基于脈沖非線性壓縮技術的71.3W飛秒激光產(chǎn)生*

張旭 王兆華3)? 王羨之 李佳文 李佳俊 趙國棟 魏志義3)?

1) (中國科學院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國家實驗室,北京 100190)

2) (中國科學院大學物理學院,北京 100049)

3) (松山湖材料實驗室,東莞 523808)

采用了Herriott 型多通腔對高平均功率皮秒激光進行非線性壓縮產(chǎn)生飛秒激光的脈沖寬度壓縮系統(tǒng),并通過ABCD 矩陣對腔內(nèi)本征模式分布進行了求解計算.實驗上通過利用多通腔脈沖壓縮裝置將100 W 釹離子激光器輸出的脈沖光譜寬度從0.20 nm 展寬到2.75 nm,光譜展寬比為13.75,B 積分累積總量接近15.6.利用透射光柵將補償色散后脈沖寬度從12.5 ps 壓縮到了780 fs,脈沖壓縮比為16,最終輸出功率為71.3 W,裝置整體效率為71.3%.該裝置提供了一種更加結構簡單,成本廉價的高平均功率飛秒激光產(chǎn)生方式.

1 引言

超快激光經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)覆蓋了物理、化學、生命、信息、加工和國防等學科的多個方面,是取得新發(fā)現(xiàn)、建立新理論的重要工具.特別是高重頻、平均功率的飛秒激光器在激光焊接、增材制造和微納加工等諸多領域[1-5]有著廣泛的應用需求.自1991 年,Spence 等[6]在鈦寶石晶體中實現(xiàn)克爾透鏡鎖模后,鈦寶石晶體就因其良好的物理和化學性能,被視為飛秒激光器的首選增益介質.但是鈦寶石激光器存在較大的量子虧損,導致很難實現(xiàn)很好的熱管理,因此鈦寶石激光器輸出的平均功率通常被限制在20 W 以內(nèi)[7,8].同時鈦寶石晶體的吸收光譜范圍在400—600 nm 通常需要對納秒的摻釹激光器進行倍頻作為泵浦源,而且為了實現(xiàn)鈦寶石激光的高功率輸出,往往需要使用啁啾脈沖放大技術,這都極大地增加了激光系統(tǒng)的成本和結構的復雜性.

相較于鈦寶石增益介質,摻釹離子的增益介質量子虧損更小,可以利用高功率的激光二極管直接進行泵浦,通過板條、碟片和Innoslab 等放大器輸出很高的平均功率,甚至可以達到10 kW 以上[9-13],而且成本更加低廉,結構更加簡單可靠.但是受限于摻釹離子激光增益介質,如Nd:YAG 和Nd:YVO4很窄的發(fā)射帶寬,其輸出的激光脈沖寬度通常會被限制在10 ps 以上,無法達到百飛秒量級.

根據(jù)傅里葉變換極限理論,為了獲得更短的脈沖寬度,需要對激光脈沖的光譜進行展寬.通過對皮秒激光脈沖的光譜進行非線性展寬,并結合對色散的補償管理,便可獲得飛秒量級的脈沖寬度.這種脈沖非線性后壓縮技術的出現(xiàn),為產(chǎn)生高平均功率的飛秒激光提供了一種全新技術途徑[14,15].根據(jù)其對激光模式限制的能力,常見的脈沖非線性壓縮裝置可以分為3 種: 1)具有波導結構的非線性壓縮裝置,如空心光纖、充氣的Kagome 光纖和光子晶體光纖等[16-18];2)激光模式自由傳輸?shù)幕诠腆w材料的壓縮裝置,如固體塊材料和薄片組等[19-21];3)具有類波導結構的Herriot 多通腔脈沖壓縮裝置[22-25].

1964 年,Herriott 等[26]發(fā)現(xiàn),當激光以一定角度離軸入射進一個由2 片凹面反射腔鏡組成的干涉裝置時,激光會在2 個凹面腔鏡的邊緣多次反射,在特定的角度下,凹面腔鏡上光線反射點的分布會形成一個標準的圓形,此時的干涉裝置可以近似視為一個由2 個凹面鏡組成的無源諧振腔,將會存在一個本征模式在腔內(nèi)實現(xiàn)衍射自再現(xiàn).此種結構也被命名為Herriott 型多通腔(Herriott multipass cell,MPC).2016 年,德國弗勞恩霍夫激光技術研究所的Schulte 等[25]首次將此裝置與非線性壓縮過程結合起來,在該裝置中實現(xiàn)了激光脈沖寬度的非線性壓縮.

