飽和功率密度下線性啁啾對(duì)交叉偏振波輸出特性的影響?

秦爽 王兆華 王羨之 何會(huì)軍 沈忠偉 魏志義?

1)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)2)(北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100192)

飽和功率密度下線性啁啾對(duì)交叉偏振波輸出特性的影響?

秦爽1)王兆華1)王羨之1)何會(huì)軍1)沈忠偉2)魏志義1)?

1)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)2)(北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100192)

(2017年3月19日收到;2017年3月30日收到修改稿)

交叉偏振波(XPW)技術(shù)是一種基于具有各向異性特征的三階非線性晶體的非線性濾波技術(shù),由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,穩(wěn)定可靠,是超強(qiáng)超快激光領(lǐng)域提高時(shí)域?qū)Ρ榷?、壓縮脈寬的有效手段之一.在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),XPW的輸出特性受驅(qū)動(dòng)脈沖特性的直接影響,通過(guò)理論計(jì)算得到了XPW的脈寬和光譜寬度與驅(qū)動(dòng)脈沖的啁啾特性關(guān)系,同時(shí)利用聲光可編程色散濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地反映了理論計(jì)算得出的結(jié)論,同時(shí)在飽和功率密度條件下,還表現(xiàn)出了一些理論計(jì)算沒(méi)有反映出的新現(xiàn)象,即XPW的光譜展寬突破了驅(qū)動(dòng)脈沖寬度倍的限制,最終脈寬也能夠壓縮至小于入射脈寬的此外對(duì)于相反線性啁啾的驅(qū)動(dòng)脈沖所產(chǎn)生的XPW信號(hào),其在光譜形狀上有明顯的偏移差異,同時(shí)輸出效率也有所不同.最后對(duì)這些新現(xiàn)象進(jìn)行了進(jìn)一步的分析和理論解釋.

交叉偏振波,光譜相位,線性啁啾,光譜展寬

1 引 言

自20世紀(jì)80年代啁啾脈沖放大技術(shù)［1]出現(xiàn)以來(lái),該技術(shù)一直是人們產(chǎn)生超短超強(qiáng)激光最有效的手段和工具,并推動(dòng)著強(qiáng)場(chǎng)激光物理的快速發(fā)展.目前人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室所能達(dá)到的超快激光脈沖峰值功率密度可達(dá)1022W/cm2,可望進(jìn)一步拓展光與物質(zhì)相互作用的研究范圍［2,3].

激光脈沖的時(shí)域?qū)Ρ榷茸鳛楦吖β曙w秒激光的重要性能參數(shù),反映了主脈沖的實(shí)際質(zhì)量和其他噪聲的情況,如放大的自發(fā)輻射及預(yù)脈沖等之間峰值功率的比值［4].高對(duì)比度的高能激光脈沖對(duì)于光與物質(zhì)相互作用的實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要,低對(duì)比度下的噪聲會(huì)導(dǎo)致預(yù)脈沖在主脈沖到來(lái)前先與靶物質(zhì)作用產(chǎn)生預(yù)等離子體,不僅降低了直接作用于靶物質(zhì)的脈沖能量,還會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的復(fù)雜化,影響數(shù)據(jù)分析.為解決此類問(wèn)題,人們提出了很多提高飛秒激光脈沖時(shí)間對(duì)比度的方法,如可飽和吸收體技術(shù)［5]、等離子體鏡技術(shù)［6]、交叉偏振波(XPW)技術(shù)［7]等.其中XPW技術(shù)不僅能夠在不引入空間色散和時(shí)域啁啾的條件下將時(shí)間對(duì)比度提升3—4個(gè)數(shù)量級(jí)［8,9],還具備擴(kuò)展光譜從而支持更短脈沖寬度的能力［10],目前已廣泛應(yīng)用于世界范圍內(nèi)多個(gè)高能量拍瓦激光系統(tǒng)中,如法國(guó)的Apollon系統(tǒng)、歐盟的ELI［11]等,研究人員已經(jīng)能夠利用該濾波技術(shù)將對(duì)比度參數(shù)提升至1010以上［12].

