高功率紫外超短激光脉冲光束质量研究

苏恒毅;兰小飞;张骥;王雷剑;路建新;汤秀章

【摘 要】By means of building transmitting and focusing optical system , the beam quality of high power ultraviolet ultrashort laser pulse system was researched by using a CCD camera .Relevant parameters obtained from the measurement are the spatial inten‐sity distribution ,the size of focal spot and beam quality β‐factor of the ultraviolet seed laser and the amplified pulse after its amplification by a KrF laser system .The result show s that the beam quality of the ultraviolet seed laser beam is good .β‐factor is closed to 1 .After amplification the beam quality worsens and β‐factor increases to about 6 . Through analysis ,surface defects of optical elements may be the major factor which leads to the degradation of the laser beam quality .%通过搭建传输和聚焦光学系统，采用CCD相机测量了高功率紫外超短脉冲激光系统的光束质量参数，如紫外种子光及其经过K rF准分子激光器放大后的焦斑光强空间分布、焦斑尺寸及极限衍射倍数β。结果表明，紫外种子光光束质量良好，β接近于1。经放大后，光束质量劣化，β达到6左右。经分析，光学元件的表面缺陷可能是导致光束质量下降的主要因素。 【期刊名称】《原子能科学技术》 【年(卷),期】2015(000)002 【总页数】4页(P230-233)

【关键词】超短脉冲;K rF激光;光束质量评价

【作 者】苏恒毅;兰小飞;张骥;王雷剑;路建新;汤秀章

【作者单位】中国原子能科学研究院核技术应用研究所，北京 102413;中国原子能科学研究院核技术应用研究所，北京 102413;中国原子能科学研究院核技术应用研究所，北京 102413;中国原子能科学研究院核技术应用研究所，北京 102413;中国原子能科学研究院核技术应用研究所，北京 102413;中国原子能科学研究院核技术应用研究所，北京 102413 【正文语种】中 文 【中图分类】TN24

随着啁啾脉冲放大技术的广泛采用，激光器输出功率得到了数个量级的提高［1－2］。当激光功率密度达到1021W／cm2时，光场振幅E将达到8.7×1013V／m，这相当于平均在原子尺度上加了10kV的电压。在如此强的电场作用下，所有原子均会被瞬间电离，产生极高能量的电子、质子或其他粒子。强场物理为许多研究方向提供了崭新的基础平台，其中包括惯性约束聚变（ICF）快点火物理［3－5］、高能量密度物理、高强度X射线辐照源［6］、粒子加速［7］等。惯性约束聚变中，使用紫外光可更靠近靶丸的过密燃料区，在一定程度上提高了快点火的成功率。近年来，中国原子能科学研究院高功率准分子激光实验室开展了利用KrF准分子激光器直接放大248nm紫外超短激光脉冲的实验研究，输出功率达2～3TW［8］。

激光最终作用到目标上的功率密度不仅与输出功率有关，而且取决于光束的初始质量和传输及聚焦过程中发生的畸变量。因此，保证传输、聚焦过程中的光束质量至关重要。激光束在传输过程中对光学系统的缺陷和畸变非常敏感，易导致波前畸变。同时，高功率光束初始光强分布不均易在传输过程中产生小尺度自聚焦效应，经调

制后会在靶面上产生旁瓣，甚至导致多路成丝，降低聚焦功率密度。本文通过实验测量，研究紫外种子光及此种子光经放电泵浦KrF激光器LLG50放大后的光束质量，以期为后续改善光束质量提供数据支持。 1.1 焦斑尺寸

空间域中，对焦斑尺寸的定义通常有两种，即环围功率定义和1／n定义。1／n定义为：在光强空间分布曲线I（ω）上，峰值Imax的1／n处两点的距离为焦斑直径d。

n通常取2、e和e2，本文取n＝2。 1.2 远场发散角和衍射极限倍数β 远场发散角的定义为：

其中：ωz为坐标点z处的光束半径；ω0为束腰半径；λ为激光波长。

根据国际标准化组织（ISO）制定的相关标准，实际测量中，采用长焦距的薄透镜对激光光束进行聚焦，焦平面上的光斑尺寸反映了激光束的远场发散度，因此定义远场发散角［9］为：

其中：ωf为焦平面处光斑半径；f为透镜焦距。

远场发散角在一定程度上反映了光束方向性和能量集中度的好坏。远场发散角越小，说明光束方向性越好，能量越集中。由于远场发散角的大小取决于测量采用的聚焦光学元件，同一激光光束采用不同通光口径的聚焦光学元件测量的远场发散角不同。因此，引入衍射极限倍数β对光束的发散性进行更准确地定义。β定义为实际激光光束的远场发散角与理想光束远场发散角的比值［9］，则：

β以理想光束为参考标准，表征实际光束的光束质量偏离同一条件下理想光束质量的程度，在一定程度上消除聚焦光学元件的影响，从本质上反映了光束质量的情况。根据需要选定理想光束后，便可求出β。由式（4）可知，β≥1，β越接近1，光束的发散度越低，能量越集中，则光束质量越好。

本工作实验研究的对象是50mJ紫外超短脉冲激光系统。系统的前端是美国光谱物理公司生产的TSA50飞秒激光振荡器，飞秒脉冲种子光由一台自锁模的固体钛宝石激光器Tsunami产生，其泵浦光源是一台氩离子激光器。考虑到放大过程中的红移效应，将Tsunami的输出波长调整到737nm，同时，用一台小型光谱仪检测锁模的状态和输出波长。经CPA技术放大后，再经三倍频晶体变频，得到约0.6mJ、280fs、248nm的超短脉冲。将放电泵浦的KrF准分子激光器LLG50作为激光放大器，对脉冲进行放大，光路采用双通离轴放大结构。激光器放大腔内充满He、Ne、Kr、F2的混合气体，气压约为1.8×105Pa，放大腔两端的窗镜均采用氟化钙晶体。经扩束，激光光斑尺寸由注入放大腔前的φ10mm扩大至40mm× 40mm，从而得到50mJ、500fs的激光输出［8］。

