整形飛秒激光脈沖的成絲超連續(xù)輻射控制*

常峻巍 朱瑞晗 張?zhí)m芝 奚婷婷 郝作強(qiáng) ?

1) (長春理工大學(xué)理學(xué)院, 長春 130022)

2) (山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院, 山東省光學(xué)與光子器件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東省光場(chǎng)調(diào)控及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心, 濟(jì)南 250358)

3) (中國科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院, 北京 101407)

飛秒激光成絲超連續(xù)輻射具有高強(qiáng)度和高時(shí)空相干性等優(yōu)點(diǎn), 作為一種超寬帶光源在很多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景.本文提出一種結(jié)合微透鏡陣列的空間調(diào)制和基于液晶空間光調(diào)制器的時(shí)域整形的飛秒激光脈沖整形方式, 利用基于遺傳算法的反饋優(yōu)化控制, 實(shí)現(xiàn)了飛秒激光在熔融石英中成絲產(chǎn)生的超連續(xù)輻射強(qiáng)度的調(diào)制, 得到了在一定范圍內(nèi)光譜強(qiáng)度可控的超連續(xù)輻射光譜; 光譜的能量密度可以從0.03 μJ/nm調(diào)制到0.09 μJ/nm, 其能量密度變化達(dá)到了初始值的3倍.計(jì)算了典型迭代代數(shù)對(duì)應(yīng)的整形脈沖時(shí)域包絡(luò), 分析了超連續(xù)光譜隨迭代代數(shù)的演化趨勢(shì), 結(jié)果表明, 脈沖包絡(luò)的峰值強(qiáng)度和波形分布是影響超連續(xù)光譜展寬和強(qiáng)度的主要物理原因.

1 引 言

當(dāng)超強(qiáng)飛秒激光脈沖在光學(xué)介質(zhì)中傳輸時(shí), 主要受到克爾自聚焦效應(yīng)和等離子體散焦效應(yīng)的作用, 會(huì)形成長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其瑞利距離的等離子體通道, 通常被稱為激光成絲現(xiàn)象[1].飛秒激光成絲過程中的自相位調(diào)制、多光子電離和自陡峭等非線性效應(yīng)使得激光光譜有很大的展寬, 形成超連續(xù)輻射.自從Alfano和Shapiro[2,3]首次觀測(cè)到皮秒激光在晶體和玻璃中傳輸時(shí)的光譜展寬現(xiàn)象以來, 超連續(xù)輻射就成為了基礎(chǔ)物理研究和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注重點(diǎn), 并被廣泛應(yīng)用于光學(xué)相干層析成像[4]、熒光顯微成像[5,6]、光譜學(xué)[7,8]、遙感和大氣污染檢測(cè)[9]等領(lǐng)域.近年來, 利用光子晶體[10]和微結(jié)構(gòu)光纖[11]產(chǎn)生飛秒超連續(xù)輻射的研究取得了一系列進(jìn)展, 并且出現(xiàn)了很多商用的光纖超連續(xù)白光光源[12,13].然而, 基于光纖的超連續(xù)白光光源仍然受到光纖材料特性例如損傷閾值低、耦合性要求高等的限制, 無法滿足一些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω邚?qiáng)度的超連續(xù)輻射的要求, 例如產(chǎn)生少周期脈沖[14]、遙感探測(cè)[15]等.眾所周知, 利用飛秒激光脈沖成絲產(chǎn)生的超連續(xù)輻射除了具有從紫外一直到近紅外的寬波段光譜, 還具有非常短的脈寬, 以及很高的強(qiáng)度和很好的時(shí)空相干性[16].因此, 進(jìn)行飛秒激光成絲超連續(xù)輻射的優(yōu)化控制研究, 對(duì)獲得更高強(qiáng)度更短脈寬的超寬帶光源具有重要的基礎(chǔ)物理研究意義和應(yīng)用價(jià)值.經(jīng)過幾十年的研究, 研究人員已經(jīng)在液體、氣體和固體等多種光學(xué)介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了超連續(xù)輻射輸出[17], 尤其是在熔融石英、YAG、LiF和藍(lán)寶石等多種介質(zhì)中成絲產(chǎn)生了超寬帶的超連續(xù)輻射[18,19].2014年, Lu等[20]通過在飛秒激光聚焦位置附近放置多個(gè)薄石英片的方式實(shí)現(xiàn)了在450 —980 nm范圍的超連續(xù)輻射轉(zhuǎn)化效率達(dá)到54%, 并獲得了脈沖能量76 μJ的超連續(xù)輻射輸出.He等[21]進(jìn)一步將超連續(xù)輻射的轉(zhuǎn)換效率提高到了90%, 并通過啁啾鏡壓縮獲得了脈寬為5.4 fs的少周期脈沖.在我們的前期工作中, 利用微透鏡陣列(MLA)將光束橫截面的能量重新分布, 獲得了在可見光波段mW/nm量級(jí)的超連續(xù)輻射輸出[22].最近, 我們又利用多光束干涉方法在熔融石英中形成了分布模式可調(diào)的成絲陣列, 同時(shí)產(chǎn)生的超連續(xù)輻射能量密度在可見光波段也達(dá)到了0.1 μJ/nm[23,24].