XPW一般利用BaF2晶體各向異性的三階非線性極化率特性及其優(yōu)越的光譜透過(guò)率特性［13],使驅(qū)動(dòng)脈沖在晶體內(nèi)發(fā)生簡(jiǎn)并的四波混頻效應(yīng),這使得具有線性偏振態(tài)的入射波按照功率密度的限制條件轉(zhuǎn)變?yōu)閄PW.產(chǎn)生的XPW的輸出特性,主要受到輸入脈沖的時(shí)域和頻域特性所影響［14],因此我們通過(guò)理論計(jì)算分析了驅(qū)動(dòng)脈沖的脈沖寬度和線性啁啾量如何對(duì)XPW的脈沖寬度和線性啁啾產(chǎn)生影響,以及這種相關(guān)程度在不同條件下的差異性.此外,我們使用了中心波長(zhǎng)為800 nm、脈沖能量為1.4 mJ、重復(fù)頻率為1 kHz的飛秒鈦寶石激光進(jìn)行XPW實(shí)驗(yàn),并借助聲光可編程色散濾波器(AOPDF)［15]人為引入可控的二階色散,以驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果的正確性.實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn),XPW的輸出特性相對(duì)于驅(qū)動(dòng)脈沖特性的關(guān)系基本符合理論計(jì)算所反映出的趨勢(shì),但同時(shí)具有一些理論沒(méi)有解釋的新現(xiàn)象:在飽和功率密度條件下,XPW的光譜展寬大于驅(qū)動(dòng)脈沖光譜寬度倍,同時(shí)經(jīng)過(guò)壓縮后能夠獲得小于入射脈寬的的輸出脈寬;當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖引入符號(hào)相反的等量線性啁啾時(shí),所產(chǎn)生的XPW信號(hào)的輸出特性具有明顯差異.我們分析認(rèn)為這些新的現(xiàn)象主要是由于BaF2晶體內(nèi)相位調(diào)制效應(yīng)以及線性啁啾所造成的二階時(shí)域相移所導(dǎo)致.

2 理論分析

在討論線性啁啾脈沖對(duì)XPW輸出特性影響前,我們限定驅(qū)動(dòng)脈沖的時(shí)域形狀為高斯型(更符合我們實(shí)驗(yàn)條件所能提供的激光脈沖),同時(shí)假設(shè)高于二階色散的其他高階色散量為零,只考慮驅(qū)動(dòng)脈沖的脈沖寬度和線性啁啾量作為變量.

對(duì)于一個(gè)時(shí)域形狀為理想高斯型的脈沖,其含時(shí)的復(fù)振幅E(t)可表達(dá)為

其中Δτ0為零色散條件下傅里葉轉(zhuǎn)化極限的脈沖寬度(半高全寬FWHM).

當(dāng)該脈沖引入二階色散后,將會(huì)帶來(lái)二階時(shí)域相移Φ,同時(shí)造成脈沖的展寬,其復(fù)振幅表達(dá)式變?yōu)?/p>

將高斯脈沖含時(shí)表達(dá)式變換到頻域,附加上述的群速度色散后,再反變換回時(shí)域,可以得到脈沖寬度(半高全寬FWHM)Δτ為［16]

其中φ(fs2)為該脈沖所引入的二階色散量,由(2)式的關(guān)系有

當(dāng)我們得到了驅(qū)動(dòng)脈沖特性和線性啁啾的關(guān)系后,下一步就可以討論XPW過(guò)程帶來(lái)的變化.首先XPW的產(chǎn)生是基于在氟化鋇晶體內(nèi)所發(fā)生的簡(jiǎn)并三階非線性效應(yīng),同時(shí)考慮到輸入脈沖豐富的頻率成分對(duì)四波混頻過(guò)程帶來(lái)的影響,我們可將產(chǎn)生的XPW信號(hào)的極化強(qiáng)度P(3)(ω)和驅(qū)動(dòng)脈沖的復(fù)振幅E(ω)的關(guān)系表示為［17]

