非真空传输的高效交叉偏振滤波设计与产生∗

李荣凤 薛兴泰 赵研英 耿易星 卢海洋 颜学庆 陈佳洱

(北京大学物理学院,核物理与核技术国家重点实验室,北京 100871)

1 引 言

交叉偏振波(cross-polarized wave,XPW)是一种线偏振激光经过非线性晶体时,功率在达到一定阈值后引起偏振特性改变的三阶非线性效应[1,2],该特性作为强场激光背景和预脉冲的滤波器得到重要应用.激光中的预脉冲或者放大自发辐射等背景由于达不到产生XPW的阈值,偏振特性不改变,主脉冲功率密度高,在非线性晶体中通过XPW效应改变偏振,利用偏振元件将偏振不同的光分离开实现背景和预脉冲的滤波,从而提高激光对比度[3,4].XPW滤波相对结构简单,转化效率高,对比度提升较为显著,可以超过4个量级,而且实现频域光谱展宽的效果,因此被广泛的应用于高对比强场飞秒激光系统中[5−8].

XPW滤波常采用三阶非线性系数较高的BaF2晶体作为非线性晶体,为了获得较高的转换效率,通常要求激光功率密度达到1012W/cm2以上.目前XPW滤波常用于双啁啾脉冲放大(chirped-pulse amplif i cation,CPA)系统中来提高激光对比度,利用第一级CPA系统产生的百微焦量级飞秒激光作为基波,通过以BaF2作为非线性晶体的XPW滤波器对激光净化提高对比度后,再进入第二级CPA中获得高对比度的高能激光[9−11].目前通过单晶XPW滤波器,可获得超过10%的转换效率[12];利用双晶XPW滤波器获得超过20%转换效率,并将激光对比度提高4个量、级[13−15].

百微焦量级的激光用于XPW滤波器中,为了使激光功率密度达到XPW产生所需的阈值,通常需要对激光进行聚焦.目前的研究基本都是用焦距在米量级及以下的聚焦系统对光进行聚焦[16−18],这样的短焦聚焦一般在焦点处的功率密度高于XPW较高转换效率要求的1012W/cm2,此时将XPW晶体放在离焦的位置.因此利用单透镜聚焦条件下,要获得较高的XPW效率通常晶体并非工作在聚焦焦点处,此时焦点处的功率密度过高导致在非真空中传输会积累大量的非线性相位[19],这将恶化激光光束质量,因此需要将光束焦点放置在真空中,这不仅增加了系统复杂程度,而且由于功率密度过高也增加了晶体损坏的风险.同时采用短焦聚焦系统的双晶XPW系统中,转化效率对双晶间距依赖非常高,一般在毫米量级保持较高的转化效率[9,20],这极大地降低了系统的灵活性.采用焦距十米量级的长焦透镜聚焦可使晶体工作在焦点位置,但此时长焦透镜的使用将增加系统的繁琐程度,降低系统稳定性.同时,长焦透镜加工困难必然增加系统的成本,因此在实际应用中较少采用长焦透镜聚焦的XPW滤波.

针对XPW滤波不易在非真空中便捷稳定传输的问题,本文设计了紧凑型的、能够在非真空实现高效稳定XPW输出的双透镜聚焦光路,结果兼备了短焦透镜光路简洁以及长焦透镜焦点光强适中特点,利用双透镜组合对激光聚焦,组合焦距∼2.2 m,焦斑大小约700µm,焦点处峰值功率密度∼1012W/cm2.测试了该聚焦光路在传输所使用的120µJ,35 fs的激光时不会在非真空中引入额外的非线性积分,利用双BaF2晶体得到XPW最高输出∼26.5µJ,系统效率高达22%.在双晶系统中大尺寸聚焦焦斑的采用,使双晶间距在10 cm范围内均可获得超过20%的转换效率,提高了XPW系统对双晶间距的调节冗余度.

2 聚焦系统设计

我们采用光束直径10 mm,脉宽35 fs,单脉冲能量120µJ,中心波长为800 nm的飞秒激光作为XPW的入射基波.为了获得高XPW转换效率,需要激光功率密度∼1012W/cm2,根据入射激光条件,需要聚焦焦斑的半高全宽d∼700µm,若采用单透镜聚焦系统需要透镜焦距f∼7 m.为了在焦点处达到同样的聚焦功率密度,我们根据高斯光束的ABCD矩阵传输理论,采用常规焦距的正负透镜,设计了合适的双透镜组合,使我们的激光能在非真空中传输的同时,实现XPW较高效率的输出.

