基于氧化鎂晶體中級(jí)聯(lián)四波混頻過(guò)程的紫外飛秒光脈沖產(chǎn)生*

陳忠 華林強(qiáng)? 張津 龔成 柳曉軍?

1) (中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院， 波譜與原子分子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430071)

2) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100080)

1 引 言

紫外飛秒激光脈沖在超快化學(xué)和超快物理研究領(lǐng)域有著十分重要的作用.在超快化學(xué)研究中，大量分子體系的成鍵軌道到反鍵軌道的躍遷位于紫外波段， 紫外波段飛秒光脈沖結(jié)合時(shí)間分辨光譜技術(shù)， 能夠讓人們直接觀察極短時(shí)間尺度內(nèi)分子的形成或解離過(guò)程[1]; 在超快物理研究中， 紫外波段飛秒脈沖結(jié)合多維相干光譜技術(shù)[2]， 能夠研究半導(dǎo)體內(nèi)激子動(dòng)力學(xué)過(guò)程.產(chǎn)生寬帶可調(diào)諧的紫外飛秒光脈沖將有助于推動(dòng)上述領(lǐng)域的研究.

受限于激光工作介質(zhì)， 目前大部分商用飛秒激光器的基頻波長(zhǎng)都在近紅外波段， 采用一種便捷的方式將激光器輸出波長(zhǎng)拓展到紫外波段無(wú)疑具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景.目前， 基于非線性晶體將基頻飛秒光脈沖的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到紫外波段的主要方法包括: 倍頻與和頻[3]、光學(xué)參量放大[4]、級(jí)聯(lián)四波混頻[5-7]等.其中級(jí)聯(lián)四波混頻由于其轉(zhuǎn)化效率高、產(chǎn)生的邊帶波段范圍寬、可調(diào)諧以及能夠合成超短飛秒(甚至阿秒)脈沖等優(yōu)點(diǎn)， 成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[8-33].例如: Crespo 小組[8]利用級(jí)聯(lián)四波混頻在玻璃片中觀察到了11 階邊帶的產(chǎn)生， 并且將光譜從近紅外延伸到了紫外波段.另外他們還利用可調(diào)諧染料飛秒激光器輸出的兩種頻率的激光， 在熔融石英中實(shí)現(xiàn)了更高的20 階的頻率上轉(zhuǎn)換邊帶， 最短波長(zhǎng)為209 nm， 并利用這些邊帶合成了2.2 fs 的近單光學(xué)周期超短脈沖[9].文獻(xiàn)[10-17]將級(jí)聯(lián)四波混頻方法擴(kuò)展到了BBO[10，11]、藍(lán)寶石[12-14]、石英[15，16]、氟化鈣[17]等各向異性材料中.他們通過(guò)拓展抽運(yùn)光的光譜并引入適量的啁啾， 使產(chǎn)生的紫外脈沖輸出能量穩(wěn)定、波長(zhǎng)可調(diào)諧， 提高了級(jí)聯(lián)四波混頻輸出的多色飛秒光脈沖的實(shí)用性.Fang 等[18，19]還發(fā)展了和頻級(jí)聯(lián)四波混頻技術(shù)， 他們利用一束800 nm 基頻脈沖和一束紅外超連續(xù)白光脈沖， 在BBO 晶體中實(shí)現(xiàn)了倍頻與四波混頻之間的級(jí)聯(lián)效應(yīng)， 拓展了紫外波段的光譜范圍.文獻(xiàn)[20-33]則選擇具有拉曼活性的晶體， 實(shí)現(xiàn)了更高的邊帶轉(zhuǎn)化效率并且產(chǎn)生了更高的階次.這些研究工作推動(dòng)了基于級(jí)聯(lián)四波混頻技術(shù)產(chǎn)生寬帶紫外飛秒光脈沖的發(fā)展.然而， 這些級(jí)聯(lián)四波混頻研究所采用的驅(qū)動(dòng)光源都在近紅外或者可見波段， 所產(chǎn)生的紫外飛秒光脈沖對(duì)應(yīng)很高的階次.在級(jí)聯(lián)四波混頻中， 每一階信號(hào)光由上一階信號(hào)光和兩束抽運(yùn)光共同產(chǎn)生， 邊帶階次越高， 產(chǎn)生效率越低.因此， 利用短波長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)光進(jìn)行級(jí)聯(lián)四波混頻， 將降低紫外波段邊帶對(duì)應(yīng)的階次， 有助于提高紫外邊帶的產(chǎn)生效率[9，12，13，16].

