[科普中国]-光束自聚焦

光束自聚焦是指强激光束通过非线性介质时会自动会聚成直径为几微米的细线或一串串细小的焦点的现象。

简介一束普通的平行光经过透镜会产生会聚或者发散，但是若通过均匀透明的平行平板玻璃却仍然是平行光。一束强光却不是这样的，当它通过均匀的平行平面晶体时，将会聚成直径为几个徽米的细线或一串串细小的焦点，这一现象称为光束自聚焦1。光束自聚焦是一种非线性效应。2

特点光束自聚焦形成的细丝可长达几厘米，但直径往往只有几微米且近乎不变。细丝的光强很强，可达10W/cm或更高。此外，尽管入射光是单色的，但细丝处的光却具有大于100cm的光谱宽度，伴随自聚焦出现的这个现象称为光束自加宽。自聚焦在液体和气体中是同样存在的。同时，都存在一定的阈值，只有当入射光强高于该阈值时自聚焦才会发生。

原理光束自聚焦是一种重要的三阶非线性光学效应，根源是介质感应折射率的变化与通过介质的光强成正比。已知，在很多情况下激光光强在其光束截面上的分布是不均匀的，而往往呈高斯分布。由于中心部分光强强，折射率增加也大；边缘部分光强弱，折射率增加也小。折射率在光束截面上这种不均匀性的后果，是光在中心部分的相速度小于边缘部分。因而，原来的波阵面就发生了畸变，波阵面的中心部发生凹陷，根据光线总是垂直于波阵面的原则，光束走了一段距离后就要自动聚焦到一点。

自聚焦不仅要求介质有足够大的非线性系数，而且光强要足够强。因此一般都要用脉冲激光。这时又可工作在两种不同的状态，即准稳态和瞬态，分别相应于脉宽较介质折射率发生变化的响应时间大得多或小得多这两种情况。激光束经非线性介质自聚焦后为什么会成为一条丝而不是一个光点，对于上述两种工作状态，进一步的解释是有所不同的。

光脉冲有一定的波形，其前沿、中心和后沿各部位不仅强度不同，通过介质的时间也不同。在准稳态工作时，光脉冲的任何部位在介质中折射率的大小，是由当时这部位光的强度决定的。于是，由于不同时间通过介质的是光脉冲的不同部位，因而光束截面中心部分折射率与边缘部分的差值也因光束通过的时间不同而有差异。其后果是，不同时间通过介质的光束，尽管属于同一个光脉冲，但却自聚焦在不同位置上，看上去像是一条细丝。计算表明，几纳秒脉宽的光脉冲，焦点随时间的移动可达10cm以上。在瞬态工作时，光脉冲的后沿部位通过介质时，所遇到的是前沿部位通过时已造成的折射率的变化。情况就更加复杂，但同样可以满意地解释细丝的形成。

光束自加宽效应光束自聚焦后，在焦点附近的局域光强很强，会进一步产生感应折射率的变化。另一方面，聚焦的焦点又随时间快速运动。因而激光束本身的位相也在经历着快速的变化，这表现为光束的自调制效应。位相调制的直接结果就是光谱增宽，这正是实验观察到的在细丝区域的自加宽效应2。

研究意义自聚焦是光学材料受激光损伤的主要原因，光束自聚焦的机理研究为克服或避免材料损伤提供了有效的途径。光束自聚焦又可在一定区域内大幅度增加激光的功率密度，使人们可以在一般强度的激光源条件下，去研究并获得必须在强光条件下才能出现的一些光学效应（例如受激散射效应）。自聚焦的研究也有助于人们对三阶非线性极化的特性及其有关效应的了解。

本词条内容贡献者为:

李晓林 - 教授 - 西南大学