超快激光在納米溶液中的超連續(xù)光絲光譜技術(shù)

聶 源，袁 帥，徐 暉，杜迎生

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

自從Braun 等首次發(fā)現(xiàn)超短脈沖激光成絲的現(xiàn)象以來[1]，經(jīng)過近十多年的探索和研究，其機(jī)理已經(jīng)基本清晰。高功率激光在介質(zhì)中傳輸時(shí)，受到克爾效應(yīng)的影響發(fā)生自聚焦，同時(shí)介質(zhì)受到激光光場的作用，發(fā)生多光子電離產(chǎn)生等離子體，自聚焦的自聚焦作用和等離子體的自散焦作用在飛秒激光傳輸過程中保持動(dòng)態(tài)平衡[2]。超短脈沖激光在介質(zhì)中成絲過程中，可以產(chǎn)生覆蓋紫外?近紅外的超寬連續(xù)譜的白光[3-5]。由于光絲產(chǎn)生的超連續(xù)譜中的每一頻率成分都具有和入射激光相同的相干性[6]，使得超連續(xù)白光能夠作為理想的超快寬帶光源，可應(yīng)用于飛秒時(shí)間分辨光譜學(xué)、光脈沖壓縮技術(shù)[7-9]，還可作為種子光應(yīng)用于光參量放大器等[10]。同時(shí)，這種擁有良好相干性的超連續(xù)白光還為實(shí)現(xiàn)周期量級(jí)脈沖壓縮提供了可能。然而，在氣態(tài)介質(zhì)中發(fā)生自聚焦所需要的功率閾值較高，對(duì)激光器的峰值功率要求相當(dāng)嚴(yán)苛，如果在液態(tài)介質(zhì)中成絲，以純水為例，由于純水的非線性折射率更高，其發(fā)生自聚焦所需要的功率閾值比在氣態(tài)介質(zhì)中低3 個(gè)數(shù)量級(jí)[11]，并且在溶液中還可以產(chǎn)生平臺(tái)區(qū)較為平整的超連續(xù)譜。

2010 年，Wang 等將800 nm 的飛秒激光聚焦到硫酸銅（CuSO4）溶液中成絲，產(chǎn)生了平臺(tái)區(qū)平整度為9%的覆蓋波長近紅外至可見區(qū)域的超連續(xù)譜[12]。為了更進(jìn)一步的降低激光成絲產(chǎn)生超連續(xù)譜的閾值，并產(chǎn)生更寬的超連續(xù)譜，近年來使用納米金屬或半導(dǎo)體顆粒摻雜的溶液作為超連續(xù)譜介質(zhì)成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。2013 年，Vasa 等通過在純水中摻雜不同形貌的納米金顆粒，定向調(diào)制了飛秒激光在該溶液中成絲產(chǎn)生的等離子體濃度，進(jìn)而產(chǎn)生了光譜范圍為620～855 nm 的平坦超連續(xù)譜[13]。2017 年，Liu 等使用雙束飛秒激光在納米金溶液中構(gòu)造等離子體光柵，通過納米金溶液的強(qiáng)散射特性，研究了等離子體光柵的局域空間分布，并通過調(diào)整納米金顆粒的摻雜濃度，調(diào)制局域離子體密度[14]。2018年，Yuan 等對(duì)飛秒激光在納米金顆粒摻雜的水溶液中成絲展開了研究，發(fā)現(xiàn)了空間連續(xù)的等離子體通道，并且產(chǎn)生了波長范圍為400～650 nm的超連續(xù)譜[15]。2019 年，Yuan 等使該超連續(xù)譜與納米金顆粒的SPR 吸收峰重疊，從而使產(chǎn)生光絲的閾值大大降低[16]。這表明通過對(duì)溶液采用摻雜納米量子顆粒的方法，可以使飛秒激光在較低功率產(chǎn)生超連續(xù)譜。

