4-66  自聚焦激光束光束质量评价的功率谱密度方法

彭志涛  景  峰  刘兰琴  朱启华  张  昆   陈  波

在高功率激光系统中，介质的非线性折射率引起的小尺度自聚焦效应将会带来对光束相位和强度分布的影响，增加光学元件遭受成丝破坏的风险。产生光束小尺度纹波调制的机制分为两类：振幅和位相调制。振幅调制引起的光束自聚焦是造成介质损伤的主要因素。根据小信号的Bespalov-Talanov理论，只有特定空间频率（或称为模式）的调制具有最快的增长速度，其增长幅度可以用B积分参数来描述。目前，有关光束的自聚焦成丝已经引起了激光器研制人员的重视。

美国LLNL实验室已开展了这方面的研究工作。随着我国新一代高功率激光器的研制，光束自聚焦成丝破坏也将是面临的一个重要问题，目前极需这方面的研究数据。为了探索强激光非线性自聚焦的一般规律，对选择B参数的合理性给出实验依据，利用“星光”Ⅱ激光装置，观察到了激光在硅酸盐介质传输非线性自聚焦现象。从1999年开始，在“星光”Ⅱ强激光器上进行了一系列的实验研究。

首次把功率谱密度分析的方法引入到激光束光束质量的评价中，分析了自聚焦激光束的近场分布，研究了强激光非线性自聚焦的一般规律，给出了在一定强度调制下的光束经过钕玻璃介质发生自聚焦成丝效应的B积分阈值条件，实验和理论模拟结果基本一致。

用PSD方法分析了光束强度分布的粗糙程度，研究了输出光束质量随B积分的变化规律。为了反映光场的细节差别，用PSD曲线定量的给出不同空间频率的光强分布。由于用这种方法计算光束质量，去除了低频调制信息和本底光强，只考虑中高频段调制的影响，因而可以更加清楚的反映了小尺度自聚焦对光束的质量的影响。研究表明对于不同的B积分，在低、高频段，PSD差别较小，而中频段光强的PSD差别很大。根据PSD的实质，将PSD与光束的粗糙度联系起来，计算了实验所测光场频率大于1 mm^-1的光场的RMS值，给出了光束RMS与B积分的关系曲线，研究了输出光束质量随B积分的变化规律。实验研究表明，在入射光束质量变化不大的情况下，B积分比较小时，输出光束的质量基本上不发生变化；当B积分增大到一定值后，随B积分的增大，光束分裂为许多细光束，光束质量急剧变差。

　　实验结果显示，对于“星光”Ⅱ激光装置的输出光束，B积分小于1.8，非线性效应对输出光束质量的影响比较小。