轉(zhuǎn)化到時(shí)域

由上述比例關(guān)系,同時(shí)代入(2)式,得到產(chǎn)生的XPW信號(hào)的復(fù)振幅EXPW(t)的表達(dá)式為

這說(shuō)明無(wú)論驅(qū)動(dòng)脈沖是否含有二階色散,產(chǎn)生XPW信號(hào)的脈沖寬度都會(huì)被壓縮至輸入信號(hào)脈沖寬度的前提是該輸入信號(hào)能夠在晶體內(nèi)達(dá)到足夠的功率密度,從而產(chǎn)生XPW信號(hào).對(duì)于產(chǎn)生的XPW信號(hào),其脈沖寬度與所含二階色散的關(guān)系同樣適用于表達(dá)式(4),即

聯(lián)立(3),(10)和(11)式后得到產(chǎn)生的XPW信號(hào)輸出特性(傅里葉轉(zhuǎn)化極限脈寬Δτ0XPW及待補(bǔ)償二階色散φXPW關(guān)于驅(qū)動(dòng)脈沖所含的二階色散的關(guān)系)為

由(12)式可知,XPW所能達(dá)到的傅里葉極限脈沖寬度直接受限于驅(qū)動(dòng)脈沖的脈沖寬度和線性啁啾量,驅(qū)動(dòng)脈沖線性啁啾越大,XPW的極限脈寬也就越寬,同時(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬越窄,這種影響就越敏感.如圖1所示,當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖的傅里葉轉(zhuǎn)化脈寬為15 fs時(shí),理論上可獲得的XPW信號(hào)的極限脈寬為8.7 fs,少量的二階色散引入就會(huì)導(dǎo)致極限脈寬迅速變寬;二階色散積累到一定程度后,由于驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬變寬,聚焦在氟化鋇晶體內(nèi)的功率密度將不足以發(fā)生所需的四波混頻過(guò)程,XPW就不會(huì)產(chǎn)生.相比于15 fs的窄脈寬驅(qū)動(dòng)脈沖,當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖的傅里葉極限寬度變?yōu)?0和60 fs時(shí),二階色散也會(huì)導(dǎo)致XPW的輸出脈寬下降,但變化速率明顯低于窄脈寬情況.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)不同傅里葉極限脈沖寬度的輸入脈沖在不同啁啾條件下對(duì)XPW輸出脈寬的影響Fig.1.(color online)The in fl uence of linear chirp on the Fourier transform limit output pulse duration of the XPW in the di ff erent input situations.

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2XPW實(shí)驗(yàn)光路結(jié)構(gòu)Fig.2.The optical scheme of the XPW experiment.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)輸入脈沖特性測(cè)量 (a)光譜測(cè)量結(jié)果及光譜相位補(bǔ)償情況;(b)傅里葉轉(zhuǎn)化極限脈沖寬度與實(shí)際測(cè)量脈寬符合情況Fig.3.(color online)The spectral and temporal properties of the XPW driving pulses:(a)The measurement of spectrum and the compensation of spectral phase;(b)the measurement of pulse duration and the Fourier transform limit based on the spectrum.

圖2所示為本文實(shí)驗(yàn)裝置的基本結(jié)構(gòu),使用的光源是一臺(tái)自行搭建的kHz鈦寶石飛秒再生放大器.自行研制的振蕩器作為種子源由馬丁內(nèi)茲展寬器時(shí)域展寬后注入再生放大器,壓縮后得到33 fs,1 kHz,1.4 mJ的脈沖輸出.為了將激光脈沖壓縮至傅里葉轉(zhuǎn)化極限,我們利用一臺(tái)AOPDF(DAZZLER,Fastlite Inc.)來(lái)動(dòng)態(tài)控制脈沖的光譜相位,同時(shí)使用一臺(tái)自參考光譜干涉儀(WIZZLER,Fastlite Inc.)來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量再生放大器的光譜和時(shí)域脈寬數(shù)據(jù).WIZZLER在得到激光脈沖的光譜和脈寬數(shù)據(jù)后,能夠通過(guò)傅里葉變換反演出實(shí)際光譜所支持的傅里葉極限脈寬,與實(shí)際脈寬數(shù)據(jù)對(duì)比后產(chǎn)生的殘差值就是脈沖待補(bǔ)償?shù)母麟A時(shí)間色散值,此時(shí)通過(guò)電路反饋至DAZZLER,濾波器能夠?qū)崟r(shí)將該殘差色散值進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償.經(jīng)過(guò)多次反饋后,輸出脈沖的光譜相位可以接近理論極限,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3,輸出脈沖實(shí)際脈寬為33 fs,傅里葉極限脈寬為31.5 fs.

