飞秒激光经微透镜阵列在石英中成丝的【推荐论文】 .doc

精品论文飞秒激光经微透镜阵列在石英中成丝的控制研究刘旭，CAMINO Acner，郝作强，林景全5（长春理工大学理学院，长春 130022）摘要：使用周期性微透镜阵列对飞秒激光聚焦后在熔融石英中形成的细丝进行了研究。研究 表明，通过改变微透镜阵列和石英介质的相对距离, 可以实现细丝的数量及其排布的控制， 实验结果和使用射线追踪程序模拟的结果符合得很好。此外，研究还发现，飞秒激光细丝的 排布强烈依赖于入射激光波长，初始激光能量和偏振态。10关键词：微透镜阵列；等离子体细丝；飞秒激光脉冲中图分类号：O437Control of laser filamentation in fused silica by a periodic microlens array15LIU Xu, CAMINO Acner, HAO Zuoqiang, LIN Jingquan(School of Science, Changchun University of Science and Technology, ChangChun 130022) Abstract: Deterministic wavelength-dependent multifilamentation is controlled in fused silica by adjusting the diffraction pattern generated by a loosely focusing 2D periodic lens array. By simply translating the sample along the propagation axis the number and distribution of filaments can be20controlled and are in agreement with the results of linear diffraction simulations. The loose focusing geometry allows for long filaments whose distribution is conserved along their propagation inside the sample. The effect of incident energy and polarization on filament number is also studied.Keywords: microlens array; plasma filament; femtosecond laser pulse251引言超短强激光脉冲在非线性介质中传输时，由于介质的非线性效应产生的克尔自聚焦会使 激光光束聚焦，当激光功率高于介质的电离阈值时，造成介质的离化而形成等离子体。当等 离子体的散焦作用和克尔自聚焦效应，以及激光光束自身的衍射之间达到动态平衡时，介质30中就会形成长度远大于激光光束瑞利距离的等离子体细丝1。等离子体细丝本身及其表现出 来的各种非线性特性具有重要的应用价值，迄今为止，已经在激光诱导闪电、激光诱导击穿 光谱、激光雷达、激光微加工等很多领域得到了应用。当初始激光能量远远大于其在这种介质中的成丝阈值时，多个等离子体细丝将会形成， 这就是所谓的多丝现象。由于调制不稳定性以及激光光束横截面内的强度分布不均匀等因35素，多丝的出现及其分布具有一定的随机性，这显然不利于等离子体细丝的实际应用，因此 对多丝分布的优化及其控制成为国际上一直以来的热点问题。目前可以实现控制多丝的方法 主要有：将初始激光光束的强度改造成椭圆分布2、调整数值孔径3、引入相位掩膜4、利 用周期性筛网改变激光振幅5,6等，其中一个比较简单又不牺牲激光功率的方法是使用周期 性光学元件使激光形成衍射图像，通过衍射图像对多丝的排布进行控制5-8。40微透镜阵列是一种常见的衍射光学元件，可以高效率的收集激光能量9,10，并且在光束基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(Nos. 20122216120009, 20122216110007, 20112216120006)的 资助，林景全感谢教育部留学回国人员科研启动基金的资助。作者简介：刘旭，(1989-), 女，硕士研究生，主要研究方向：飞秒激光在光学介质中的非线性成丝。通信联系人：林景全，(1966-), 男，教授，主要研究方向：飞秒激光应用。E-mail: linjingquancust.edu.cn- 6 -横截面上产生周期性的强度分布，将其入射到非线性光学介质中，这种周期性强度分布将直接影响等离子体细丝在介质中的排布情况。因此，我们可以通过选择不同实验参数，控制激 光进入介质时的横截面强度分布，进而实现介质中细丝的控制。但是，常见的微透镜阵列的 焦距较短，会对光束引入很大的发散角，不利于介质中的成丝，这也应该是很少有人将其应45用到飞秒激光成丝领域的原因之一11,12。本文选用了一个具有较长焦距的微透镜阵列对飞秒 激光进行强度调制，对其在熔融石英介质中的成丝进行了研究，获得了数量和长度可控的多 丝分布。实验结果显示，飞秒激光在熔融石英中的细丝排布强烈依赖于激光入射波长、介质 与微透镜之间相对距离、初始激光能量和偏振态。2实验装置50实验中使用的激光器是商用掺钛蓝宝石飞秒激光放大系统(Libra, Coherent Inc.)，其重复 频率 1kHz、输出脉宽 50fs、中心波长 800nm，实验光路示意图如图 1 所示。实验中使用的 激光最大脉冲能量为 480J，经直径为 11mm 的小孔光阑后入射在焦距为 218.3mm 的微透镜 阵列上（微透镜阵列结构示意图见虚框插图），然后，进入长度为 20mm 的熔融石英块并在 其中形成等离子体细丝，成丝后的横截面强度分布由透镜 L 成像在白屏上，其中透镜 L 的55焦距为 50.8mm，白屏距离微透镜阵列 5.02m。