本文報(bào)道了采用兩束400 nm 的飛秒激光作為級(jí)聯(lián)四波混頻的抽運(yùn)源來(lái)產(chǎn)生波長(zhǎng)可調(diào)諧的紫外飛秒光脈沖的研究成果.利用紫外脈沖驅(qū)動(dòng)晶體介質(zhì)產(chǎn)生級(jí)聯(lián)四波混頻要求所用晶體具有紫外波段透射率高、3 階非線性極化率大和帶隙寬度寬等特性.本實(shí)驗(yàn)選取氧化鎂(MgO)晶體作為工作介質(zhì)， MgO 晶體的紫外波段透射率為92%， 3 階非線性極化率為χ(3)= 7.3×10—15cm3·erg[34]， 是紫外波段透射率大于90%的晶體材料中， 3 階非線性極化率最大的一種.此外， 其帶隙寬度為7.8 eV， 有較高的損傷閾值.實(shí)驗(yàn)中級(jí)聯(lián)四波混頻產(chǎn)生的飛秒光脈沖覆蓋了350—450 nm 波段， 實(shí)現(xiàn)了直接倍頻難以達(dá)到的光譜范圍.紫外邊帶相對(duì)于入射光的整體轉(zhuǎn)化效率約為1.2%， 優(yōu)于已有報(bào)道結(jié)果[9，12，16]，其中390 nm 的紫外邊帶效率約為0.7%， 高于已有實(shí)驗(yàn)中同波長(zhǎng)邊帶的產(chǎn)生效率[9].本方案為高效產(chǎn)生波長(zhǎng)可連續(xù)調(diào)諧的紫外飛秒光脈沖提供了一種有效途徑.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示.實(shí)驗(yàn)中所使用的飛秒激光器(Legend HE+， Coherent Inc.)由一個(gè)振蕩器和一個(gè)再生放大器組成， 它輸出的光脈沖參數(shù)如下: 最大能量為4.8 mJ， 中心波長(zhǎng)為792 nm， 重復(fù)頻率為1 kHz， 脈寬約為35 fs.激光器輸出的脈沖經(jīng)分束鏡后被分為兩束， 其中反射的部分經(jīng)透鏡聚焦后入射到0.6 mm 厚的第Ⅰ類相位匹配BBO中.通過(guò)優(yōu)化基頻光的入射角度和晶體的光軸方向， 獲得了功率約為180 mW 的倍頻脈沖， 其脈寬估算約為140 fs.倍頻光經(jīng)過(guò)透鏡準(zhǔn)直后， 平行入射至透800 nm 反400 nm 的二色鏡上.二色鏡濾掉基頻成分， 以排除基頻對(duì)級(jí)聯(lián)四波混頻實(shí)驗(yàn)的影響.400 nm 光經(jīng)過(guò)偏振方向調(diào)節(jié)后， 被分光棱鏡(PBS)分成兩路: 一路經(jīng)過(guò)f = 20 cm 的透鏡后，聚焦在MgO 晶體上; 另一路則經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)钠裾{(diào)節(jié)和延時(shí)調(diào)節(jié)， 同樣被f = 20 cm 的透鏡聚焦于MgO 晶體上.兩束光的焦點(diǎn)以非共線方式在MgO晶體中重合， 通過(guò)調(diào)節(jié)兩束光在f = 20 cm 透鏡上的間距對(duì)其夾角進(jìn)行精密控制， 兩束光的偏振方向由透鏡前的半波片(圖1 中編號(hào)為3)控制.實(shí)驗(yàn)采用的MgO 晶體的厚度為0.2 mm， 晶向?yàn)?〈 1 0 0〉 ，兩面拋光.實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的四波混頻邊帶信號(hào)通過(guò)寬波段的光譜儀(QE65pro 和Maya2000pro， Ocean Optics)進(jìn)行測(cè)量， 并實(shí)時(shí)記錄到電腦中， 以便于實(shí)驗(yàn)條件的實(shí)時(shí)優(yōu)化和后期數(shù)據(jù)處理.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖(PBS 為偏振分束器; 1， 2， 3 為半波片; BS 為分光鏡)Fig.1.Schematic diagram of the experimental setup (PBS represents polarization beam splitter; 1， 2， 3 represent half wave plates;BS represents beam splitter).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)首先測(cè)量了鈦寶石激光器輸出的基頻光的光譜， 如圖2(a)所示， 其中心波長(zhǎng)為792 nm， 光譜范圍為760—820 nm.BBO 晶體作為倍頻介質(zhì)，通過(guò)調(diào)節(jié)其光軸角度， 可以實(shí)現(xiàn)倍頻光的中心波長(zhǎng)連續(xù)調(diào)諧.這種方式產(chǎn)生的倍頻光的光譜范圍約為380—410 nm， 如圖2(b)所示.本文將倍頻效率最高時(shí)的光軸角度設(shè)為0°， 可產(chǎn)生倍頻的光軸角度范圍為±10°.注意到圖中光譜在395 nm 附近出現(xiàn)干涉條紋， 它可能來(lái)源于BBO 晶體中倍頻光與和頻光之間的干涉.

