非真空傳輸?shù)母咝Ы徊嫫駷V波設計與產(chǎn)生?

李榮鳳 薛興泰 趙研英 耿易星 盧海洋 顏學慶 陳佳洱

(北京大學物理學院,核物理與核技術國家重點實驗室,北京 100871)

1 引 言

交叉偏振波(cross-polarized wave,XPW)是一種線偏振激光經(jīng)過非線性晶體時,功率在達到一定閾值后引起偏振特性改變的三階非線性效應[1,2],該特性作為強場激光背景和預脈沖的濾波器得到重要應用.激光中的預脈沖或者放大自發(fā)輻射等背景由于達不到產(chǎn)生XPW的閾值,偏振特性不改變,主脈沖功率密度高,在非線性晶體中通過XPW效應改變偏振,利用偏振元件將偏振不同的光分離開實現(xiàn)背景和預脈沖的濾波,從而提高激光對比度[3,4].XPW濾波相對結構簡單,轉化效率高,對比度提升較為顯著,可以超過4個量級,而且實現(xiàn)頻域光譜展寬的效果,因此被廣泛的應用于高對比強場飛秒激光系統(tǒng)中[5?8].

XPW濾波常采用三階非線性系數(shù)較高的BaF2晶體作為非線性晶體,為了獲得較高的轉換效率,通常要求激光功率密度達到1012W/cm2以上.目前XPW濾波常用于雙啁啾脈沖放大(chirped-pulse amplif i cation,CPA)系統(tǒng)中來提高激光對比度,利用第一級CPA系統(tǒng)產(chǎn)生的百微焦量級飛秒激光作為基波,通過以BaF2作為非線性晶體的XPW濾波器對激光凈化提高對比度后,再進入第二級CPA中獲得高對比度的高能激光[9?11].目前通過單晶XPW濾波器,可獲得超過10%的轉換效率[12];利用雙晶XPW濾波器獲得超過20%轉換效率,并將激光對比度提高4個量、級[13?15].

百微焦量級的激光用于XPW濾波器中,為了使激光功率密度達到XPW產(chǎn)生所需的閾值,通常需要對激光進行聚焦.目前的研究基本都是用焦距在米量級及以下的聚焦系統(tǒng)對光進行聚焦[16?18],這樣的短焦聚焦一般在焦點處的功率密度高于XPW較高轉換效率要求的1012W/cm2,此時將XPW晶體放在離焦的位置.因此利用單透鏡聚焦條件下,要獲得較高的XPW效率通常晶體并非工作在聚焦焦點處,此時焦點處的功率密度過高導致在非真空中傳輸會積累大量的非線性相位[19],這將惡化激光光束質(zhì)量,因此需要將光束焦點放置在真空中,這不僅增加了系統(tǒng)復雜程度,而且由于功率密度過高也增加了晶體損壞的風險.同時采用短焦聚焦系統(tǒng)的雙晶XPW系統(tǒng)中,轉化效率對雙晶間距依賴非常高,一般在毫米量級保持較高的轉化效率[9,20],這極大地降低了系統(tǒng)的靈活性.采用焦距十米量級的長焦透鏡聚焦可使晶體工作在焦點位置,但此時長焦透鏡的使用將增加系統(tǒng)的繁瑣程度,降低系統(tǒng)穩(wěn)定性.同時,長焦透鏡加工困難必然增加系統(tǒng)的成本,因此在實際應用中較少采用長焦透鏡聚焦的XPW濾波.