图1是焦距为7 m的透镜以及三组不同双透镜组合对激光聚焦后光束的传输情况,其中a,b,c,d分别表示透镜组合中透镜在聚焦光路中的位置.这里a,b组合表示F1=500 mm,F2=−150 mm的透镜组,间距∼350 mm,红色曲线为该透镜组对激光的聚焦传输;a,c组合表示F1=750 mm,F2=−200 mm透镜组,间距∼600 mm,绿色曲线为该透镜组对激光的聚焦传输;a,d组合表示F1=1000 mm,F2=−250 mm透镜组,间距∼800 mm,黄色曲线为该透镜组对激光的聚焦传输.图中橙色曲线为F=7 m透镜对激光聚焦后的光束传输情况.三组透镜组合对激光聚焦后的焦点距离a透镜位置∼2.2 m,焦点光斑大小∼700µm,F=7 m的透镜焦点处光斑大小∼700µm.可见,三组常用透镜组合对激光聚焦后焦点处光斑特性与焦距为7 m透镜聚焦焦点处光斑特性基本一致.因此利用常用透镜组合对激光聚焦兼有短焦透镜焦距短、光路紧凑和长焦透镜聚焦焦斑大、焦深长的特点.利用上述三种双透镜组合对激光聚焦均可获得焦点处功率密度∼1012W/cm2,满足XPW高效率转换所需要的光强以及非真空中稳定传输的要求.

图1 (网刊彩色)不同聚焦透镜组合及单透镜聚焦下的光束传输Fig.1.(color online)Dependence of the laser beam propagation on different focusing systems.

实验中采用F1=750 mm,F2=−200 mm组合对激光聚焦,并利用文献[21]中的方法对在非真空中经过聚焦后激光的非线性相位积累进行测量,在激光压缩器中遮挡部分光谱从而在激光光谱中形成凹陷调制,比较聚焦前后光谱中凹陷形状的变化判断该聚焦后的光束是否具有非线性相位积累.图2中红色曲线为聚焦前激光光谱,蓝色曲线为聚焦后激光光谱,聚焦前后光谱凹陷深度和宽度没有明显变化.由此可见激光经过该聚焦系统在非真空中传输不会引入明显的非线性相位积累,光束质量没有明显恶化.

图2 (网刊彩色)激光聚焦前后的激光光谱,其中,红色曲线表示双透镜组合聚焦前光谱,蓝色曲线表示聚焦后光谱Fig.2.(color online)The spectrum of fundamental beam(red curve)and the spectrum with dual lens focusing system(blue curve).

3 实验系统

实验采用kHz钛宝石再生放大激光,用于XPW滤波系统的激光单脉冲能量120µJ,脉宽35 fs,中心波长800 nm,光谱的半高全宽为37 nm.图3为XPW的实验装置图,入射垂直偏振激光经起偏棱镜P1进一步提高激光偏振度后,透镜F1和F2将激光脉冲聚焦到BaF21#和2#晶体上,其中1#晶体放置在焦点处.产生的XPW信号由透镜F3准直,经过第二块偏振正交的检偏棱镜P2滤除垂直偏振基波,获得水平偏振的XPW信号光输出.其中系统采用的棱镜P1,P2为消光比优于10−5的α-BBO格兰激光棱镜,尺寸为15 mm×15 mm×15 mm.聚焦系统F1=750 mm,F2=−200 mm,准直透镜F3=2000 mm,焦点处焦斑740µm,功率密度∼0.8×1012W/cm2,BaF21#,2#晶体尺寸均为10 mm×10 mm×2 mm,沿着[001]轴方向切割,表面未镀膜.当没有BaF2晶体时,此时系统输出88µJ,考虑到光路中格兰激光棱镜的有限尺寸及损耗,系统的传输效率为73%.

