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河北工业大学
硕士学位论文
非线性吸收系数与泵浦超短脉冲激光时空结构关系的研究
姓名:王书云
申请学位级别:硕士
专业:理论物理
指导教师:赵培德
2010-12
河北工业大学硕士学位论文
非线性吸收系数与泵浦超短脉冲激光时空结构关系的研究
摘要
功能材料多光子吸收性质的研究是目前国内外光电子领域的前沿热点研究内容之一,属非线性光学
范畴。用超短脉冲激光激发,通过测量穿过介质的非线性能量透过率,从而确定介质的双光子、三光子
等多光子吸收系数,是目前国内外有关专家采用的主要物理途径。通常情况下,能量透过率既与介质的
非线性吸收性质有关,也取决于激发光的时空结构特性。目前在确定超短脉冲时域结构方面存在很大的
技术难度,故对其结构常采用模型化处理,由此导致对于同一组非线性能量透过率实验结果,采用不同
脉冲模型将得到不同的非线性吸收系数。根据目前通用的非线性能量透过率物理原理参考公式,其对脉
冲的处理是以积分的形式给出表达。这种表示方式对目前常用的超短脉冲模型无法给出进一步的解析解,
进而由于采用不同脉冲模型导致的同一种介质的不同非线性吸收系数之间的差别不能给出有效和简洁
的表示。
本论文主要从理论和数值计算两个方面,研究泵浦超短脉冲激光的时空结构对介质多光子吸收系数
的影响。具体的研究内容是:根据目前泵浦脉冲激光具有时空可分离的特点,结合实验上实际测量的物
理量为一个脉冲的平均能量,从非线性吸收方程出发,推导出适合于各种不同脉冲激光模型的非线性能
量透过率的一般解析表达式;通过引入描述脉冲激光时空结构影响的特征参量,提出一种考虑激发光时
空结构对介质非线性吸收系数影响的新的表征方法,并对提出的方法的近似与合理性给出量化误差计
算。研究工作得到了以下具体结果。
1、从目前通用的非线性吸收基础方程中出发,通过对泵浦激光脉冲的时域结构进行平均,分别引入了
与介质的双光子和三光子吸收系数相关联的两个脉冲时域结构影响因子( g 2PA 和 g3PA 因子),理论推
导并得出了适合于各种不同激光脉冲模型的脉冲能量表达式。以目前常用的五种典型超短脉冲模型为
例,采用数值模拟方法,与传统使用的非线性能量理论公式进行了量化比较,量化相对误差结果为:在
非线性能量透过率» 的范围内,基于新、旧两个非线性能量透过率公式得出的双、三光子吸收系数
的最大相对误差分别为«%、«%。这些结果说明: g 因子可以较好地反映泵浦激光脉冲时域结
构对确定介质双、三光子吸收系数的影响。
2、将脉冲时域结构影响因子方法推广应用到 Z-扫描中。通过与用 Z-scan 确定介质双光子吸收系数的
典型实验结果和传统理论公式拟合对比,在典型 Z-scan 的非线性能量透过率» ,用 g 因
子表征泵浦激光脉冲时域结构对确定介质双、三光子吸收系数的影响显示出具有很高的精度(最大相对
误差范围分别为:«%(«%))。因此,用 g 2PA 因子和 g3PA 因子作为表征泵浦激光不同脉冲对确
定介质双、三光子吸收系数影响的特征参数具有较好的合理性。
3、提出了一种表征泵浦激光空间横(径)向结构对确定介质非线性吸收系数影响的新尝试----径向结
构因子( f 因子)方法,并量化计算了这种方法的近似成度。数值模拟结果显示,在 z-扫描测量方法
中采用径向结构因子方法得出的双、三光子吸收系数,其最大误差分别为 % (%)。
综合本论文的研究结果说明,脉冲结构因子( g 因子)和径向结构因子( f 因子)也许有可能成
为目前表征激发光时空结构对确定介质双、三光子吸收系数影响的备选、简洁特征参数之一。
关键词:非线性透过率,超短脉冲激光,双光子吸收,三光子吸收,Z-扫描
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河北工业大学硕士学位论文
Study on Nonlinear Absorption Coefficient Relative to
the Spatio-temporal Profiles of Pump Laser



ABSTRACT


The study dealing with the Multiple-photon absorption properties of materials is one of the
hotspots in Optoelectronics field. It belongs to a part of nonlinear optical areas. Induced by
ultra-short pulse laser, generally, the non