基于Herriott 型多通腔的脈沖非線性壓縮裝置,可以通過將單通的B 積分設計得很小(大約0.1π)的方式,使得注入激光峰值功率不會遠超非線性介質自聚焦閾值,在保證輸出激光光束質量不會出現(xiàn)明顯惡化、光譜均勻性較好的情況下,壓縮大能量的激光脈沖.2018 年,Kaumanns 等[27]在600 mbar (1 mbar=100 Pa)氬氣的氣體MPC 裝置中,將18.6 mJ,1.3 ps 的前級光源壓縮到17.8 mJ,39 fs.同時凹面鏡之間存在固定的本征模式分布,非線性介質放在腔內(nèi)時內(nèi)部的光斑模式近似不變,可以起到類似于準波導結構的作用,輸出光斑不會出現(xiàn)錐狀輻射的環(huán)形結構,無時空耦合.2020 年,Balla 等[28]級聯(lián)兩級充氣MPC 裝置將1.2 ps 的前級光源壓縮到了13 fs,實現(xiàn)了92.3 倍的脈沖寬度壓縮.此外,基于Herriott 型多通腔的脈沖非線性壓縮裝置僅由2 片凹面反射腔鏡和非線性介質組成,還具有結構緊湊、指向穩(wěn)定和成本低廉的優(yōu)勢.基于Herriott 型多通腔的脈沖非線性壓縮技術近年來得到了迅速的發(fā)展和應用.

本文對基于Herriott 型多通腔的脈沖非線性壓縮技術進行了研究,并對多通腔內(nèi)本征模式的分布進行了求解.利用Herriott 型多通腔對100 W 摻釹離子皮秒激光器的輸出脈沖寬度進行了壓縮,獲得了平均功率71.3 W、脈沖寬度780 fs 的高平均功率飛秒激光輸出.同時,本文針對通過非線性壓縮皮秒脈沖獲得高平均功率飛秒脈沖的方法進行了驗證,所獲得的高平均功率飛秒光源有著巨大的發(fā)展前景,有望在飛秒激光加工和超快動力學等領域取得更為廣泛的應用.

2 實驗裝置及結果討論

2.1 實驗裝置

圖1 所示為基于Herriott 型多通腔的脈沖非線性壓縮裝置示意圖.以1064 nm 的皮秒激光器作為前級光源,由SESAM 鎖模振蕩器、再生放大器和四級行波Nd:YVO4主放大器組成.輸出平均功率100 W,脈沖重復頻率500 kHz.輸出光譜如圖2(a)所示,中心波長為1064.5 nm,光譜半高寬(FWHM)為0.2 nm;輸出脈沖寬度自相關測量結果如圖2(b)所示,高斯擬合結果為12.5 ps.

圖1 基于Herriott 型多通腔的脈沖非線性壓縮裝置示意圖Fig.1.Schematic diagram of Herriott MPC pulse nonlinear compression device.

圖2 100 W 釹離子激光器輸出特性 (a)輸出光譜;(b)輸出脈沖寬度自相關信號Fig.2.Output charactertstic of 100 W Nd-doped laser: (a) Output spectrum;(b) autocorrelation signal of output pulse width.

利用一個薄膜偏振片和半波片組成可調(diào)節(jié)的能量衰減裝置,以控制注入MPC 腔的能量.利用擴束透鏡組L1,L2 和聚焦透鏡實現(xiàn)前級激光對MPC腔的模式匹配.利用3 mm×10 mm 的小方形鏡作為導入鏡,導入MPC 中保證焦點位置位于MPC腔的中心處.其中2 個腔鏡曲率半徑R=+300 mm的凹面反射鏡,間距初步設定500 mm.在左側腔鏡下方裝有精密平移臺,根據(jù)MPC 腔鏡上反射光斑數(shù)量精細調(diào)節(jié)2 個凹面腔鏡的間距.選用25 mm的融石英片放置于MPC 腔中心位置處.經(jīng)過一定反射次數(shù)后,利用小方形鏡導出.為防止損傷壓縮用的透射光柵,將發(fā)散的輸出光用L4 透鏡擴束準直.使用一對1000 線/mm 的透射光柵對MPC 后輸出的激光進行色散補償,完成脈沖寬度的壓縮.

