光纤中的自聚焦现象及应用情况

自聚焦现象，包含了自聚焦原理、光纤中的自聚焦、应用、自聚焦现象是一个复杂而有趣的光学效应，它涉及到多个领域的知识，包括物理学、光学和通信技术。 

自聚焦（Self focusing）和其他自作用(Self-action)现象已经有几十年研究了，很多潜在应用逐渐崭露头角：用于光功率限制器和光开关的设计；飞秒自聚焦观察到准直，相干的白光连续光穿过海拔高达百公里以上的大气层，这就可以有遥感的潜在应用。不过自聚焦效应也限制了光学介质传输功率；降低非线性光学过程发生的阈值；甚至会导致光学材料损坏，这就是在大功率激光系统设计中的限制因素。自聚焦现象是一种非线性光学过程，固体、气体、液体介质暴露于强电磁辐射的折射率变化引起的。其折射率会随光强的变化而发生相应的改变。当光束的强度在横截面上呈高斯分布（即钟形分布），且强度足够强以产生非线性效应时，材料的折射率横向分布也会呈现钟形。这种折射率的变化使得材料好像一个会聚透镜，能够将光束会聚起来。这种效应会持续进行，直到光束达到一个细丝极限为止。这种现象的物理机制主要基于非线性克尔效应，具有正的χ(3)的非线性克尔效应使得光轴上的光强较强，导致光束中间的折射率较高，从而产生聚焦效应。

       如果n2＞0：自聚焦，如果n2＜0：自散焦其中n0是线性折射率，n2是表征光学非线性强度的光学常数，I是高斯强度。如果具有不均匀横向强度分布的光束（例如高斯轮廓）传播通过n2为正的材料，则可能发生自聚焦现象。非线性介质中光波场聚集现象，其折射率n取决于场强。如果一束强光束通过具有这种非线性的介质，由于高频克尔效应（Kerr），电致伸缩或加热引起的物质电子极化的非线性变化，介质的折射率n随场强的增加而增加。n的增加导致介质中发生非线性折射：光线在较大场强的方向上发生偏转。当光束的功率超过某个阈值时，非线性折射会抑制光束的衍射加宽，从而减小或完全消除光束的发散，在介质中会出现焦点。

       随着功率增加，焦点的数量也会增加，并且焦点以接近光速的速度移动。在光的自聚焦中，场的聚焦比在通过透镜的普通聚焦中要强得多。光的自聚焦可导致电击穿，例如受激光的散射。在某些条件下，焦点的数量可能会变得很多，以至于光将在光束本身在非线性介质中形成的振荡介电波导中传播。对于具有临界功率的特定横截面的光束，横截面保持恒定。通过这种波导，光能可以长距离传输。这个现象在移动介质中也一样存在，例如在液体和气体的对流或扫描光束中，光束会从其初始方向偏转。偏转角取决于射束功率和介质的横向速度。

       逆现象（光束的非线性展宽）称为散焦（defocusing）。在折射率随强度增加而降低的介质中会发生这种效应。热散焦是相对常见的，这是由于物质在被光加热时膨胀而导致的折射率降低所致。在激光辐射穿过冷凝的和气态的介质（包括空气和等离子体）的实验中，观察到了自聚焦和散焦。自聚焦的后果造成的结果：随着光束半径的减小进一步增加了Kerr透镜的强度，可能会导致光束完全塌陷：随着光束半径的减小，光学强度逐渐升高，从而进一步提高自聚焦效果。这种机制会导致了较高的光学强度，很容易破坏光学介质。当光功率高于临界功率时，就是一种失控的状态。自聚焦效应限制了光学介质传输功率；降低非线性光学过程发生的阈值；甚至会导致光学材料损坏，这就是在大功率激光系统设计中的限制因素。临界能量对于自聚焦的作用：临界功率不取决于原始光束面积。如果直径较大的光束会产生较弱的Kerr透镜现象，但它对透镜也更敏感。最初较大的光束需要更长的传播距离（给定的光焦度），直到其消失为止。我们比较关注二氧化硅的光纤，峰值功率的自聚焦极限约为4 MW（1μm波长）。（二）光纤的自聚焦光纤是一种能够引导光波在其中传播的细长介质，光纤的结构及折射率设计形成自身的波导，一般功率下，光纤可以完美的把信号或者能量从一端传输到另一端；当能量比较高，纤芯直径比较小的情况下，自聚焦现象就可能会出现。自聚焦会减小原有的有效模式直径。是否达到自聚焦存在一个临界功率。我们考察一下石英玻璃的临界功率。石英玻璃的光纤材质中最成熟的一种，非线性指数假定为2.2×10-20 m2/W。模场面积与光功率关系的数值计算就像这个图表示，红线就是临界功率点，达到了5MW。

       这个5MW是什么意思？我们先来假设一个均匀介质材料（均匀的石英玻璃）如果功率恰好处于临界功率，即使没有波导结构（光纤的纤芯/包层结构），入射的光束在理论上可以表现出自陷（self-trapping）。光束在更长的距离内一直保持恒定传播。这就是因为光的发散被非线性的自聚焦补偿了。不过在实际应用中很少用，首先是这个脉冲个功率也不算低，另外这个“状态”很不稳定，即使微小偏差，也会迅速导致现象消失。光纤内的高阶模态也因为非线性的相互作用不稳定。比如将4 MW的功率耦合入光纤纤芯，原本的LP11模，经过大约12 mm的传播距离之后，光就变成了LP01和LP11的混合模式。

        光丝（filamentation）：如果入射功率远高于自聚焦的临界阈值，可能伴随自聚焦会发生一条等离子通道（光丝，filamentation）。光脉冲能维持几乎不变的直径传输很长一段距离。这是自聚焦与等离子体散焦效应间的动态平衡。其中光束会分解为几束具有较小光焦度的光束。所得的光束方向可以是随机的，不过常常具有相当规则的结构。这个现象在远程遥感、远程探测空气污染物、激光引雷、脉冲压缩、控制闪电、人工造雨雪等领域具一定的应用价值。