基于同心展寬器的飛秒啁啾脈沖放大研究

楊 浩,滕 浩,呂仁沖,朱江峰,魏志義

(1西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,陜西 西安 710126;2中國科學(xué)院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;3中國科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院,北京 100049;4松山湖材料實(shí)驗(yàn)室,廣東 東莞 523808)

0 引言

1985年,Strickland和Mourou[1]發(fā)明的啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)打破了超快激光能量放大的瓶頸,自此超快超強(qiáng)激光技術(shù)進(jìn)入飛速發(fā)展階段。在過去三十多年間,CPA技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展使得超快超強(qiáng)激光脈沖的產(chǎn)生成為可能,激光峰值功率達(dá)到太瓦(1012W,簡稱TW),甚至拍瓦(1015W,簡稱PW)量級的激光系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)[2]。這種超快超強(qiáng)激光已經(jīng)成為前沿學(xué)科的重要研究工具,比如探索原子、分子運(yùn)動規(guī)律[3]、實(shí)驗(yàn)室天體物理[4]、激光加速器[5]、自由電子激光器[6]等研究領(lǐng)域。

鈦寶石振蕩器輸出的脈沖重復(fù)頻率一般為近百M(fèi)Hz,單脈沖能量為nJ量級,脈沖寬度為幾十甚至幾個fs。在CPA系統(tǒng)中,展寬器用于將飛秒量級的種子脈沖在時域上進(jìn)行展寬,然后再注入到放大器中進(jìn)行能量放大,最后由壓縮器提供與展寬器相反的色散進(jìn)行補(bǔ)償以獲得與種子脈沖相近的脈沖寬度。在早期的CPA實(shí)驗(yàn)中,采用基于材料色散的展寬器來展寬脈沖,如采用光纖的材料色散展寬脈沖[7],并用Treacy型光柵對壓縮脈沖寬度[8],該展寬壓縮方案易補(bǔ)償二階色散,卻難以匹配三階色散。同樣基于材料色散的展寬器還有塊材料展寬器[9],比如使用高折射率的塊狀材料,以SF57玻璃為例,能夠提供的二階色散為223.58 fs2/mm,通光長度為50 cm的該材料能將10 fs的脈沖展寬至31 ps。相比于塊狀材料,光纖的優(yōu)勢在于通光長度的選擇更加靈活,而塊狀材料的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定,易于小型化。值得注意的是基于材料色散的展寬器提供的二階色散和三階色散均為正色散,這意味著設(shè)計(jì)壓縮器時必須選擇能同時提供負(fù)的二階色散和三階色散的結(jié)構(gòu)。

隨著超快超強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展,基于材料色散的展寬器提供的色散量已經(jīng)難以適應(yīng)高功率、大能量的CPA系統(tǒng)。目前,應(yīng)用較為廣泛的時域展寬方案是基于鍍金反射式衍射光柵的展寬器,如經(jīng)典的Martinez型展寬器[10]、?ffner型展寬器[11]和棱柵對展寬器[12]等。Martinez展寬器和?ffner展寬器的色散量都源于物光柵和像光柵的等效距離,在這兩種展寬器中,其衍射光柵都放置在偏離球面鏡的球心處,在偏離球心的位置產(chǎn)生一個與物光柵對應(yīng)的像光柵。由于物點(diǎn)、像點(diǎn)在光軸上的分離,物光柵與像光柵之間存在不同程度的像差,色散項(xiàng)中必然含有球面鏡成像帶來的像差[13]。放大后的脈沖一般采用光柵對進(jìn)行壓縮,光柵對壓縮器可以提供負(fù)的二階色散和正的三階色散,通過調(diào)節(jié)兩個光柵之間的距離和角度,可以實(shí)現(xiàn)對展寬器的二階色散和放大器材料的二階色散的完全補(bǔ)償。由于殘存冗余的高階色散,所以CPA系統(tǒng)中要盡可能地消除或減少高階色散。一方面,由于前述兩種展寬器像差帶來的色散難以補(bǔ)償,會影響最終的壓縮效果;另一方面,這類展寬器體積龐大,調(diào)節(jié)不方便,穩(wěn)定性較差,常用于科研型超快激光放大器中,但在工業(yè)等大規(guī)模應(yīng)用中很難得到推廣。

