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(shí)驗(yàn)研究如果光束通過(guò)透鏡的焦點(diǎn)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(qiáng)場(chǎng)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(duì)于這種相位異常變化的直觀理論解釋已經(jīng)給出;實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)的開(kāi)環(huán)鎖相裝置研究了古依相移對(duì)于周期量級(jí)激光脈沖載波相位的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)載波相位穩(wěn)定的周期量級(jí)激光脈沖由-∞經(jīng)過(guò)聚焦焦點(diǎn)(z=0)處傳播到+∞時(shí),由于光束受到了空間上的不同約束,載波相位都會(huì)有一定的變化。這種變化對(duì)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(guò)聚焦焦點(diǎn)處時(shí)的相位變化,同時(shí),將實(shí)驗(yàn)中測(cè)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(shí)驗(yàn)技術(shù)的可行性和穩(wěn)定性。2點(diǎn)周邊光場(chǎng)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(zhǎng)度。一般寬帶激光在經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后,由于透鏡色差以及空氣中自聚焦等過(guò)程的影響,會(huì)導(dǎo)致焦點(diǎn)附近的光場(chǎng)分布不太理想,而古依相位變化是這個(gè)過(guò)程中的重要參量。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。由1kHz激光器產(chǎn)生的波長(zhǎng)為800nm,脈沖寬度為50fs的激光首先通過(guò)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(guò)800nm半透半反鏡將原光束分為A路(圖中虛線)和B路(圖中實(shí)線)。A、B兩路光分別通過(guò)兩個(gè)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(hào)被光譜儀(ActonResearch300i)接收。A路中的白寶石片固定在一個(gè)二維精密調(diào)整架上,調(diào)整精度為1μm。通過(guò)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(diǎn)前連續(xù)變化到焦點(diǎn)后。3白實(shí)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(gè)尺度上受到束縛所引起的。在本實(shí)驗(yàn)中,A樣品由激光焦點(diǎn)前移動(dòng)到焦點(diǎn)后,在移動(dòng)過(guò)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(diǎn)前后的瑞利長(zhǎng)度范圍內(nèi)移動(dòng),而在瑞利長(zhǎng)度范圍內(nèi),聚焦光斑的半徑是變化不大,從而激光光強(qiáng)也不會(huì)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(qiáng)度信號(hào)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(diǎn)位置一定時(shí),?(z,λ)為一個(gè)定值。調(diào)節(jié)延時(shí)光路,可以在光譜儀上得到強(qiáng)度干涉信號(hào),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(huì)附加上古依相移。圖4所示為固定在焦點(diǎn)附近某一點(diǎn)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(diǎn)前連續(xù)移動(dòng)至焦點(diǎn)后,每隔0.1mm測(cè)量一次650nm波長(zhǎng)附近的干涉信號(hào),由光譜干涉信號(hào)可以得到相應(yīng)的相對(duì)相位值。焦點(diǎn)前、后各移動(dòng)1mm,實(shí)驗(yàn)中分別在630nm和670nm的連續(xù)譜附近測(cè)量了古依相移,如圖5所示。圖5中曲線由(1)式得出。實(shí)驗(yàn)中利用成像原理測(cè)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(shí)際光斑大小為2ω0=49.7μm。如圖5所示,計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)都吻合的相當(dāng)好。在將白寶石片從焦點(diǎn)前1mm移動(dòng)到焦點(diǎn)后1mm,相位變化Δ?=0.646rad。4激光脈沖在相移的相位