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技術(shù)前沿

3分鐘了解脈沖激光的主流脈寬壓縮技術(shù)

來源:《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》2024-02-22 我要評論(0 )   

劉筱奕1,王帥帥2,劉照東2,陳亞東3,蔡穎輝2,趙超2,陳婷婷2,李鐵11河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院2山東省烯烴催化與聚合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3河北工業(yè)大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院01兩...

劉筱奕1,王帥帥2,劉照東2,陳亞東3,蔡穎輝2,趙超2,陳婷婷2,李鐵1

1 河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院

2 山東省烯烴催化與聚合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3 河北工業(yè)大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院




01

兩種典型的脈寬壓縮技術(shù)

近些年來,短脈沖激光由于其時間分辨率高、脈沖峰值功率高、光譜范圍廣等特性,在材料加工、激光雷達(dá)、激光醫(yī)療等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。目前產(chǎn)生短脈沖激光的主要方式為調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù)。調(diào)Q技術(shù)通常用作產(chǎn)生納秒級激光,通過短腔法可以實(shí)現(xiàn)亞納秒短脈沖激光產(chǎn)生,但受限于諧振腔的長度無法獲得更短脈沖。另外一種方法是鎖模技術(shù),可以產(chǎn)生皮秒到飛秒量級的激光,但是由于鎖模器件損傷閾值的限制,產(chǎn)生脈沖的能量僅限于nJ~μJ量級。

通過調(diào)Q技術(shù)產(chǎn)生和放大納秒級激光長脈沖,再通過脈寬壓縮技術(shù)將其壓縮到皮秒量級,這條技術(shù)路線能夠有效地規(guī)避器件損傷對激光能量的限制,高效地產(chǎn)生大能量短脈沖激光。目前,基于非線性光學(xué)原理的脈寬壓縮技術(shù)主要有受激布里淵散射(SBS)脈寬壓縮和受激拉曼散射(SRS)脈寬壓縮。

受激布里淵散射脈寬壓縮因具備高轉(zhuǎn)換效率和高壓縮比成為獲得高能量、亞納秒量級脈沖的重要手段,但現(xiàn)有SBS增益介質(zhì)的聲子壽命僅在百皮秒量級,使得通過SBS脈寬壓縮獲得最短的輸出脈沖也被限制在百皮秒量級。

與受激布里淵散射脈寬壓縮相比,受激拉曼散射脈寬壓縮具有更短的聲子壽命,能夠突破百皮秒量級進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)皮秒甚至飛秒脈沖的獲取。此外,大頻移的特點(diǎn)使其在特殊波段的超短脈沖激光產(chǎn)生方面也有著重要應(yīng)用。

1962年,Eckhardt等首次發(fā)現(xiàn)受激拉曼散射現(xiàn)象,隨后1968年國際商業(yè)機(jī)器公司的Culver等研究了背向拉曼散射的脈寬壓縮特性,在實(shí)驗(yàn)中獲得了300 ps的輸出。1997年俄羅斯科學(xué)院列別捷夫物理所驗(yàn)證了受激拉曼散射在飛秒脈沖獲取方面的能力;1999年日本東京理科大學(xué)探索了受激拉曼散射在高能脈沖獲取方面的應(yīng)用;勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室拓展了拉曼散射在壓縮紫外激光方面的應(yīng)用,驗(yàn)證了SRS應(yīng)用在激光核聚變方面的潛力。

而能夠決定最終輸出脈沖特性的是聲子壽命、增益系數(shù)等介質(zhì)參數(shù)和相互作用長度、聚焦參數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)。近些年來的工作很大程度上豐富了拉曼介質(zhì)種類,壓縮結(jié)構(gòu)也獲得長足發(fā)展,使得受激拉曼散射輸出功率高、轉(zhuǎn)換效率高、頻率變換等優(yōu)點(diǎn)更加突出。



02

SRS脈寬壓縮技術(shù)的影響因素

拉曼介質(zhì)和壓縮結(jié)構(gòu)對SRS的壓縮性能起著決定性的作用。介質(zhì)的增益系數(shù)、聲子壽命等特性以及壓縮系統(tǒng)的相互作用長度、聚焦參數(shù)、增益介質(zhì)長度等,都會對Stokes脈沖的寬度、能量和峰值功率產(chǎn)生影響。


SRS增益介質(zhì)

1)增益介質(zhì)的選取
目前常用的增益介質(zhì)以氣體和晶體為主。

氣體介質(zhì)主要包括CH4、H2和稀有氣體等。氣體介質(zhì)的純度高,有較高的自聚焦閾值和低散射損耗,但粒子數(shù)密度低,增加氣體壓強(qiáng)的同時還需要急劇增加光學(xué)相互長度才能達(dá)到有效的拉曼轉(zhuǎn)換,所以氣體的拉曼增益小、非線性競爭強(qiáng)。除此之外,熱導(dǎo)率低以及化學(xué)穩(wěn)定性差等因素也限制著氣體介質(zhì)的應(yīng)用。

