作者： 时间：2024-01-25
在这项工作中，WOP提出了一种基于S波片光束整形/空间可变波片光束整形的飞秒激光脉冲，嵌入熔融石英玻璃块内的空间可变相位延迟板的光束整形技术。利用自组装技术实现周期纳米结，从而制造转换器。在制作过程中，控制了诱导纳米光栅的取向和延迟。空间可变波片和偏振片的组合作为空间可变透射滤波器。通过转换器将初始高斯光束转换为平顶光束，保留了50%以上的初始激光功率。理论上，涡旋波片光束整形器预计的效率可达70%。没有吸光元件的转换器具有与熔融二氧化硅相似的抗光学损伤能力。此外，已经制造的波片和径向偏振片允许快速调整光束形状，从平顶到中间有凹陷的形状。成形的光束在高功率皮秒脉冲放大器中进行了测试。
1.介绍
高功率或高能激光系统中的光束整形已经实现多年。激光束空间轮廓的形状在有源元件填充因子和非线性波前畸变量方面非常重要。为了使填充因子最大化，从而获取尽可能多的能量，在大部分覆盖面积上实现平坦的强度分布是有益的。而与此同时，为了避免非线性波前畸变和热点形成，剖面的边缘应该是陡峭的。所描述的特征表征了平顶光束的数学表示，其可以是超高斯函数。许多微加工应用也对平顶激光束更加青睐。
根据系统平均功率、最大脉冲能量或最大光强的不同，已经开发出不同的技术。对于中等功率和强度的激光系统，液晶矩阵和吸收消光滤光片是合适的。由于吸收，这些消光滤光片具有相当适度的功率处理能力。在高能量但低平均功率的系统中，锯齿形消光孔被使用。锯齿形导波器在形成接近平顶的光束轮廓时的主要缺点是效率低，因为只有初始高斯光束的极小的中心部分被使用。此外，孔径的锯齿状边缘会引起小尺度的波前畸变，这些畸变不得不被过滤掉。
基于WOP相位延迟技术的变迹器/切趾器在文献中实现。文献里的切趾光圈/孔阑由石英晶体制成的球面平凸透镜构成。通过选择透镜厚度、曲率半径和晶体光轴取向来引入空间可变相移。这种方法的缺点之一是波前曲率的变化，因为弯曲的相位板也充当光学透镜。为了补偿相位板折射，参考文献的作者使用了一个与石英透镜光学接触的熔融石英补偿平凹透镜。这种光学元件的制造是一个真正的挑战，相位板的球面面形限制了可能的孔径透射轮廓的形状，附加了二次余弦函数的扰动。
在生成期望的光束空间轮廓方面更灵活的是包含空间可变折射的技术。激光光束强度分布的形成可以借助至少两个非球面光学元件，一个二次非球面光学元件或一个渐变折射率透镜的望远镜来完成。这种类型的变迹器/切趾器的特点是具有最高的功率转换效率，同时具有保持光束波前曲率的能力。然而，这些技术需要通过金刚石车削来制造非球面光学元件。这些元件需要精确地对齐，以获得诸如波前不变和期望的光束空间轮廓等优势。此外，波片和径向偏振片整形器的整个光学系统(望远镜)占用了相当大的空间。渐变折射率透镜的使用受到光学材料中折射率梯度的制造能力的限制。文献中给出了上述光束整形技术的更明确的概述。
适用于高平均功率激光系统的光束整形器的主要需求是处理高功率的能力。其他有益的特点是：紧凑性和保持光束波前曲率。
在本文中，WOP提出了一种基于飞秒激光脉冲在熔融石英玻璃体内刻写空间可变相位延迟片的波片和径向偏振片光束整形技术。形成自组装的周期性纳米结构，表现出光学各向异性，被称为“双折射纳米光栅”，被用来制造涡旋波片光束整形器。在制作过程中，我们控制了纳米光栅的晶轴取向和诱导相位延迟。一个空间可变波片(SVWP)和一个偏振器的组合作为一个空间可变传输滤波器。通过制造波片和径向偏振片整形器将初始高斯光束转换为平顶光束，我们保留了超过50%的初始激光功率。重要的是，大部分玻璃不会发生吸收，因此我们的SVWP与偏振光学组件满足前面提到的所有要求。因此，它适用于脉冲高功率放大器。此外，柔性制造技术允许实现高斯光束到任意形状的激光束形状转换。