图3 XPW实验装置图,其中,P1,P2是一对正交放置的格兰激光棱镜,F1,F2是组合聚焦透镜,F3为准直透镜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 结果与讨论

XPW输出效率主要取决于入射光的偏振方向与BaF2晶体的[100]轴夹角β.实验中首先测试了单晶XPW输出随β变化特性,如图4中红色点所示,实际输出结果与利用文献[22]计算的红色理论曲线符合较好.单晶XPW输出随β周期变化,周期为1/4π,此时单晶XPW最高输出功率8µJ,转换效率6.6%.由于激光峰值功率密度较低,因此单晶BaF2转换效率低于10%.图5中红色曲线是单晶XPW输出光谱,相对于输入光谱没有明显展宽.可见较低的功率密度时激光可在非真空中稳定的传输,同时降低了晶体损伤的风险,但是此时单晶XPW转换效率较低,输出光谱展宽不明显,不利于后续激光的放大和压缩等应用.

双晶BaF2结构可有效改善转换效率以及光谱展宽问题.实验中将1#晶体置于转换效率最高的状态,改变2#晶体[100]轴与入射光偏振方向夹角β2,此时输出特性如图4中黑色点所示,实验结果与黑色理论曲线符合较好,双晶组合输出随β2周期变化,此时的输出周期由单晶的1/4π变为β2=1/2π,最高输出功率26.5 µJ,最高转换效率22%.此时XPW的输出是两块晶体分别产生XPW干涉相长的结果[14],输出可表示为(F2(β1,β2))2=(sin(4β1)+αsin(4β2))2, 其中F2(β1,β2)为XPW效应输出的场强振幅,α为2#晶体与1#晶体输出振幅比值.这种干涉效果使输出周期与单晶输出周期不同,并且输出强度上有极大提高.得益于双晶结构的相长干涉,使得即使在仅有0.8×1012W/cm2的功率密度下依然可以获得高达22%的转换效率,接近其饱和效率[14],考虑系统73%的传输效率,双晶XPW内部转换效率高达30%,输出26.5µJ的高质量激光可以应用于后续的放大.图5中蓝色曲线是双晶输出光谱展宽,半高全宽66 nm,入射激光半高全宽37 nm,XPW将光谱展宽1.78倍,达到理论展宽极限[9,23].比较单晶和双晶光谱展宽,可见光谱展宽与转换效率呈正相关,接近饱和转换效率的XPW将光谱展宽到极致,这为后续放大、压缩等提供了高功率、宽带宽的干净种子源.

图4 (网刊彩色)XPW输出效率随β的变化,其中,红色圆点表示实验测量的单块BaF2晶体的输出效率,红色曲线代表单晶体的输出效率随β变化的理论曲线;黑色点表示双BaF2晶体组合测量的输出效率,黑色曲线代表双晶组合输出效率的理论曲线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.

图5 (网刊彩色)单晶体与双晶体组合下XPW输出光谱的展宽,其中,黑色曲线代表XPW的输入光谱,红色曲线表示单块BaF2晶体时XPW的输出光谱,蓝色曲线代表双晶组合时XPW的输出光谱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).

双晶XPW效应中,激光在第一块BaF2晶体中产生克尔透镜效应,对激光进行再聚焦,改变激光传输特性,因此双晶间距对XPW效率具有重要影响.实验测量了该系统中双晶间距对输出效率的影响,如图6所示.间距在13—22 cm时,转换效率均能达到20%以上,在保持较高的XPW效率时,相对于已有文献报道的毫米量级间距[9,20],该系统将双晶间距调节范围提高了2个量级.由于系统中采用长焦效果聚焦,在第一块晶体上的功率密度相对较低,其克尔透镜效应较弱,因此对后续激光传输影响较弱,极大地增大了高转换效率下双晶间距的范围,这为双晶XPW系统设计和应用提供了较大空间.

图6 双BaF2晶体间距对输出效率的影响(黑色虚线是转化效率20%分界线)Fig.6.Experimental dependence of the XPW conversion efficiency on the two crystals separations.The dashed line is the boundary of 20%efficiency.

5 结 论

利用常规正负透镜组合设计双透镜聚焦系统,实现了紧凑的长焦透镜聚焦效果,并实现了120µJ,35 fs激光在非真空中高质量传输.在此基础上利用双晶BaF2在非真空中达到了XPW系统转换效率22%,晶体内部转换效率30%,光谱1.78倍展宽,这为飞秒激光后续的放大应用提供了高对比度、宽光谱的高质量种子源.双晶间距在13—22 cm可实现20%以上的转换效率,极大降低了双晶转换效率对晶体间距的依赖.这种非真空中高效XPW的设计与产生,满足了极端强场激光与物质相互作用高对比度的要求,同时降低了激光系统的繁冗度.