相比之下,液體介質(zhì)的粒子數(shù)密度更高,較大的散射截面和拉曼增益系數(shù)也使其容易獲得高壓縮比的脈沖。液體介質(zhì)包括乙醇、水、二硫化碳、苯等。表1整理了部分代表性的拉曼液體介質(zhì)及其性質(zhì)。液體介質(zhì)自聚焦閾值低、化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,并且大部分的液體介質(zhì)都有毒性、揮發(fā)性,因此被限制了應(yīng)用范圍。

表1 液體拉曼介質(zhì)及性質(zhì)

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晶體介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、密度高,能夠很好地彌補(bǔ)氣體和液體介質(zhì)的不足,并且具有高增益、良好的熱性能等優(yōu)點(diǎn)。表2中列舉了部分常用晶體介質(zhì)及其性質(zhì)。
表2 常用拉曼晶體的主要特性

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1963年,受激拉曼散射效應(yīng)在金剛石等晶體材料中被發(fā)現(xiàn),但是由于缺乏高質(zhì)量的拉曼晶體,直到20世紀(jì)70年代才獲得了較高的轉(zhuǎn)化效率而投入應(yīng)用。隨著新型拉曼晶體介質(zhì)的不斷涌現(xiàn)和CaCO3、Ba(NO32、KGd(WO42等高增益高負(fù)載拉曼晶體生長技術(shù)的完善,晶體中的SRS壓縮為超短脈沖激光的產(chǎn)生提供了一條更切實(shí)可行的發(fā)展路線。但是,尋找增益更高和損傷閾值更高的晶體材料的工作還有待進(jìn)一步探尋,同時晶體尺寸小、價(jià)格高昂,且受到光學(xué)擊穿的損失不可恢復(fù)等因素,也限制了晶體介質(zhì)在超高功率激光領(lǐng)域的應(yīng)用。

等離子體機(jī)制中的背向拉曼放大技術(shù),也最有希望成為進(jìn)一步獲得大能量短脈沖技術(shù)手段。使用等離子體介質(zhì)進(jìn)行拉曼壓縮的主要優(yōu)點(diǎn)是熱損傷閾值小,并且能夠承受非常高的光強(qiáng)而不受損壞。但等離子體介質(zhì)應(yīng)用的局限性在于它的產(chǎn)生和控制非常復(fù)雜,技術(shù)穩(wěn)定性還不夠成熟。

2) 增益介質(zhì)參數(shù)對壓縮效果的影響

  • 聲子壽命

SRS脈寬壓縮基于泵浦光場、Stokes光場和分子振動的三波耦合,而聲子壽命代表聲場從不穩(wěn)定振蕩中恢復(fù)所需的時間,會對Stokes脈沖和泵浦脈沖的作用時長造成影響,決定了壓縮脈沖寬度的最低限度。Stokes脈沖寬度與聲子壽命大小呈正相關(guān),在相同泵浦條件下,較短的聲子壽命能夠使Stokes脈沖的前沿與泵浦脈沖快速耦合,瞬時增益增大,可見選取短聲子壽命的介質(zhì)更有利于獲得短脈沖。

  • 增益系數(shù)

增益系數(shù)與拉曼線寬、微分界面散射系數(shù)等參數(shù)有關(guān),能夠反映SRS過程中三波的耦合強(qiáng)度。輸出脈寬、能量轉(zhuǎn)換率與增益系數(shù)的關(guān)系如圖1所示,結(jié)果表明,輸出脈寬隨增益系數(shù)的增大而減小,而能量轉(zhuǎn)換率隨之增大。在泵浦條件相同時選取增益系數(shù)大的介質(zhì),會使更多的能量轉(zhuǎn)移到Stokes脈沖光中,同時也使壓縮更加充分,有利于獲得大能量的短脈沖。

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圖1 壓縮脈沖寬度與增益系數(shù)的關(guān)系(左);能量轉(zhuǎn)化效率與增益系數(shù)的關(guān)系(右)


SRS脈寬壓縮結(jié)構(gòu)

1)壓縮結(jié)構(gòu)的發(fā)展
聚焦參數(shù)、相互作用長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對脈寬壓縮效果有很大影響。在研究初期一般采用單池結(jié)構(gòu),如圖2所示,直接將泵浦脈沖聚焦到拉曼介質(zhì)中,因結(jié)構(gòu)簡單而得到普及。單池結(jié)構(gòu)雖然簡單但是有很大缺陷,不能抑制高階Stokes的產(chǎn)生,導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率很難提高,直接將泵浦光聚焦到活性介質(zhì)中的方法也激發(fā)了其他非線性效應(yīng)的產(chǎn)生。

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圖2 單拉曼池壓縮結(jié)構(gòu)

