【摘 要】
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激光在空气中长程传输时产生的受激旋转拉曼散射(Stimulated Rotation Raman Scattering,SRRS)和在大口径倍频晶体中产生的横向受激拉曼散射(Transverse Stimulated Raman Scattering,TSRS)是最具破坏性的非线性散射效应。SRRS效应和TSRS效应达到产生阈值后,就会呈指数形式急剧增大,不仅会降低光束质量,损耗光束能量,严重时还
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激光在空气中长程传输时产生的受激旋转拉曼散射(Stimulated Rotation Raman Scattering,SRRS)和在大口径倍频晶体中产生的横向受激拉曼散射(Transverse Stimulated Raman Scattering,TSRS)是最具破坏性的非线性散射效应。SRRS效应和TSRS效应达到产生阈值后,就会呈指数形式急剧增大,不仅会降低光束质量,损耗光束能量,严重时还会损伤倍频晶体等光学元件。因此SRRS效应和TSRS效应在很大程度上限制了激光传输的发展,从而成为光通信领域和高功率激光器中极需攻克的技术难题。本文对受激拉曼散射展开了理论研究和仿真计算,为工程应用提供了一定的理论依据及合理建议。主要工作有:(1)简述了受激拉曼散射和新型光束的研究现状,介绍了非线性散射效应的基本理论,包括光的散射的基本概念、自发拉曼散射的能级跃迁图和受激拉曼散射的雪崩式增长过程;根据Maxwell-Bloch-Langevin方程组分别建立了倍频晶体中TSRS的物理模型和空气长程传输中SRRS的物理模型,并利用有限差分法详述了求解上述物理模型的具体步骤。(2)详细分析了KDP和KD*P晶体中的TSRS效应,结果表明,Stokes光在KDP和KD*P中有相同的增长规律,都会随着晶体边缘反射率和增益系数的增加而增加;并提出了一种抑制TSRS的方法:时间位相调制法,通过分析发现时间位相调制通过减弱整个过程的时域相干性,导致入射光子与受激声子的耦合效率降低,进而对TSRS产生了抑制作用。同时Stokes光对时间位相调制模型中调制深度σ的变化非常敏感,而调制频率f的变化对Stokes光的影响不大;另外,为满足激光通信系统和高功率激光器为用户型装置这一要求,还分析了不同工作参数对KDP中TSRS效应的影响。当脉冲宽度增加时,Stokes光会随之增加,但会出现两段缓慢增长区域,这是由于KDP晶体边缘对Stokes光的反射造成的。当初始光强和光束口径变化时,Stokes光会随着泵浦光光强的增加而单调增加,但随着光束口径的变化趋势相对复杂。上述工作参数变化时,时间位相调制仍对Stokes光有很好的抑制作用。根据以上的理论分析,我们对时间脉冲、初始光强和光束口径的选择给出了一些合理建议。(3)对超高斯光束、艾里光束和贝塞尔光束产生的SRRS效应进行了仿真分析。对比了入射光束不同时,Stokes光的时空特性,并且分析了SRRS效应对光束质量的影响。研究发现,在相同初始光强的情况下,当泵浦光的空间分布为艾里光束时SRRS的阈值距离最大,其次为贝塞尔光束,超高斯光束作为泵浦光时SRRS的阈值距离最小,可见艾里光束对SRRS效应有一定的抑制作用。另外,Stokes光的空间波形与泵浦光的空间分布基本一致,时间波形则首先生成在时间脉冲的尾部。Stokes光的产生会导致泵浦光能量的损耗,使泵浦光发生畸变,光束质量降低。本文紧密围绕TSRS与SRRS的物理模型、计算原理、产生规律和抑制方法展开,对于激光技术的进步、光通信领域和高功率激光器的发展具有积极的促进作用。
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