DAZZLER通過(guò)聲光調(diào)制的手段能夠?yàn)閄PW的輸入脈沖提供可量化的色散量,這為我們?cè)O(shè)計(jì)研究XPW輸出特性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了條件.我們利用DAZZLER為激光脈沖預(yù)先引入正啁啾與負(fù)啁啾,注入氟化鋇晶體并測(cè)量對(duì)應(yīng)色散條件下XPW的輸出特性.

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

我們將激光脈沖聚焦至兩塊厚度為2 mm級(jí)聯(lián)的氟化鋇晶體(011切割),兩塊氟化鋇晶體分別放置于焦點(diǎn)前后,以增加能量的飽和長(zhǎng)度提高XPW的產(chǎn)生效率［18,19].氟化鋇晶軸方向通過(guò)旋轉(zhuǎn)與入射光偏振方向成22.5?［20],此時(shí)得到最高280μJ能量的XPW輸出,XPW轉(zhuǎn)化效率為20%.我們對(duì)產(chǎn)生的XPW的光譜進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果如圖4所示,光譜寬度從驅(qū)動(dòng)脈沖的35 nm拓寬至82 nm,拓寬倍數(shù)為2.34,能夠支持的傅里葉轉(zhuǎn)化極限脈寬為11.5 fs.我們使用啁啾鏡對(duì)對(duì)產(chǎn)生的XPW進(jìn)行了壓縮后,測(cè)量脈沖寬度為14 fs.由理論計(jì)算可知,XPW的理論輸出脈寬極限應(yīng)為輸入脈沖脈寬的即19 fs以上,而我們實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果卻小于該極限脈寬.我們分析認(rèn)為,理論計(jì)算條件實(shí)際上只考慮了XPW產(chǎn)生所需要的簡(jiǎn)并四波混頻過(guò)程,忽略了其他三階非線性效應(yīng)的影響,而實(shí)際上本實(shí)驗(yàn)的輸入脈沖能量為毫焦量級(jí),聚焦功率密度達(dá)到8.4×1012W/cm2,且光譜成分豐富,因此需要考慮自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制對(duì)XPW輸出頻譜的影響［21].在本實(shí)驗(yàn)條件下,XPW轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到20%,處于飽和狀態(tài)(超過(guò)10%),在這種條件下自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制效應(yīng)不可忽略.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)(a)黑線表示輸入脈沖光譜,紅線表示晶體旋轉(zhuǎn)角為22.5?時(shí)的輸出光譜,藍(lán)線表示晶體旋轉(zhuǎn)角為60?時(shí)的輸出光譜;(b)晶體旋轉(zhuǎn)角為22.5?時(shí),黑點(diǎn)表示XPW輸出脈沖實(shí)際測(cè)量脈寬,紅線表示傅里葉極限脈寬Fig.4.(color online)The spectral and temporal properties of XPW pulses:(a)The measurement of the spectra of the input pulse,the output pulse at 22.5?and the output pulse at 60?;(b)the measurement of the XPW pulse duration and the Fourier transform limit based on the spectrum at 22.5?.

