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近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光物理聯(lián)合實驗室在高功率激光傳輸中克爾效應誘致非線性熱像效應研究方面取得進展。團隊研究發(fā)現(xiàn)了具有缺陷邊緣陡峭性依賴的多峰熱像的新現(xiàn)象，探明了其背后的機理和形成多峰的臨界條件。相關成果發(fā)表于《光學快報》（Optics Express）上。

熱像是由于非線性自聚焦效應導致的局域光場增強效應，其峰值強度可達平局光強的數(shù)倍到數(shù)十倍，是限制高功率激光器輸出能力的一個關鍵因素。已有熱像研究表明，單一缺陷會在非線性介質下游的共軛面上產(chǎn)生一個熱像，而在多個缺陷或者級聯(lián)非線性介質的條件下，甚至會出現(xiàn)軸上多峰熱像。熱像的位置分布規(guī)律和光場增強程度是驅動器安全設計的重要依據(jù)，對系統(tǒng)鏈路中熱像的預測和規(guī)避具有極其重要的意義。

圖1 多峰熱像的光路模型。P1代表第一熱像平面，P2代表共軛面，P3代表第二熱像平面

研究團隊發(fā)現(xiàn)，即使是單塊非線性介質作用下，單一缺陷也可在一定條件下產(chǎn)生雙峰熱像，能否產(chǎn)生雙峰結構以及峰值強度大小表現(xiàn)出缺陷邊緣陡峭性的強烈依賴性。研究團隊采用超高斯模型來模擬缺陷的邊緣陡峭性，仿真分析結果表明，硬邊衍射是雙峰熱像形成的主要原因，并給出了由缺陷尺寸和超高斯階次共同決定的雙峰熱像形成的臨界條件。單一缺陷誘致雙峰熱像的發(fā)現(xiàn)具有深刻影響，因為雙峰的強度都足以引起光學元件損傷，而共軛面后第二峰的存在是被忽視的一個潛在威脅。該工作為非線性熱像的研究提供了一個新維度，研究結果對高功率激光系統(tǒng)中光學元件的缺陷評估、系統(tǒng)排布設計和終端負載能力提升具有重要指導意義。

圖2 橫向光場隨軸向的傳輸演變（a）超高斯缺陷，（b）高斯缺陷。紅色虛線代表熱像面位置

相關研究得到國家自然科學基金、上海市自然科學基金、中科院青年創(chuàng)新促進會、中科院戰(zhàn)略性先導專項（A類）等項目的支持。