沿激光传输方向移动 L，可观测到介质内不 同位置处的成丝情况。实验中，熔融石英块放置在平移台上，通过调节石英与微透镜阵列之 间的相对位置，研究不同距离下飞秒激光在石英中成丝的排布情况。另外，通过在光路中分 别加入 BBO 晶体、衰减片及四分之一波片，改变入射激光的波长、能量和偏振态，研究这 些物理量对激光成丝情况的影响。603结果与讨论图 1 实验装置示意图，插图为微透镜阵列结构示意图。Fig. 1 Experimental setup.将熔融石英块放置在微透镜的聚焦区域内时，得到的典型多丝分布如图 2 所示，其中(a)65和(b)分别为中心波长 800nm 和 400nm 的飞秒激光在白屏上形成的激光细丝图像。由于激光 光束强度为高斯分布，中心区域的激光强度大，边缘较弱，只能在微透镜中心部位的每个小 透镜内形成细丝。图 2 (a)中心波长 800nm 和(b)中心波长 400nm 的飞秒激光在熔融石英中的典型细丝图像。70Fig. 2 Typical MF patterns formed by (a) 800-nm and (b) 400-nm laser pulses when the sample is placed in the focal region.然而，这种成丝状态并不稳定，当石英与微透镜阵列之间的距离为 144mm，即石英在 微透镜焦点之前时，每个小透镜内的激光脉冲形成了多丝分布。图 3 为入射波长 800nm(a-d)75和 400nm(e-h) 的激光脉冲在石英玻璃块中传输距离分别为(a, e)10mm, (b, f)12mm, (c, g)15mm, (d, h)18mm 时所的中心部分多丝图像，所用的 800nm 激光能量为 315J，400nm 激 光能量为 80J，均为各自波长下激光自聚焦临界功率的相同倍数。它们中心点之间的距离 与每个小透镜大小一致，约 1mm.从图中我们可以看到，两种波长形成的细丝在介质中都传输了很远距离，但每个小透镜80内形成的多丝排布完全不同，中心波长为 800nm 的激光脉冲情况下，每个小透镜形成了 3 条细丝，且激光的大部分能量集中在中间的等离子体丝上；而中心波长为 400nm 的激光脉 冲在每个小透镜内形成呈正方形分布的 4 条细丝，且能量分布均匀。造成这种差异的原因是 飞秒激光脉冲经微透镜阵列后，在石英介质的入射面形成了衍射图像，衍射图像中激光强度 分布决定了多丝的位置及能量分配，而衍射图像情况随入射激光的中心波长不同而不同。85图 3 入射波长为 800nm(a-d)和 400nm(e-h)激光在石英玻璃块内传输距离分别为(a, e)10mm, (b, f)12mm, (c,g)15mm, (d, h)18mm 时的多丝分布。Fig. 3 Patterns formed from incidence of fundamental (a-e) and second harmonic laser (e-h)after a propagation distance of: (a) and (e)10 mm, (b) and (f) 12 mm, (c) and (g) 15 mm and (d)90and (h) 18 mm inside the block of fused silica.为了进一步研究石英介质与微透镜阵列之间的距离对飞秒激光多丝的影响，将二者之间的相对距离分别调整为 144mm, 164mm 和 180mm 进行实验测量，实验结果如图 4 所示，其 中(a)和(b)为 800nm 激光的成丝图像，(c-e)为 400nm 激光的成丝图像，其激光脉冲能量分别95为 480J 和 110J.从图中可以观察到，当石英玻璃与微透镜阵列的相对位置从 z=144mm 变 到 z=180mm 时，基频光与二次谐波诱导等离子体细丝的分布和数量都发生了很大变化，不 同的是二次谐波在每个小透镜内形成的多丝要比基频光成丝更稳定。100105110115120图 4 激光多丝分布随介质和微透镜阵列相对位置的变化。其中(a)和(b)分别为 800nm 在 z=144mm 和z=180mm 处的多丝图像，(c-e)分别为 400nm 光在 z=144mm, z=164mm, z=180mm 处的多丝分布。Fig. 4 MF dependence on the relative position of the sample. Filament patterns from the fundamental laser case are depicted on (a-b) while patterns from the second harmonic case in (c-e). Images (a) and (c) correspond to sample position z = 144 mm, image (d) to z = 164 mm and images (b) and (e) to z = 180 mm.为了解释这一现象，我们使用射线追踪软件 Zemax 对 800nm, 400nm 和 248nm 激光衍 射图像沿 z 轴的变化进行了分析，并与实验结果对比。设定入射激光为束腰 10mm 的高斯光 束，激光束经过微透镜阵列后传输一段距离入射到石英介质表面上，在模拟中不考虑非线性 效应。图 5 给出了模拟得到的三种不同波长的激光在传输过程中的衍射图像，每一幅图大小 为 1×1mm，为石英介质入射面处的图像。图(a-e)是微透镜阵列相对于石英介质的距离从 z=144mm 变化到 z=180mm 时 800nm 激光衍射图像的演化，图 5(f-j)和图 5(k-o)分别为 400nm 和 248nm 激光在与 800nm 激光情况对应位置的衍射图像。图 5 三种不同波长在五个不同样品位置处样品入射面衍射图像的 Zemax 模拟结果。