用遵循以下耦合的非线性传输微分方程组：