液晶空間光調(diào)制器(LC?SLM)作為一種可編程光學(xué)元件, 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光學(xué)操控[25]、脈沖整形[26]等研究和應(yīng)用領(lǐng)域.在飛秒激光脈沖成絲及超連續(xù)輻射的優(yōu)化控制研究中, 基于LC?SLM的激光脈沖整形技術(shù)也越來越受到研究者的關(guān)注[27?35].例如, 利用 LC?SLM可以實(shí)現(xiàn)熔融石英中激光多絲分布模式的優(yōu)化控制, 可以獨(dú)立調(diào)節(jié)細(xì)絲的位置、數(shù)目和能量分配等[27?29], 另外, 成絲長度和強(qiáng)度也可以實(shí)現(xiàn)反饋控制[30?32].此外, 在對(duì)成絲超連續(xù)輻射的控制方面, Zhdanova等[33]利用LC?SLM對(duì)激光光束進(jìn)行了空間調(diào)制, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)藍(lán)寶石晶體中成絲超連續(xù)輻射光譜峰位置的反饋控制.Ackermann等[34]利用整形脈沖反饋控制實(shí)現(xiàn)了空氣中成絲超連續(xù)輻射的優(yōu)化增強(qiáng).最近,Thompson等[35]通過在LC?SLM時(shí)域脈沖整形裝置中施加π相位偏移實(shí)現(xiàn)了成絲超連續(xù)輻射中窄帶光譜振幅的調(diào)制, 獲得了位置、間距和寬度等可控的窄帶光譜振幅增強(qiáng).由此可見, 對(duì)飛秒脈沖進(jìn)行空間調(diào)制或時(shí)域整形, 都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超連續(xù)輻射一定程度上的控制.然而, 目前為止還未見同時(shí)對(duì)飛秒激光進(jìn)行時(shí)空調(diào)制以控制成絲及超連續(xù)輻射的報(bào)道.