其中(a-e)为 800nm 激 光经过一个微透镜阵列单元之后分别传输至 144mm, 155mm, 164mm, 172mm 和 180mm 时的横截面强度分 布。(f-j)和(k-o)分别为 400nm 和 248nm 激光传输至(a-e)对应位置的强度分布。Fig. 5 Zemax simulations of the diffraction pattern at the entrance face of the sample for three different wavelengths at five different sample positions. Images (a-e) represent the central spot for 800-nm, (f-j) for 400 nm and (k-o) for 248 nm. Columns from left to right represent sample position at respectively z = 144 mm, 155 mm,164 mm, 172 mm and the rightmost at 180 mm.从模拟结果中可以看出，对于中心波长为 400nm 的激光脉冲，与实验结果(图 4(c-e)的 多丝分布相符，因此可知，激光由于微透镜阵列的衍射效应而在介质入射面上形成的激光强 度分布直接影响了多丝的形成及排布。相位掩膜实验研究表明5,6，产生这样强度分布的原 因之一是泰伯效应，而且，在石英玻璃移动过程中，短波激光的衍射图像比长波的变化更剧125130135140145150155烈，这与泰伯效应是相符的13。另外，由于短波长激光的衍射过程中高阶衍射角较小，高 阶衍射可以沿 z 轴长距离的影响干涉图像，相当于为多丝的形成又提供了一次输入光，而长 波长激光则不具备这种效应。因此，400nm 激光脉冲产生多丝的强度和分布都比 800nm 激 光脉冲的效果好。此外，我们还注意到，在石英介质逐渐从微透镜阵列靠近其几何焦点时，所有波长的激 光强度分布区域逐渐变小。从图 5 中可以看出，在相同位置处，248nm 激光的衍射图像（图5(l), (n)和(o)）是 400nm 激光衍射图像（图 5(f), (h)和(i)）的几倍缩小。也就是说，通过调整 输入激光波长和介质位置，可以控制相同多丝排布中每根单丝之间的距离，这一点在等离子 体细丝的应用中具有重要意义。我们还研究了入射激光能量和偏振态对多丝分布的影响。图 6 是四个不同激光脉冲能量 下，800nm 激光在石英介质与微透镜阵列之间距离为 144mm 时形成的多丝图像。从图中可 以看出，随着能量的增加，每个微透镜单元的成丝数量也随之增加，但细丝分布的基本结构 不受激光脉冲能量的影响。图 7 为石英介质与微透镜阵列之间距离不变的情况下，改变激光 的偏振状态时石英介质内的多丝图像，所用激光的脉冲能量为 481J，中心波长为 800nm。 从图中可以看到，线偏振激光脉冲(LP)形成的细丝数量多于圆偏振激光脉冲(CP)的情况，这 是因为圆偏振激光的自聚焦临界功率高于线偏振情况14，同时，我们注意到，细丝分布的基本结构也不受激光偏振态的影响。从图 6 和图 7 我们可以得出结论，多丝的数量与入射激 光能量和偏振态相关，但多丝分布的基本结构并不会随之改变。图 6 入射能量对每个小透镜内成丝分布的影响。(a-d)分别为入射能量为 250J, 300J, 370J, 480J 时的成 丝分布。Fig. 6 Effect of input energy in the number of filaments formed per lenslet. Pictures (ad) represent respectively energies of 250 µJ, 300 µJ, 370 µJ and 480 µJ.图 7 线偏振(LP)和圆偏振(CP)激光对每个小透镜内细丝分布的影响。Fig.7 Effect of laser polarization in the number of filaments formed per lenslet.4结论本文给出了对周期性微透镜阵列对飞秒激光聚焦后在熔融石英中形成的细丝进行了实 验研究，通过改变入射波长以及微透镜阵列和石英介质的相对距离，可以实现对细丝的数量 及其排布的控制。当改变两者的相对位置时，石英介质入射面上产生的衍射图像将发生变化， 进而可以实现对石英介质中的多丝分布进行控制。实验还发现，飞秒激光脉冲能量和偏振态160直接影响细丝的整体数量，但不会改变细丝分布的基本结构。我们还使用 Zemax 软件分析了激光衍射图像沿 z 轴的变化，得到的结果与实验结果相符得很好。参考文献 (References)1651701751801851901 A. Dubietis, G. Tamosauskas, G. Fibich, et al. Multiple filamentation induced by input-beam ellipticityJ. Opt. Lett, 2004, 29(10):11262 A. Braun, G. Korn, X. Liu,et al. Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in airJ. Opt. Lett,1995, 20: 73-75.3 Z. Q. Hao, K. Stelmaszczyk, P. Rohwetter, et al. Femtosecond laser filament-fringes in fused silicaJ. Opt.Express,2011, 19: 7799-7806.4 J. Bérubé, R. Vallée, M. Bernier,et al. 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