飛秒平頂光束經(jīng)微透鏡陣列在熔融石英中的成絲及其超連續(xù)輻射?

周寧 張?zhí)m芝 李東偉 常峻巍 王畢藝 湯磊林景全 郝作強(qiáng)

1)(長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院,長(zhǎng)春 130022)2)(光電信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300308)3)(中國(guó)兵器科學(xué)研究院,北京 100089)(2018年2月7日收到;2018年3月13日收到修改稿)

1 引 言

飛秒激光在非線性介質(zhì)中傳輸時(shí),當(dāng)其功率大于自聚焦臨界功率時(shí)會(huì)由于克爾自聚焦、等離子體散焦以及衍射等效應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡,產(chǎn)生等離子體絲[1];并且,在此過(guò)程中由于自相位調(diào)制、自陡峭、多光子電離等非線性效應(yīng),會(huì)發(fā)生光譜展寬,覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光和近紅外波段,即產(chǎn)生超連續(xù)輻射.成絲過(guò)程存在強(qiáng)度鉗制效應(yīng)[2],當(dāng)激光功率遠(yuǎn)大于臨界功率時(shí),會(huì)產(chǎn)生多絲;又由于初始光斑的隨機(jī)抖動(dòng)和調(diào)制不穩(wěn)定性,激光橫截面上會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)位置分布的多絲分布[3].飛秒激光在超連續(xù)輻射[4]、等離子體光柵[5]、空氣檢測(cè)[6,7]等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用,引起了人們的廣泛關(guān)注.而在一些應(yīng)用,比如產(chǎn)生毫焦量級(jí)的超連續(xù)白光[8]、形成瞬態(tài)波導(dǎo)[9]、陣列成絲加工[10]等方面,則需要可控的多絲分布.因此,科學(xué)家們提出了一系列方法進(jìn)行多絲控制,主要有引入像散[11]、望遠(yuǎn)縮束系統(tǒng)[12]、加入光闌[13]、相位板[14]、柵格[15]、改變?nèi)肷涔鈾E圓度[16]等.利用這些方法在不同程度上都實(shí)現(xiàn)了等離子體多絲的優(yōu)化控制,但是有些方法是以犧牲激光功率和超連續(xù)輻射功率為代價(jià),有些方法則改變了光束橫截面的相位分布,各有優(yōu)缺點(diǎn).利用微透鏡陣列對(duì)激光脈沖的空間強(qiáng)度分布進(jìn)行調(diào)制是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種成絲控制方法[17],與單透鏡或柵格結(jié)構(gòu)成絲有著很大的區(qū)別,相對(duì)其他波前調(diào)制手段具有損傷閾值高、無(wú)能量損失等優(yōu)良特性.微透鏡陣列對(duì)激光光束橫截面的能量分布進(jìn)行調(diào)制,形成陣列聚焦點(diǎn),這些聚焦過(guò)程逐漸演化形成等離子體絲,通過(guò)對(duì)這些陣列聚焦點(diǎn)的調(diào)控,即可進(jìn)行陣列多絲控制.

