强紫外激光在空气中长程传输受激旋转拉曼散射效应

第15卷　第10期2003年10月

强　激　光　与　粒　子　束

HIGH　POWER　LASER　AND　PAR TICL E　B EAMS

Vol.15,No.10

Oct.,2003

文章编号:100124322(2003)1020937203

强紫外激光在空气中长程传输受激旋转拉曼散射效应Ξ李廷红1,　张　彬1,　蔡邦维1,　李恪宇1,2,　马　驰2

(1.四川大学电子信息学院,四川成都610064;2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900)

摘　要:　采用瞬态受激旋转拉曼散射(SRRS)模型,详细考虑了激光脉冲波形、介质的非线性极化、泵浦

光的衰减、斯托克斯光的非线性放大以及拉曼线宽等诸多因素,对强紫外激光束在空气中长程传输过程产生的

SRRS效应进行了研究。讨论了产生SRRS效应的阈值条件,详细分析了SRRS效应对激光光束质量的影响。

关键词:　受激旋转拉曼散射(SRRS);　转换效率;　阈值;　光束质量

中图分类号:O437.1 文献标识码:A

在惯性约束核聚变(ICF)中,频率转换器输出的强紫外激光束需要在空气中长距离传输才能到达聚变靶丸。强紫外激光束在空气长程传输过程中将产生受激旋转拉曼散射(SRRS)效应[1,2]。由于SRRS效应的存在,不但会引起泵浦光能量的损失,而且还将使激光束的光束质量明显变差。对于ICF所使用的短脉冲,有必要采用瞬态受激旋转拉曼散射理论来进行处理[1～5]。本文采用描述瞬态SRRS的Maxwell2Bloch2Langevin方程组,通过数值计算模拟,研究了强紫外激光束在空气长程传输过程中产生的SRRS效应。讨论了SRRS效应的阈值条件,详细分析了SRRS效应的存在对激光光束质量的影响。

1　计算模型

本文采用Maxwell2Bloch2Langevin方程来描述强紫外激光在空气中长程传输时所产生的SRRS效应。该模型包括了激光脉冲波形、介质的非线性极化、泵浦光的衰减、斯托克斯光的非线性放大以及拉曼线宽等诸多因素。描述SRRS的Maxwell2Bloch2Langevin方程组为[1]

5E P(x,y,z,t)

5z=-i k3Q SRS(x,y,z,t)E S(x,y,z,t)(1)

5E S(x,y,z,t)

5z=-i k2Q3SRS(x,y,z,t)E p(x,y,z,t)(2) 5Q3SRS(x,y,z,t)

5z=-ΓQ3SRS(x,y,z,t)+i k1E3p(x,y,z,t)E S(x,y,z,t)(3)式中:E P和E S分别为泵浦光和斯托克斯光的复振幅;Q SRS表示介质极化;Γ为拉曼线宽;k1,k2,k3为耦合系数,k1=(Γcg/4πnhωS)1/2,k2=k3=(nhωS/c)k1,g为稳态增益系数,ωS为斯托克斯光的圆频率,n是拉曼激活“原子”数密度,c为空气中的光速,h为普朗克常数。

(1)～(3)式分别描述了泵浦光的衰减,斯托克斯光的放大,以及介质的非线性极化。可采用有限差分法对方程组(1)～(3)进行数值求解,具体方法为:(1)将激光在空气中的传输距离分成许多薄片△z;(2)对每一个薄片,将泵浦场在空间z方向和时间t上离散化;(3)使用有限差分法来求解方程组。

2　计算结果与分析

在本文计算中,假设泵浦光脉冲在空间上为10阶超高斯分布,在时间上为高斯分布。拉曼激活“原子”数密度n为2.234×1019cm-3[6],其它相关参数与文献[2]的参数完全一致,即拉曼线宽Γ=7.52×109s-1,稳态增益系数g=6.76×10-12cm/W,斯托克斯光的圆频率ωS=5.3543×1015Hz,初始的斯托克斯光强度为0102W/cm2,泵浦光强度为2.2×109W/cm2,泵浦光的波长为3.511×10-5cm,斯托克斯光的波长为3.5204×10-5cm,泵浦光脉冲半宽度为2.5×10-10s。

图1给出了在不同的入射泵浦光强度下,斯托克斯光与泵浦光通量随传输距离的变化曲线,(a)I L0=4.4×109W/cm2;(b)I L0=2.2×109W/cm2。由图1可以看出,对于给定的入射泵浦光强度,当传输距离较短时(阈值条件以下,例如,图1(a)中z<8.5m,(b)中z<17m),泵浦光强度基本保持不变,而斯托克斯光强度几乎

Ξ收稿日期:2003202227;　修订日期:2003204228

基金项目:国家863计划项目资助课题。

作者简介:李廷红(19772),男,重庆市人,硕士生,主要从事激光物理与激光技术研究;E2mail:litinghong78@。

为零。到达阈值条件以后,随着传输距离的增加,泵浦光强度几乎呈指数衰减,而斯托克斯光的强度却呈指数形式大幅度增长。入射泵浦光强度越高,开始产生斯托克斯光的传输距离越短,阈值处(定义为1%的泵浦光转换为斯托克斯光[6])的gIL 乘积将保持不变。为了进一步说明SRRS 效应的阈值条件,图2给出了泵浦光转换为斯托克斯光的效率曲线。

从图2中进一步可知,本文计算条件下的SRRS 效应的阈值条件为gIL ≈25,与文献[2]针对美国罗切斯特大学OM EG A 装置得出的斯托克斯光阈值为gIL =25的结论一致。进一步分析图2可知,当超过阈值条件以后,斯托克斯光的转换效率几乎随gIL 呈指数增长。

图3给出了阈值处泵浦光和斯托克斯光的时间脉冲波形。可以看出,由于SRRS 效应产生的斯托克斯光比泵浦光明显滞后

。

Fig.1　Influence vs distance curve of the stokes and pump

图1　

斯托克斯光和泵浦光的通量随传输距离的变化曲线

Fig.2　Efficiency curve of the Stokes 图2　

斯托克斯光的效率曲线Fig.3　Temporal waveform of the pump and Stokes at threshold

图3　阈值处泵浦光和斯托克斯光的时间脉冲波形

Fig.4　Stokes and pump intensity distributions

图4　泵浦光和斯托克斯光的强度分布

为了说明SRRS 效应对激光光束质量的影响,假设入射泵浦光存在小的强度调制,其强度分布如图4(a )

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