高功率紫外超短激光脈沖光束質量研究

蘇恒毅，蘭小飛，張 驥，王雷劍，路建新，湯秀章

（中國原子能科學研究院核技術應用研究所，北京 102413）

高功率紫外超短激光脈沖光束質量研究

蘇恒毅，蘭小飛，張 驥，王雷劍，路建新，湯秀章

（中國原子能科學研究院核技術應用研究所，北京 102413）

通過搭建傳輸和聚焦光學系統，采用CCD相機測量了高功率紫外超短脈沖激光系統的光束質量參數，如紫外種子光及其經過KrF準分子激光器放大后的焦斑光強空間分布、焦斑尺寸及極限衍射倍數β。結果表明，紫外種子光光束質量良好，β接近于1。經放大后，光束質量劣化，β達到6左右。經分析，光學元件的表面缺陷可能是導致光束質量下降的主要因素。

超短脈沖；KrF激光；光束質量評價

隨著啁啾脈沖放大技術的廣泛采用，激光器輸出功率得到了數個量級的提高［1－2］。當激光功率密度達到1021W／cm2時，光場振幅E將達到8.7×1013V／m，這相當于平均在原子尺度上加了10kV的電壓。在如此強的電場作用下，所有原子均會被瞬間電離，產生極高能量的電子、質子或其他粒子。強場物理為許多研究方向提供了嶄新的基礎平臺，其中包括慣性約束聚變（ICF）快點火物理［3－5］、高能量密度物理、高強度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，在一定程度上提高了快點火的成功率。近年來，中國原子能科學研究院高功率準分子激光實驗室開展了利用KrF準分子激光器直接放大248nm紫外超短激光脈沖的實驗研究，輸出功率達2～3TW［8］。

激光最終作用到目標上的功率密度不僅與輸出功率有關，而且取決于光束的初始質量和傳輸及聚焦過程中發生的畸變量。因此，保證傳輸、聚焦過程中的光束質量至關重要。激光束在傳輸過程中對光學系統的缺陷和畸變非常敏感，易導致波前畸變。同時，高功率光束初始光強分布不均易在傳輸過程中產生小尺度自聚焦效應，經調制后會在靶面上產生旁瓣，甚至導致多路成絲，降低聚焦功率密度。本文通過實驗測量，研究紫外種子光及此種子光經放電泵浦KrF激光器LLG50放大后的光束質量，以期為后續改善光束質量提供數據支持。

1 光束質量評價參數

1.1 焦斑尺寸

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

n通常取2、e和e2，本文取n＝2。

1.2 遠場發散角和衍射極限倍數β

遠場發散角的定義為：

其中：ωz為坐標點z處的光束半徑；ω0為束腰半徑；λ為激光波長。

根據國際標準化組織（ISO）制定的相關標準，實際測量中，采用長焦距的薄透鏡對激光光束進行聚焦，焦平面上的光斑尺寸反映了激光束的遠場發散度，因此定義遠場發散角［9］為：

其中：ωf為焦平面處光斑半徑；f為透鏡焦距。

遠場發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。遠場發散角越小，說明光束方向性越好，能量越集中。由于遠場發散角的大小取決于測量采用的聚焦光學元件，同一激光光束采用不同通光口徑的聚焦光學元件測量的遠場發散角不同。因此，引入衍射極限倍數β對光束的發散性進行更準確地定義。β定義為實際激光光束的遠場發散角與理想光束遠場發散角的比值［9］，則：

β以理想光束為參考標準，表征實際光束的光束質量偏離同一條件下理想光束質量的程度，在一定程度上消除聚焦光學元件的影響，從本質上反映了光束質量的情況。根據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，光束的發散度越低，能量越集中，則光束質量越好。

2 激光器參數及實驗光路

本工作實驗研究的對象是50mJ紫外超短脈沖激光系統。系統的前端是美國光譜物理公司生產的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產生，其泵浦光源是一臺氬離子激光器。考慮到放大過程中的紅移效應，將Tsunami的輸出波長調整到737nm，同時，用一臺小型光譜儀檢測鎖模的狀態和輸出波長。經CPA技術放大后，再經三倍頻晶體變頻，得到約0.6mJ、280fs、248nm的超短脈沖。將放電泵浦的KrF準分子激光器LLG50作為激光放大器，對脈沖進行放大，光路采用雙通離軸放大結構。激光器放大腔內充滿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。經擴束，激光光斑尺寸由注入放大腔前的φ10mm擴大至40mm× 40mm，從而得到50mJ、500fs的激光輸出［8］。