本文利用結(jié)合MLA的空間調(diào)制和基于LC?SLM的時(shí)間調(diào)制的整形飛秒激光脈沖進(jìn)行了熔融石英中成絲超連續(xù)輻射反饋優(yōu)化控制的實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)利用了MLA能夠?qū)崿F(xiàn)固體介質(zhì)中產(chǎn)生高功率超連續(xù)輻射的優(yōu)勢(shì), 又利用LC?SLM可實(shí)時(shí)反饋的特性, 實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度連續(xù)可控的超連續(xù)輻射輸出.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖, 使用了800 nm,45 fs, 1 kHz的商用Ti：Sapphire飛秒激光放大器(Spitfire, Spectra Physics)以及整形裝置(虛線框中所示).該整形裝置由一套4f無色散光學(xué)系統(tǒng)(包括一個(gè)1200 lines/mm的衍射光柵和一個(gè)焦距為300 mm的柱面鏡)與位于柱面鏡傅里葉平面的LC?SLM組成, 其中LC?SLM的液晶像素尺寸為 792 pixels × 600 pixels (Hamamatsu X11840).初始激光脈沖經(jīng)反射鏡準(zhǔn)直后入射到光柵G上,經(jīng)過光柵衍射和柱面鏡CL準(zhǔn)直, 不同波長的光投射到LC?SLM中不同列的液晶像素上, 通過電腦將補(bǔ)償相位板添加到LC?SLM中以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖頻域的相位調(diào)制.調(diào)制后的反射光再次經(jīng)過柱面鏡和光柵合束, 從而獲得整形的飛秒激光脈沖, 并從反射鏡M2上方出射.再通過MLA將整形脈沖聚焦到熔融石英中產(chǎn)生等離子體絲陣列以及超連續(xù)輻射.為了減少超連續(xù)輻射中基頻成分對(duì)光譜采集的影響, 實(shí)驗(yàn)使用了二向色鏡(R ＞ 98%@約350—670 nm)作為超連續(xù)輻射的反射鏡.之后, 超連續(xù)輻射經(jīng)聚焦鏡L會(huì)聚到積分球中, 并通過連接積分球的光譜儀(USB 4000, Ocean Optics Inc.)進(jìn)行光譜采集.實(shí)驗(yàn)中入射激光脈沖能量為300 μJ,MLA的焦距為218.3 mm (尺寸10 mm × 10 mm,陣列間距1.015 mm), MLA與熔融石英前表面間距為167 mm.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(M, 800 nm高反鏡; G, 光柵; CL,柱面鏡; LC?SLM, 液晶空間光調(diào)制器; MLA, 微透鏡陣列;L, 平凸透鏡; FS, 熔融石英; DM, 二向色鏡; IS, 積分球)Fig.1.Schematic diagram of experimental setup.M,800 nm HR mirror; G, grating; CL, cylindrical lens; LC?SLM, liquid crystal spatial light modulator; MLA, mi?crolens array; L, plano?convex lens; FS, fused silica; DM, di?chroic mirror; IS, integrating sphere.

基于遺傳算法編寫了閉環(huán)反饋控制程序(程序流程圖與參考文獻(xiàn)[32]類似), 其中, 光譜儀采集的超連續(xù)輻射光譜作為遺傳算法的反饋信號(hào), 用于實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)空調(diào)制飛秒脈沖成絲超連續(xù)輻射強(qiáng)度的閉環(huán)優(yōu)化控制.首先, 通過算法隨機(jī)生成50組補(bǔ)償相位, 并通過電腦依次加載到LC?SLM上得到對(duì)應(yīng)的整形激光脈沖.激光脈沖經(jīng)MLA在熔融石英中成絲后得到50組對(duì)應(yīng)的超連續(xù)輻射光譜.然后,提取超連續(xù)輻射光譜中指定波長或波長范圍的強(qiáng)度, 對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估并分配相應(yīng)的適應(yīng)度值; 根據(jù)得到的適應(yīng)度值對(duì)其對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償相位進(jìn)行篩選和排序.最后, 選取其中20組最優(yōu)的補(bǔ)償相位作為父代, 通過交叉和變異的方法生成新的50組補(bǔ)償相位作為下一代.依照上述流程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋迭代, 直到滿足適應(yīng)度要求, 程序結(jié)束.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)得到了整形飛秒脈沖成絲產(chǎn)生超連續(xù)輻射的光譜強(qiáng)度隨迭代代數(shù)的演化, 如圖2(a)所示.需要指出的是, 由于實(shí)驗(yàn)中采用了二向色鏡進(jìn)行濾光, 因此實(shí)驗(yàn)只得到了400 —700 nm可見光區(qū)域的超連續(xù)輻射光譜.為了更清晰地說明超連續(xù)輻射光譜的反饋優(yōu)化過程, 圖2(b)給出了幾個(gè)典型迭代代數(shù)對(duì)應(yīng)的超連續(xù)輻射光譜.從圖2可以看出,初始迭代時(shí), 因?yàn)槿肷浼す饷}沖的補(bǔ)償相位是隨機(jī)產(chǎn)生的, 因而超連續(xù)輻射在可見光區(qū)域的強(qiáng)度很低, 整體光譜能量密度低于0.03 μJ/nm.隨著迭代代數(shù)增加, 優(yōu)化后可見光區(qū)域的超連續(xù)光譜逐漸增強(qiáng).當(dāng)?shù)降?代時(shí), 光譜強(qiáng)度增加趨勢(shì)趨于平緩.隨著迭代代數(shù)的進(jìn)一步增加, 光譜強(qiáng)度在第10代后趨于穩(wěn)定; 繼續(xù)增加迭代代數(shù), 光譜強(qiáng)度不再出現(xiàn)明顯變化.第10次迭代后, 光譜能量密度最高可達(dá)0.09 μJ/nm, 大于0.05 μJ/nm的波長范圍超過了100 nm.需要指出的是, 與我們之前的工作[22]相比, 本實(shí)驗(yàn)獲得的超連續(xù)輻射光譜能量密度較低.這主要是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)中采用了較低的入射激光能量, 并且, 通過相位整形后的激光脈沖的脈寬達(dá)到了ps量級(jí), 從而造成了成絲和超連續(xù)輻射強(qiáng)度相對(duì)較弱.此外, 隨著迭代代數(shù)的增加, 超連續(xù)光譜向短波方向展寬, 截止波長逐漸向短波方向移動(dòng), 并且短波方向的光譜強(qiáng)度也得到了更為顯著的增加.與僅使用激光光束空間調(diào)制對(duì)超連續(xù)輻射的展寬進(jìn)行控制相比[33], 本實(shí)驗(yàn)得到的超連續(xù)輻射展寬波形更為穩(wěn)定, 并且允許使用更高的入射激光能量, 從而可以實(shí)現(xiàn)更大強(qiáng)度的可控超連續(xù)輻射輸出.可以看出, 利用整形脈沖對(duì)成絲產(chǎn)生的超連續(xù)輻射進(jìn)行反饋優(yōu)化控制, 能夠?qū)崿F(xiàn)光譜整體強(qiáng)度的控制, 使其隨迭代代數(shù)的增加而增強(qiáng), 同時(shí), 還有對(duì)短波方向的截止波長的控制, 使其隨著迭代代數(shù)的增加而變小.

