光纤飞秒激光五倍频产生206 nm深紫外激光.pdf
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1、光纤飞秒激光五倍频产生 206nm 深紫外激光*石凉竹张萌储玉喜刘博文胡明列(天津大学,精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室,光电信息技术教育部重点实验室,天津300072)(2023年 5月 27 日收到;2023年 7月 29 日收到修改稿)深紫外飞秒激光兼具深紫外激光单光子能量高和飞秒激光峰值功率高的优势,这使得深紫外飞秒激光在半导体晶圆检测和角分辨光电子能谱等领域被广泛应用,但是色散导致的群速度失配使得深紫外飞秒激光的输出变得十分困难,本文基于掺镱光纤飞秒激光器,实现了一种基于延迟线的深紫外飞秒激光脉冲产生方案.通过优化延迟线精确补偿时间走离,基于掺镱飞秒光纤激光五倍频获得了重复频率
2、为 1MHz、中心波长为 206nm 的深紫外飞秒激光输出,其平均功率 102mW,从近红外到深紫外的转换效率为 4.25%.关键词:非线性光学,飞秒光纤激光器,深紫外激光,时间走离PACS:42.65.k,42.65.Ky,42.55.WdDOI:10.7498/aps.72.202308771引言深紫外激光具有单光子能量高、空间分辨率好、峰值功率高等优异性能,被广泛应用于光谱检测、隐秘通讯、材料加工、生物医疗等领域中15,具有很大的市场前景和发展潜力.如何研制出稳定、高效的深紫外激光光源是研究人员研究的热点,常用的深紫外激光器有准分子气体激光器和固体激光器,相比准分子气体激光器,基于固体激
3、光器非线性频率变换获得的深紫外光源具有高光束质量、高重频、高相干性等优点,是目前科学研究的热点.近年来,科研人员对皮秒深紫外输出展开了广泛的研究611.与皮秒深紫外光相比,飞秒深紫外激光具有更窄的脉宽和更高的峰值功率,其在材料精密加工方面有独特的优势12,13.目前,200nm 波段的飞秒深紫外激光主要依靠钛宝石激光器输出的基频光进行非线性四倍频得到1417.2008 年,Wang 等15利用钛宝石激光器实现了 200nm 的飞秒深紫外激光输出.2015 年,孟祥昊等16利用钛宝石激光器提供的可调谐光源,实现了 192.5210nm 的可调谐飞秒深紫外激光输出.受限于钛宝石晶体的激光特性,目前
4、基于钛宝石飞秒激光器产生的深紫外飞秒激光重复频率较低,通常在 kHz量级.同时,钛宝石飞秒激光器体积大、成本高,应用推广相对比较难.光纤飞秒激光器具有结构紧凑、光束质量好、成本低等优点,采用飞秒光纤激光器作为基频光,通过五倍频可以实现 200nm 波段的深紫外激光输出,2014 年,Otsu 等18通过掺镱光纤飞秒激光器输出了 0.3mW 的 206nm 深紫外激光.对于飞秒量级的激光,5 次谐波产生过程中产生的时间走离通常大于脉冲持续时间,因此高效的延迟方案是五倍频过程走离补偿的关键1921.本文采用飞秒光纤激光器作为基频光,基于延迟线系统补偿时空走离.通过优化延迟线,可以有效地补偿非线性频
5、率变换过程中的时间走离和空间走离.这是首次基于 1030nm 掺镱光纤飞秒激*国家自然科学基金(批准号:61805174,61535009,61827821,61377041,11527808,U1730115)、广东省重点领域研发计划(批准号:2020B090922004)和天津市自然科学基金(批准号:20JCQNJC01180)资助的课题.通信作者.E-mail:2023中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp:/物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.22(2023)224209224209-1光器实现百毫瓦量级的 206nm 深紫外飞秒激光输出,其
6、平均输出功率达到 102mW,重复频率为1MHz,功率稳定性为 0.88%RMS(3h),峰峰值功率稳定性为 3.75%,红外至深紫外的转换效率达到 4.25%.2实验装置图 1 为 5 次谐波产生的实验装置图.掺镱飞秒光纤激光器输出的 1030nm 基频光首先通过半波片和薄膜偏振片,其目的是控制入射基频光的入射功率大小以及偏振态.基频光经过 LBO 倍频晶体实现倍频后,利用双色镜 DM1将基频光和倍频光分开,随后,基频光进入延迟线系统,通过调节延迟线补偿基频光和倍频光之间的时间走离和空间走离.最后,基频光和倍频光经过双色镜 DM2后再次汇合,其中倍频光经过 BBO 晶体再次倍频从而产生四倍频
7、光输出,之后基频光再和四倍频光经过 BBO 五倍频晶体进行 类相位匹配和频实现 5 次谐波产生.采用 CaF2佩林布洛卡棱镜将206nm 五倍频激光进行分离,从而实现深紫外飞秒激光的独立输出.3结果与讨论实验采用 1030nm 的掺镱飞秒光纤激光器,使用 YOKOGAWA 公司生产的 AQ6370B 光谱分析仪测得基频光的中心波长为 1029.3nm,其光谱宽度(1/e2处)约为 13.5nm,图 2(a)是基频光的光谱图,脉冲宽度为 433fs,图 2(b)是基频光的DumpDumpDumpPPFiHG FHGVariable lineF3M7M5DM2M4M3DM1SHGM2F2F1M1M
8、6/2TFPFiber laser图1实验装置示意图./2,半波片;TFP,薄膜偏振片;M1M5,1030nm 反射镜;M6,M7,515nm 反射镜;F1,450mm 透镜;F2,125mm 透镜;F3,150mm 透镜;DM1,DM2,双色镜;SHG,3mmLBO 倍频晶体;FHG,1mmBBO 四倍频晶体;FiHG,1mmBBO 五倍频晶体;PP,佩林布洛卡棱镜Fig.1.Schematicofexperimentalsetup./2,half-waveplate;TFP,thin-filmpolarizer;M1M5,planomirrorat1030nm;M6,M7,planomir