在級(jí)聯(lián)四波混頻實(shí)驗(yàn)中， 使用的兩束400 nm抽運(yùn)光的功率分別為14 mW 和9 mW， 偏振為s偏振.經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后， 光斑直徑約為170 μm，0.2 mm 厚的MgO 基片被放置于焦點(diǎn)附近， 兩束光在MgO 晶體中實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上的重合.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 兩束抽運(yùn)光在空氣中的夾角為0.9°—2.8°時(shí)，均有四波混頻信號(hào)產(chǎn)生.相對(duì)延遲為零時(shí)， 發(fā)生比較明顯的自衍射[20]， 當(dāng)兩束抽運(yùn)光的夾角為1.3°、相對(duì)延遲為80 fs 左右時(shí)， 級(jí)聯(lián)四波混頻產(chǎn)生的邊帶數(shù)量最多， 且邊帶信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng).在上述條件下產(chǎn)生了9 階頻率上轉(zhuǎn)換邊帶和5 階頻率下轉(zhuǎn)換邊帶， 抽運(yùn)光的左側(cè)為頻率下轉(zhuǎn)換邊帶， 右側(cè)為頻率上轉(zhuǎn)換邊帶， 從左到右波長(zhǎng)依次減小.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明斯托克斯一側(cè)的邊帶數(shù)目較少， 這是由于當(dāng)階數(shù)增加時(shí)， 產(chǎn)生級(jí)聯(lián)四波混頻信號(hào)所需的波矢量|k(m)|在反斯托克斯和斯托克斯側(cè)都會(huì)增大[7]， 對(duì)于反斯托克斯光束， 波長(zhǎng)隨階數(shù)的增加而減小， 與|k(m)|長(zhǎng)度增大的要求相一致.在此情形下， 高階邊帶也可以滿足一定的相位匹配條件.與此相對(duì)，斯托克斯光束的波長(zhǎng)隨階數(shù)的增加而增大， 紅移波長(zhǎng)不滿足增大|k(m)|長(zhǎng)度的要求.因此， 斯托克斯信號(hào)的相位失配隨階數(shù)的增加而迅速增加， 使得斯托克斯側(cè)的邊帶數(shù)量比反斯托克斯側(cè)的少.本文將第m 階的頻率上(下)轉(zhuǎn)換的邊帶命名為ASm(Sm).其中， AS2 到AS7 投影到白色紙片上的照片如圖3(a)所示.這些邊帶沿著不同的散射角發(fā)散， 利用光譜儀在不同位置對(duì)邊帶信號(hào)進(jìn)行收集和測(cè)量， 得到每一階邊帶的歸一化光譜， 如圖3(b)和圖3(c)所示， 它們的波長(zhǎng)范圍為350—450 nm.其中， 高階邊帶在400 nm 左右的次峰來(lái)自于抽運(yùn)光的雜散信號(hào).同時(shí)， 注意到四波混頻信號(hào)在空間上并非絕對(duì)分離， 這使得在信號(hào)的主峰旁邊產(chǎn)生了其他信號(hào)的小峰.

