高功率紫外超短激光脈沖光束質(zhì)量研究

蘇恒毅，蘭小飛，張 驥，王雷劍，路建新，湯秀章

（中國原子能科學(xué)研究院核技術(shù)應(yīng)用研究所，北京 102413）

高功率紫外超短激光脈沖光束質(zhì)量研究

蘇恒毅，蘭小飛，張 驥，王雷劍，路建新，湯秀章

（中國原子能科學(xué)研究院核技術(shù)應(yīng)用研究所，北京 102413）

通過搭建傳輸和聚焦光學(xué)系統(tǒng)，采用CCD相機(jī)測量了高功率紫外超短脈沖激光系統(tǒng)的光束質(zhì)量參數(shù)，如紫外種子光及其經(jīng)過KrF準(zhǔn)分子激光器放大后的焦斑光強(qiáng)空間分布、焦斑尺寸及極限衍射倍數(shù)β。結(jié)果表明，紫外種子光光束質(zhì)量良好，β接近于1。經(jīng)放大后，光束質(zhì)量劣化，β達(dá)到6左右。經(jīng)分析，光學(xué)元件的表面缺陷可能是導(dǎo)致光束質(zhì)量下降的主要因素。

超短脈沖；KrF激光；光束質(zhì)量評價

隨著啁啾脈沖放大技術(shù)的廣泛采用，激光器輸出功率得到了數(shù)個量級的提高［1－2］。當(dāng)激光功率密度達(dá)到1021W／cm2時，光場振幅E將達(dá)到8.7×1013V／m，這相當(dāng)于平均在原子尺度上加了10kV的電壓。在如此強(qiáng)的電場作用下，所有原子均會被瞬間電離，產(chǎn)生極高能量的電子、質(zhì)子或其他粒子。強(qiáng)場物理為許多研究方向提供了嶄新的基礎(chǔ)平臺，其中包括慣性約束聚變（ICF）快點(diǎn)火物理［3－5］、高能量密度物理、高強(qiáng)度X射線輻照源［6］、粒子加速［7］等。慣性約束聚變中，使用紫外光可更靠近靶丸的過密燃料區(qū)，在一定程度上提高了快點(diǎn)火的成功率。近年來，中國原子能科學(xué)研究院高功率準(zhǔn)分子激光實(shí)驗(yàn)室開展了利用KrF準(zhǔn)分子激光器直接放大248nm紫外超短激光脈沖的實(shí)驗(yàn)研究，輸出功率達(dá)2～3TW［8］。

激光最終作用到目標(biāo)上的功率密度不僅與輸出功率有關(guān)，而且取決于光束的初始質(zhì)量和傳輸及聚焦過程中發(fā)生的畸變量。因此，保證傳輸、聚焦過程中的光束質(zhì)量至關(guān)重要。激光束在傳輸過程中對光學(xué)系統(tǒng)的缺陷和畸變非常敏感，易導(dǎo)致波前畸變。同時，高功率光束初始光強(qiáng)分布不均易在傳輸過程中產(chǎn)生小尺度自聚焦效應(yīng)，經(jīng)調(diào)制后會在靶面上產(chǎn)生旁瓣，甚至導(dǎo)致多路成絲，降低聚焦功率密度。本文通過實(shí)驗(yàn)測量，研究紫外種子光及此種子光經(jīng)放電泵浦KrF激光器LLG50放大后的光束質(zhì)量，以期為后續(xù)改善光束質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支持。

1 光束質(zhì)量評價參數(shù)

1.1 焦斑尺寸

空間域中，對焦斑尺寸的定義通常有兩種，即環(huán)圍功率定義和1／n定義。1／n定義為：在光強(qiáng)空間分布曲線I（ω）上，峰值Imax的1／n處兩點(diǎn)的距離為焦斑直徑d。

n通常取2、e和e2，本文取n＝2。

1.2 遠(yuǎn)場發(fā)散角和衍射極限倍數(shù)β

遠(yuǎn)場發(fā)散角的定義為：

其中：ωz為坐標(biāo)點(diǎn)z處的光束半徑；ω0為束腰半徑；λ為激光波長。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際測量中，采用長焦距的薄透鏡對激光光束進(jìn)行聚焦，焦平面上的光斑尺寸反映了激光束的遠(yuǎn)場發(fā)散度，因此定義遠(yuǎn)場發(fā)散角［9］為：