通常使用的飛秒激光的光強(qiáng)為高斯分布,其中心強(qiáng)度遠(yuǎn)高于邊緣強(qiáng)度,在固態(tài)光學(xué)介質(zhì)中成絲傳輸過(guò)程中容易造成介質(zhì)永久損傷.因此可采用一些空間整形的方法[18?21],使光束強(qiáng)度分布均化,產(chǎn)生平頂光束.相對(duì)于高斯光束,平頂激光束經(jīng)微透鏡陣列在介質(zhì)中成絲,有望在整個(gè)微透鏡陣列區(qū)域形成強(qiáng)度均勻的陣列多絲,進(jìn)而在不損傷介質(zhì)的前提下提高超連續(xù)輻射的功率.本文采用非球面透鏡組系統(tǒng)將高斯光束整形為平頂光束,對(duì)其經(jīng)微透鏡陣列在熔融石英中成絲進(jìn)行了研究,并與空間分布為高斯型的飛秒激光成絲和超連續(xù)輻射進(jìn)行了對(duì)比,獲得了陣列區(qū)域強(qiáng)度分布均勻的多絲以及更強(qiáng)的超連續(xù)輻射.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示,實(shí)驗(yàn)采用的是摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光放大器(Libra,Coherent Inc.),其重復(fù)頻率為1 kHz、脈寬50 fs、中心波長(zhǎng)800 nm.通過(guò)空間整形器(π Shaper,AdlOptica GmbH)把空間分布為高斯型的飛秒激光光束整形為接近平頂分布的飛秒激光束.激光入射到微透鏡陣列(microlens array,MLA)上,經(jīng)過(guò)50 mm長(zhǎng)的熔融石英塊,并在其內(nèi)成絲.其中MLA微透鏡元間距1 mm,焦距為218.3 mm.熔融石英固定在沿光傳播方向上的一維平移臺(tái)上,以便于改變微透鏡陣列與熔融石英間距.再通過(guò)焦距為50.8 mm的透鏡把熔融石英內(nèi)的陣列絲分布成像在白屏上,成像透鏡與白屏間距為2.6 m.通過(guò)CCD在熔融石英側(cè)面拍攝成絲的熒光圖,在熔融石英后用光纖光譜儀測(cè)量超連續(xù)輻射光譜以及光譜穩(wěn)定性.在測(cè)量高斯光的成絲傳輸和超連續(xù)輻射時(shí),移除空間整形器.

3 結(jié)果與討論

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1.Experimental setup.

圖2 (a)高斯光束和(c)平頂光束飛秒激光在熔融石英中成絲的熒光圖像;(b)高斯光束和(d)平頂光束的橫截面強(qiáng)度分布圖Fig.2.Fluorescence images of the filaments formed by(a)Gaussian beam and(c) flattened beam in the fused silica,respectively;the intensity distributions in the cross sections of(b)Gaussian beam and(d) flattened beam.

圖2為高斯光束和平頂光束分別經(jīng)微透鏡陣列在熔融石英中成絲的側(cè)面熒光圖以及各自的橫截面強(qiáng)度分布圖.兩種情況下使用了相同的激光能量0.9 mJ,微透鏡陣列與熔融石英間距均為130 mm.在這個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下,按照理想高斯光束進(jìn)行分析,位于其中心區(qū)域的單個(gè)微透鏡所占的激光功率為480 mW左右,約為熔融石英自聚焦臨界功率(Pcr)的240倍,即240Pcr,而光束邊緣附近約為120 mW(60Pcr).對(duì)于理想平頂光束的情況,每個(gè)微透鏡所占的激光功率約為260 mW(130Pcr).由此可見(jiàn),高斯光束中心區(qū)域的激光功率相對(duì)其他區(qū)域和平頂光束來(lái)說(shuō)要大得多.從圖2(a)中可以看出,激光光束的中心區(qū)域比周?chē)鷧^(qū)域先成絲,并且強(qiáng)度較高.而平頂光束由于其橫截面內(nèi)的強(qiáng)度分布較為均勻,在經(jīng)過(guò)了幾乎相同的傳輸距離之后,光束中心和周?chē)鷧^(qū)域同時(shí)開(kāi)始成絲,并且成絲的強(qiáng)度比較均勻.

圖3 (a)高斯光束和(b)平頂光束分別經(jīng)MLA在熔融石英中不同位置處的成絲分布圖(MLA與熔融石英相距115 mm)Fig.3.The filamentation distributions of(a)Gaussian beam and(b) flattened beam at different positions in the fused silica,respectively(MLA and fused silica spacing is 115 mm).

圖4 (a)高斯光束和(b)平頂光束分別經(jīng)MLA在熔融石英不同位置處成絲分布圖(MLA與熔融石英相距130 mm)Fig.4.The filamentation distributions of(a)Gaussian beam and(b) flattened beam at different positions in the fused silica,respectively(MLA and fused silica spacing is 130 mm).

