平頂飛秒激光經(jīng)圓錐透鏡在熔融石英中成絲及超連續(xù)輻射*

付麗麗 常峻巍 陳佳琪 張?zhí)m芝 郝作強2)?

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)重點實驗室, 山東省光場調(diào)控及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心, 濟南 250358)

實驗研究了平頂飛秒激光經(jīng)圓錐透鏡后在熔融石英中的成絲及超連續(xù)輻射.與高斯飛秒激光的成絲對比發(fā)現(xiàn), 平頂飛秒激光可以獲得在圓錐透鏡焦深區(qū)域內(nèi)強度分布更為均勻的等離子體細(xì)絲, 這一特征更有利于飛秒激光在固體介質(zhì)中進(jìn)行微納加工等領(lǐng)域的應(yīng)用.并且, 在不損傷熔融石英的條件下, 平頂飛秒激光成絲可以獲得更高能量、更高轉(zhuǎn)換效率的超連續(xù)輻射, 這是因為若產(chǎn)生光強相近的細(xì)絲, 平頂飛秒激光所需的初始激光能量更高, 此激光能量下產(chǎn)生的細(xì)絲長度更長、均勻性更好.

1 引 言

自1995年Braun等[1]首次發(fā)現(xiàn)超短脈沖激光在空氣中形成等離子體細(xì)絲以來, 等離子體細(xì)絲的相關(guān)研究引起了人們極大的興趣.由于等離子體細(xì)絲具有傳輸距離長(遠(yuǎn)大于其瑞利距離)、激光強度高 (激光強度鉗制在 5 × 1013W/cm2量級)、可以導(dǎo)電等特性, 其在激光誘導(dǎo)閃電[2]、遙感[3]、光波導(dǎo)[4]、誘導(dǎo)水凝聚[5]、空氣污染物檢測[6]、射頻電磁波傳導(dǎo)[7]、THz輻射[8]等諸多領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用價值.由于飛秒激光在光學(xué)介質(zhì)中傳輸時經(jīng)歷的非線性效應(yīng), 如自相位調(diào)制、多光子電離和自陡峭效應(yīng)等, 在形成等離子體細(xì)絲的同時, 還會伴隨激光光譜的展寬, 其范圍可以覆蓋從近紫外到紅外區(qū)域, 這種現(xiàn)象稱為超連續(xù)輻射[3].同時, 超連續(xù)輻射還保持了入射激光的相干性, 具有很好的空間和時間相干性, 在白光相干光源[9,10]、腔衰蕩光譜技術(shù)[11]、LIDAR[3]、計量學(xué)[12]、以及生物醫(yī)學(xué)成像[13]等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

為了滿足眾多應(yīng)用的需求, 人們提出了很多方法, 例如改變?nèi)肷浼す饽芰縖14]、偏振[15]、啁啾[16]、采用軸棱鏡[17]、進(jìn)行脈沖整形[18]、加入相位板[19]等對等離子體細(xì)絲的特性進(jìn)行控制.等離子體細(xì)絲特性的改變也將改變超連續(xù)輻射的特性, 包括展寬范圍和光譜強度.對于固體介質(zhì), 其非線性系數(shù)比空氣中高出三個數(shù)量級, 更有利于超連續(xù)光譜的展寬和增強.盡管增加激光入射能量能夠延長等離子體細(xì)絲的長度并展寬超連續(xù)輻射光譜, 但當(dāng)入射能量過高時, 將會造成固體介質(zhì)的永久損壞.因此,入射激光能量要有一定的限制, 這就限制了超連續(xù)輻射的進(jìn)一步展寬和增強.針對這一問題, 我們在之前的工作[20]中利用平頂激光經(jīng)微透鏡陣列聚焦,實現(xiàn)了熔融石英中成絲起點幾乎相同的均勻的細(xì)絲陣列排布, 并獲得了高能量及高轉(zhuǎn)換效率的超連續(xù)輻射.除了微透鏡陣列, 圓錐透鏡也是激光成絲常用的聚焦元件之一[21].圓錐透鏡可以將入射激光轉(zhuǎn)變成貝塞爾光束, 形成較長的焦深區(qū)域, 很多研究人員已經(jīng)將其應(yīng)用在飛秒激光的成絲控制方面, 主要集中在細(xì)絲延長[14,22,23]和超連續(xù)輻射增強[18,24]等方面.本文利用平頂激光光束和圓錐透鏡在激光成絲方面的優(yōu)點, 將平頂飛秒激光經(jīng)圓錐透鏡聚焦在熔融石英中形成等離子體細(xì)絲, 實現(xiàn)了細(xì)絲長度的延長以及細(xì)絲強度隨傳輸距離的相對均勻分布, 并進(jìn)一步獲得了高能量及高轉(zhuǎn)換效率的超連續(xù)輻射.