其中：ωf為焦平面處光斑半徑；f為透鏡焦距。

遠(yuǎn)場發(fā)散角在一定程度上反映了光束方向性和能量集中度的好壞。遠(yuǎn)場發(fā)散角越小，說明光束方向性越好，能量越集中。由于遠(yuǎn)場發(fā)散角的大小取決于測量采用的聚焦光學(xué)元件，同一激光光束采用不同通光口徑的聚焦光學(xué)元件測量的遠(yuǎn)場發(fā)散角不同。因此，引入衍射極限倍數(shù)β對光束的發(fā)散性進(jìn)行更準(zhǔn)確地定義。β定義為實(shí)際激光光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角與理想光束遠(yuǎn)場發(fā)散角的比值［9］，則：

β以理想光束為參考標(biāo)準(zhǔn)，表征實(shí)際光束的光束質(zhì)量偏離同一條件下理想光束質(zhì)量的程度，在一定程度上消除聚焦光學(xué)元件的影響，從本質(zhì)上反映了光束質(zhì)量的情況。根據(jù)需要選定理想光束后，便可求出β。由式（4）可知，β≥1，β越接近1，光束的發(fā)散度越低，能量越集中，則光束質(zhì)量越好。

2 激光器參數(shù)及實(shí)驗(yàn)光路

本工作實(shí)驗(yàn)研究的對象是50mJ紫外超短脈沖激光系統(tǒng)。系統(tǒng)的前端是美國光譜物理公司生產(chǎn)的TSA50飛秒激光振蕩器，飛秒脈沖種子光由一臺自鎖模的固體鈦寶石激光器Tsunami產(chǎn)生，其泵浦光源是一臺氬離子激光器?？紤]到放大過程中的紅移效應(yīng)，將Tsunami的輸出波長調(diào)整到737nm，同時，用一臺小型光譜儀檢測鎖模的狀態(tài)和輸出波長。經(jīng)CPA技術(shù)放大后，再經(jīng)三倍頻晶體變頻，得到約0.6mJ、280fs、248nm的超短脈沖。將放電泵浦的KrF準(zhǔn)分子激光器LLG50作為激光放大器，對脈沖進(jìn)行放大，光路采用雙通離軸放大結(jié)構(gòu)。激光器放大腔內(nèi)充滿He、Ne、Kr、F2的混合氣體，氣壓約為1.8×105Pa，放大腔兩端的窗鏡均采用氟化鈣晶體。經(jīng)擴(kuò)束，激光光斑尺寸由注入放大腔前的φ10mm擴(kuò)大至40mm× 40mm，從而得到50mJ、500fs的激光輸出［8］。

為實(shí)現(xiàn)飛秒前端與放大器間的同步，使泵浦能量能被有效地提取，采用一臺DG535脈沖延遲／發(fā)生器進(jìn)行控制觸發(fā)。用LLG50進(jìn)行放大時，需調(diào)整飛秒前端，使注入光波長與KrF熒光波長（248nm）高度吻合。紫外種子光光束質(zhì)量參數(shù)測量的實(shí)驗(yàn)布局如圖1所示，為得到遠(yuǎn)場發(fā)散角和光強(qiáng)的空間分布，采用CCD相機(jī)（Ophire－Spiricon公司生產(chǎn)，型號LBA－USASP503U）對光束進(jìn)行直接實(shí)時測量。CCD相機(jī)可直接測量波長190～1 320nm的激光，對比度高達(dá)64dB，能量線性響應(yīng)率為±1%，其像元尺寸為9.9μm×9.9μm，最小可測量數(shù)十μm的光斑尺寸。紫外種子光經(jīng)焦距f＝7 060mm的聚焦透鏡（通光口徑10mm）后，光束逐漸匯聚。為避免CCD因接受高光強(qiáng)而損壞，須對光強(qiáng)進(jìn)行衰減，本文采用光衰減片對其衰減。此衰減片主要由吸收紫外光的材料組成，可對248nm波長的激光光強(qiáng)進(jìn)行全光口徑的整體衰減而不影響空間光強(qiáng)分布。衰減后的激光脈沖進(jìn)入CCD探測區(qū)，便可在PC上實(shí)時得到光強(qiáng)的空間分布圖像、光斑直徑等。