圖2 (a)時(shí)空調(diào)制飛秒脈沖成絲的超連續(xù)輻射隨迭代代數(shù)的演化; (b)典型迭代代數(shù)對(duì)應(yīng)的超連續(xù)輻射光譜Fig.2.(a) Evolution trend of supercontinuum generation by the spatiotemporal modulation femtosecond pulse filament?ation with the increasing of iterative generation; (b) super?continuum spectra of several typical iterative generations.

進(jìn)一步, 我們對(duì)不同迭代代數(shù)得到的超連續(xù)輻射的400—700 nm范圍的可見光光譜強(qiáng)度進(jìn)行了積分, 該積分直接體現(xiàn)了超連續(xù)輻射在可見光波段的轉(zhuǎn)換效率, 結(jié)果如圖3所示.從圖3可以看出,隨著迭代代數(shù)增加, 超連續(xù)輻射轉(zhuǎn)換效率(強(qiáng)度)迅速增強(qiáng), 經(jīng)過8次迭代后增強(qiáng)趨勢(shì)逐漸變緩.超連續(xù)輻射轉(zhuǎn)換效率在第10次迭代后趨于穩(wěn)定, 繼續(xù)增加迭代代數(shù), 也不再明顯增加.在這個(gè)迭代優(yōu)化過程中, 可見光波段的超連續(xù)輻射光譜強(qiáng)度積分, 即該波段的能量從3.3 μJ增加到12 μJ左右,增強(qiáng)了約3.6倍.

圖3 超連續(xù)輻射光譜積分(400?700 nm波段)隨迭代代數(shù)的變化Fig.3.Spectral intensity integration (400?700 nm) of the supercontinuum as a function of the iterative generation.