2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示, 實驗使用摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光放大器 (Spitfire-Ace, Spectra-Physics)輸出作為激光光源, 其輸出中心波長為 800 nm, 脈寬為 50 fs, 重復(fù)頻率為 1 kHz 的高斯激光脈沖.激光經(jīng)平頂光束整形器 (π Shaper, AdlOptica GmbH)被調(diào)制成平頂光束[20], 其橫截面強度分布如圖2(d)所示.然后經(jīng)過錐角為170°的圓錐透鏡后, 聚焦到熔融石英中形成等離子體細(xì)絲以及超連續(xù)輻射.在垂直于激光傳播方向使用CCD拍攝熔融石英中細(xì)絲.超連續(xù)輻射光經(jīng)焦距 300 mm, 直徑 50.8 mm的凸透鏡全部收集進(jìn)積分球中, 并使用光譜儀(USB4000, Ocean Optics)測量其光譜.當(dāng)研究高斯光束的傳輸時, 移去平頂光束整形器, 其余實驗裝置保持不變, 高斯光束的橫截面強度分布如圖2(c)所示.

3 結(jié)果與討論

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1.Experimental setup.

圖2 飛秒高斯激光 ((a), (c), (e))和平頂激光 ((b), (d), (f))的初始光斑 ((c), (d)) 及其在熔融石英中成絲的熒光圖像 ((a), (b)),以及成絲軸線上的熒光強度((e), (f))隨傳輸距離的演化.實驗中使用的激光脈沖能量均為672 μJ.圖中箭頭方向表示激光傳輸方向Fig.2.Fluorescence image ((a), (b)) and the on-axis intensity ((e), (f)) of the filament formed by Gaussian beam ((a), (e)) and flattened beam ((b), (f)) respectively, with an incident energy of 672 μJ; the intensity distributions in the cross sections of (b) Gaussian beam and (d) flattened beam.The inset arrow indicates the laser propagation direction.

圖2(a)和圖2(b)分別為脈沖能量為672 μJ的高斯激光和平頂激光經(jīng)過錐角為170°的圓錐透鏡聚焦后在熔融石英中形成的等離子體細(xì)絲的熒光圖.從圖中可以看出, 高斯激光形成的細(xì)絲強度明顯比平頂激光的大.為了更加清晰地比較細(xì)絲的強度隨傳輸距離的演化, 圖2(e)和圖2(f)分別給出了兩種激光形成的細(xì)絲在光軸上的熒光強度隨傳輸距離的演化.在這里, 把熔融石英的入射面定為坐標(biāo)原點, 激光的傳播方向為正方向.從圖2(e)可以看到, 隨著傳輸距離的增加, 等離子體細(xì)絲的強度快速增加, 在達(dá)到最大值以后, 其強度逐漸衰減, 在經(jīng)過幾次再聚焦過程之后細(xì)絲結(jié)束.而對于相同能量的平頂激光, 由圖2(f)可以看到, 其成絲相對強度基本維持在600上下(該強度為CCD的強度計數(shù)), 分布相對均勻.但是, 平頂光束的成絲傳輸過程仍然存在一定的強度起伏, 這主要是激光成絲過程中多種非線性效應(yīng)(主要包括克爾自聚焦、等離子體散焦、多光子電離、自相位調(diào)制等)共同作用的結(jié)果.這種強度起伏, 被稱為多次自聚焦現(xiàn)象, 是激光成絲的一個重要特點[25?28].經(jīng)過比較兩種光束的演化, 我們還可以看出, 在相同能量下,平頂激光形成的細(xì)絲的強度較小, 但是強度分布更為均勻.要產(chǎn)生強度相近的細(xì)絲, 平頂激光比高斯飛秒激光需要更高的激光能量.這也說明, 在不引起介質(zhì)永久損傷的前提下[10,20], 熔融石英中允許傳輸能量更高的平頂飛秒激光.為了更好地說明這一點, 我們逐步增大平頂激光的脈沖能量, 當(dāng)能量增加到 1.319 mJ 時, 獲得了與 672 μJ 的高斯光束情況下強度相近的等離子體細(xì)絲, 成絲熒光圖像和成絲強度隨傳輸距離的演化如圖3所示.

圖3(a)為入射能量1.319 mJ的平頂光束產(chǎn)生的等離子體細(xì)絲的側(cè)面熒光圖像, 圖3(b)為細(xì)絲光軸上的強度隨傳輸距離的演化.對比圖2(e)和圖3(b)可以發(fā)現(xiàn), 1.319 mJ 的平頂激光與 672 μJ的高斯激光所產(chǎn)生的等離子體細(xì)絲的最大強度接近, 但平頂激光產(chǎn)生的細(xì)絲的分布更為均勻, 細(xì)絲也更長.平頂飛秒激光的這些成絲特征為產(chǎn)生更高能量的超連續(xù)輻射奠定了基礎(chǔ).

