飞秒激光脉冲成丝过程中激射信号的实验研究

2021-06-07赵恒炜张宇璇林子钰孙少华刘作业

大学物理实验 2021年2期

关键词：波片泵浦飞秒

赵恒炜，张宇璇，林子钰，孙少华，刘作业

(兰州大学核科学与技术学院，甘肃兰州 730000)

1 实验原理

图1为飞秒激光在氮气中产生的光丝照片。

图1 实验中观察到的飞秒激光成丝照片(白色箭头指向光丝)

飞秒脉冲强激光在透明介质中传输时，由于非线性效应空气折射率n随着激光电场强度变化而变化：

(1)

这里，n0为介质的折射率常量，χ(3)为介质的三阶非线性极化率系数，E(r,ω)为激光电场。激光电场强度在其传播的径向上呈现高斯分布，中心强度大于边缘强度。因此，在传输过程中介质的折射率是不均匀分布的，可以近似看作一个凸透镜，对激光起到会聚的作用，这一现象称为光学克尔效应。当飞秒激光的自聚焦强度达到一定阈值后，会导致介质离化而形成等离子体。等离子体会对激光光束产生散焦作用，类似于负透镜。光学克尔效应的自聚焦和等离子体的散焦作用会在飞秒激光传输过程中形成一定长度内的动态平衡，表现为在介质中形成的细长等离子体光丝。

2 实验设计与装置搭建

其中灰色标出反射镜为800 nm高反镜，绿色标出的反射镜为400 nm高反镜，ND为渐变的中性密度滤光片，L1、L2、L3为透镜。插图(a)、(b)分别为探测激光先于泵浦激光和泵浦激光先于探测激光与靶气体作用的激光空间分布图样

时间延迟线通过调节泵浦激光的光程实现泵浦-探测激光相对延迟时间的精确控制。泵浦激光相对探测激光的光程改变量δL与延迟时间τ之间的对应关系为τ=δL/c(c为光速)。精密电动位移台的直线位移精度为0.1 μm，对应延迟时间精度为0.667 fs。相对时间零点通过观察泵浦激光等离子体对探测激光的衍射图样确认。泵浦激光与氮气作用中产生等离子体光丝，泵浦激光等离子体寿命在纳秒量级，直径在百微米量级，相当于小的障碍物。当探测激光随后通过泵浦等离子体光丝时，会产生衍射现象。当探测激光先于泵浦激光与氮气作用时，泵浦激光等离子体尚未形成，不能产生衍射。图2中插图(a)和(b)为相应的激光空间分布图样。实验时，衍射现象消失一瞬间对应的位置即为泵浦-探测相对延迟时间的零点。

偏振是指激光电场振动矢量在垂直于激光传播的径向平面上偏于某些方向的现象，是激光作为横波区别于纵波的最明显标志之一。λ/4波片是具有一定厚度的双折射片。当线偏振光的光矢量方向与λ/4波片轴线成π/4夹角时，寻常光和非常光之间的相位差等于π/2，出射光被调制为圆偏振光。实验中，λ/4波片安装在一个手动旋转架上，控制波片的光轴与入射激光光矢量的夹角。实验时，旋转λ/4波片与泵浦激光矢量的夹角为0和π/4，控制泵浦激光的偏振态分别为线偏振和圆偏振。

气体靶室内的氮气压力通过机械泵控制，可以实现从1～105Pa范围内控制。实验时，机械泵对靶室抽真空到1 Pa，然后通入化学纯度的氮气，并控制氮气气压到0.3 kPa。通过时间延迟线控制泵浦-探测激光的相对延迟时间，时间扫描步长为10.4 fs，测量区间为-1～13 ps；渐变中性密度衰减片ND控制泵浦激光的强度在1.25～3.22 W范围内变化。在样品靶室的气体压强为1 Pa时，分别测量探测激光的光谱作为本底光谱，后续所有展示光谱均为扣除本底后的实验结果。