飛秒激光脈沖成絲過程中激射信號的實驗研究

趙恒煒，張宇璇，林子鈺，孫少華，劉作業(yè)

(蘭州大學 核科學與技術(shù)學院，甘肅 蘭州 730000)

1 實驗原理

圖1為飛秒激光在氮氣中產(chǎn)生的光絲照片。

圖1 實驗中觀察到的飛秒激光成絲照片(白色箭頭指向光絲)

飛秒脈沖強激光在透明介質(zhì)中傳輸時，由于非線性效應空氣折射率n隨著激光電場強度變化而變化：

(1)

這里，n0為介質(zhì)的折射率常量，χ(3)為介質(zhì)的三階非線性極化率系數(shù)，E(r,ω)為激光電場。激光電場強度在其傳播的徑向上呈現(xiàn)高斯分布，中心強度大于邊緣強度。因此，在傳輸過程中介質(zhì)的折射率是不均勻分布的，可以近似看作一個凸透鏡，對激光起到會聚的作用，這一現(xiàn)象稱為光學克爾效應。當飛秒激光的自聚焦強度達到一定閾值后，會導致介質(zhì)離化而形成等離子體。等離子體會對激光光束產(chǎn)生散焦作用，類似于負透鏡。光學克爾效應的自聚焦和等離子體的散焦作用會在飛秒激光傳輸過程中形成一定長度內(nèi)的動態(tài)平衡，表現(xiàn)為在介質(zhì)中形成的細長等離子體光絲。

2 實驗設(shè)計與裝置搭建

其中灰色標出反射鏡為800 nm高反鏡，綠色標出的反射鏡為400 nm高反鏡，ND為漸變的中性密度濾光片，L1、L2、L3為透鏡。插圖(a)、(b)分別為探測激光先于泵浦激光和泵浦激光先于探測激光與靶氣體作用的激光空間分布圖樣

時間延遲線通過調(diào)節(jié)泵浦激光的光程實現(xiàn)泵浦-探測激光相對延遲時間的精確控制。泵浦激光相對探測激光的光程改變量δL與延遲時間τ之間的對應關(guān)系為τ=δL/c(c為光速)。精密電動位移臺的直線位移精度為0.1 μm，對應延遲時間精度為0.667 fs。相對時間零點通過觀察泵浦激光等離子體對探測激光的衍射圖樣確認。泵浦激光與氮氣作用中產(chǎn)生等離子體光絲，泵浦激光等離子體壽命在納秒量級，直徑在百微米量級，相當于小的障礙物。當探測激光隨后通過泵浦等離子體光絲時，會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。當探測激光先于泵浦激光與氮氣作用時，泵浦激光等離子體尚未形成，不能產(chǎn)生衍射。圖2中插圖(a)和(b)為相應的激光空間分布圖樣。實驗時，衍射現(xiàn)象消失一瞬間對應的位置即為泵浦-探測相對延遲時間的零點。

偏振是指激光電場振動矢量在垂直于激光傳播的徑向平面上偏于某些方向的現(xiàn)象，是激光作為橫波區(qū)別于縱波的最明顯標志之一。λ/4波片是具有一定厚度的雙折射片。當線偏振光的光矢量方向與λ/4波片軸線成π/4夾角時，尋常光和非常光之間的相位差等于π/2，出射光被調(diào)制為圓偏振光。實驗中，λ/4波片安裝在一個手動旋轉(zhuǎn)架上，控制波片的光軸與入射激光光矢量的夾角。實驗時，旋轉(zhuǎn)λ/4波片與泵浦激光矢量的夾角為0和π/4，控制泵浦激光的偏振態(tài)分別為線偏振和圓偏振。

氣體靶室內(nèi)的氮氣壓力通過機械泵控制，可以實現(xiàn)從1～105Pa范圍內(nèi)控制。實驗時，機械泵對靶室抽真空到1 Pa，然后通入化學純度的氮氣，并控制氮氣氣壓到0.3 kPa。通過時間延遲線控制泵浦-探測激光的相對延遲時間，時間掃描步長為10.4 fs，測量區(qū)間為-1～13 ps；漸變中性密度衰減片ND控制泵浦激光的強度在1.25～3.22 W范圍內(nèi)變化。在樣品靶室的氣體壓強為1 Pa時，分別測量探測激光的光譜作為本底光譜，后續(xù)所有展示光譜均為扣除本底后的實驗結(jié)果。

3 391 nm激射信號的產(chǎn)生機制

控制泵浦激光的偏振態(tài)為線偏振(a)不同延遲時間下的激射信號積分光譜

(a)391 nm激射產(chǎn)生的原理示意圖

這里只給出了ν=0上J=0,1,2,3以及υ′=0上J′=0,1,2,3幾個轉(zhuǎn)動能級間的躍遷。

(a)R支轉(zhuǎn)動能級(J′=14,15,19,23)躍遷光譜的強度隨泵浦-探測延遲時間的依賴關(guān)系

圖6 泵浦激光為線偏振態(tài)時，391 nm激射信號強度對泵浦激光能量的依賴關(guān)系

4 總 結(jié)