為了更清晰地觀測(cè)平頂光束和高斯光束在熔融石英中的成絲分布,實(shí)驗(yàn)測(cè)量了兩種光束分別經(jīng)微透鏡陣列后在熔融石英中的成絲演化.圖3是高斯光束和平頂光束在熔融石英中不同傳輸位置處的強(qiáng)度分布圖.實(shí)驗(yàn)中,高斯光束入射能量為0.94 mJ,平頂光束入射能量為1.9 mJ,微透鏡陣列與熔融石英間距為115 mm.從圖3(a)可以看出,高斯光束在熔融石英中,傳輸至19 mm處中心區(qū)域時(shí)先成絲,隨著傳輸距離的增加從中心區(qū)域到邊緣區(qū)域逐漸成絲;傳輸至26 mm處時(shí),陣列區(qū)域成絲已經(jīng)完成,中心區(qū)域由于強(qiáng)度較高支持多絲的產(chǎn)生,而強(qiáng)度較低的邊緣區(qū)域只能形成較少的絲甚至不能成絲;在傳輸至31 mm及以后時(shí),成絲逐漸結(jié)束,只有中心區(qū)域有絲的傳輸,而邊緣區(qū)域形成的絲已經(jīng)結(jié)束.從圖3(b)可以看出,平頂光束在傳輸至21 mm處時(shí)在整個(gè)區(qū)域內(nèi)基本上同時(shí)成絲了,整個(gè)區(qū)域內(nèi)絲的強(qiáng)度基本一致,并且穩(wěn)定傳輸至36 mm處;傳輸至38 mm處時(shí)可以看出絲幾乎同時(shí)結(jié)束了.改變微透鏡陣列與熔融石英間距為130,140和150 mm時(shí)仍發(fā)現(xiàn)兩種光束具有同樣的演化過(guò)程.圖4為只改變相對(duì)間距為130 mm處時(shí)高斯光束和平頂光束的成絲演化.從圖4中可以看出,其演化過(guò)程與圖3相似,高斯光束在傳輸過(guò)程中是中心區(qū)域先成絲,邊緣區(qū)域成絲較晚且絲的強(qiáng)度較低,傳輸至33 mm及以后時(shí),中心區(qū)域的絲結(jié)束較晚.平頂光束在傳輸至22 mm處時(shí)同時(shí)成絲,傳輸過(guò)程中,可以在整個(gè)區(qū)域內(nèi)形成強(qiáng)度相同的絲,在傳輸至35 mm處時(shí)成絲同時(shí)結(jié)束.綜上對(duì)比可知,平頂光束在熔融石英中成陣列多絲更加穩(wěn)定,且可以在整個(gè)區(qū)域內(nèi)成強(qiáng)度分布均勻的多絲.

飛秒激光在介質(zhì)中成絲時(shí)伴隨產(chǎn)生的超連續(xù)輻射光譜是一種相干光,而高強(qiáng)度以及良好穩(wěn)定性是很多實(shí)際應(yīng)用所需要的.我們之前的工作已經(jīng)測(cè)量了高斯光束下微透鏡陣列在熔融石英中產(chǎn)生超連續(xù)輻射的強(qiáng)度,研究表明,由于高斯光束的強(qiáng)度分布特性,光束中心區(qū)域易損傷熔融石英,而其邊緣區(qū)域等離子體絲較弱甚至未形成細(xì)絲.在本文中,平頂光束是把能量均勻分布在整個(gè)光束平面內(nèi),預(yù)計(jì)可以輸入更大激光能量,進(jìn)而增加超連續(xù)輻射的強(qiáng)度.如果固態(tài)光學(xué)介質(zhì)發(fā)生損傷,其產(chǎn)生的超連續(xù)輻射光譜的強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間變化.為了研究平頂光束和高斯光束對(duì)損傷熔融石英方面的區(qū)別,分別測(cè)量了不同能量下的兩種光束成絲產(chǎn)生超連續(xù)輻射的光譜穩(wěn)定性.通過(guò)光譜儀采集平頂光束和高斯光束在熔融石英中的超連續(xù)輻射光譜,并對(duì)8 min計(jì)數(shù)周期內(nèi)的光譜穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)量.

