高阶克尔效应非线性折射率的变化对激光脉冲在氮气中传输的影响

王乐　林文斌　亓协兴

摘 要： 强飞秒激光脉冲在氮气传输时会受到线性和非线性效应的影响，其中非线性高阶克尔效应颇为重要。基于一个二维轴对称激光传输模型对强飞秒激光在氮气中的传输进行数值模拟，研究了高阶克尔效应各项非线性折射率的变化对激光传输的影响。

关键词： 氮气； 高阶克尔效应； 传输模型； 非线性折射率

中图分类号： TN911.7?34； E963 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）01?0125?02

Abstract： The transmission of an intense femtosecond laser pulse in nitrogen may be influenced by linear and nonlinear effect， in which the higher?order Kerr effect plays an important role. A 2?D axial symmetric laser transmission model was used to carry out numerical simulation for transmission of intense femtosecond laser pulse in nitrogen. The impact of the nonlinear refractive index of higher?order Kerr effect on the femtosecond laser pulse′s transmission in nitrogen is investigated in this paper.

Keywords： nitrogen； higher?order Kerr effect； transmission model； nonlinear refractive index

0 引 言

强飞秒激光在气体中传输时受到线性和非线性效应的影响，会使激光脉冲缩短、脉冲分裂和激光成丝。在非线性效应中，高阶克尔效应显得格外重要，国内外对于高阶克尔效应正处于研究阶段[1?4]。高阶克尔效应中各项非线性折射率与光强的关系可以写为[ΔNkerr=n2I+n4I+n6I+n8I+…，]其中[I]为激光光强，[n2，][n4，][n6，][n8]为非线性折射率系数。[n2，][n6]通常是正数，在强场区域中会导致折射率的增加，使激光产生聚焦现象。[n4，][n8]通常是负数，在强场区域中会导致折射率的减少，使激光产生散焦现象。早期人们在研究激光的传输特性时，通常只考虑[n2，]随着Loriot 等人[5]测量出在[N2]中的高阶指数方面的非线性折射率系数（见表1），最近几年人们又开始关注高阶克尔效应的影响。

本文通过改变高阶克尔效应各项非线性折射率的系数，来研究其对强飞秒激光脉冲在氮气中传输的影响。

1 激光传输模型

为了说明这三种情况下非线性折射率系数对激光传输的影响之间的差异，分别从轴上光强随传输距离的变化和在不同传输距离时激光脉冲在时空上的变化这两个方面进行了研究。

图1所示为三种不同情况下激光光强随传输距离的变化。由图1可知，三种情况下的光强随传输距离的变化都经历了光强增大、光强变化很小和光强减小的三个阶段，第一种情况和第二种情况都很明显，第三种情况在第二个阶段却几乎没有出现。第一种情况光强的最大值很明显大于其他两种情况，且与第三种情况相差很大，三种情况光强最大值分别出现在传输距离大约1.8 m、1.4 m和3.1 m处，第一种情况与第三种情况相差了大约1.3 m的传输距离。图2为三种情况下激光光强随传输距离的时空变化，可以看出，在2.5 m处第一种和第二种情况在时间方向上都产生了明显的分裂，而第三种情况在3.5m处才产生不太明显的分裂，且在分裂的过程中前两种情况都比第三种情况剧烈。

3 结 论

本文通过改变高阶克尔效应各项非线性折射率系数，研究了其对激光在氮气中传输特性的影响。研究发现，虽然系数变化不是很大，但是对于激光在氮气中传输特性的影响却有很大的差异，这是不容忽视的。这一结论对以后人们在研究高阶克尔效应对激光传输特性的影响选用非线性折射率大小时提供了参考依据。

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