基于上述分析,在前人關(guān)于同心展寬器的研究基礎(chǔ)上[14,15],本文研發(fā)了一種無像差的基于透射光柵的同心展寬器[14,15]。在該結(jié)構(gòu)中,物光柵與像光柵完全重合,不存在常規(guī)展寬器中像差帶來的色散影響,可以和光柵對壓縮器完全共軛,實(shí)現(xiàn)更好的壓縮效果。

1 基于透射光柵同心展寬器設(shè)計(jì)

基于透射光柵同心展寬器的光路圖如圖1所示。由振蕩器輸出的P偏振種子光依次經(jīng)過格蘭棱鏡GP、法拉第旋光器FR、半波片HWP進(jìn)入展寬器,此時旋轉(zhuǎn)半波片的角度使得偏振態(tài)仍為P偏振。光線以γ角入射光柵G1,衍射角為θ,經(jīng)G1衍射后的長條狀光斑經(jīng)光柵G2上方直接入射到寬帶凹面反射鏡CM上,且該凹面反射鏡曲率中心與光線在光柵G1上的入射點(diǎn)重合,各個波長的光由凹面反射鏡聚焦后的像點(diǎn)與物點(diǎn)完全重合,其物光柵亦即像光柵,因此不存在球差、慧差、場曲等不利于壓縮的因素。球心發(fā)出的光線必然匯聚于球心,因此該結(jié)構(gòu)的展寬器被稱為同心展寬器。在光柵G1和凹面反射鏡CM之間放置另一塊平行于光柵G1且與光柵G1刻線密度相同的光柵G2,微調(diào)凹面反射鏡CM,將沿水平方向入射凹面反射鏡的光線反射至入射光線下方,使得尚未反射回球心的光線入射光柵G2并衍射,經(jīng)凹面反射鏡CM反射前后的入射光和反射光形成的夾角應(yīng)盡量小,保持在5?以內(nèi)。在凹面反射鏡CM焦平面的位置放置寬帶平面反射鏡BM將光線反射并原路返回,再次通過展寬器,在光柵G1衍射點(diǎn)形成?1:1成像。時域上展寬之后的種子光再次通過半波片和法拉第旋光器,返回光的偏振態(tài)變成S偏振并由格蘭棱鏡GP導(dǎo)出。常規(guī)的?ffner展寬器是在凹面反射鏡焦平面的位置放置一塊凸面反射鏡折疊光路并經(jīng)凹面反射鏡成像,光線在像光柵發(fā)生衍射,而同心展寬器經(jīng)凹面反射鏡匯聚的光線直接被光柵G2衍射并準(zhǔn)直,光柵G2的位置并不僅限于凹面反射鏡的焦平面處,光柵G2與G1之間的垂直距離(L)決定了展寬色散量,可以通過調(diào)節(jié)G2的位置來調(diào)節(jié)該展寬器的展寬量。

圖1 透射光柵同心展寬器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of transmission grating concentric stretcher

由于不同的光譜成分在G2上的位置不同,長波部分在展寬器中經(jīng)過的空間距離較短而出現(xiàn)于脈沖前沿,而短波部分出現(xiàn)于脈沖后沿,因此脈沖在時域上被展寬。按照圖示不同波長光線的路徑,幾何路徑相移完全來自兩個光柵之間的間距,其與平行光柵對帶來的負(fù)色散是完全共軛的,且色散量與光柵對垂直間距L成正比,與凹面反射鏡曲率半徑R無關(guān)。光線在同心展寬器中往返一次后產(chǎn)生的群延遲φ′(ω)、群延遲色散φ′′(ω)(GDD)、三階色散φ′′′(ω)(TOD)表達(dá)式分別為