为实现飞秒前端与放大器间的同步，使泵浦能量能被有效地提取，采用一台

DG535脉冲延迟／发生器进行控制触发。用LLG50进行放大时，需调整飞秒前端，使注入光波长与KrF荧光波长（248nm）高度吻合。紫外种子光光束质量参数测量的实验布局如图1所示，为得到远场发散角和光强的空间分布，采用CCD相机（Ophire－Spiricon公司生产，型号LBA－USASP503U）对光束进行直接实时测量。CCD相机可直接测量波长190～1 320nm的激光，对比度高达64dB，能量线性响应率为±1%，其像元尺寸为9.9μm×9.9μm，最小可测量数十μm的光斑尺寸。紫外种子光经焦距f＝7 060mm的聚焦透镜（通光口径10mm）后，光束逐渐汇聚。为避免CCD因接受高光强而损坏，须对光强进行衰减，本文采用光衰减片对其衰减。此衰减片主要由吸收紫外光的材料组成，可对248nm波长的激光光强进行全光口径的整体衰减而不影响空间光强分布。衰减后的激光脉冲进入CCD探测区，便可在PC上实时得到光强的空间分布图像、光斑直径等。 紫外种子光经放大后的光束质量参数测量实验布局如图2所示。经扩束、放大（通光口径增大到65mm）后的激光脉冲通过f＝2 650mm的聚焦透镜后，经两

面45°高精度全反镜进行衰减，最后进入CCD进行相关参数的测量。此外，在LLG50的出光口处放置光电管测量KrF气体的ASE（放大的自发辐射）时间波形。 紫外种子光的焦斑光强空间分布如图3所示（实验光路如图1所示）。激光输出能量约0.6mJ，经紫外衰减片后，进入CCD的能量下降至几μJ到几十μJ。为避免环境杂散光的影响，减少实验误差，关闭所有照明光源，并利用CCD的去杂散光功能，在结果处理上去除环境本底的影响。由图3可看出，光强空间分布呈规则的椭圆状，这与TSA50采用椭圆状增益介质有关。横向和纵向上，光强曲线均呈现出明显的单峰结构，光强分布平滑均匀，无明显的光强调制（如产生旁瓣等）。经计算，焦斑横向直径dx＝302.1μm（FWHM），纵向直径dy＝241.7μm（FWHM），对应半径分别为151.05μm和120.85μm。选取与实际被测光束通光口径（φ10mm）相同的圆形基模高斯光束为理想光束，则此理想光束通过同一聚焦系统的焦斑半径［9］为ω0＝θ0f＝0.61fλ／D，D为通光口径，θ0为此理想光束的远场发散角。经计算，横向极限衍射倍数βx＝1.414，纵向衍射极限倍数βy＝1.132，平均β＝1.273。

紫外种子光经LLG50放大后焦斑光强空间分布如图4所示（实验光路如图2所示），可看出，与未通过放大器的情况相比，焦斑形状发生了一定程度的畸变，但光强曲线总体上保持规则的单尖峰形状。未开启LLG50时，dx＝59.4μm，半径为29.7μm；dy＝69.3μm，半径为34.65μm。同样地，选取与实际被测光束通光口径（φ65mm）相同的圆形基模高斯光束为参考光束。经计算，βx＝4.82，βy＝5.62，平均β＝5.22。开启LLG50后，激光输出能量约30mJ，dx＝89.15μm、半径为44.58μm，dy＝59.44μm、半径为29.72μm，βx＝7.23，βy＝4.82，平均β＝6.03。

由图4可看出，紫外种子光通过LLG50前，光强分布平滑均匀，焦斑形状较规则，衍射极限倍数较小，接近理想值1。通过LLG50后，光束质量劣化，焦斑形状出

现畸变，β增大到5.22～6.03。这说明脉冲被放大时，光束质量会下降。导致光束质量下降的原因很多，如光学元件缺陷（表面污染、表面加工精度和折射率不均匀性）、强光非线性效应引起的光束畸变等。就本系统而言，LLG50采用的是双程离轴放大模式，因此激光在放大过程中实际通过4次氟化钙窗镜（厚度为1cm）及放大腔后端的反射镜。此窗镜的表面面型设计要求一般为λ／6。以λ／6的表面面型为例，对应的光束相位畸变为2πλ／6λ＝2π／6≈1.047，通过4次后，相位畸变累加达到4.188。虽然放大前后激光输出能量相差100倍，但光束质量变化却不大，说明光强的增大并不会引起明显的光束畸变。因此，光学元件的表面缺陷（受加工精度限制不能做到绝对平整）可能是导致光束质量下降的主要因素。 本文通过实验测量研究了50mJ紫外超短脉冲激光系统的光束质量情况。结果表明，紫外种子光光束质量良好，光强分布平滑均匀，呈单峰分布，β接近于理想值。然而，光束经LLG50腔体后，光束质量劣化，β达到6左右。经分析，光学元件的表面缺陷可能是导致光束质量下降的主要因素，质量好、表面平整度高的光学元件有助于提高光束质量。同一条件下，紫外种子光被放大与否并不会显著影响光束质量。

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