隨后,雙拉曼池結(jié)構(gòu)得到發(fā)展,而雙池結(jié)構(gòu)仍然不能抑制高階Stokes的產(chǎn)生,于是研究人員在雙 池的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了種子注入式結(jié)構(gòu),如圖3所示,可以通過色分離鏡來抑制高階Stokes的產(chǎn)生,使SRS閾值降低了4倍,兩次提取的方案很大程度上提高了壓縮率和提取效率。2020年,Mackonis等通過多次級聯(lián)放大的方法,使用產(chǎn)生-放大兩級壓縮結(jié)構(gòu)在KGd(WO42晶體中實(shí)現(xiàn)了145 fs的輸出,并獲得了45%能量轉(zhuǎn)化效率。

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圖3 種子注入式脈寬壓縮結(jié)構(gòu)

目前常用的壓縮結(jié)構(gòu)還是以單池為主,種子注入式、產(chǎn)生-放大、多次級聯(lián)放大等新穎壓縮結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和發(fā)展,為SRS脈寬壓縮實(shí)驗(yàn)提供了更多方案。此外,為了規(guī)避SRS脈寬壓縮反射率不足的問題,還可以采用SRS與其他脈寬壓縮手段如SBS等相結(jié)合的辦法。因此,SRS脈寬壓縮技術(shù)有望應(yīng)用到更加廣闊的領(lǐng)域中。
2)泵浦脈沖對壓縮效果的影響
泵浦脈沖作為激勵源,其能量、脈寬都會影響壓縮特性。泵浦能量一定程度上控制了泵浦脈沖和Stokes脈沖的相互作用長度以及其他非線性效應(yīng)和光學(xué)擊穿的發(fā)生。泵浦寬度是保證兩脈沖能夠充分進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的重要參數(shù)。

  • 泵浦脈沖能量

泵浦脈沖能量會對脈沖壓縮特性產(chǎn)生最直接的影響,能量太小無法達(dá)到SRS閾值,能量過大又會產(chǎn)生高階Stokes脈沖和其他非線性效應(yīng)。
山東大學(xué)的胡大偉等研究了LiIO3晶體中輸出脈沖能量和能量轉(zhuǎn)化率隨泵浦脈沖的變化規(guī)律,如4所示。可以觀察到脈沖能量和能量轉(zhuǎn)換效率隨著泵浦能量的增加穩(wěn)步上升。泵浦脈沖的能量增大會使其與Stokes脈沖的相互作用增強(qiáng),壓縮更加充分。

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圖4 壓縮脈沖寬度與泵浦能量的關(guān)系(左);能量轉(zhuǎn)化效率與泵浦脈沖的關(guān)系(右)

  • 泵浦脈沖寬度

泵浦脈沖寬度對壓縮效果的影響,體現(xiàn)在對兩脈沖的有效作用距離的影響上,在泵浦寬度比較小的情況下,隨著泵浦寬度增加,有效作用距離變大,脈沖寬度的壓縮更加充分,能量轉(zhuǎn)換率提高,當(dāng)超過了最佳有效作用長度后,脈沖寬度的影響不再明顯。
3)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

  • 透鏡焦距

Stokes光的能量隨著焦距的增大而增大,焦距較長時能量轉(zhuǎn)化效率較高。這是由于透鏡焦距長有利于增加泵浦脈沖和Stokes脈沖的相互作用長度,使其充分耦合,脈沖得到有效壓縮。但焦距過長會使光斑直徑變大從而增大能量損耗,也不能達(dá)到理想效果。

  • 池長

南京先進(jìn)激光技術(shù)研究院先進(jìn)全固態(tài)激光技術(shù)研發(fā)中心房春奇等對拉曼諧振腔進(jìn)行了優(yōu)化,研究了不同池長條件下輸出脈沖的能量,結(jié)果顯示,輸出脈沖的能量隨池長的增加先增加后減少。這是由于當(dāng)池長較短時,Stokes脈沖和泵浦脈沖的相互作用不夠充分,沒有獲得充分的壓縮。當(dāng)池長過長時,增益介質(zhì)也會吸收一部分的泵浦能量,使輸出的脈沖能量降低。

小結(jié)


受激拉曼散射(SRS)脈寬壓縮技術(shù)由于其高負(fù)載、高壓縮率、相位共軛等特性,在高功率短脈沖激光產(chǎn)生方面有著重要應(yīng)用。SRS脈寬壓縮技術(shù)雖然發(fā)展較早,但一直受到前向與后向Stokes的競爭和高階Stokes產(chǎn)生等問題的困擾。實(shí)驗(yàn)中一般會使用后向拉曼壓縮,而前向拉曼和后向拉曼在大部分情況下是同時存在的,那么前向Stokes就會造成泵浦光能量的浪費(fèi),降低能量轉(zhuǎn)化率。高階Stokes光的產(chǎn)生在降低能量轉(zhuǎn)化效率的同時,還會使出射光成為多頻光。
現(xiàn)有抑制高階Stokes的方案中,雙色鏡隔離和皮秒級的泵浦光輸入是兩種最常用的方法,通過二向色鏡衰減高階Stokes光會很大程度上降低SRS脈寬壓縮的轉(zhuǎn)化效率,依賴其他技術(shù)提供皮秒泵浦光的方法,也降低了SRS脈寬壓縮技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。


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脈沖激光脈寬壓縮技術(shù)
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