因此，本文基于超快激光在納米溶液中多光子電離產(chǎn)生超連續(xù)光譜的技術(shù)，搭建了一套超短脈沖激光在納米溶液中成絲產(chǎn)生超連續(xù)譜的裝置，利用納米顆粒摻雜的水溶液具有更低的功率閾值與能夠產(chǎn)生寬譜超連續(xù)譜的特點(diǎn)，研究了一種新的產(chǎn)生超連續(xù)光譜的方法。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。激光器輸出的中心波長為800 nm，脈沖寬度為80 fs，相應(yīng)的光譜寬度為50 nm，在1 kHz 的重復(fù)頻率下，最大單脈沖能量約為2.4 mJ。我們將半波片（λ/2 片）與偏振分光棱鏡（PBS）放置在主光路上，從而實(shí)現(xiàn)光功率的實(shí)時(shí)調(diào)整，并將遮光板放置在反射光束路徑上，用以防止雜散光的溢出。在PBS 前方放置了一片熔融石英透鏡（f=20 cm），從而將激光束聚焦到透明熔融石英水槽內(nèi)，在盛有的溶液中成絲產(chǎn)生超連續(xù)譜。水槽尺寸為5 cm×1 cm×1 cm，容積約為5 mL。我們使用加載了10 倍物鏡的顯微鏡與CCD 相機(jī)的組合裝置，在石英水槽的正上方觀察光絲及氣泡生成的情況，CCD 相機(jī)的積分時(shí)間為10 ms。為了測量在溶液中成絲而生成的超連續(xù)光譜，在石英水槽右方放置光譜儀（海洋光學(xué)HR4000CG），使用熔融石英透鏡（f=15 cm）將從石英水槽出射后的發(fā)散光聚焦到光譜儀的探頭中，光譜儀積分時(shí)間設(shè)置為100 μs。為了避免光譜信號(hào)的飽和，使用了ND 0.5 濾光片來降低光譜的強(qiáng)度。

圖1 超短脈沖激光在液體中成絲產(chǎn)生超連續(xù)譜實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 The Experimental setup of supercontinuum generated by ultra-short pulse laser filaments in liquid

激光束由摻鈦藍(lán)寶石激光器輸出，經(jīng)半波片調(diào)整其偏振方向，然后通過PBS，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光束的功率。PBS 輸出的水平偏振光束，在聚焦透鏡的作用下聚焦到石英水槽的液體當(dāng)中。石英水槽中裝有5 mL 液體，并且放置在二維移動(dòng)平臺(tái)上，用以調(diào)整激光聚焦入射到溶液中的位置，產(chǎn)生最佳強(qiáng)度的光絲及超連續(xù)譜。

在成絲產(chǎn)生超連續(xù)譜的研究中，水槽中填充摻雜了納米金顆粒的去離子水溶液，其中納米金顆粒摻雜的濃度為1.27×10?6mol/L，平均粒徑為10 nm，對(duì)應(yīng)的共振波長為520 nm。由于該激光脈沖在溶液中成絲產(chǎn)生的超連續(xù)譜涵蓋了這一共振波長，因此可以利用納米顆粒的表面等離子體共振增強(qiáng)（SPR）效應(yīng)[17-18]來增強(qiáng)光絲產(chǎn)生超連續(xù)譜的寬度[16]。

在氣泡運(yùn)動(dòng)的研究中，水槽中填充摻雜了納米ITO 顆粒的去離子水溶液。氧化銦錫（ITO）由In2O3和Sn 復(fù)合而成，作為一種N 型半導(dǎo)體，當(dāng)入射光的光子能量超過禁帶寬度時(shí)，會(huì)引起該材料的本征吸收。由于納米ITO 摻雜的濃度為2.30×10?3mol/L，平均粒徑為50 nm，對(duì)應(yīng)的共振波長處于紅外區(qū)域，對(duì)近紅外光有強(qiáng)烈的吸收，并且ITO 禁帶寬度只有3.5 eV，所以更容易產(chǎn)生多光子電離。同時(shí)摻雜的去離子水溶液又具有高載流子濃度的特點(diǎn)，可以產(chǎn)生更多的碰撞電離，在碰撞電離的過程中能產(chǎn)生更多電子與熱量，有利于產(chǎn)生高溫高壓環(huán)境，因此可以利用該效應(yīng)產(chǎn)生高速水流和氣泡。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 納米金溶液中超連續(xù)譜測量和分析

逐步提升激光功率，在脈沖的峰值功率達(dá)到激光自聚焦所需要的功率閾值Pcr時(shí)，產(chǎn)生自聚焦，然后引發(fā)介質(zhì)中分子的多光子電離，產(chǎn)生等離子體。同時(shí)等離子體又對(duì)脈沖產(chǎn)生了散焦作用，使光束在自聚焦的聚焦作用和等離子體的散焦作用下保持動(dòng)態(tài)平衡，從而產(chǎn)生了光絲。