為了驗(yàn)證這種效應(yīng)的存在,我們將氟化鋇晶體晶軸繞入射光傳輸方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn),當(dāng)氟化鋇晶軸與驅(qū)動(dòng)脈沖偏振方向呈 60?時(shí),幾乎不發(fā)生簡(jiǎn)并四波混頻過(guò)程,XPW輸出效率為0,我們測(cè)量了該條件下激光脈沖的光譜,如圖4所示,光譜寬度(FWHM)為42 nm,也就是說(shuō)在不產(chǎn)生XPW的條件下,入射光脈沖在氟化鋇晶體內(nèi)仍發(fā)生了光譜展寬的的效果.此實(shí)驗(yàn)中造成光譜展寬現(xiàn)象的主要非線性過(guò)程為克爾透鏡效應(yīng),這造成了自相位調(diào)制和自聚焦現(xiàn)象的產(chǎn)生.自相位調(diào)制效應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖光譜相位產(chǎn)生周期性調(diào)制,引起了頻域內(nèi)新的頻率產(chǎn)生,在脈沖前沿產(chǎn)生新的低頻成分而在脈沖后延產(chǎn)生新的高頻成分,這些新的頻率成分仍會(huì)保留在原有的脈沖包絡(luò)內(nèi)［22].同時(shí)我們可以看到圖4中XPW展寬后的脈沖中心波長(zhǎng)偏離原入射光脈沖光譜的中心波長(zhǎng),向短波方向偏離,可以推斷是由于自聚焦效應(yīng)使得氟化鋇晶體內(nèi)部發(fā)生一定的電離現(xiàn)象,這使得自相位調(diào)制光譜展寬現(xiàn)象更多地集中在短波部分.值得注意的是這種電離現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致入射光能量損失,XPW效率降低,通過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)脈沖的光斑質(zhì)量以及改進(jìn)聚焦方式能夠?qū)⒆跃劢剐?yīng)造成的影響盡量減小.

我們使用和零色散條件下相同參數(shù)的光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn),AOPDF(DAZZLER,Fastlite Inc.)在激光脈沖零色散補(bǔ)償點(diǎn)的基礎(chǔ)上人為地引入了等量的正啁啾與負(fù)啁啾,然后對(duì)XPW的輸出特性進(jìn)行測(cè)量和分析.

如圖5所示,我們以100 fs2為間隔,人為地為入射光引入正的二階色散,并測(cè)量了相應(yīng)條件下XPW產(chǎn)生的光譜參數(shù).可以看到由于色散引入量的逐漸增加,XPW的展寬效應(yīng)開始逐漸減弱,輸出光譜的半高全寬由零色散點(diǎn)處的82 nm最終下降至28 nm.作為對(duì)比,我們同樣在零色散點(diǎn)處開始,以100 fs2為間隔人為地為入射光引入負(fù)的二階色散,并測(cè)量了相應(yīng)條件下XPW產(chǎn)生的光譜參數(shù).可以看到由于色散引入量的逐漸增加,XPW的展寬效應(yīng)越來(lái)越弱,光譜的半高全寬由零色散點(diǎn)處的82 nm最終下降至26 nm.我們可以看到,在自相位調(diào)制和互相位調(diào)制效應(yīng)的影響下,初始狀態(tài)零啁啾脈沖實(shí)際產(chǎn)生的XPW光譜明顯寬于只考慮簡(jiǎn)并四波混頻過(guò)程的理論計(jì)算的光譜寬度,但隨著二階色散引入量的逐漸加大,驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬逐漸加寬,導(dǎo)致晶體聚焦位置的峰值功率密度迅速下降,不僅使得簡(jiǎn)并四波混頻的效應(yīng)逐漸減弱,自相位調(diào)制和互相位調(diào)制效應(yīng)造成的光譜展寬效果也逐漸消失,使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果在高色散量引入的條件下逐漸趨近于理論計(jì)算結(jié)果.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,負(fù)色散引入對(duì)XPW光譜的削弱作用強(qiáng)于正色散引入,在引入較多正色散的情況下XPW仍能保持較寬的光譜.

圖5 各色散引入條件下XPW光譜寬度(FWHM)變化情況Fig.5.The measurement and simulation results of the spectral width changes of the XPW driven by the positive and negative chirped pulse.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)各色散引入條件下XPW光譜形狀變化情況Fig.6.(color online)The measurement of the spectral shape changes of the XPW driven by the positive and negative chirped pulse.

