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    【前沿】一種先進的激光聚焦技術-飛行焦點技術

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    在近衍射極限系統中,焦點尺寸和焦點縱向作用范圍(瑞利長度)一直是個矛盾體。你想要小的焦點尺寸就只能得到小的焦點縱向作用范圍,你想要得到大的焦點作用范圍就只能得到大的焦點尺寸。

    然而很多時候,我們既想要得到小的焦點,同時還需要大的作用范圍,尤其是在超快激光精密加工領域,這種需求用傳統辦法幾乎是無解的。不過,來自美國羅切斯特大學的Dustin H. Froula等人完美地解決了這個問題,讓我們瞧瞧他們的方案。

    先來一張圖,咦,不是光譜嗎?有啥稀奇的?錯,童鞋們,這個圖反映的是時域,而不是頻域,也就是說橫坐標不是頻率,是時間。

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    圖1:啁啾激光與國慶大閱兵


    也就是說,當這個脈沖經過一個點時,我們在這個點上觀察這個脈沖,會發現脈沖的“顏色”會發生變化,從藍色變成紅色(實際上波長的變化率很小,這里的顏色僅指代頻率)。

    想象一下,國慶大閱兵時候,穿著不同顏色軍裝的人民解放軍從天安門廣場前威武走過,大家的步伐都一樣,僅僅是經過時間有先后順序,啁啾脈沖也是這樣。

    那這種啁啾激光脈沖實際上怎么產生的呢?要解釋這個問題,我們需要了解超快激光第二重要的技術—啁啾脈沖放大技術。制約超快激光放大的最重要原因,就是激光的增益介質難以承受超高的峰值功率,為此CPA(chirped pulse amplification)應運而生。CPA分為三個過程:展寬、放大和壓縮。

    展寬系統一般利用色散元件,比如光柵或者棱鏡將原本就有一定譜寬的飛秒脈沖各頻率在空間上分開,再利用特定的光路控制不同頻率成分的光程差,從而將各頻率成分在時域上展開。

    舉個實際例子:在典型的拍瓦激光系統中,幾十fs的Ti:Sapphire飛秒激光脈沖通過展寬可以變為脈寬幾百ps的脈沖,脈寬展寬了10000倍之多,這樣峰值功率也就降下來了。再經過增益介質放大到飽和功率、繼而壓縮回飛秒級別脈寬即可得到極大峰值功率的大能量飛秒放大脈沖。

    這里,作者僅僅利用啁啾脈沖放大技術的前三分之一,即展寬技術。利用展寬器將飛秒脈沖的脈寬展寬到ps甚至ns級別,這樣就形成了時域上各頻率成分分離的情形。

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    圖2:啁啾脈沖放大技術【2】


    得到時域上分離的各頻率成分后,Dustin H. Froula等人利用彩色聚焦技術實現了對各頻率成分聚焦焦點的分離。那么啥是彩色聚焦技術?大家都清楚透鏡聚焦會有色差的存在、不同頻率的光會在透鏡內部產生不同折射,從而導致焦點的偏移。人們總是想補償這樣的色差,所以設計了各種各樣的色差補償系統。

    然而作者們卻另辟蹊徑,他們反過來思考,通過設計線寬隨徑向距離變化的衍射透鏡,使得不同頻率的光在空間上聚焦到不同的焦點上,再配合前面得到的啁啾脈沖,就可以實現飛秒激光焦點在空間上的可控移動。如果對啁啾飛秒脈沖適時控制的話,就可以控制焦點以任意速度在激光傳播方向運動,文章提到甚至可以達到“超光速“”運動。

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    圖3:彩色聚焦衍射透鏡示意圖【3】

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    圖4:飛行焦點技術示意圖【1】



    得到這種飛行焦點后,有啥用處呢?作者們表示這項技術提供了一個新穎的方法來控制激光等離子體,不需要長焦距系統或者波導來維持長距離上的激光強度,并且使焦點運動速度與光的群速度相耦合。為了一些特別的應用,作者可以設計出非線性啁啾信號和彩色聚焦系統來控制激光焦點運動速度。例如,飛行焦點技術可以用于激光加速度器中從而產生極紫外光源。

    另外,飛行焦點技術可以改變等離子體和非線性光學器件的優化方式,比如在非線性晶體中的太赫茲波產生、激光尾波場加速度器中都有重要的應用前景。此外,在負聚焦速度(negative focal velocity)條件下,每種頻率成分在等離子體前方聚焦,這就從根本上避免了激光等離子體的相互作用,從而避免激光成絲和受激散射,這對建造一個高效率的激光等離子體放大器有重要的意義。


    參考文獻:

    【1】Froula, Dustin H., et al. "Spatiotemporal control of laser intensity." Nature Photonics (2018): 1.

    【2】Wikipedia contributors. "Chirped pulse amplification." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 24 Apr. 2018. Web. 27 Apr. 2018.

    【3】Wang, Peng, Nabil Mohammad, and Rajesh Menon. "Chromatic-aberration-corrected diffractive lenses for ultra-broadband focusing." Scientific reports 6 (2016): 21545.



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