2. 空间可变波片光束整形的制造
2.1径向偏振片光束整形器介绍
最近，在飞秒激光脉冲照射下，在大块熔融石英玻璃中形成自组装周期性亚波长结构，即所谓的“纳米光栅”已被宣布为光子学的重大突破之一。在写入超快脉冲的一定参数范围内，由此产生的玻璃修饰是纳米光栅，其表现出光学各向异性。二氧化硅玻璃的掺杂或多脉冲的利用扩展了双折射纳米光栅刻字的参数窗口。在这些纳米光栅的基础上制作的双折射光学器件有：s波片，由线偏到径向偏振或角向偏振的偏振转换器，偏振敏感元件，如菲涅耳波带片，双折射相位光栅和全息图，可重写5D光存储器和许多其他应用。记述使用飞秒激光描述透明材料体内纳米光栅形成的物理起因的方法有很多。然而，没有一种方法得到了完全的认可。
在垂直于光传播方向的平面上，自组装周期结构垂直于写入光的偏振方向。相当于双折射纳米光栅的快轴沿偏振方向排列。周期，是实验条件的函数：光波长，脉冲能量，脉冲宽度和重复频率，写入速度，聚焦的程度-小于写入光的波长，对于硅玻璃通常在100纳米到几百纳米的范围。诱导双折射所需的能量典型值为1 μJ级。更长的飞秒脉冲需要更低的能量，但范围更窄。相位延迟，是在通过一层内切双折射纳米光栅传播时，两个正交线性偏振态之间净相移的宏观测量，在几十到几百纳米的范围内变化。高相位延迟(例如，λ= 546 nm处R = 350nm)可以在单层内内刻。此外，刻写的相位延迟也可以通过制造多层结构来提高。
综上所述，玻璃内部的修饰量可以用两个参数来表征：相位延迟和纳米光栅快轴的方位角。这两个参数可以分别通过改变写入激光束的通量和偏振方向来独立控制。最近，空间可变波片被用作空间模式转换器和涡旋波片光束整形通孔。基于这些亚波长纳米光栅的光学元件的主要缺点是由于诱导结构的瑞利散射而产生的传输损耗。
2.2涡旋波片光束整形器制造
空间可变波片是空间可变波片光束整形器/径向偏振片光束整形器的基本元件，由femtoLAB微加工系统(Altechna R&D，立陶宛)制造。该系统配备Yb:KGW飞秒激光器PHAROS (Light Conversion，立陶宛)，其特征参数为波长λ= 1030 nm，脉冲持续时间τ= 180 fs，脉冲重复频率f = 200 kHz，最大平均功率Pave= 10 W。
采用非球面透镜(f = 18.4 mm, NA = 0.15) 把激光辐射聚焦在抛光的UVFS玻璃基板内部(表面下方z1= 300µm, z2= 350µm)。将UVFS样品固定在安装在XY定位台(Aerotech，USA)上的多孔石样品支架上。加工轨迹(光栅扫描)由SCA软件(Altechna R&D，立陶宛)生成。在制造过程中，选择样品平移速度为v = 2 mm/s，产生脉冲密度PD = 100,000脉冲/mm，而光栅扫描轨迹的周期为Λ= 1µm。选择光栅扫描轨迹，即在光照射下，样品仅在一个方向(从左到右)上平移，以最小化“毛笔”效应。
图1所示。如图所示为透射光场TXY，空间可变波片(SVWP)的正交偏振光照片。扫描区域被视为一个较亮的方形场。
通过控制写入参数，特别是写入光束的偏振方位角，可以刻出具有空间可变取向的双折射纳米光栅图样。因此，将半波片固定在电动旋转台上(Aerotech，USA)，旋转初始线偏振激光束的偏振面，以获得所刻双折射纳米光栅所需的快轴方向。调整飞秒写入脉冲的能量，以在扫描区域内获得恒定的延迟。半波片的旋转与样品在XY平面的定位同步，并遵循图1中针对特定透射分布(TXY计算)的偏振旋转分布。