除此之外,我們還對(duì)XPW的光譜形狀變化進(jìn)行了研究.如果以零色散點(diǎn)XPW光譜作為參考點(diǎn),在為驅(qū)動(dòng)脈沖引入正色散的情況下,光譜形狀為中心波長(zhǎng)接近800 nm的平頂高斯型,光譜形狀比較對(duì)稱,但隨著正色散量的逐漸增加,XPW光譜在變短的同時(shí),形狀也發(fā)生了改變,短波部分相比長(zhǎng)波部分更強(qiáng),由對(duì)稱狀態(tài)變?yōu)槠蚨滩顟B(tài),如圖6(a)所示;而與之相反,當(dāng)引入等量色負(fù)散的情況下,隨著負(fù)色散量的逐漸增加,XPW光譜在變短的同時(shí),長(zhǎng)波部分相比短波部分變的更強(qiáng),形狀由對(duì)稱狀態(tài)變?yōu)槠蜷L(zhǎng)波波狀態(tài),如圖6(b)所示.我們認(rèn)為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可以理解為,對(duì)于正啁啾脈沖,低頻部分處于脈沖前沿,最先與氟化鋇晶體接觸,但由于光譜強(qiáng)度有限,XPW轉(zhuǎn)化效率不高,光譜展寬程度也較弱;當(dāng)脈沖完全與氟化鋇晶體接觸時(shí)功率密度達(dá)到最高,此時(shí)處于脈沖后沿的高頻部分獲得較高的轉(zhuǎn)化效率,同時(shí)光譜也得到更寬的拓展.因此光譜形狀上強(qiáng)度偏向于短波方向.而對(duì)于負(fù)啁啾脈沖而言,高頻部分處于脈沖前沿,XPW轉(zhuǎn)化效率不高,光譜展寬程度也較弱;低頻部分處于脈沖后沿,獲得較高的轉(zhuǎn)化效率,同時(shí)光譜也得到較好的展寬.光譜形狀上強(qiáng)度偏向于長(zhǎng)波方向.

我們還對(duì)XPW的產(chǎn)生效率進(jìn)行了測(cè)量,如圖7所示.

圖7 正負(fù)啁啾脈沖輸入條件下XPW輸出效率關(guān)于二階色散量的變化Fig.7. The measurement of the output efficiency changes of the XPW driven by the positive and negative chirped pulse.

在引入二階色散的條件下,正啁啾與負(fù)啁啾脈沖的XPW產(chǎn)生效率都會(huì)隨著引入色散量的增大而逐漸降低,但在等量二階色散情況下,負(fù)啁啾脈沖的XPW產(chǎn)生效率高于正啁啾脈沖,在引入超過(guò)500 fs2的二階色散后,正啁啾脈沖的XPW產(chǎn)生效率已低于10%,而同等條件下,負(fù)啁啾脈沖仍能保持17%的產(chǎn)生效率.也就是說(shuō)負(fù)啁啾脈沖的XPW產(chǎn)生過(guò)程的色散容忍度要高于正啁啾脈沖.我們認(rèn)為這是由于正啁啾脈沖在晶體內(nèi)的非四波混頻效應(yīng),即與XPW產(chǎn)生效過(guò)程無(wú)關(guān)的效應(yīng)(如自相位調(diào)制和互相位調(diào)制效應(yīng))相比于負(fù)啁啾脈沖更強(qiáng),在光譜上表現(xiàn)為自聚焦造成的光譜加寬效應(yīng)更強(qiáng),見(jiàn)圖5,同時(shí)這些效應(yīng)會(huì)對(duì)脈沖能量造成更多的損耗,因此正啁啾脈沖的XPW輸出效率也低于負(fù)啁啾脈沖.