圖5為1.46 mJ的高斯光束和1.9 mJ的平頂光束產(chǎn)生的超連續(xù)輻射光譜在三個(gè)波長(zhǎng)處的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì).從圖5(a)可以看出,高斯光束入射能量為1.46 mJ時(shí),在波長(zhǎng)為600,650和675 nm處的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)演化發(fā)生了明顯向下偏移.而對(duì)于平頂光束的情況,如圖5(b)所示,平頂光束在1.9 mJ時(shí),其計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)演化仍保持水平不變.因此,高斯光束的成絲引起了熔融石英的損傷而平頂光束則沒(méi)有.由此可見(jiàn),相對(duì)于高斯光束,平頂光束可以輸入更大的能量而不損傷熔融石英.

圖5 (a)和(b)分別是能量為1.46 mJ的高斯光束和能量為1.9 mJ的平頂光束在波長(zhǎng)600,650和675 nm處經(jīng)8 min的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.5. Spectrometer counts evolutions at three wavelengths of 450,550 and 650 nm of the supercontinuum for(a)Gaussian beam with an energy of 1.46 mJ and(b) flattened beam with an energy of 1.9 mJ,respectively.

圖6 入射能量為1.35 mJ的高斯光束和1.9 mJ的平頂光束的超連續(xù)輻射光譜Fig.6.Supercontinuum spectra from filamentation of the Gaussian beam with an incident energy of 1.35 mJ and the flattened beam of 1.9 mJ.

為了對(duì)比高斯光束和平頂光束產(chǎn)生的超連續(xù)輻射光譜強(qiáng)度,實(shí)驗(yàn)測(cè)量了在不損傷熔融石英情況下兩種光束的超連續(xù)輻射光譜,其中高斯光束能量取為1.35 mJ,平頂光束的能量取為1.9 mJ,兩種光束分別成絲產(chǎn)生的超連續(xù)輻射光譜如圖6所示.首先,從圖中可以看到,在波長(zhǎng)520—690 nm內(nèi),平頂光束產(chǎn)生的超連續(xù)輻射光譜能量密度是高斯光束情況下的2倍以上.然后,對(duì)兩種情況下的超連續(xù)輻射轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了比較,采用的計(jì)算方法為,將激光基頻區(qū)域以外的超連續(xù)輻射光譜區(qū)域進(jìn)行積分,再除以整個(gè)光譜的積分,從而得到了超連續(xù)輻射的轉(zhuǎn)換效率.對(duì)于高斯光束和平頂光束兩種情況,其超連續(xù)轉(zhuǎn)換效率分別為49%和55%.由此可見(jiàn),使用平頂光束還可以提高超連續(xù)輻射的轉(zhuǎn)化效率.從上述兩方面的比較分析可以看出,平頂光束在產(chǎn)生高強(qiáng)度高轉(zhuǎn)換效率超連續(xù)輻射方面相對(duì)于高斯光束更具優(yōu)勢(shì).

4 結(jié) 論

本文實(shí)驗(yàn)研究了平頂光束與高斯光束分別經(jīng)微透鏡陣列在熔融石英中的成絲分布及其超連續(xù)輻射.通過(guò)改變光束能量的空間分布,產(chǎn)生平頂激光束,實(shí)現(xiàn)了更加均勻、穩(wěn)定的陣列絲分布.此外,平頂光束可以允許更大的初始激光能量在熔融石英中成絲傳輸而不損傷介質(zhì),其伴隨成絲產(chǎn)生的超連續(xù)輻射的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于高斯光束,也將更有利于需要高能量的飛秒超連續(xù)輻射的應(yīng)用領(lǐng)域.