平頂飛秒激光經圓錐透鏡在熔融石英中成絲及超連續輻射*

付麗麗 常峻巍 陳佳琪 張蘭芝 郝作強2)?

1) (長春理工大學理學院, 長春 130022)

2) (山東師范大學物理與電子科學學院, 山東省光學與光子器件技術重點實驗室, 山東省光場調控及應用工程技術研究中心, 濟南 250358)

實驗研究了平頂飛秒激光經圓錐透鏡后在熔融石英中的成絲及超連續輻射.與高斯飛秒激光的成絲對比發現, 平頂飛秒激光可以獲得在圓錐透鏡焦深區域內強度分布更為均勻的等離子體細絲, 這一特征更有利于飛秒激光在固體介質中進行微納加工等領域的應用.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、更高轉換效率的超連續輻射, 這是因為若產生光強相近的細絲, 平頂飛秒激光所需的初始激光能量更高, 此激光能量下產生的細絲長度更長、均勻性更好.

1 引 言

自1995年Braun等[1]首次發現超短脈沖激光在空氣中形成等離子體細絲以來, 等離子體細絲的相關研究引起了人們極大的興趣.由于等離子體細絲具有傳輸距離長(遠大于其瑞利距離)、激光強度高 (激光強度鉗制在 5 × 1013W/cm2量級)、可以導電等特性, 其在激光誘導閃電[2]、遙感[3]、光波導[4]、誘導水凝聚[5]、空氣污染物檢測[6]、射頻電磁波傳導[7]、THz輻射[8]等諸多領域具有十分重要的應用價值.由于飛秒激光在光學介質中傳輸時經歷的非線性效應, 如自相位調制、多光子電離和自陡峭效應等, 在形成等離子體細絲的同時, 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域, 這種現象稱為超連續輻射[3].同時, 超連續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[11]、LIDAR[3]、計量學[12]、以及生物醫學成像[13]等領域具有廣闊的應用前景.

為了滿足眾多應用的需求, 人們提出了很多方法, 例如改變入射激光能量[14]、偏振[15]、啁啾[16]、采用軸棱鏡[17]、進行脈沖整形[18]、加入相位板[19]等對等離子體細絲的特性進行控制.等離子體細絲特性的改變也將改變超連續輻射的特性, 包括展寬范圍和光譜強度.對于固體介質, 其非線性系數比空氣中高出三個數量級, 更有利于超連續光譜的展寬和增強.盡管增加激光入射能量能夠延長等離子體細絲的長度并展寬超連續輻射光譜, 但當入射能量過高時, 將會造成固體介質的永久損壞.因此,入射激光能量要有一定的限制, 這就限制了超連續輻射的進一步展寬和增強.針對這一問題, 我們在之前的工作[20]中利用平頂激光經微透鏡陣列聚焦,實現了熔融石英中成絲起點幾乎相同的均勻的細絲陣列排布, 并獲得了高能量及高轉換效率的超連續輻射.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變成貝塞爾光束, 形成較長的焦深區域, 很多研究人員已經將其應用在飛秒激光的成絲控制方面, 主要集中在細絲延長[14,22,23]和超連續輻射增強[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點, 將平頂飛秒激光經圓錐透鏡聚焦在熔融石英中形成等離子體細絲, 實現了細絲長度的延長以及細絲強度隨傳輸距離的相對均勻分布, 并進一步獲得了高能量及高轉換效率的超連續輻射.

2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示, 實驗使用摻鈦藍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, 重復頻率為 1 kHz 的高斯激光脈沖.激光經平頂光束整形器 (π Shaper, AdlOptica GmbH)被調制成平頂光束[20], 其橫截面強度分布如圖2(d)所示.然后經過錐角為170°的圓錐透鏡后, 聚焦到熔融石英中形成等離子體細絲以及超連續輻射.在垂直于激光傳播方向使用CCD拍攝熔融石英中細絲.超連續輻射光經焦距 300 mm, 直徑 50.8 mm的凸透鏡全部收集進積分球中, 并使用光譜儀(USB4000, Ocean Optics)測量其光譜.當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絲的熒光圖.從圖中可以看出, 高斯激光形成的細絲強度明顯比平頂激光的大.為了更加清晰地比較細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, 等離子體細絲的強度快速增加, 在達到最大值以后, 其強度逐漸衰減, 在經過幾次再聚焦過程之后細絲結束.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), 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(主要包括克爾自聚焦、等離子體散焦、多光子電離、自相位調制等)共同作用的結果.這種強度起伏, 被稱為多次自聚焦現象, 是激光成絲的一個重要特點[25?28].經過比較兩種光束的演化, 我們還可以看出, 在相同能量下,平頂激光形成的細絲的強度較小, 但是強度分布更為均勻.要產生強度相近的細絲, 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的平頂光束產生的等離子體細絲的側面熒光圖像, 圖3(b)為細絲光軸上的強度隨傳輸距離的演化.對比圖2(e)和圖3(b)可以發現, 1.319 mJ 的平頂激光與 672 μJ的高斯激光所產生的等離子體細絲的最大強度接近, 但平頂激光產生的細絲的分布更為均勻, 細絲也更長.平頂飛秒激光的這些成絲特征為產生更高能量的超連續輻射奠定了基礎.

我們進一步研究了兩種激光成絲產生的超連續輻射.首先, 對圖2 中能量均為 672 μJ 的高斯和平頂激光的超連續輻射進行了光譜測量, 結果如圖4所示.從圖中可以看出, 當使用相同的能量672 μJ時, 高斯光束成絲產生的超連續輻射的光譜強度明顯高于平頂光束的情況.以 650 nm 處為例, 高斯光束產生的超連續光譜能量密度為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輻射轉換效率, 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域積分的比值[28].通過計算得到, 高斯激光產生的超連續輻射的轉換效率為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, 高斯激光的超連續輻射強度及其轉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 的平頂激光經圓錐透鏡在熔融石英中形成的細絲熒光圖像(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的平頂光束成絲產生的超連續輻射光譜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), 但是其產生的超連續輻射光譜明顯優于高斯光束(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 的平頂激光產生的超連續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, 平頂光束在產生高能量光譜密度的超連續方面具有明顯優勢.其次, 通過計算得出, 平頂激光的超連續光譜的轉換效率約為39.59%, 高于高斯激光的32.58%.由此可以得出結論, 在熔融石英不產生損傷的前提下, 相對于高斯激光, 平頂激光成絲產生的超連續輻射可以具有更高的能量密度和更高的轉換效率, 比高斯激光的情況更具優勢.其主要原因在于, 超連續輻射的轉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, 具有較高光強的細絲的長度遠大于高斯光束的情況, 從而也就可以顯著提高超連續輻射的轉換效率.

4 結 論

實驗研究了平頂飛秒激光和高斯飛秒激光分別經圓錐透鏡聚焦后在融熔石英中成絲的演化以及產生的超連續輻射.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,可以產生強度較低且更為均勻的等離子體細絲.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, 產生的細絲也更長, 更有利于獲得更高能量密度及更高轉換效率的超連續輻射.

可以看出, 激光成絲過程中細絲強度隨傳輸距離分布的均勻程度, 對超連續輻射的能量密度和轉換效率具有顯著的影響.細絲強度分布越均勻, 允許的入射激光能量就更高, 超連續輻射的能量也就越高; 細絲強度分布越均勻, 具有較高光強的細絲的長度就可以更長, 超連續輻射的轉換效率也就更高.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行進一步的優化.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制器等的光場調控手段[29], 可以根據成絲演化情況實時優化激光光束, 更有希望獲得更均勻的細絲和更強的超連續輻射.