9、rorat515nm;F1,450mmlenses;F2,125mmlenses;F3,150mmlenses;DM1,DM2,dichroicmirror;SHG,secondhar-monicgeneration,3mmLBOcrystal;FHG,fourthharmonicgeneration,1mmBBOcrystal;FiHG,fifthharmonicgeneration,1mmBBOcrystal;PP,Pellin-Brocaprism.102010251030103510400Wavelength/nm(a)0.5Intensity/arb.units1.0(b)-6-4-
10、2Delay/ps02460Intensity/arb.units0.60.10.20.30.40.5543/mm/mm210 1 2 3 4 5 6图2(a)基频光光谱图;(b)基频光脉宽图,插图为近场光斑图Fig.2.(a)Spectrumofthefundamentalfrequencylaser;(b)pulsewidthofthefundamentalfrequencylaser,andtheinsetisthenear-fieldbeamprofileofthefundamentalfrequencylaser.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.22(2023)
11、224209224209-2脉宽图,图 2(b)中的插图为基频光光斑图,椭圆度为 0.9.整个非线性频率变换过程分为倍频、四倍频以及和频 3 个部分.如图 1 所示,1030nm 基频光经过 450mm 透镜聚焦,测量得到基频光聚焦光斑大小约为 258m,经过 3mmLBO(=90,=12.9,S1,S2:AR-1030/515nm)倍频晶体后,当入射基频光为 2.4W时,实现了 1.1W 的绿光输出,倍频转化效率为45.83%.图 3(a)是倍频光的平均功率和倍频转换效率随入射基频光功率变化关系图,插图为最高输出功率下倍频光的近场光斑图,椭圆度为 0.88.图 3(b)为倍频光的光谱图,使用
12、 Oceaninsight 公司生产的 HR4000 光谱分析仪测得倍频光的中心波长为 515.6nm,其光谱宽度(1/e2处)约为 3.6nm,估算倍频光的脉冲宽度在 300fs 左右.对于四倍频过程,如图 1 所示,基频光和倍频光经过 150mm 透镜聚焦,测量得到倍频光聚焦光斑大小约为 284m,经过 1mmBBO(=50,S1,S2:AR-515/258nm)四倍频晶体后,最高实现了0.23W 的 257.5nm 紫外光输出,四倍频转换效率为 9.58%.图 4(a)是四倍频光的平均功率和四倍频转换效率随入射基频光功率变化关系图,插图为最高功率输出时四倍频光的近场光斑图,测量的光斑椭圆
13、度为 0.84.图 4(b)为四倍频光的光谱图,使用长春新产业光电技术有限公司生产的分辨率为 0.1nm 的 Aurora4000 光谱仪测得四倍频光的中心波长为 257.8nm,其光谱宽度(1/e2处)约为0.9nm,估算四倍频光的脉冲宽度在 400fs 左右.在二倍频、四倍频过程中,由于群速度走离,导致在五倍频晶体前基频光与四倍频光在时域上分离.通过理论模拟可以计算出,基频光与四倍频光在五倍频之前总的时间走离量为 1945.1fs,00.5Intensity/arb.units1.0Wavelength/nm(b)512514516518520522Fundamental power/WP
14、ower of SH/WConversion efficiency/%2.52.01.5/mm/mm1.00.500 0.51.52.5(a)00.51.01.52.00Power of SHConversion efficiency0510152025303540452.51.21.00.80.60.40.2图3(a)倍频光的平均功率和倍频转换效率随入射基频光功率变化关系图,插图为最高平均功率输出时倍频光的近场光斑图;(b)倍频光光谱图Fig.3.(a)AverageoutputpowerandconversionefficiencyoftheSHbeamasfunctionsofthefu
15、ndamentalpower,inset,thenear-fieldbeamprofileoftheSHbeamatmaximumaveragepoweroutput;(b)spectrumoftheSH.Power of FH/WConversion efficiency/%1.00.60.8/mm/mm0.40.200.30.60.9Power of FHConversion efficiency(a)246810Fundamental power/W00.51.01.52.0002.50.250.200.150.050.10Intensity/arb.units(b)2552572592
16、56258260Wavelength/nm00.51.0图4(a)四倍频光的平均功率和四倍频转换效率随入射基频光功率变化关系图,插图为最高功率输出时的四倍频光光斑图;(b)四倍频光光谱图Fig.4.(a)AverageoutputpowerandconversionefficiencyoftheFHbeamasfunctionsofthefundamentalpower.Inset,thenear-fieldbeamprofileoftheFHbeamatmaximumaveragepoweroutput;(b)spectrumoftheFH.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,N
17、o.22(2023)224209224209-3在五倍频晶体中的时间走离量为 1327.1fs,具体见表 1.因此,需要对两束光波进行时空走离补偿.图 1 是基于延迟线系统补偿时间走离的实验装置图,通过提高延迟线系统中位移台的精度,可以实现对走离补偿进行更精确的调节,从而获得更高的五倍频转换效率.延迟线通常是放在四倍频之后,但在实验过程中,四倍频光对双色镜的损伤是很严重的.因此,为了避免四倍频光对双色镜的损伤,本实验将延迟线放置在倍频之后.通过优化延迟线系统,实现了最高输出功率达到 102mW 的五倍频飞秒深紫外输出,基频光功率为 2.4W,转换效率是 4.25%.图 5(a)是五倍频光的平均
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