式中:λ=2πc/ω,ω為光波角頻率,λ為波長,c為光速,d為光柵常數(shù)。

在鈦寶石再生放大器中,分別基于同心展寬器與傳統(tǒng)的Martinez展寬器進(jìn)行時域的上展寬,最后采用光柵對進(jìn)行色散補(bǔ)償。圖2為經(jīng)過色散補(bǔ)償后的剩余群延遲曲線,在同等展寬量的條件下,同心展寬器的群延遲誤差明顯優(yōu)于Martinez型展寬器,說明同心展寬器具有更易于采用光柵對壓縮器補(bǔ)償色散的優(yōu)勢。

圖2 同心展寬器與Martinez展寬器經(jīng)光柵對色散補(bǔ)償后的剩余群延遲Fig.2 Comparison of residual group delay of the concentric stretcher and Martinez stretcher after dispersion compensated by grating pair

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3是基于透射光柵同心展寬器的kHz鈦寶石放大器光路圖,整個光路由飛秒鈦寶石振蕩器、透射光柵同心展寬器、鈦寶石環(huán)形腔再生放大器和光柵對壓縮器組成。鈦寶石振蕩器采用啁啾鏡對精確補(bǔ)償色散[16],鎖模后可穩(wěn)定輸出單脈沖能量3 nJ、脈沖寬度小于20 fs的超短脈沖激光,重復(fù)頻率為85 MHz,光譜半高全寬約100 nm,脈沖光譜圖如圖4所示。

圖3 基于透射光柵同心展寬器的kHz鈦寶石放大器光路圖Fig.3 Optical layout of the kHz Ti:Sapphire amplifier based on transmission grating concentric stretcher

同心展寬器采用曲率半徑為400 mm、口徑為75 mm的凹面反射鏡CM和刻線密度均為1400 lines/mm的透射光柵G1、G2,對于波長為(800±20)nm的光線單次衍射效率高于94%。為提高光柵衍射效率,以中心波長800 nm對應(yīng)的Littrow角(34.06?)入射,光柵對垂直距離L為220 mm,BM為寬帶0?平面反射鏡。代入(1)式計(jì)算得到該展寬器對中心波長提供的二階色散量為1.37×106fs2,能將20 fs的超短脈沖展寬到190 ps,展寬倍率為9.5×103。由于凹面反射鏡大小有限,展寬后的光譜半高全寬為75 nm,如圖4所示。切掉的部分光譜受限于放大過程中的增益窄化[17]和光學(xué)元件的帶寬,并不會被放大。

圖4 經(jīng)同心展寬器之后的光譜Fig.4 Spectrum by a concentric stretcher

在同心展寬器中,必須保持兩個光柵表面嚴(yán)格平行以及每個光柵刻線的嚴(yán)格平行,否則會引起嚴(yán)重的空間啁啾和光斑畸變[18,19]。將展寬之后的光斑用透鏡聚焦并用CCD采集遠(yuǎn)場光斑空間分布,經(jīng)過仔細(xì)調(diào)節(jié),光斑空間分布基本維持高斯分布,此時同心展寬器幾乎沒有空間啁啾,表明經(jīng)過展寬后的脈沖可以注入到放大器中進(jìn)行放大。