5 結(jié) 論

本文通過(guò)理論計(jì)算得到了驅(qū)動(dòng)脈沖的脈沖寬度和二階色散量與XPW的脈沖寬度和二階色散量之間的關(guān)系,XPW所能達(dá)到的傅里葉極限脈沖寬度直接受限于驅(qū)動(dòng)脈沖的脈沖寬度和線性啁啾量,驅(qū)動(dòng)脈沖線性啁啾越大,XPW的極限脈寬也就越窄,同時(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬越窄,這種影響就越敏感.同時(shí)我們?cè)谡泵}沖和負(fù)啁啾脈沖兩種入射條件下設(shè)計(jì)了XPW產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證理論計(jì)算的結(jié)果,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了飽和功率密度下,由于自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制效應(yīng)的影響,XPW光譜拓展效果優(yōu)于理論拓展極限的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,光譜拓展倍數(shù)達(dá)到2.34倍,遠(yuǎn)高于倍的理論極限.此外,我們對(duì)引入不同符號(hào)色散量對(duì)XPW輸出的光譜寬度和形狀及輸出效率的影響進(jìn)行了研究.正負(fù)啁啾脈沖由于不同符號(hào)色散量的引入,導(dǎo)致兩類脈沖的光譜成分在時(shí)域上呈完全相反的分布情況,這是這種差異性分布導(dǎo)致了簡(jiǎn)并四波混頻效應(yīng)和其他非線性效應(yīng)效果的不同.相同色散條件下負(fù)啁啾脈沖的簡(jiǎn)并四波混頻效應(yīng)相比于正啁啾脈沖更強(qiáng),因此具有更高的輸出效率;而正啁啾脈沖的自相位調(diào)制和互相位調(diào)制效應(yīng)相比于負(fù)啁啾脈沖更強(qiáng),具有更明顯的光譜展寬效果.通過(guò)對(duì)啁啾脈沖輸入條件下XPW輸出特性的研究,我們對(duì)XPW的產(chǎn)生方式和效果有了更深刻的了解,這對(duì)XPW技術(shù)在超快激光系統(tǒng)中的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn),同時(shí)為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的亞15 fs拍瓦激光器提供了可能性.

[1]Strickland D,Mourou G 1985Opt.Commun.56 219

[2]Gerstner E 2007Nature446 16

[3]Mourou G,Korn G,Sandner W,Collier J K 2011ELI-Extreme Light Infrastructure Science and Technology with Ultra-Intense Lasers(Berlin:THOSS Media GmbH)p118

[4]Chvykov V,Rousseau P,Reed S,Kalinchenko G,Yanovsky V 2006Opt.Lett.31 1456

[5]Itatani J,Faure J,Nantel M,Mourou G,Watanabe S 1998Opt.Commun.148 70

[6]Thaury C,Quere F,Geindre J P,Levy A,Ceccotti T,Monot P,Marjoribanks R 2007Nat.Phys.3 424

[7]Jullien A,Albert O,Burgy F,Hamoniaux G,Rousseau J P,Chambaret J P,Saltiel S M 2005Opt.Lett.30 920

[8]Jullien A,Canova L,Albert O,Boschetto D,Antonucci L,Cha Y H,Kourtev S 2007Appl.Phys.B87 595

[9]Wang J Z,Huang Y S,Xu Y,Li Y Y,Lu X M,Leng Y X 2012Acta Phys.Sin.61 094214(in Chinese)[王建州,黃延穗,許毅,李妍妍,陸效明,冷雨欣 2012物理學(xué)報(bào) 61 094214]

[10]Ramirez L P,Papadopoulos D N,Pellegrina A,Georges P,Druon F,Monot P,Lopez-Martens R 2011Opt.Express19 93

[11]Chalus O,Pellegrina A,Ricaud S,Chalus O,Pellegrina A,Matras G,Jougla P 2016SPIE LASE.International Society for Optics and PhotonicsSan Francisco,USA,February 15–18,2016 p972611

[12]Chvykov V,Rousseau P,Reed S,Kalinchenko G,Yanovsky V 2006Opt.Lett.31 1456

[13]Tournois P 1997Opt.Commun.140 245

[14]Buberl T,Alismail A,Wang H,Karpowicz N,Fattahi H 2016Opt.Express24 10286

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

[16]Diels J C,Rudolph W 2006Ultrashort Laser Pulse Phenomena(New York:Academic Press)p11

[17]Jullien A,Canova L,Albert O,Boschetto D,Antonucci L,Cha Y H,Kourtev S 2007Appl.Phys.B87 595