針對XPW濾波不易在非真空中便捷穩(wěn)定傳輸?shù)膯栴},本文設計了緊湊型的、能夠在非真空實現(xiàn)高效穩(wěn)定XPW輸出的雙透鏡聚焦光路,結果兼?zhèn)淞硕探雇哥R光路簡潔以及長焦透鏡焦點光強適中特點,利用雙透鏡組合對激光聚焦,組合焦距～2.2 m,焦斑大小約700μm,焦點處峰值功率密度～1012W/cm2.測試了該聚焦光路在傳輸所使用的120μJ,35 fs的激光時不會在非真空中引入額外的非線性積分,利用雙BaF2晶體得到XPW最高輸出～26.5μJ,系統(tǒng)效率高達22%.在雙晶系統(tǒng)中大尺寸聚焦焦斑的采用,使雙晶間距在10 cm范圍內(nèi)均可獲得超過20%的轉換效率,提高了XPW系統(tǒng)對雙晶間距的調(diào)節(jié)冗余度.

2 聚焦系統(tǒng)設計

我們采用光束直徑10 mm,脈寬35 fs,單脈沖能量120μJ,中心波長為800 nm的飛秒激光作為XPW的入射基波.為了獲得高XPW轉換效率,需要激光功率密度～1012W/cm2,根據(jù)入射激光條件,需要聚焦焦斑的半高全寬d～700μm,若采用單透鏡聚焦系統(tǒng)需要透鏡焦距f～7 m.為了在焦點處達到同樣的聚焦功率密度,我們根據(jù)高斯光束的ABCD矩陣傳輸理論,采用常規(guī)焦距的正負透鏡,設計了合適的雙透鏡組合,使我們的激光能在非真空中傳輸?shù)耐瑫r,實現(xiàn)XPW較高效率的輸出.

圖1是焦距為7 m的透鏡以及三組不同雙透鏡組合對激光聚焦后光束的傳輸情況,其中a,b,c,d分別表示透鏡組合中透鏡在聚焦光路中的位置.這里a,b組合表示F1=500 mm,F2=?150 mm的透鏡組,間距～350 mm,紅色曲線為該透鏡組對激光的聚焦傳輸;a,c組合表示F1=750 mm,F2=?200 mm透鏡組,間距～600 mm,綠色曲線為該透鏡組對激光的聚焦傳輸;a,d組合表示F1=1000 mm,F2=?250 mm透鏡組,間距～800 mm,黃色曲線為該透鏡組對激光的聚焦傳輸.圖中橙色曲線為F=7 m透鏡對激光聚焦后的光束傳輸情況.三組透鏡組合對激光聚焦后的焦點距離a透鏡位置～2.2 m,焦點光斑大小～700μm,F=7 m的透鏡焦點處光斑大小～700μm.可見,三組常用透鏡組合對激光聚焦后焦點處光斑特性與焦距為7 m透鏡聚焦焦點處光斑特性基本一致.因此利用常用透鏡組合對激光聚焦兼有短焦透鏡焦距短、光路緊湊和長焦透鏡聚焦焦斑大、焦深長的特點.利用上述三種雙透鏡組合對激光聚焦均可獲得焦點處功率密度～1012W/cm2,滿足XPW高效率轉換所需要的光強以及非真空中穩(wěn)定傳輸?shù)囊?

圖1 (網(wǎng)刊彩色)不同聚焦透鏡組合及單透鏡聚焦下的光束傳輸Fig.1.(color online)Dependence of the laser beam propagation on different focusing systems.

實驗中采用F1=750 mm,F2=?200 mm組合對激光聚焦,并利用文獻[21]中的方法對在非真空中經(jīng)過聚焦后激光的非線性相位積累進行測量,在激光壓縮器中遮擋部分光譜從而在激光光譜中形成凹陷調(diào)制,比較聚焦前后光譜中凹陷形狀的變化判斷該聚焦后的光束是否具有非線性相位積累.圖2中紅色曲線為聚焦前激光光譜,藍色曲線為聚焦后激光光譜,聚焦前后光譜凹陷深度和寬度沒有明顯變化.由此可見激光經(jīng)過該聚焦系統(tǒng)在非真空中傳輸不會引入明顯的非線性相位積累,光束質(zhì)量沒有明顯惡化.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)激光聚焦前后的激光光譜,其中,紅色曲線表示雙透鏡組合聚焦前光譜,藍色曲線表示聚焦后光譜Fig.2.(color online)The spectrum of fundamental beam(red curve)and the spectrum with dual lens focusing system(blue curve).

