飛秒激光脈沖古依相移曲線的研究

飛秒激光脈沖古依相移曲線的研究

1古依相位變化的實驗研究如果光束通過透鏡的焦點位置而聚集，則比平面波增加的額外相位，也稱為goya相移。在強場激光物理中,古依相移起著非常重要的作用,例如它決定著激光諧振腔中橫模傳輸?shù)闹貜?fù)頻率。而在非線性光學(xué)中,利用聚焦光束產(chǎn)生高次諧波的效率同樣受到古依相移的影響。對于這種相位異常變化的直觀理論解釋已經(jīng)給出;實驗上,JongH.Chow小組也利用空間模式干涉的方法研究了一階厄米-高斯空間模式的古依相位變化。最近,有兩個實驗小組分別采用載波相位穩(wěn)定的激光放大器系統(tǒng)以及由閾上電離得到的光電子譜和載波相位穩(wěn)定的激光振蕩系統(tǒng)以及利用ZnO晶體實現(xiàn)的開環(huán)鎖相裝置研究了古依相移對于周期量級激光脈沖載波相位的影響。實驗結(jié)果表明,當(dāng)載波相位穩(wěn)定的周期量級激光脈沖由-∞經(jīng)過聚焦焦點(z=0)處傳播到+∞時,由于光束受到了空間上的不同約束,載波相位都會有一定的變化。這種變化對于所有超短脈沖激光的應(yīng)用,包括高次諧波和阿秒脈沖的產(chǎn)生,以及所有依賴相位的效應(yīng)都非常重要。本文利用白寶石片產(chǎn)生的超連續(xù)譜的光譜干涉,得到了脈沖傳播經(jīng)過聚焦焦點處時的相位變化,同時,將實驗中測得的焦斑大小帶入(1)式中,擬合出古依相位變化曲線證明了這種實驗技術(shù)的可行性和穩(wěn)定性。2點周邊光場的古依相位調(diào)制理論上,TEM00模光波的古依相移可以表示為?(z,λ)=?arctan[zzR(λ)],(1)?(z,λ)=-arctan[zzR(λ)],(1)其中光束傳播的方向是+z方向,ZR是瑞利長度。一般寬帶激光在經(jīng)過透鏡聚焦后,由于透鏡色差以及空氣中自聚焦等過程的影響,會導(dǎo)致焦點附近的光場分布不太理想,而古依相位變化是這個過程中的重要參量。實驗裝置如圖1所示。由1kHz激光器產(chǎn)生的波長為800nm,脈沖寬度為50fs的激光首先通過由半波片與偏振片組成的能量調(diào)節(jié)器,將脈沖能量調(diào)整為10μJ。通過800nm半透半反鏡將原光束分為A路(圖中虛線)和B路(圖中實線)。A、B兩路光分別通過兩個焦距f=200mm的透鏡,聚焦在3mm厚的白寶石片上。由于聚焦后光斑的能量密度大于白寶石片產(chǎn)生自相位調(diào)制的能量密度閾值,由白寶石片出射的光具有超連續(xù)譜,如圖2所示,光譜寬度為450~900nm。出射光由焦距f=100mm的透鏡收集,A路光由金鏡反射到半透半反鏡上與B路光發(fā)生光譜干涉,干涉信號被光譜儀(ActonResearch300i)接收。A路中的白寶石片固定在一個二維精密調(diào)整架上,調(diào)整精度為1μm。通過調(diào)節(jié)調(diào)整架在z軸方向上的平移量,可以使白寶石片的位置由焦點前連續(xù)變化到焦點后。3白實行激光光束的相位變化A路激光脈沖在聚焦到白寶石片之后某一頻率(ω1)的光場可以表示為E1(t)=A1(t)cos[ω1t?kz1+Δ?1+?(z,λ)],(2)E1(t)=A1(t)cos[ω1t-kz1+Δ?1+?(z,λ)],(2)B路激光脈沖在聚集到白寶石片之后該頻率的光場可以表示為E2(t)=A2(t)cos(ω1t?kz2+Δ?2),(3)E2(t)=A2(t)cos(ω1t-kz2+Δ?2),(3)(1)式、(2)式中,A1(t)、A2(t)為A、B兩路激光的光場振幅,k為波矢值,z1、z2為A、B兩路激光的光程,?(z,λ)為古依相位。古依相位的變化主要是由于激光光束在光軸以外的另外兩個尺度上受到束縛所引起的。在本實驗中,A樣品由激光焦點前移動到焦點后,在移動過程當(dāng)中,激光光束由于尺度束縛引起的相位變化也就相應(yīng)地附加在了白光連續(xù)譜中了。(1)式、(2)式中,Δ?1、Δ?2是由其他傳播效應(yīng)引起的相位變化。樣品A只是在激光焦點前后的瑞利長度范圍內(nèi)移動,而在瑞利長度范圍內(nèi),聚焦光斑的半徑是變化不大,從而激光光強也不會有很大的變化。所以Δ?1、Δ?2可以作為常量處理。A、B兩路在光譜干涉后由光譜儀接收到的相同頻率的強度信號可以表示為I=|E1(t)+E2(t)|2=I1+I2+2I1I2????√cos[k(z2?z1)+Δ?1?Δ?2+?(z,λ)].(4)Ι=|E1(t)+E2(t)|2=Ι1+Ι2+2Ι1Ι2cos[k(z2-z1)+Δ?1-Δ?2+?(z,λ)].(4)當(dāng)白寶石片距離焦距f=200mm透鏡焦點位置一定時,?(z,λ)為一個定值。調(diào)節(jié)延時光路,可以在光譜儀上得到強度干涉信號,如圖3所示。調(diào)節(jié)A路中固定白寶石片的二維精密調(diào)整架在z軸(光軸)方向的位置,使高斯光束束腰處前后不同位置與白寶石片相互作用,由白寶石片出射的白光連續(xù)譜就會附加上古依相移。圖4所示為固定在焦點附近某一點處,A、B兩路干涉的在650nm附近的光譜圖像。連續(xù)調(diào)節(jié)二維調(diào)整架z軸的位置,使白寶石片由焦點前連續(xù)移動至焦點后,每隔0.1mm測量一次650nm波長附近的干涉信號,由光譜干涉信號可以得到相應(yīng)的相對相位值。焦點前、后各移動1mm,實驗中分別在630nm和670nm的連續(xù)譜附近測量了古依相移,如圖5所示。圖5中曲線由(1)式得出。實驗中利用成像原理測量了f=200mm的聚焦透鏡聚焦后的光斑大小,CCD上得到了聚焦光斑放大20倍的像,如圖6所示。CCD上得到的光斑大小為0.994mm,則實際光斑大小為2ω0=49.7μm。如圖5所示,計算結(jié)果實驗數(shù)據(jù)點都吻合的相當(dāng)好。在將白寶石片從焦點前1mm移動到焦點后1mm,相位變化Δ?=0.646rad。4激光脈沖在相移的相位