為了分析超連續(xù)光譜隨迭代代數(shù)演化的物理機(jī)理, 利用補(bǔ)償相位和初始脈沖光譜計(jì)算了幾個(gè)典型迭代代數(shù)情況下初始整形脈沖的波形, 結(jié)果如圖4所示.從脈沖時(shí)域包絡(luò)波形分布可以看出：初始迭代時(shí), 子脈沖偏離脈沖包絡(luò)中心, 且子脈沖間隔很大, 中心峰值強(qiáng)度較低; 脈沖展寬范圍將近± 2 ps, 脈沖峰值功率大約為0.46 GW.隨著迭代代數(shù)的增加, 包絡(luò)中的子脈沖逐漸向包絡(luò)中心集中, 中心脈沖峰值強(qiáng)度逐漸增強(qiáng), 當(dāng)?shù)降?代后脈沖展寬減小到 ± 0.5 ps, 脈沖峰值功率大約為0.77 GW.形成了具有一個(gè)主脈沖和靠近主脈沖前沿多個(gè)低強(qiáng)度子脈沖的分布, 并且時(shí)域包絡(luò)的寬度也隨著迭代代數(shù)的增加而明顯減小.隨著迭代代數(shù)的進(jìn)一步增加, 脈沖時(shí)域包絡(luò)不再出現(xiàn)明顯變化.最終, 經(jīng)過多次迭代反饋優(yōu)化后的脈沖具有一個(gè)較強(qiáng)的主脈沖, 該主脈沖具有較為陡峭的脈沖后沿, 主脈沖的前沿還有多個(gè)次強(qiáng)的子脈沖.這個(gè)陡峭的脈沖后沿致使成絲產(chǎn)生的超連續(xù)光譜在短波方向顯著增強(qiáng)[36,37].

在反饋優(yōu)化的第一代中, 補(bǔ)償相位是隨機(jī)生成的, 得到的整形脈沖的包絡(luò)分布十分復(fù)雜, 脈沖寬度達(dá)到ps量級(jí), 脈沖峰值功率較低, 經(jīng)過MLA聚焦到熔融石英中后, 成絲的數(shù)目較少, 絲的強(qiáng)度也比較弱, 因此, 產(chǎn)生的超連續(xù)輻射強(qiáng)度也較低(見圖2).隨著迭代代數(shù)增加, 脈沖包絡(luò)寬度減小, 能量主要集中在包絡(luò)中心較強(qiáng)的子脈沖上, 并出現(xiàn)了陡峭的脈沖后沿, 這將使得更多的MLA微元能夠產(chǎn)生等離子體絲, 并形成更強(qiáng)的超連續(xù)輻射.由上述分析可知, MLA的空間調(diào)制允許更高的入射能量, 可產(chǎn)生更多的細(xì)絲, 直接提高了超連續(xù)輻射的能量.而脈沖波形分布和峰值強(qiáng)度, 影響了超連續(xù)輻射的轉(zhuǎn)換效率和展寬.總之, 結(jié)合整形激光脈沖的時(shí)域調(diào)制和MLA的空間調(diào)制, 可以在更大的范圍內(nèi)控制超連續(xù)輻射的強(qiáng)度.

圖4 典型迭代代數(shù)對(duì)應(yīng)整形激光脈沖初始包絡(luò), 圖中迭代代數(shù)依次為(a) 1, (b) 3, (c) 8和(d) 17Fig.4.Initial envelopes of shaped laser pulse with typical iteration generations of (a) 1, (b) 3, (c) 8 and (d) 17, respectively.

4 結(jié) 論

利用基于MLA的空間調(diào)制和LC?SLM的脈沖整形技術(shù)實(shí)現(xiàn)的時(shí)空調(diào)制飛秒激光脈沖, 進(jìn)行了熔融石英中激光成絲產(chǎn)生超連續(xù)輻射的反饋優(yōu)化控制研究, 實(shí)現(xiàn)了超連續(xù)輻射光譜能量密度的優(yōu)化調(diào)制, 調(diào)制光譜的能量密度相對(duì)于初始值提高了3倍; 同時(shí), 超連續(xù)輻射逐漸向短波方向展寬.此外, 研究發(fā)現(xiàn)影響超連續(xù)輻射強(qiáng)度的主要物理機(jī)理是時(shí)域脈沖的峰值強(qiáng)度和包絡(luò)分布, 陡峭脈沖后沿有利于超連續(xù)輻射在短波方向的展寬和增強(qiáng).這為研究可控的高能量成絲超連續(xù)光源提供了一個(gè)新的思路, 可以為熒光顯微光譜技術(shù)[5,6]、光譜學(xué)[7,8]等應(yīng)用領(lǐng)域提供更高效的光源.