我們進(jìn)一步研究了兩種激光成絲產(chǎn)生的超連續(xù)輻射.首先, 對圖2 中能量均為 672 μJ 的高斯和平頂激光的超連續(xù)輻射進(jìn)行了光譜測量, 結(jié)果如圖4所示.從圖中可以看出, 當(dāng)使用相同的能量672 μJ時, 高斯光束成絲產(chǎn)生的超連續(xù)輻射的光譜強度明顯高于平頂光束的情況.以 650 nm 處為例, 高斯光束產(chǎn)生的超連續(xù)光譜能量密度為0.31 μJ/nm,而平頂光束的僅為0.18 μJ/nm.我們還計算了這兩種情況下的超連續(xù)輻射轉(zhuǎn)換效率, 其定義為除去基頻(770—830 nm)以外的光譜的積分與整個光譜區(qū)域積分的比值[28].通過計算得到, 高斯激光產(chǎn)生的超連續(xù)輻射的轉(zhuǎn)換效率為32.58%, 而相同能量的平頂激光的僅為25.83%.形成這種差別的原因主要是, 在相同激光能量下, 雖然高斯激光和平頂激光的成絲長度沒有明顯區(qū)別, 但是前者的成絲強度明顯大于后者, 因此, 在這種條件下, 高斯激光的超連續(xù)輻射強度及其轉(zhuǎn)換效率均會高于平頂激光的情況[28].

圖3 入射能量為 1.319 mJ 的平頂激光經(jīng)圓錐透鏡在熔融石英中形成的細(xì)絲熒光圖像(a)及其光軸上的強度隨傳輸距離的演化(b)Fig.3.Fluorescence image (a) and the on-axis intensity of the filament (b) formed by flattened beam with incident energy of 1.319 mJ.

圖4 入射能量為 672 μJ 的高斯光束與 672 μJ, 1.319 mJ的平頂光束成絲產(chǎn)生的超連續(xù)輻射光譜Fig.4.Supercontinuum spectra from filamentation of the Gaussian beam with an incident energy of 672 μJ and flattened beam with an incident energy of 672 μJ and 1.319 mJ, respectively.

對于 1.319 mJ的平頂激光, 雖然其成絲與672 μJ高斯光束的成絲強度相近(圖3), 但是其產(chǎn)生的超連續(xù)輻射光譜明顯優(yōu)于高斯光束(見圖4).首先, 通過對比兩者的光譜強度可以看到, 在550 —700 nm 光譜范圍, 1.319 mJ 的平頂激光產(chǎn)生的超連續(xù)譜的能量密度是能量為672 μJ的高斯光束的2.5倍以上, 也就是說, 平頂光束在產(chǎn)生高能量光譜密度的超連續(xù)方面具有明顯優(yōu)勢.其次, 通過計算得出, 平頂激光的超連續(xù)光譜的轉(zhuǎn)換效率約為39.59%, 高于高斯激光的32.58%.由此可以得出結(jié)論, 在熔融石英不產(chǎn)生損傷的前提下, 相對于高斯激光, 平頂激光成絲產(chǎn)生的超連續(xù)輻射可以具有更高的能量密度和更高的轉(zhuǎn)換效率, 比高斯激光的情況更具優(yōu)勢.其主要原因在于, 超連續(xù)輻射的轉(zhuǎn)化效率主要取決于成絲的長度和強度[28].總之, 在熔融石英不產(chǎn)生損傷的前提下, 平頂飛秒激光能夠攜帶更高的入射激光能量進(jìn)行成絲, 這樣條件下的成絲強度與高斯飛秒激光的成絲雖然強度接近, 但長度更長, 并且其強度隨傳輸距離的分布也更為均勻, 具有較高光強的細(xì)絲的長度遠(yuǎn)大于高斯光束的情況, 從而也就可以顯著提高超連續(xù)輻射的轉(zhuǎn)換效率.

4 結(jié) 論

實驗研究了平頂飛秒激光和高斯飛秒激光分別經(jīng)圓錐透鏡聚焦后在融熔石英中成絲的演化以及產(chǎn)生的超連續(xù)輻射.平頂激光光束橫截面上的能量分布均勻, 與相同入射能量下的高斯激光相比,可以產(chǎn)生強度較低且更為均勻的等離子體細(xì)絲.在不損壞熔融石英的條件下, 平頂激光可以允許更高的入射能量, 產(chǎn)生的細(xì)絲也更長, 更有利于獲得更高能量密度及更高轉(zhuǎn)換效率的超連續(xù)輻射.

可以看出, 激光成絲過程中細(xì)絲強度隨傳輸距離分布的均勻程度, 對超連續(xù)輻射的能量密度和轉(zhuǎn)換效率具有顯著的影響.細(xì)絲強度分布越均勻, 允許的入射激光能量就更高, 超連續(xù)輻射的能量也就越高; 細(xì)絲強度分布越均勻, 具有較高光強的細(xì)絲的長度就可以更長, 超連續(xù)輻射的轉(zhuǎn)換效率也就更高.但是, 本文提出的平頂光束配合圓錐透鏡方法仍然具有較大的局限性, 對成絲強度分布的均勻性很難進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化.考慮到激光成絲過程屬于較強的非線性過程, 對其成絲過程的優(yōu)化更需要可以實時反饋的控制方法, 例如使用基于變形鏡或者液晶光調(diào)制器等的光場調(diào)控手段[29], 可以根據(jù)成絲演化情況實時優(yōu)化激光光束, 更有希望獲得更均勻的細(xì)絲和更強的超連續(xù)輻射.