級(jí)聯(lián)四波混頻過(guò)程產(chǎn)生邊帶的中心波長(zhǎng)和發(fā)散角滿足頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系和相位匹配關(guān)系[7]:

圖2 (a) 鈦寶石激光器輸出的基頻光光譜; (b) BBO 在不同光軸角度下的倍頻光光譜Fig.2.(a) Output spectrum of Ti-Sapphire laser; (b) spectra of the second harmonic generation under different BBO orientations.

圖3 (a) AS2 到AS7 邊帶的照片; (b) AS1 至AS9 邊帶的光譜; (c) S1 至S5 邊帶的光譜Fig.3.(a) Photographs of AS2 to AS7; (b) spectra of sidebands from AS1 to AS9; (c) spectra of sidebands from S1 to S5.

圖4 (a) AS1 到AS9 邊帶的理論計(jì)算中心波長(zhǎng)(紅色圓圈)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量(黑色方塊)之間的比對(duì); (b) AS1 到AS7 邊帶的理論計(jì)算散射角(紅色圓圈)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量(黑色方塊)之間的比對(duì)Fig.4.(a) Comparison of calculated results (red circles) and experimental data (black squares) of central wavelengths of AS1 to AS9; (b) comparison of calculated results (red circles) and experimental data (black squares) of scattering angle of AS1 to AS7.

其中， ω1， ω2， k1， k2分別為兩束抽運(yùn)光各自的角頻率和波矢量; ωAsm， kAsm分別為ASm 邊帶的角頻率和波矢量.利用抽運(yùn)光的作用波長(zhǎng): 395.0 nm和400.6 nm 及抽運(yùn)光之間的夾角， 通過(guò)(1a)式和(1b)式及MgO 的Sellmeier 方程， 計(jì)算得到AS1到AS9 的理論中心波長(zhǎng)分別為: 390， 384， 379，374， 369， 364， 359， 355 和350 nm， 這和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果吻合， 如圖4(a)所示， 其中低階的差異來(lái)源于自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制[35].同樣， 計(jì)算得到AS1 到AS7 的理論散射角度分別為: 2.54°， 3.76°，4.93°， 6.08°， 7.18°， 8.25°和9.29°.圖4(b)為其與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比， 可以看到散射角度和理論預(yù)測(cè)的結(jié)果在低階時(shí)符合得很好， 在高階的情況下有少量偏移.此外， 產(chǎn)生的邊帶在平面上也有小的彎曲， 波長(zhǎng)越短的邊帶越往上偏移.這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中晶體的光軸與入射光所在平面存在微小夾角， 對(duì)于MgO 樣品， 波長(zhǎng)越短對(duì)應(yīng)的折射率越大， 當(dāng)不同波長(zhǎng)的邊帶以不同角度出射時(shí)， 波長(zhǎng)越短、出射角度越大的光束將產(chǎn)生更明顯的折射， 這導(dǎo)致了高階邊帶的偏移并且散射角度比預(yù)測(cè)角度大.類似現(xiàn)象也出現(xiàn)在以鎢酸鉛和金剛石為介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中[20-22].