本方案采用環(huán)形腔再生放大器進(jìn)行脈沖能量的放大。相比于線形腔,環(huán)形腔不僅腔長更長,而且放大激光是單向傳輸,可以降低自發(fā)輻射熒光(ASE)[20],有利于對比度的提升。將展寬后的種子光導(dǎo)入環(huán)形腔鈦寶石再生放大器中進(jìn)行能量放大,泵浦源采用Spectra-Physics公司的Empower激光器,波長為527 nm,重復(fù)頻率為1 kHz。再生放大器由腔鏡M1～M4、鈦寶石晶體Ti:Sapphire、普克爾盒PC和格蘭棱鏡GP2、GP3組成,其中M1、M2的曲率半徑為2 m,M3、M4的曲率半徑為3 m,整個環(huán)形腔的長度為3.2 m。鈦寶石晶體的長度為20 mm,端面以Brewster角切割,對波長為527 nm的泵浦光吸收大于90%。為減小熱透鏡效應(yīng)[21],晶體采用真空腔室封裝和TEC制冷,控制溫度為?34?C左右。泵浦功率為11.4 W時,再生腔輸出單脈沖能量為2.3 mJ,光光轉(zhuǎn)化效率為20.18%。

將再生放大之后的激光脈沖經(jīng)過透鏡組擴(kuò)束之后導(dǎo)入光柵對壓縮器進(jìn)行壓縮,壓縮器由兩塊刻線密度均為1480 lines/mm的反射式鍍金光柵G3、G4和爬低鏡RM組成。采用光線追跡法模擬了同心展寬器、再生放大器引入的各階色散,用光柵對壓縮器對整個系統(tǒng)進(jìn)行色散補(bǔ)償,壓縮后系統(tǒng)的剩余二階色散和三階色散如圖5所示,在中心波長800 nm處均可以補(bǔ)償至接近0,達(dá)到較好的補(bǔ)償效果。通過計(jì)算,光柵對壓縮器的最佳入射角為43.8?,光柵對間的垂直間距為241.3 mm,對中心波長提供的二階色散量為?1.45×106fs2。

圖5 系統(tǒng)剩余色散曲線Fig.5 Residual dispersion curve of the system

采用SRSI裝置(Wizzler,Fastlite Inc.)采集了經(jīng)平行光柵對壓縮后的光譜相位及脈沖寬度數(shù)據(jù),如圖6所示,放大后光譜帶寬窄化到22.1 nm,光譜變窄的主要原因來自于再生放大過程中的增益窄化效應(yīng)。經(jīng)過優(yōu)化壓縮器,輸出單脈沖能量為1.5 mJ,得到的最窄脈寬為47.5 fs,接近傅里葉變換極限脈沖寬度40.7 fs。

圖6 基于同心展寬器的CPA系統(tǒng)壓縮結(jié)果。(a)光譜相位分布;(b)壓縮脈沖寬度Fig.6 Compression results of CPA system based on concentric stretcher.(a)Distribution of spectral phase;(b)Pulse duration of compressed pulses

為了比較,組建了傳統(tǒng)的Martinez型展寬器替代上述同心展寬器,振蕩器、鈦寶石再生放大器和光柵對壓縮器等都保持不變。在展寬量相近的情況下,最終壓縮得到的脈沖寬度為57.8 fs,如圖7所示,說明Martinez型展寬器存在的像差帶來的高階色散在壓縮器中未能完全補(bǔ)償。該對照實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說明同心展寬器與光柵對壓縮器色散共軛,易于壓縮得到更短的壓縮脈沖。

圖7 基于Martinez展寬器的CPA系統(tǒng)輸出脈沖寬度Fig.7 The output pulse duration of CPA system based on Martinez stretcher

3 結(jié)論

研發(fā)了一種基于透射光柵的同心展寬器,相比較傳統(tǒng)的Martinez型和?ffner型展寬器,同心展寬器由于沒有像差,有利于壓縮獲得高對比度的窄脈沖。在泵浦功率為11.4 W、重復(fù)頻率為1 kHz的泵浦條件下,將采用透射光柵同心展寬器展寬后的啁啾脈沖經(jīng)鈦寶石環(huán)形腔再生放大器進(jìn)行能量放大,并采用光柵對壓縮器補(bǔ)償色散,最終獲得輸出單脈沖能量為1.5 mJ、脈沖寬度為47.5 fs的壓縮結(jié)果,接近傅里葉變換極限。透射光柵同心展寬器還具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn),對飛秒激光放大器的小型化具有重要意義。