其目的是创建一个具有相位延迟等于π弧度的位点模式，因此，创建一个空间可变的半波片，其光轴的局部方向与该位点内切双折射纳米光栅的快速轴方向相匹配。为了诱导π弧度的相位延迟为1064 nm，我们将激光功率设置为P = 300 mW，并制作了两层总延迟为R = 532 nm的层。层间距离为Δz = 50µm。制造5 x5 mm2尺寸的SVWP需要28小时(由于瑞利散射，在图1中看到一个较亮的方形区域)。根据ISO 1154 -2标准，在λ= 1064 nm， τ= 3.5 nm, f = 10 Hz条件下，测得SVWP的损伤阈值为22.8 J/cm2。
2.3纳米光栅方向图的设计
我们的空间可变波片光束整形器/涡旋波片光束整形器的想法如图2所示：最初的高斯光束被转换成具有平顶轮廓的光束。用n阶超高斯函数描述平顶形状比较方便，该函数在极坐标下有如下表达式：
式中A0-振幅，r -距光束中心的距离，w -宽度参数。n = 2时是标准高斯函数。具有特殊设计的传输分布TXY的光束形状转换器稍微削弱了光束在中心部分的强度，几乎削弱了侧翼高斯分布的强度。
图2。波束形状变换器/光束整形器的基本原理。偏振矢量PIN，POUT代表了一种较好的波束形状变换/光束整形的实现。
将高斯函数转换为超高斯函数所需的一维M形传递函数TX（或Tr-极坐标)可由TX=C*ISUPER-GAUSS/IGAUSS计算，其中C为归一化常数。n = 6的情况如图3所示。
图3。一维初始高斯函数(红色虚线)、六阶超高斯函数(红色实线)和所需的光学传递函数TX(灰色实线)。横轴坐标归一化为高斯函数的HWH（半高半宽？）。
图4 (a)显示了一组M形传输函数(实线曲线)和生成的超高斯函数(虚线曲线)。n表示超高斯函数的阶数。随着n值的增加，函数的形状具有更宽的平坦中心部分，并且更接近于纯粹的平顶轮廓。第一种优选设计的激光束形状转换器由SVWP和透射轴垂直于入射光束偏振方向PIN的检偏器组成(见图2)。因此，取代人工半波片的内置双折射纳米光栅必须以以下方式定向，见图4 (b)。
1）在横轴上，对应所需最大透过率的地方，纳米光栅的快轴设置成与初始偏振方向PIN夹角45°，人造的半波片将偏振方向旋转2倍的夹角度数，因此，相当于旋转了90°，出射的偏振光与初始偏振垂直，检偏器直接输出，即POUT，如图4所示。
2）在横轴上，对应所需最小透过率的地方，纳米光栅的快轴设置成与初始偏振方向PIN夹角0°（平行），内置的半波片对入射的偏振不起旋转作用，但是到检偏器之后，由于与检偏器透光方向垂直，所以不会有光透过。
3）如果需要0~1之间的任意透过率，可以设置快轴与入射偏振夹角0~45°之间，输出的就是介于Imax与Imin之间的任意光强。
图4。横轴坐标计算的分布：(a) 4阶、6阶和8阶超高斯光束的轮廓(虚线)和适当的M形光学传递函数(实线);(b)双折射纳米光栅的取向，以其快轴与入射光束偏振方向之间的夹角表示。
将高斯光束转换为6阶超高斯光束时，功率转换效率的理论值约为70%。在光束形状和功率转换效率方面，采用六阶超高斯函数是最佳选择。所描述的光束形状转换器的实际使用需要额外的光学元件，将功率转换效率降低到50%左右，如下所述。尽管如此，与为高功率激光器开发的最新光束整形器相比，它仍然是一个很高的效率值。所述SVWP可以实现的波长范围从400 nm到2 μ m。对于更长的波长，为了刻写π弧度的延迟，需要增加额外的层结构。
3. SVWP和涡旋波片光束整形器的特性
3.1径向偏振片光束整形器的映射
为了重现涡旋波片光束整形器的传输功能，通过将光纤振荡器的输出光束（λ= 1064 nm辐射）放大到直径约10毫米，并将其限制在5毫米的孔径，产生了均匀的照明。然后，线偏振光依次通过制作的空间可变波片(SVWP)和排列有序的检偏器。为了使系统不受SVWP和偏光镜对准精度的影响和/或在安装时元件的方向自由度偏差，实验布局还包括一对半波片(位于图5中)。第一个将入射光的偏振方向旋转到预定的偏振方向PIN，第二个旋转SVWP输出处的光的偏振，使需要最大透射的位置的局部偏振与偏振器的透射轴相匹配。