使用光譜儀在光絲出射處采集激光脈沖，測得光譜數(shù)據(jù)如圖2 所示。

激光在非線性介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)的折射率變化[19]可表示為

式中：n0為介質(zhì)的線性折射率；n2為介質(zhì)的非線性折射率系數(shù)；I 為激光強(qiáng)度。n2I 反映了介質(zhì)的非線性折射率，介質(zhì)的非線性折射率和光強(qiáng)呈正比，在光強(qiáng)較低時(shí)可以忽略不計(jì)，但當(dāng)光強(qiáng)較高時(shí)，非線性折射率在總折射率中的比重會(huì)明顯增大，最終導(dǎo)致總折射率的上升。實(shí)驗(yàn)中，折射率隨光強(qiáng)提升，使入射激光脈沖在時(shí)間上的光強(qiáng)分布變的不均勻，導(dǎo)致對(duì)入射激光脈沖相位產(chǎn)生了調(diào)制。由折射率變化導(dǎo)致的頻移，即激光頻率隨光強(qiáng)的演化，可以表示為

圖2 不同功率下的出射光譜Fig.2 Emission spectra under different input pulse energies

式中：ω0為入射激光的頻率；z 為非線性作用長度（光絲長度）；c 為光在真空中的傳播速度；N0為作用區(qū)域內(nèi)的中性粒子數(shù)；e 和me分別為該粒子具有電子電荷和質(zhì)量[20]。對(duì)于液態(tài)水，禁帶寬度為6.5 eV。參考實(shí)驗(yàn)中入射激光波長λ0=800 nm，N 取值為5。式（2）等號(hào)右側(cè)的第一項(xiàng)是低階項(xiàng)，這主要是由于超短脈沖激光在非線性介質(zhì)中傳播產(chǎn)生了自相位調(diào)制（SPM），對(duì)于較低的單脈沖能量，自相位調(diào)制會(huì)誘導(dǎo)激光脈沖頻率的對(duì)稱展寬。因此可以觀測到，隨著入射光脈沖能量的增加，出射光譜也相應(yīng)地發(fā)生對(duì)稱展寬，并且展寬幅度越來越大。如圖2（a）所示，光譜儀測得的光譜在功率為0.5 μJ 時(shí)與激光器輸出光譜相似（幾乎無展寬），將功率提高至2.5 μJ時(shí)有一定的對(duì)稱展寬，說明在低功率下上述對(duì)稱展寬占主導(dǎo)。而式（2）等號(hào)右側(cè)第二項(xiàng)為高階項(xiàng)，對(duì)應(yīng)高峰值能量情況，白光超連續(xù)譜主要來自多光子電離過程[21]。在這種情況下，如圖2（b）所示，隨功率提升展寬藍(lán)移，最終產(chǎn)生400～950 nm 的超連續(xù)白光光譜。同時(shí)，在圖2（b）的520 nm 處，可以明顯觀察到由于納米金共振吸收導(dǎo)致的凹陷，這是因?yàn)槲挥?20 nm 處的超連續(xù)譜的成分激發(fā)了納米金顆粒（粒徑12 nm）的表面等離子體共振，增強(qiáng)了溶液的非線性折射率，這對(duì)成絲產(chǎn)生的超連續(xù)譜起到了進(jìn)一步展寬的效果。飛秒激光在純水中成絲產(chǎn)生超連續(xù)譜的功率閾值為2.35 MW，而在納米金溶液中成絲的閾值僅有0.48 MW[16]，不足前者的1/4。這表示我們通過對(duì)溶液采用摻雜納米量子點(diǎn)的方法可以有效降低成絲的閾值，在較低的激光功率下產(chǎn)生超連續(xù)譜。當(dāng)入射激光光譜與納米金粒子表面等離子體共振重疊時(shí)，超連續(xù)譜寬度增加，主要原因是納米金粒子的非線性極化率和表面等離子體共振誘導(dǎo)的局域場增強(qiáng)所致[13]。

2.2 納米ITO 溶液中氣泡拍攝和速度統(tǒng)計(jì)

我們拍攝了飛秒激光在納米ITO 溶液中成絲時(shí)的氣泡運(yùn)動(dòng)情況，并且在不同功率下對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖3 所示。