圖1 紫外種子光光束質(zhì)量參數(shù)測量的實(shí)驗(yàn)布局Fig.1 Experiment setup of ultraviolet seed laser beam quality parameter measurement

紫外種子光經(jīng)放大后的光束質(zhì)量參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)布局如圖2所示。經(jīng)擴(kuò)束、放大（通光口徑增大到65mm）后的激光脈沖通過f＝2 650mm的聚焦透鏡后，經(jīng)兩面45°高精度全反鏡進(jìn)行衰減，最后進(jìn)入CCD進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測量。此外，在LLG50的出光口處放置光電管測量KrF氣體的ASE（放大的自發(fā)輻射）時間波形。

圖2 紫外種子光經(jīng)放大后光束質(zhì)量參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)布局Fig.2 Experiment setup of amplified ultraviolet seed laser beam quality parameter measurement

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

紫外種子光的焦斑光強(qiáng)空間分布如圖3所示（實(shí)驗(yàn)光路如圖1所示）。激光輸出能量約0.6mJ，經(jīng)紫外衰減片后，進(jìn)入CCD的能量下降至幾μJ到幾十μJ。為避免環(huán)境雜散光的影響，減少實(shí)驗(yàn)誤差，關(guān)閉所有照明光源，并利用CCD的去雜散光功能，在結(jié)果處理上去除環(huán)境本底的影響。由圖3可看出，光強(qiáng)空間分布呈規(guī)則的橢圓狀，這與TSA50采用橢圓狀增益介質(zhì)有關(guān)。橫向和縱向上，光強(qiáng)曲線均呈現(xiàn)出明顯的單峰結(jié)構(gòu)，光強(qiáng)分布平滑均勻，無明顯的光強(qiáng)調(diào)制（如產(chǎn)生旁瓣等）。經(jīng)計算，焦斑橫向直徑dx＝302.1μm（FWHM），縱向直徑dy＝241.7μm（FWHM），對應(yīng)半徑分別為151.05μm和120.85μm。選取與實(shí)際被測光束通光口徑（φ10mm）相同的圓形基模高斯光束為理想光束，則此理想光束通過同一聚焦系統(tǒng)的焦斑半徑［9］為ω0＝θ0f＝0.61fλ／D，D為通光口徑，θ0為此理想光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角。經(jīng)計算，橫向極限衍射倍數(shù)βx＝1.414，縱向衍射極限倍數(shù)βy＝1.132，平均β＝1.273。

圖3 紫外種子光的焦斑光強(qiáng)空間分布Fig.3 Spatial intensity distribution of focal spot of ultraviol seed laser

紫外種子光經(jīng)LLG50放大后焦斑光強(qiáng)空間分布如圖4所示（實(shí)驗(yàn)光路如圖2所示），可看出，與未通過放大器的情況相比，焦斑形狀發(fā)生了一定程度的畸變，但光強(qiáng)曲線總體上保持規(guī)則的單尖峰形狀。未開啟LLG50時，dx＝59.4μm，半徑為29.7μm；dy＝69.3μm，半徑為34.65μm。同樣地，選取與實(shí)際被測光束通光口徑（φ65mm）相同的圓形基模高斯光束為參考光束。經(jīng)計算，βx＝4.82，βy＝5.62，平均β＝5.22。開啟LLG50后，激光輸出能量約30mJ，dx＝89.15μm、半徑為44.58μm，dy＝59.44μm、半徑為29.72μm，βx＝7.23，βy＝4.82，平均β＝6.03。