图5。测量变换器/整形器传输函数的实验配置图。HWP -半波片。
hwp -半波片定向的步骤如下。第一个半波片被放置在波束中心有最小值的位置(此时另一个半波片不存在)。然后将第二个半波片放置在SVWP和偏光片之间。选择它的角度，使在变换器/光束整形器的边缘透光率最小。在这种设置中，输出光束分布揭示了转换器的传输函数，这意味着可以从CCD相机获得的图像中提取数据并绘制。
图6. (a)用于表征SVWP的光纤振荡器的输出光束(直径2.2 mm, 4σ级)； (b)放大和开孔振荡光束照射下的SVWP视图？
图7。强度分布和轴向截面：(a)初始入射的振荡光束，扩束准直然后经过孔径光阑，以产生均匀的强度分布。强度条纹的形成是由于孔阑边缘的衍射；(b)M形传递函数的调制光。在SVWP前仅放置一个半波片的变换器/整形器后的波束;(c)两个半波片放置在转换器/整形器后的光束。
实验获得的透射函数的曲线与用于制造变换器的理论建模的透射函数曲线是高度匹配的(见图8)。由于有噪声的初始光束(如图7 (a)所示)，导致测量到的传输信号也是有噪声的。
图8。软件拟合的(红色曲线)和实际实验测量的(黑色)变换器/整形器的透射率曲线。
3.2 激光束剖面测量
使用Nd:YVO4再生放大器的输出高斯形光束(在f = 1 kHz时输出功率为3W)来测试转换器/整形器如何形成超高斯光束轮廓(图9)。采用如图5的实验布局，在不考虑孔径和不同望远镜系统透镜参数的情况下，完成了整形激光束的截面分析。Nd:YVO4再生放大器的输出光束被放大到直径约3 mm (4σ级)，这是转换器/整形器建模的光束尺寸。
首先，对入射光束进行了表征。图9 (a)表明，实验数据得到的曲线(黑色)可以很容易地用高斯函数(不同背景水平的红色或蓝色曲线)近似拟合。所选择的具有不同背景水平的两条拟合曲线理想地与光束轮廓相吻合。
随后，准直的激光束穿过构成转换器/整形器的元件，并由CCD相机捕获。图9(b)描绘了合成光束沿一个坐标的横向强度分布。同样，选择两个背景水平用6阶超高斯函数(红色和蓝色曲线)近似拟合实验数据(黑色)。在较宽的动态范围内，实验光束轮廓与理论6阶超高斯函数有很好的吻合。透过率极小值处有非常好的衰减，优于三个数量级，这意味着在进一步放大阶段，来自有源元件边缘的寄不会扭曲放大的光束。
CCD测量仅用于评估光束轮廓与n阶超高斯函数的对应关系。滤波散射光后用功率计测量功率转换效率(见图11布局)。在最初的实验中(SVWP上没有抗反射涂层)，平顶光束轮廓形成，功率损失约为60%。由于散射造成的损耗被测量为约20%。在进一步的抗反射涂层变换器/整形器实验中，总损耗约为50%。
图9。(a)初始光束轮廓:黑色- CCD相机获得的数据点，蓝色和红色-不同背景水平的高斯拟合。(b)整形后的光束轮廓:黑色为CCD相机获得的数据点，红色和蓝色为不同背景水平下的六阶超高斯函数拟合。
图5的激光束形状转换器/整形器的一个有用的特征是它能够将初始高斯光束轮廓转换成几种形状-不仅是平顶，而且中间有一个“凹陷”的形状(见图10)-仅通过改变位于SVWP和偏振器之间的第二个半波片的方向。当半波片从其获得预定(计算和刻写)透射分布所需的方向失谐时，会获得另一种透射分布。因此，通过旋转HWP，我们得到一个可变的强度分布:从平顶到中间有一个“凹陷”的形状，其深度是可控的。值得一提的是，这些调整提高了光束的零级强度，使其对比度变差，功率转换效率下降到30-40%。