圖3 氣泡動(dòng)態(tài)分布Fig.3 Dynamic bubble distribution

使用納米ITO 溶液成絲的原因是，水分子的禁帶寬度約為6.5 eV，而ITO 的禁帶寬度為3.5 eV，并且ITO 載流子濃度高，因此相較于水分子能夠提供更多的自由電子。激光脈沖作用于ITO 納米顆粒，由于ITO 禁帶寬度較小，在多光子電離過程中其相對(duì)于水分子可產(chǎn)生更多種子電子，而納米金顆粒一般具有更大的禁帶寬度，相應(yīng)地不容易產(chǎn)生種子電子。該種子電子在光場作用下加速與水分子發(fā)生碰撞電離，碰撞電離過程產(chǎn)生更多電子與熱量，然后等離子體受到光場的逆韌至輻射作用，獲得動(dòng)能并變?yōu)楦邷貭顟B(tài)。由于該過程發(fā)生在光絲區(qū)域內(nèi)（百納秒尺度內(nèi)），因此產(chǎn)生高溫高壓的環(huán)境，并產(chǎn)生高速的沖擊波[22]。高溫等離子體本身也在高溫狀態(tài)下逐漸氣化并凝聚成核，形成氣泡后受到?jīng)_擊波的作用向液壓更小的方向高速運(yùn)動(dòng)，最終氣泡衰退并再次產(chǎn)生沖擊波。該過程由于擁有更多的種子電子，其相對(duì)于單純的水溶液能產(chǎn)生更多的碰撞電離，因此能引發(fā)更快的微流。在成絲及產(chǎn)生氣泡的同時(shí)也產(chǎn)生超連續(xù)譜，這些超連續(xù)譜作為光源，其輻射白光被氣泡散射，因此氣泡的運(yùn)動(dòng)可被CCD 觀測到，并且可以借助氣泡的流動(dòng)標(biāo)定液體的流速。我們用顯微鏡集成的CCD 裝置拍攝了氣泡流動(dòng)和分布的情況。圖3（a）為我們?cè)贑CD 中捕捉到的氣泡動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)圖片，拍攝這張圖片的過程中，CCD 的積分時(shí)間設(shè)置為10 ms。實(shí)驗(yàn)中由于氣泡運(yùn)動(dòng)速度很快，在10 ms 積分時(shí)間內(nèi)，我們可以看到氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)CCD 鏡頭的放大倍數(shù)，計(jì)算出圖中氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡的長度和實(shí)際運(yùn)動(dòng)長度的比例，然后依據(jù)圖中軌跡的長度推演出實(shí)際運(yùn)動(dòng)長度，再參考CCD的積分時(shí)間，就可以計(jì)算出圖中氣泡運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度，同時(shí)也可得出水流的速度。圖3（b）為不同光功率下氣泡運(yùn)動(dòng)速度的統(tǒng)計(jì)圖，可以看出，隨著激光單脈沖能量的增加，氣泡的運(yùn)動(dòng)速度逐漸加快，并且在單脈沖能量較高時(shí)，氣泡運(yùn)動(dòng)速度的增加幅度也在增加。本文所得氣泡的最快運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到0.16 m/s，比文獻(xiàn)[22]中10?4m/s的數(shù)據(jù)提高了3 個(gè)數(shù)量級(jí)，主要原因是ITO 納米顆粒的禁帶寬度更小，并且載流子濃度更高，造成了更多的碰撞電離的過程，更有利于產(chǎn)生高溫高壓的環(huán)境。

3 結(jié) 論

我們利用超快激光在納米溶液中成絲的技術(shù)，產(chǎn)生了強(qiáng)相干性的超連續(xù)白光光譜。在產(chǎn)生超連續(xù)譜的同時(shí)我們還注意到了氣泡定向流動(dòng)的現(xiàn)象，采用飛秒激光在ITO 溶液中成絲可以形成高速水流，其速度比已有文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)快了3 個(gè)數(shù)量級(jí)，這一現(xiàn)象可為微流控芯片、非接觸式液體攪拌、微納氣泡產(chǎn)生及控制等提供參考。在本文研究的基礎(chǔ)上，如果進(jìn)一步提高激光功率，我們還可以開展表面增強(qiáng)拉曼光譜[23]、光絲氣體檢測[24]等應(yīng)用研究。