2.2 腔內(nèi)本征模式

從穩(wěn)定諧振腔的角度去分析MPC 裝置時,當凹面反射鏡的曲率半徑和間距確定時,腔內(nèi)能滿足衍射自再現(xiàn)條件的本征模式分布也隨之確定.腔內(nèi)各處的光斑大小是確定的,可以根據(jù)其本征模式推算出來.這對分析基于自相位調(diào)制的光譜展寬過程中的非線性累積有著重要的意義.可以利用ABCD傳輸矩陣求解這個本征模式.

如圖3 所示,從束腰點出發(fā)的激光到腔鏡上多次反射自再現(xiàn)的過程可以分解為3 個過程的不斷重復,即自由傳輸L/2 距離到達腔鏡;在焦距為R/2 的凹面鏡上反射;自由傳輸L/2 距離回到焦點.

圖3 MPC 腔內(nèi)反射過程示意圖Fig.3.Diagram of reflection process in MPC.

自由傳輸?shù)腁BCD 矩陣為

在凹面鏡上反射的ABCD 矩陣為

激光在MPC 腔中多次傳輸反射的ABCD 矩陣可以寫為

式中C=d/R,j為本征模式在2 個凹面反射腔鏡上的反射次數(shù).為保證本征模式的自再現(xiàn),應有

可以計算出MPC 腔本征模式的q參數(shù)為

根據(jù)q參數(shù)的特性可以計算出相應的MPC 腔本征模式的束腰半徑ω0和腔鏡上光斑半徑ωm,分別為:

對于MPC 腔中2 個凹面反射鏡間任意位置處的光斑大小,可以通過高斯光束的傳播公式求出.本文MPC 裝置的本征模式分布如圖4 所示.

圖4 MPC 腔內(nèi)本征模式分布Fig.4.Distribution of engine mode in MPC.

2.3 實驗結果與討論

經(jīng)過對裝置的優(yōu)化調(diào)節(jié),最終使注入的皮秒激光在MPC 的2 個凹面反射腔鏡間反射56 次,共111 次通過作為非線性介質的融石英.圖5 所示為利用夜視儀觀測凹面鏡上的反射點的情況,圖6 所示為111 次反射的反射點分布順序.

圖5 測凹面鏡上的反射點Fig.5.Reflection spot on concave mirror.

圖6 凹面鏡上反射點的分布順序Fig.6.Distribution order of reflection spot on concave mirror.

注入MPC 裝置的激光重復頻率為500 kHz,平均功率為100 W,單脈沖能量為200 μJ,MPC光譜展寬后輸出功率為80.6 W,單脈沖能量為161.2 μJ,MPC裝置光譜展寬部分輸出效率為80.6%.理論上自相位調(diào)制展寬光譜的過程是沒有能量損耗的,其中能量損耗主要來自于凹面反射腔鏡與插入的融石英的光學損耗,即使鍍有高效率的高反/增透膜,多次的透射、反射的光學損耗依舊很大.考慮到MPC 裝置中的能量損耗,取MPC 腔內(nèi)傳輸激光單脈沖能量的平均值180 μJ估算其中的非線性累積.根據(jù)B 積分的定義,B=,入射激光在MPC腔中平均單通累積的B 積分約為0.14,111 通總計累計B 積分接近15.6.

利用光譜儀(OSA,YOKOGAWAAQ6370C)測量MPC 裝置展寬后的光譜.展寬后光譜與初始光譜對比如圖7 所示,其中黑色線為初始光譜,寬度為0.20 nm,紅色線為展寬后光譜.

圖7 非線性展寬前后的光譜Fig.7.Spectrum before and after nonlinear broadening.

對于自相位調(diào)制展寬后的光譜,會產(chǎn)生多個調(diào)制出來的峰,歸一化后的峰值不一定為1,此時使用半高全寬來描述自相位調(diào)制展寬后的光譜帶寬并不合適,使用外側光譜調(diào)制峰強度半高寬(half the intensity of the outer spectral maxima)來描述光譜寬度更為合適.對于基于自相位調(diào)制效應展寬光譜的展寬比可以利用B 積分的積累量進行估計,存在以下關系[22]:

根據(jù)B 積分估算的光譜展寬比b=13.73,實驗測得展寬后的光譜寬度為2.75 nm,光譜展寬比為13.75.實驗結果與計算結果符合.