图10。通过在变换器/整形器的SVWP和偏振器之间旋转HWP，产生具有可变深度中间“凹陷”的强度分布的演示。为了可视化，振幅被归一化。
4. 径向偏振片光束整形器的应用
该变换器/整形器在皮秒放大器上进行了实验测试，拟作为光参量啁啾脉冲放大系统中的泵浦源。超高斯光束轮廓对于实现高放大效率非常有用。皮秒Nd:YAG放大器系统(f = 1 kHz， τ≈300 ps)如图11所示。放大系统的每一级包括：输入端的偏振器，用于将两束通过有源介质后的激光辐射进行输出耦合；四分之一波片，用于将光在放大前变为圆偏振，放大后变为线偏振；在有源介质和后反射镜之间的中继成像望远镜，以保持强度分布;以及45度法拉第旋转器，将偏振在两道中旋转90度。这种布局是辐射去极化补偿的有效解决方案，也是补偿角向和径向偏振分量的热透镜折光功率差异的有效解决方案。该系统的光路还包括在光束形状转换器/整形器和放大器系统的输入偏振器之间的空间滤波元件(内部有一个孔径的双透镜望远镜)。对SVWP内部由瑞利散射产生的高散度空间分量进行滤波。
图12。(a)放大前激光束廓形;(b)有源元件中心放大较大的放大器后的激光束分布图。
当将放大器系统中的激光模块改为功率更大、泵浦光强分布更均匀的模块时，平均输出功率更高((Pave =125W)。在这种布局中，不需要在初始光束的强度分布中形成“凹陷”，一个平顶激光束被耦合到放大器系统中。由于激发光束的均匀分布，放大后的光束轮廓保持平顶。
5.结果与讨论
给出了一种将高斯光强分布转换为平顶光分布的简便方法。实现不低于50%的总功率转换效率是可能的。该变换器/整形器在实际应用中进行了测试，证明该变换器/整形器易于设置，适应系统的实际情况。以1 kHz脉冲重复率提供50 W和125 W平均输出功率，输出脉冲持续时间为~300 ps的放大器系统在平顶输出波束剖面上进行了演示。
与本领域已知的其他技术相反，本文没有创造可变的相位延迟，而是创造了空间可变的极化/偏振旋转。由于π相位延迟是内嵌的，变换器的SVWP充当了一个空间可变偏振旋转器，即在所有位置保持被整形光束的线性偏振状态，但将偏振面旋转一定的角度，该角度是局部人造半波片与入射偏振方向夹角的两倍。
本文提出的该技术的其他实现包括在双折射纳米结构的所有层的厚度上仅刻写π/2延迟。这意味着，人造的四分之一波片被嵌入到SVWP的一个体积内。在上游放置一个简单的四分之一波片和图4 (b)中具有相同纳米光栅方向分布的SVWP，当与分析偏光片结合使用时，产生的透射函数如图4 (a)所示。另一种实现的高斯-超高斯光束转换器由不交叉的偏振片和一个空间可变的半波片(π相位延迟的SVWP)组成，但具有纳米光栅方向的倒转模式(在最小透射点处呈45度角;0度角-在最大透射点)。如前所述，转换器最舒适的配置(易于对准和轻微调整的自由)涉及一对半波片。
虽然所描述的转换器/整形器是用于将高斯光束转换为超高斯光束，但该技术很容易适用于任意强度分布的激光束的整形。由于变换器/整形器的损耗是非吸收源的，该变换器/整形器处理高激光功率，适用于高功率激光器。
参考文献
Gertus T , Michailovas A , Michailovas K ,et al.Laser beam shape converter using spatially variable waveplate made by nanogratings inscription in fused silica[C] Conference on laser resonators, microresonators, and beam control XVII.2015.DOI:10.1117/12.2075869.