3 實驗系統(tǒng)

實驗采用kHz鈦寶石再生放大激光,用于XPW濾波系統(tǒng)的激光單脈沖能量120μJ,脈寬35 fs,中心波長800 nm,光譜的半高全寬為37 nm.圖3為XPW的實驗裝置圖,入射垂直偏振激光經(jīng)起偏棱鏡P1進一步提高激光偏振度后,透鏡F1和F2將激光脈沖聚焦到BaF21#和2#晶體上,其中1#晶體放置在焦點處.產(chǎn)生的XPW信號由透鏡F3準直,經(jīng)過第二塊偏振正交的檢偏棱鏡P2濾除垂直偏振基波,獲得水平偏振的XPW信號光輸出.其中系統(tǒng)采用的棱鏡P1,P2為消光比優(yōu)于10?5的α-BBO格蘭激光棱鏡,尺寸為15 mm×15 mm×15 mm.聚焦系統(tǒng)F1=750 mm,F2=?200 mm,準直透鏡F3=2000 mm,焦點處焦斑740μm,功率密度～0.8×1012W/cm2,BaF21#,2#晶體尺寸均為10 mm×10 mm×2 mm,沿著[001]軸方向切割,表面未鍍膜.當沒有BaF2晶體時,此時系統(tǒng)輸出88μJ,考慮到光路中格蘭激光棱鏡的有限尺寸及損耗,系統(tǒng)的傳輸效率為73%.

圖3 XPW實驗裝置圖,其中,P1,P2是一對正交放置的格蘭激光棱鏡,F1,F2是組合聚焦透鏡,F3為準直透鏡Fig.3.Experimental set up of XPW with two BaF2 crystals.P1 and P2 are the crossed-polarizers,F1,F2 are the dual lens focusing system,F3 is the collimating lens.

4 結果與討論

XPW輸出效率主要取決于入射光的偏振方向與BaF2晶體的[100]軸夾角β.實驗中首先測試了單晶XPW輸出隨β變化特性,如圖4中紅色點所示,實際輸出結果與利用文獻[22]計算的紅色理論曲線符合較好.單晶XPW輸出隨β周期變化,周期為1/4π,此時單晶XPW最高輸出功率8μJ,轉換效率6.6%.由于激光峰值功率密度較低,因此單晶BaF2轉換效率低于10%.圖5中紅色曲線是單晶XPW輸出光譜,相對于輸入光譜沒有明顯展寬.可見較低的功率密度時激光可在非真空中穩(wěn)定的傳輸,同時降低了晶體損傷的風險,但是此時單晶XPW轉換效率較低,輸出光譜展寬不明顯,不利于后續(xù)激光的放大和壓縮等應用.