由圖4可看出，紫外種子光通過LLG50前，光強(qiáng)分布平滑均勻，焦斑形狀較規(guī)則，衍射極限倍數(shù)較小，接近理想值1。通過LLG50后，光束質(zhì)量劣化，焦斑形狀出現(xiàn)畸變，β增大到5.22～6.03。這說明脈沖被放大時，光束質(zhì)量會下降。導(dǎo)致光束質(zhì)量下降的原因很多，如光學(xué)元件缺陷（表面污染、表面加工精度和折射率不均勻性）、強(qiáng)光非線性效應(yīng)引起的光束畸變等。就本系統(tǒng)而言，LLG50采用的是雙程離軸放大模式，因此激光在放大過程中實(shí)際通過4次氟化鈣窗鏡（厚度為1cm）及放大腔后端的反射鏡。此窗鏡的表面面型設(shè)計要求一般為λ／6。以λ／6的表面面型為例，對應(yīng)的光束相位畸變?yōu)?πλ／6λ＝2π／6≈1.047，通過4次后，相位畸變累加達(dá)到4.188。雖然放大前后激光輸出能量相差100倍，但光束質(zhì)量變化卻不大，說明光強(qiáng)的增大并不會引起明顯的光束畸變。因此，光學(xué)元件的表面缺陷（受加工精度限制不能做到絕對平整）可能是導(dǎo)致光束質(zhì)量下降的主要因素。

圖4 紫外種子光經(jīng)LLG50準(zhǔn)分子激光器放大后焦斑光強(qiáng)空間分布Fig.4 Spatial intensity distribution of focal spot of amplified ultraviol seed laser

4 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)測量研究了50mJ紫外超短脈沖激光系統(tǒng)的光束質(zhì)量情況。結(jié)果表明，紫外種子光光束質(zhì)量良好，光強(qiáng)分布平滑均勻，呈單峰分布，β接近于理想值。然而，光束經(jīng)LLG50腔體后，光束質(zhì)量劣化，β達(dá)到6左右。經(jīng)分析，光學(xué)元件的表面缺陷可能是導(dǎo)致光束質(zhì)量下降的主要因素，質(zhì)量好、表面平整度高的光學(xué)元件有助于提高光束質(zhì)量。同一條件下，紫外種子光被放大與否并不會顯著影響光束質(zhì)量。

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Beam Quality Research of High Power Ultraviolet Ultrashort Laser Pulse System

SU Heng－yi，LAN Xiao－fei，ZHANG Ji，WANG Lei－jian，LU Jian－xin，TANG Xiu－zhang
（China Institute of Atomic Energy，P.O.Box275－7，Beijing102413，China）

By means of building transmitting and focusing optical system，the beam quality of high power ultraviolet ultrashort laser pulse system was researched by using a CCD camera.Relevant parameters obtained from the measurement are the spatial intensity distribution，the size of focal spot and beam qualityβ－factor of the ultraviolet seed laser and the amplified pulse after its amplification by a KrF laser system.The result shows that the beam quality of the ultraviolet seed laser beam is good.β－factor is closed to 1.After amplification the beam quality worsens andβ－factor increases to about 6.Through analysis，surface defects of optical elements may be the major factor which leads to the degradation of the laser beam quality.

ultrashort pulse；KrF laser；beam quality evaluation

TN24

A< class="emphasis_bold">文章編號：1

1000－6931（2015）02－0230－04

10.7538／yzk.2015.49.02.0230

2013－12－02；

2014－02－25

973計劃資助項(xiàng)目（2011CB808104）

蘇恒毅（1989—），男，廣西欽州人，碩士研究生，等離子體物理專業(yè)