為考察此方案產(chǎn)生的紫外飛秒光脈沖的特征，本實(shí)驗(yàn)測(cè)量了400 nm 光激發(fā)MgO 晶體所產(chǎn)生邊帶的功率.測(cè)量得到AS1 到AS7 的功率分別為169.3， 85.7， 17.8， 5.2， 1.6， 0.2 和0.032 μW.紫外邊帶相對(duì)于入射光的整體轉(zhuǎn)化效率約為1.2%， 其中， 390 nm (AS1)紫外邊帶的產(chǎn)生效率約為0.7%.在紅外光或可見光驅(qū)動(dòng)級(jí)聯(lián)四波混頻產(chǎn)生寬帶紫外飛秒光脈沖的實(shí)驗(yàn)中[9，12，16]， 已見報(bào)道的紫外波段整體轉(zhuǎn)化效率最高約為0.7%， 390 nm 邊帶產(chǎn)生效率約為0.3%[9].但注意到本實(shí)驗(yàn)中高階邊帶效率偏低， 邊帶的整體帶寬有限， 如何進(jìn)一步提升高階邊帶的轉(zhuǎn)換效率、擴(kuò)展邊帶的整體帶寬有待進(jìn)一步研究.同時(shí)， 實(shí)驗(yàn)中還測(cè)量了邊帶的譜寬， 通過(guò)對(duì)每一階邊帶的光譜進(jìn)行高斯擬合， 發(fā)現(xiàn)AS3 到AS9的光譜形狀十分接近高斯線型， 圖5(a)為AS3 邊帶高斯擬合的結(jié)果.擬合AS3 至AS9 邊帶得到的光譜半高全寬分別為5.1， 5.7， 5.6， 6.7， 5.6， 4.6 和6.5 nm.根據(jù)計(jì)算， AS3 到AS9 對(duì)應(yīng)的傅里葉轉(zhuǎn)換極限脈寬分別為42， 36， 35， 28， 33， 39， 27 fs.

圖5 (a) AS3 邊帶光譜(實(shí)線)及其高斯擬合(虛線);(b)不同延時(shí)下AS4 邊帶的光譜， 圖中的光譜對(duì)應(yīng)的延時(shí)分別為20， 40， 60， 80， 100 fsFig.5.(a) Spectra of the AS3 sideband (solid curve) and its Gaussian fitting (dashed curve); (b) spectra of the AS4 sideband at several specific time delays， i.e.20， 40， 60，80， and 100 fs.

此外， 通過(guò)在驅(qū)動(dòng)光脈沖中引入合適啁啾， 利用改變脈沖到達(dá)樣品的延遲時(shí)間能夠改變兩個(gè)脈沖相互作用波長(zhǎng)的原理， 可以實(shí)現(xiàn)以調(diào)節(jié)延時(shí)的方式來(lái)便捷地調(diào)諧產(chǎn)生邊帶的中心波長(zhǎng).在本實(shí)驗(yàn)中， 通過(guò)調(diào)節(jié)鈦寶石激光器的脈沖壓縮光柵引入約—400 fs2的啁啾， 結(jié)合對(duì)兩束抽運(yùn)光的延時(shí)控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊帶中心波長(zhǎng)的有效調(diào)控.以AS4 為例， 本文給出了幾個(gè)特定延遲時(shí)間條件下的該邊帶波長(zhǎng)的相對(duì)變化， 如圖5(b)所示.可以看出， 在兩束脈沖相互作用產(chǎn)生邊帶信號(hào)的時(shí)間范圍內(nèi)， AS4 邊帶的中心波長(zhǎng)可以從373 nm 到385 nm 之間連續(xù)調(diào)諧.利用產(chǎn)生的全部邊帶， 可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)從350 nm到450 nm 全覆蓋.

4 結(jié) 論

本文以兩束400 nm 的飛秒光脈沖作為級(jí)聯(lián)四波混頻的驅(qū)動(dòng)光源， 在0.2 mm 的MgO 介質(zhì)中產(chǎn)生了一系列頻率上轉(zhuǎn)換和頻率下轉(zhuǎn)換的飛秒脈沖.這些邊帶的波長(zhǎng)和散射角符合理論預(yù)測(cè)， 光譜范圍從350 nm 到450 nm 全覆蓋.其中， 紫外邊帶的產(chǎn)生效率約為1.2%， 高于用近紅外光或者可見光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生紫外邊帶的效率.通過(guò)調(diào)控兩束400 nm脈沖的相對(duì)延時(shí)， 可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)寬帶調(diào)諧.同時(shí)， AS3到AS9 邊帶的光譜形狀呈現(xiàn)高斯型， 這些脈沖支持的理論極限寬度為20—50 fs.本文為高效產(chǎn)生波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)諧的紫外飛秒光脈沖提供了一種有效途徑， 有助于推動(dòng)超快化學(xué)與超快物理方面的相關(guān)研究.