雙晶BaF2結構可有效改善轉換效率以及光譜展寬問題.實驗中將1#晶體置于轉換效率最高的狀態(tài),改變2#晶體[100]軸與入射光偏振方向夾角β2,此時輸出特性如圖4中黑色點所示,實驗結果與黑色理論曲線符合較好,雙晶組合輸出隨β2周期變化,此時的輸出周期由單晶的1/4π變?yōu)棣?=1/2π,最高輸出功率26.5 μJ,最高轉換效率22%.此時XPW的輸出是兩塊晶體分別產(chǎn)生XPW干涉相長的結果[14],輸出可表示為(F2(β1,β2))2=(sin(4β1)+αsin(4β2))2, 其中F2(β1,β2)為XPW效應輸出的場強振幅,α為2#晶體與1#晶體輸出振幅比值.這種干涉效果使輸出周期與單晶輸出周期不同,并且輸出強度上有極大提高.得益于雙晶結構的相長干涉,使得即使在僅有0.8×1012W/cm2的功率密度下依然可以獲得高達22%的轉換效率,接近其飽和效率[14],考慮系統(tǒng)73%的傳輸效率,雙晶XPW內(nèi)部轉換效率高達30%,輸出26.5μJ的高質(zhì)量激光可以應用于后續(xù)的放大.圖5中藍色曲線是雙晶輸出光譜展寬,半高全寬66 nm,入射激光半高全寬37 nm,XPW將光譜展寬1.78倍,達到理論展寬極限[9,23].比較單晶和雙晶光譜展寬,可見光譜展寬與轉換效率呈正相關,接近飽和轉換效率的XPW將光譜展寬到極致,這為后續(xù)放大、壓縮等提供了高功率、寬帶寬的干凈種子源.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)XPW輸出效率隨β的變化,其中,紅色圓點表示實驗測量的單塊BaF2晶體的輸出效率,紅色曲線代表單晶體的輸出效率隨β變化的理論曲線;黑色點表示雙BaF2晶體組合測量的輸出效率,黑色曲線代表雙晶組合輸出效率的理論曲線Fig.4.(color online)Evolution of the efficiency as a function of β.Black solid curve represents theoretical results of two crystals,which are good agreement with experimental observations(black solid dots),red circles represent a single BaF2crystals conversion effi-ciency measured in experiments,which are good agreement with red theoretical curve.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)單晶體與雙晶體組合下XPW輸出光譜的展寬,其中,黑色曲線代表XPW的輸入光譜,紅色曲線表示單塊BaF2晶體時XPW的輸出光譜,藍色曲線代表雙晶組合時XPW的輸出光譜Fig.5.(color online)XPW spectral evolution of a single crystal or a dual crystal system.Figure shows the initial spectra without XPW f i lter(black curve),with single crystal XPW f i lter(red curve)and with dual crystal system XPW f i lter(blue curve).

雙晶XPW效應中,激光在第一塊BaF2晶體中產(chǎn)生克爾透鏡效應,對激光進行再聚焦,改變激光傳輸特性,因此雙晶間距對XPW效率具有重要影響.實驗測量了該系統(tǒng)中雙晶間距對輸出效率的影響,如圖6所示.間距在13—22 cm時,轉換效率均能達到20%以上,在保持較高的XPW效率時,相對于已有文獻報道的毫米量級間距[9,20],該系統(tǒng)將雙晶間距調(diào)節(jié)范圍提高了2個量級.由于系統(tǒng)中采用長焦效果聚焦,在第一塊晶體上的功率密度相對較低,其克爾透鏡效應較弱,因此對后續(xù)激光傳輸影響較弱,極大地增大了高轉換效率下雙晶間距的范圍,這為雙晶XPW系統(tǒng)設計和應用提供了較大空間.

圖6 雙BaF2晶體間距對輸出效率的影響(黑色虛線是轉化效率20%分界線)Fig.6.Experimental dependence of the XPW conversion efficiency on the two crystals separations.The dashed line is the boundary of 20%efficiency.

5 結 論

利用常規(guī)正負透鏡組合設計雙透鏡聚焦系統(tǒng),實現(xiàn)了緊湊的長焦透鏡聚焦效果,并實現(xiàn)了120μJ,35 fs激光在非真空中高質(zhì)量傳輸.在此基礎上利用雙晶BaF2在非真空中達到了XPW系統(tǒng)轉換效率22%,晶體內(nèi)部轉換效率30%,光譜1.78倍展寬,這為飛秒激光后續(xù)的放大應用提供了高對比度、寬光譜的高質(zhì)量種子源.雙晶間距在13—22 cm可實現(xiàn)20%以上的轉換效率,極大降低了雙晶轉換效率對晶體間距的依賴.這種非真空中高效XPW的設計與產(chǎn)生,滿足了極端強場激光與物質(zhì)相互作用高對比度的要求,同時降低了激光系統(tǒng)的繁冗度.

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