[18]Cambronero-López F,Bao-Varela C,Ruiz C 2016J.Opt.Soc.Am.B33 1740

[19]Iliev M,Meier A K,Greco M,Durfee C G 2015Appl.Opt.54 219

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

[21]Li G,Liu H J,Lu F,Wen X L,He Y L,Zhang F Q,Dai Z H 2015Acta Phys.Sin.64 020602(in Chinese)[李綱,劉紅杰,盧峰,溫賢倫,何穎玲,張發(fā)強(qiáng),戴增海 2015物理學(xué)報(bào)64 020602]

[22]Zhang Z 2011Femtosecond Laser Technology(Beijing:Science Press)p17(in Chinese)[張志剛2011飛秒激光技術(shù)(北京:科學(xué)出版社)第17頁(yè)]

PACS:42.60.–v,42.65.–k,42.65.ReDOI:10.7498/aps.66.094206

In fl uence of linear chirp on the output characteristics of cross polarized wave with saturated power density?

Qin Shuang1)Wang Zhao-Hua1)Wang Xian-Zhi1)He Hui-Jun1)Shen Zhong-Wei2)Wei Zhi-Yi1)?

1)(Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics,Institute of Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)2)(School of Instrument Science and Opto-Electronics Engineering,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192,China)

19 March 2017;revised manuscript

30 March 2017)

Ultra-short and ultra-intense laser is one of the hottest research spot of laser technology and strong fi eld physics,due to its challenging and the frontier application research.As the key speci fi cation of ultrafast ultrahigh intensity laser pulse,the contrast ratio is very in fl uential on the e ff ect of laser-matter interaction.To perform the laser-matter interaction experiments at a high power level,the contrast is required to be as high as 1010to prevent preplasma dynamics.To solve these problems,one has proposed many methods to improve the contrast of ultrafast laser,such as using the saturable absorbers,double chirped pulse ampli fi cation,plasma mirrors and the cross-polarized wave(XPW)generation.The XPW technology can not only enhance the contrast of the pulse by 3–4 orders of magnitude without introducing any space dispersion,but also extend the output spectrum to support shorter pulse duration.The XPW is a nonlinear f i lter technique in third-order nonlinear crystal with anisotropic susceptibility.Because of its simple and all-solid-state structure,the XPW technique has become one of the most e ff ective methods to enhance the temporal pulse contrast and deliver shorter pulse duration in the fi eld of high peak-power ultrafast lasers.This method has been used in many large laser facilities under construction or upgrades,such as the Apollon and ELI,the contrast ratio as high as 1010has been achieved.It is known that the conversion efficiency and spectral characteristics of XPW have a strong dependence on the spatial and temporal magnitudes of the input driving pulse.In our experiment,it is found that the various changes of the driven pulse properties have di ff erent in fl uences on the characteristics of XPW pulses.The relationship between the linear dispersion of driven pulse and temporal property of XPW is investigated theoretically.In addition,an experiment on verifying the theory is conducted by taking advantage of a programmable acousto-optic dispersion fi lter.The experimental results fi t well to the theoretical results while some new phenomena emerge when the intensity in the BaF2crystal reaches a saturation threshold.The spectral broadening capability of XPW becomes stronger and exceeds a theoretical upper limit.The pulse width can also be compressed to shorter than the theoretical limit.It is found that there are signi fi cant di ff erences in spectral shape and conversion efficiency between the XPW signals by applying the opposite linear chirps to the driving pulse.A further analysis and theoretical explanation of these new phenomena are also presented.

cross-polarized wave,spectral phase,linear chirp,spectrum broadening

10.7498/aps.66.094206

?國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2013CB922402)、國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)基金(批準(zhǔn)號(hào):2012YQ120047)、國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):11434016)和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(批準(zhǔn)號(hào):XDB16030200)資助的課題.

?通信作者.E-mail:zywei@iphy.ac.cn

*Project supported by the National Basic Research Program of China(Grant No.2013CB922402),the Special Foundation of State Major Scienti fi c Instrument and Equipment Development of China(Grant No.2012YQ120047),the National Natural Science Foundation of China(Grant No.11434016),and the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(Grant No.XDB16030200).

?Corresponding author.E-mail:zywei@iphy.ac.cn