[1]Petrov G I,Albert O,Etchepare J,Saltiel S M 2001Opt.Lett.26 355

[2]Minkovski N,Saltiel S M,Petrov G I,Albert O,Etchepare J 2002Opt.Lett.27 2025

[3]Jullien A,Albert O,Burgy F,Hamoniaux G,Rousseau J P,Chambaret J P,Augé-Rochereau F,Chériaux G,and Etchepare J 2005Opt.Lett.30 920

[4]Jullien A,Rousseau J P,Mercier B,Antonucci L,Albert O,Chériaux G,Kourtev S,Minkovski N,Saltiel S M 2008Opt.Lett.33 2353

[5]Antonucci L,Rousseau J P,Jullien A,Mercier B,Laude V,Cheriaux G 2009Opt.Commun.282 1374

[6]Qin S,Wang Z H,Yang S S,Shen Z W,Dong Q L,Wei Z Y 2017Chin.Phys.Lett.34 024205

[7]Xu Y,Leng Y X,Guo X Y,Zou X,Li Y Y,Lu X M,Wang C,Liu Y Q,Liang X Y,Li R X 2014Opt.Commun.313 175

[8]Li Y Y,Guo X Y,Zou X,Xu Y,Leng Y X 2014Opt.Laser Technol.57 165

[9]Cotel A,Jullien A,Forget N,Albert O,Chériaux G,Le Blanc C 2006Appl.Phys.B83 7

[10]Chu Y X,Liang X Y,Yu L H,Xu Y,Xu L,Ma L,Lu X M,Liu Y Q,Leng Y X,Li R X,Xu Z Z 2013Opt.Express21 29231

[11]Geng Y X,Li R F,Zhao Y Y,Wang D H,Lu H Y,Yan X Q 2017Acta Phys.Sin.66 040601(in Chinese)[耿易星,李荣凤,赵研英,王大辉,卢海洋,颜学庆 2017物理学报66 040601]

[12]Jullien A,Albert O,Chériaux G,Etchepare J,Kourtev S,Minkovski N,Saltiel S M 2005J.Opt.Soc.Am.B22 2635

[13]Ramirez L P,Papadopoulos D,Hanna M,Pellegrina A,Friebel F,Georges P,Druon F 2013J.Opt.Soc.Am.B30 2607

[14]Jullien A,Kourtev S,Albert O,Chériaux G,Etchepare J,Minkovski N,Saltiel S M 2006Appl.Phys.B84 409

[15]Ricci A,Jullien A,Rousseau J P,Liu Y,Houard A,Ramirez P,Papadopoulos D,Pellegrina A,Georges P,Druon F,Forget N,Lopez-Martens R 2013Rev.Sci.Instrum.84 043106

[16]Canova L,Kourtev S,Minkovski N,Lopez-Martens R,Albert O,Saltiel S M 2008Opt.Lett.33 2299

[17]Liu C,Wang Z H,Li W C,Liu F,Wei Z Y 2010Acta Phys.Sin.59 7036(in Chinese)[刘成,王兆华,李伟昌,刘峰,魏志义2010物理学报59 7036]

[18]Wang J Z,Huang Y S,Xu Y,Li Y Y,Lu X M,Leng Y X 2012Acta Phys.Sin.61 94214(in Chinese)[王建州,黄延穗,许毅,李妍妍,陆效明,冷雨欣 2012物理学报 61 94214]

[19]Konoplev O A,Meyerhofter D D 1998IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.4 459

[20]Jullien A,Albert O,Chériaux G,Etchepare J,Kourtev S,Minkovski N,Saltiel S M 2006Opt.Express14 2760

[21]Ricci A,Jullien A,Forget N,Crozatier V,Tournois P,Lopezmartens R 2012Opt.Lett.37 1196

[22]Minkovski N,Petrov G I,Saltiel S M,Albert O,Etchepare J 2004J.Opt.Soc.Am.B21 160

[23]Jullien A,Durfee C G,Trisorio A,Canova L,Rousseau J P,Mercier B,Antonucci L,Chériaux G,Albert O,Lopez-Martens R 2009Appl.Phys.B96 293