由于光譜的調(diào)制,其形狀已經(jīng)不是標準的高斯擬合或者洛倫茲擬合,為獲得該光譜所支持的傅里葉極限脈沖寬度,對光譜做反演計算,經(jīng)過計算,該光譜所支持的傅里葉極限寬度為747 fs,反演得到的傅里葉極限脈沖如圖8 所示.

圖8 展寬后光譜的脈沖變換極限Fig.8.FTL of spectrum after broadening.

在MPC 裝置中,非線性光譜展寬的部分是完全基于自相位調(diào)制效應展寬光譜的,在此過程中只引入線性啁啾,因此比較適合選用啁啾鏡或者GTI鏡子補償二階色散完成脈沖的壓縮.要將12.5 ps的初始脈沖壓縮至展寬后的傅里葉極限,大致需要接近 106fs2量級的二階色散量,啁啾鏡組和GTI鏡組很難提供如此大的色散量,所以選用透射光柵對壓縮器進行色散補償.為了獲得更高的衍射效率,選擇以1064 nm 的Littrow 角32.1°入射透射光柵,此時單光柵衍射效率為97%.經(jīng)過4 次透射光柵,透射光柵對壓縮器整體效率為88.5%.壓縮后輸出平均功率為71.3 W,單脈沖能量為143 μJ,MPC 裝置總效率為71.3%.

利用自相關儀器(APE,pulse check 50),以非共線強度自相關模式測量壓縮后脈沖.經(jīng)過優(yōu)化最終在兩光柵間距為515 mm 時,測得最短強度自相關ACF 信號,半高寬為1.02 ps,此時光柵提供—3.5×106fs2的二階色散量補償.

由于展寬后的光譜存在調(diào)制,自相關測得的脈沖寬度也不適合使用常用標準函數(shù)型來擬合.對傅里葉極限脈沖進行自相關卷積,可以求解出其自相關解卷積因子等于壓縮后脈沖的自相關解卷積.747 fs 傅里葉變換極限脈沖的自相關信號脈沖寬度τFTLAFC=979 fs,經(jīng)計算解卷積因子為0.763,如圖9 所示,將所測得的自相關ACF 信號寬度τAFC=1.02 ps,乘以解卷積因子,可以獲得壓縮實際脈沖寬度為780 fs,接近展寬后光譜的傅里葉變換極限.MPC 裝置脈沖寬度壓縮比為16.

圖9 非線性壓縮后脈沖自相關曲線Fig.9.The measured autocorrelation signal of output pulse after nonlinear compression.

通過M2因子儀對MPC 輸出的光束質量進行測量,結果如圖10 所示,圖10(a)為入射光在水平方向和垂直方向上光束質量,分別為Mx2=1.36,My2=1.45;圖10(b)為輸出光束在水平方向和垂直方向上的光束質量,分別為Mx2=1.47,My2=1.60.經(jīng)過MPC 后光束質量略有下降,但是變化不大.

圖10 非線性壓縮前后光束質量Fig.10.Beam quality before and after nonlinear compression.

3 結論

本文報道了一種基于脈沖非線性壓縮獲得高功率飛秒激光的方法,基于Herriott 型多通腔進行光譜展寬,在腔中采用融石英片作為非線性材料,并以一對透射光柵作為色散補償裝置,實現(xiàn)了對前級的皮秒光源進行脈沖壓縮.在實驗中平均功率100 W,脈沖寬度12.5 ps 的前級光源注入多通腔后往返111 次經(jīng)過融石英非線性介質,光譜從0.20 nm 展寬到2.75 nm,光譜展寬比為13.75,經(jīng)過一對1000 線/mm 的透射光柵補償色散后,脈沖寬度壓縮至780 fs,脈沖寬度壓縮比為16,最終輸出平均功率為71.3 W,整體效率為71.3%,輸出光束質量為1.47×1.60.為高平均功率百飛秒光源的產(chǎn)生提供了有效方法并展現(xiàn)出了巨大的潛力,有望在飛秒激光加工和超快動力學等領域取得更為廣泛的應用.