為實現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／發生器進行控制觸發。用LLG50進行放大時，需調整飛秒前端，使注入光波長與KrF熒光波長（248nm）高度吻合。紫外種子光光束質量參數測量的實驗布局如圖1所示，為得到遠場發散角和光強的空間分布，采用CCD相機（Ophire－Spiricon公司生產，型號LBA－USASP503U）對光束進行直接實時測量。CCD相機可直接測量波長190～1 320nm的激光，對比度高達64dB，能量線性響應率為±1%，其像元尺寸為9.9μm×9.9μm，最小可測量數十μm的光斑尺寸。紫外種子光經焦距f＝7 060mm的聚焦透鏡（通光口徑10mm）后，光束逐漸匯聚。為避免CCD因接受高光強而損壞，須對光強進行衰減，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波長的激光光強進行全光口徑的整體衰減而不影響空間光強分布。衰減后的激光脈沖進入CCD探測區，便可在PC上實時得到光強的空間分布圖像、光斑直徑等。

圖1 紫外種子光光束質量參數測量的實驗布局Fig.1 Experiment setup of ultraviolet seed laser beam quality parameter measurement

紫外種子光經放大后的光束質量參數測量實驗布局如圖2所示。經擴束、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，經兩面45°高精度全反鏡進行衰減，最后進入CCD進行相關參數的測量。此外，在LLG50的出光口處放置光電管測量KrF氣體的ASE（放大的自發輻射）時間波形。

圖2 紫外種子光經放大后光束質量參數測量實驗布局Fig.2 Experiment setup of amplified ultraviolet seed laser beam quality parameter measurement

3 實驗結果及分析

紫外種子光的焦斑光強空間分布如圖3所示（實驗光路如圖1所示）。激光輸出能量約0.6mJ，經紫外衰減片后，進入CCD的能量下降至幾μJ到幾十μJ。為避免環境雜散光的影響，減少實驗誤差，關閉所有照明光源，并利用CCD的去雜散光功能，在結果處理上去除環境本底的影響。由圖3可看出，光強空間分布呈規則的橢圓狀，這與TSA50采用橢圓狀增益介質有關。橫向和縱向上，光強曲線均呈現出明顯的單峰結構，光強分布平滑均勻，無明顯的光強調制（如產生旁瓣等）。經計算，焦斑橫向直徑dx＝302.1μm（FWHM），縱向直徑dy＝241.7μm（FWHM），對應半徑分別為151.05μm和120.85μm。選取與實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為此理想光束的遠場發散角。經計算，橫向極限衍射倍數βx＝1.414，縱向衍射極限倍數βy＝1.132，平均β＝1.273。

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

紫外種子光經LLG50放大后焦斑光強空間分布如圖4所示（實驗光路如圖2所示），可看出，與未通過放大器的情況相比，焦斑形狀發生了一定程度的畸變，但光強曲線總體上保持規則的單尖峰形狀。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，光強分布平滑均勻，焦斑形狀較規則，衍射極限倍數較小，接近理想值1。通過LLG50后，光束質量劣化，焦斑形狀出現畸變，β增大到5.22～6.03。這說明脈沖被放大時，光束質量會下降。導致光束質量下降的原因很多，如光學元件缺陷（表面污染、表面加工精度和折射率不均勻性）、強光非線性效應引起的光束畸變等。就本系統而言，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計要求一般為λ／6。以λ／6的表面面型為例，對應的光束相位畸變為2πλ／6λ＝2π／6≈1.047，通過4次后，相位畸變累加達到4.188。雖然放大前后激光輸出能量相差100倍，但光束質量變化卻不大，說明光強的增大并不會引起明顯的光束畸變。因此，光學元件的表面缺陷（受加工精度限制不能做到絕對平整）可能是導致光束質量下降的主要因素。

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

4 結論

本文通過實驗測量研究了50mJ紫外超短脈沖激光系統的光束質量情況。結果表明，紫外種子光光束質量良好，光強分布平滑均勻，呈單峰分布，β接近于理想值。然而，光束經LLG50腔體后，光束質量劣化，β達到6左右。經分析，光學元件的表面缺陷可能是導致光束質量下降的主要因素，質量好、表面平整度高的光學元件有助于提高光束質量。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