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超短脉冲激光自聚焦效应

web 2025/6/22 9:23:45

前言与目录

强激光引起自聚焦效应机理

超短脉冲激光在脆性材料内部加工时引起的自聚焦效应，这是一种非线性光学现象，主要涉及光学克尔效应和材料的非线性光学特性。

自聚焦效应可以产生局部的强光场，对材料产生非线性响应，可能导致一系列效应，包括局部加热、电离、等离子体生成等。了解和控制这种自聚焦效应对于实现精确加工非常重要，同时也需要注意激光功率、脉冲宽度等参数的选择以最大程度地减小这种效应带来的潜在问题。

超短脉冲激光自聚焦效应的物理机制是光学克尔效应与等离子体的散焦之间的一种平衡过程，如图 1所示。在物镜的聚焦作用下，激光光斑的直径逐渐收敛，同时多光子电离所产生的等离子体密度也随着激光光斑的激光强度增大而增加。这将导致散焦效应逐渐超过透镜的聚焦效应，从而使得激光束开始发散。然而，在发散达到一定水平后，激光强度变弱，导致由电离产生的等离子体密度降低。此时，光学克尔效应重新占主导地位，从而导致激光再次聚焦。这种自聚焦与散焦之间的平衡过程是超短脉冲激光自聚焦效应的基本物理机制。

自聚焦和光丝效应

自聚焦是指超短脉冲激光通过一些媒介如固体、液体和气体等传播时材料折射率变化导致的一种非线性光学作用。主要包括克尔诱导自聚焦和等离子体自聚焦；

1、克尔诱导自聚焦

超短脉冲激光束在空气中传输时，激光场强内空气的折射率n将发生变化，见公式：

$n{=}n_0+\delta_n{=}n_0{+}n_2I$

式中： $n_0$ 为空气的线性折射率； $\delta_n$ 为激光诱导的变化的折射率； $n_2$ 为非线性折射率系数，其代表非线性克尔效应，是克尔诱导自聚焦的基础；为激光强度。此时,辐射功率需要大于临界功率 $P_{\mathrm{crit}}$ ，由公式给出：

$P_{\mathrm{crit}}=\partial\lambda^2/4\pi n_0n_2$

式中：λ是激光波长； $\partial$ 为常数，由光束最初的空间分布决定，对于高斯光束， $\partial$ =1.8962。需要指出的是，激光功率决定自聚焦的闽值，激光强度决定折射率和自聚焦的位置。

基于激光强度的空间高斯分布，激光光轴线上折射率最大，且以轴线为中心向外扩延折射率逐渐减小。最终，激光能量在空间上不均匀的高斯强度分布导致在空气中形成了中心折射率高、边缘折射率低的通道，并使其具有类似正透镜的作用使光束发生会聚。同时，由于自聚焦效应导致的高强度激光将激发非线性多光子电离并形成准透明态等离子体此时，电子密度 ne 远远小于等离子体的临界密度 $n_{\text{crit}}$ 。空气的线性折射率可通过 Drude model 获得，且 ne<1，见下公式；空气的总折射率见公式：

$n_0 = \sqrt{1 - \frac{n_e}{n_{\text{crit}}}}$

$n = n_0 - \frac{n_e}{2n_{\text{crit}}}$

随着激光束被聚焦，强度增加，克尔效应进一步增强。且当光束会聚时，更高的光场强度将引起空气的电离并形成等离子体通道，该通道具有类似负透镜的作用使光束发散。此时，空气中的折射率n'见公式：

$n' = n_0 + n_2I - \frac{n_e}{2n_{\text{crit}}}$

当激光功率P大于等离子体的临界功率 P 时光東将发生会聚作用，光束半径缩小，激光功率密度变大，空气电离产生电子的密度将变大，使等离子体的散焦作用变得更明显，最终会聚和散焦达到平衡，形成光丝，如下图2所示此时有如下关系，见公式：

$n_2I = \Delta n_{\text{kerr}} = \Delta n_{\text{plasma}} \cong \frac{n_e}{2n_{\text{crit}}}$

图2：
Scheme of laser beam filament and surrounding photon bath

1995 年,激光的光丝效应第一次被报道。光丝外的区域被称为光子池，其带有很大一部分激光能量并负责能量传输，同时，其作为一个能量存储库与光丝之间会进行不间断的能量传递，使得光丝可以渗透很长的距离。光丝可被应用在激光雷达测量上，但是对于材料的精确去除，应尽可能地抑制光丝的形成。

2、等离子体自聚焦

当强烈的激光脉冲和等离子体相互作用时产生的自聚焦现象称为等离子体自聚焦，其主要通过热效应、相对和有质动力来影响折射率的变化。首先，热自聚焦是由于电磁辐射作用下等离子体的碰撞加热导致温度的上升诱导了流体动力学扩张从而导致折射率的进一步增加。其次，相对和有质作用自聚焦是由于电子的大规模增加使得其能够以接近于光速的速度运动，从而导致等离子体折射率的变化，见公式:

$n_{\text{rel}} = \left[1 - \left(\frac{\omega_p}{\omega}\right)^2\right]^{1/2}$