利用全息生成的艾里光束对激光光纤化现象进行动态控制

《Optik》：Dynamic Control of Laser Filamentation with Holographically Generated Airy Beams

通过空间光调制器与全息技术动态调控非线性艾里光束，实现水介质中激光丝结构的实时可重构控制，突破传统方法受波长限制和非线性转换效率低的问题，为高精度光学操控开辟新路径。

　　

Gamze Kaya|Alpgiray Keskin|Jian Dong|Junfeng Zhou|Alexandre A. Kolomenskii|Hans A. Schuessler|Necati Kaya

土耳其卡纳卡莱奥恩塞克兹马尔大学技术科学学院电力与能源系，卡纳卡莱17020

摘要

我们展示了一种新颖的动态纤维化控制方法，该方法利用空间光调制器（SLM）和全息技术生成和操控艾里光束。与以往的方法不同，我们的方法无需机械部件即可实现非线性艾里光束的实时、可重构控制。通过调节输入激光束的相位-幅度，我们可以创建定制的艾里光束轮廓，从而仅通过全息操控实现纤维结构的重新排列。高分辨率成像证实了艾里光束在水中的生成和传播；在这一过程中，我们还观察到了艾里光束的弯曲轨迹。这种对纤维方向和稳定性的动态控制优于那些受波长限制或非线性转换效率影响的方法，标志着结构光应用领域的一项重大进展。我们的发现为高精度光学操控提供了一个多功能平台，可能在激光加工、光学捕获、生物医学成像和非线性光通信等领域产生重要影响。

引言

衍射是一种基本的光学现象，它对光束在空间中的传播距离有限制。克服或管理衍射推动了针对特殊类型光束（通常称为非衍射光束或抗衍射光束）的深入研究[1],[2],[3],[4]。这类光束中的一个特别有趣的类别源自自由粒子薛定谔方程的艾里波包解，该解由Berry和Balazs在1979年提出[5]。Siviloglou等人于2007年首次将这一概念转化为光学实验，成功制备了一维和二维艾里光束[6],[7]。艾里光束具有一系列独特的性质，使其区别于传统光束和其他非衍射光束。最显著的是，它们表现出明显的横向自加速特性，这意味着即使在真空中，其强度轮廓在传播过程中也会呈现弯曲的抛物线轨迹[6],[8]。此外，它们还具有出色的自修复能力：即使部分被遮挡或扰动，也能重新构建其光束轮廓[9],[10],[11],[12]。这些特性——抗衍射性[7]、自加速性和自修复性——激发了广泛的研究兴趣，并推动了多种应用的发展，包括生物医学成像[13],[14]、等离子体学[15],[16],[17],[18]、材料加工[19],[20]、光学捕获和粒子操控[21],[22],[23]，以及重要的激光纤维化控制[25],[26],[27],[28],[29]。

激光纤维化本身是一种复杂的光学非线性现象，当强烈的超短激光脉冲在透明介质中传播时会产生。它源于克尔自聚焦（导致光束塌缩）与多光子/隧穿电离产生的等离子体去聚焦之间的动态平衡，这种平衡使得形成了细长的等离子体通道[30]。这些纤维化结构能够实现远距离能量传输，并在大气传感、闪电控制和微加工等领域具有潜在应用[31]。然而，控制这些纤维化的起始点、轨迹和稳定性仍然具有挑战性。艾里光束的独特性质，尤其是其弯曲轨迹和鲁棒性，为引导和操控纤维化过程提供了有希望的途径[32],[33]。

虽然艾里光束已在线性范围内得到了广泛研究，通常使用空间光调制器（SLM）[34],[35]、圆柱透镜[36],[37]或液晶器件[38]来生成，但在高强度条件下探索它们的行为（此时非线性效应占主导地位）对于纤维化控制等应用至关重要。将非线性光学过程与艾里光束结合使用可以扩展其功能，但同时也带来了挑战，尤其是在动态控制方面。主动调节非线性艾里光束的性质（如加速度方向和轨迹）仍然是研究的关键领域。替代方法使用了超表面[39]或非线性光子晶体（NPCs）[40],[41],[42]。然而，基于超表面的方法可能面临非线性转换效率低的问题，而基于NPCs的方法则常常受到严格的相位匹配要求、操作灵活性和频率限制的制约，尤其是对于三维结构而言[43]。因此，迫切需要高效、灵活且实时的方法来生成和操控非线性艾里光束。

本文提出了一种新颖的方法来满足这一需求，展示了非线性艾里光束传播及其相关纤维结构的动态、可重构控制。我们利用计算机控制的空间光调制器（SLM）来实现艾里光束的动态生成和操控。与依赖机械部件或受效率或波长限制的替代方法不同，我们的方法能够实时调节艾里光束的相位-幅度轮廓。这使我们能够定制光束结构，并在光束通过非线性介质传播时实现对其纤维结构的旋转控制。我们选择水作为非线性介质，因为水中的克尔非线性效应比气体强三个数量级[44]，因此非线性效应在较短的距离内就会发生，所需的激光功率较低，符合我们的实验条件。

我们通过实验确认了纤维的生成，并观察到了艾里光束在非线性条件下持续的典型弯曲轨迹。我们的方法仅通过全息相位-幅度调制实现了对纤维结构的旋转控制。这种方法克服了其他方法中存在的波长依赖性和非线性转换效率限制，提供了一个多功能、高效且非机械化的平台，用于对非线性结构光进行高精度控制，标志着在这一领域的重要进展，可能对激光加工、光学捕获、生物医学成像和非线性光通信产生重要影响。

这项工作在非线性结构光领域取得了重大进展，引入了一种多功能、实时且非机械化的方法来操控激光纤维化。我们的主要贡献有两个方面：首先，我们展示了动态控制飞秒艾里光束空间轮廓的能力，从而控制了水中生成的纤维超连续谱的结构；其次，我们仅通过全息调制实现了对这些纤维结构的精确旋转控制，无需复杂的机械部件。此外，我们的发现证实了艾里光束在非线性条件下的特征性自加速轨迹的持续性，为激光材料加工、光学捕获和生物医学成像等高级应用铺平了道路。

我们提出的技术的计算效率相对于许多替代方法具有显著优势。计算机生成的全息图（CGHs）的生成是一个计算效率高的过程，用于编码相位和幅度的掩模是在MATLAB中数值合成的。这种低计算开销是实现非线性艾里光束实时、可重构控制的关键因素。这与使用超表面或非线性光子晶体（NPCs）的方法形成鲜明对比，后者的复杂性往往与静态的物理制造挑战相关。我们方法的新颖之处在于将这种复杂性转变为动态且高效的计算过程，从而提供了无与伦比的灵活性和控制能力。

章节片段

激光纤维化、自聚焦和超连续谱生成

激光纤维化是一种非线性光学现象，其中超短、高强度的激光脉冲在透明介质中传播，形成细长的等离子体通道。这是由于克尔自聚焦（导致光束塌缩）与等离子体去聚焦（通过多光子/隧穿电离产生，从而抵消塌缩效应）之间的动态平衡[30]。当激光的电场通过光学克尔效应（$n$n0+n2I）改变折射率时，会导致光束塌缩，其峰值功率超过临界功率：$P_c\approx \frac{3.77{\lambda }^2}{8\pi }$