Analysis of supercontinuum spectra characteristics of PMMA materials in linear polarization and circularly polarized light
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摘要: 飞秒激光在透明材料加工过程中会出现超连续光谱现象。在阐述超连续光谱产生的原理的基础上，为了分析PMMA材料在不同偏振光下产生的超连续光谱的阈值，设计了线偏光和圆偏光及不同能量加工PMMA材料的实验方案。利用光谱仪对产生的超连续光谱信号进行采集及处理，分析出不同能量下的线偏振(TE和TM)和圆偏振两种偏振态的超连续光谱的变化规律，并对比了相同能量下线偏振和圆偏振的超连续光谱的区别。实验中采用脉宽160 fs、中心波长为775 nm的飞秒激光，实验结果表明，同一偏振下能量越大，光谱谱宽越宽；通过对比不同能量下的光谱特性，观测出产生超连续光谱的阈值, 线偏振光的阈值为0.46 μJ，圆偏振光的阈值为0.586 μJ；对比相同能量下的线偏振和圆偏振光，线偏振的谱宽比圆偏振的宽。Abstract: Super continuous spectrum phenomenon can appear when using femtosecond laser in the process of transparent materials.On the basis of the principle of supercontinuum generation, the experimental scheme of linear polarization and circular polarization and PMMA materials with different energies is designed in order to analyze the threshold of supercontinuum spectrum of PMMA material under different polarized lights.Supercontinuum spectra of two polarized states of linear polarization (TE and TM) and circular polarization under different energies are analyzed and compared with superconducting spectra of the same energy. In the experiment, femtosecond laser with the pulse width of 160 fs and center wavelength of 775 nm is used. Experimental results show that energy of the same polarization is wider and spectrum width is wider. By comparing spectral characteristics under different energies, threshold of the spectrum and the circularly polarized light is 0.46 μJ and 0.586 μJ respectively. The spectral width of the linear polarization is wider than that of the circular polarization and circularly polarized light.
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Keywords:
- nonlinear optics /
- femtosecond laser /
- PMMA /
- line polarization /
- circular polarization /
- supercontinuum
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引言
超连续光谱光源诞生以来，由于输出光谱较宽，亮度较亮，并且具有良好的空间相干性和方向性等优势，引起了学者的极大兴趣[1]。飞秒激光脉宽极短，峰值功率极高，与透明材料相互作用会出现一系列的非线性效应[2]，在传播时光谱会出现展宽，产生超连续光谱(supercontinuum generation, SCG)。研究发现飞秒激光在微结构光纤中会产生超连续光谱现象[3-5]，宽带超连续光谱已相继在光通信、光谱学分析、光学频率测量、光学相干层析(OCT)等方面有重要应用[6-7]，学者采用中心波长为825 nm、输入脉冲宽度为35 fs的超连续光谱，分析了不同平均功率飞秒激光脉冲作用下产生的超连续光谱的现象及条件[8]。目前国内外学者研究产生超连续光谱现象的物质主要为熔融石英、光子晶体等[9]，而对PMMA则研究较少。纯净的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)是一种常见的光学热塑性材料，具有透光率高、机械性能好、使用方便、价钱便宜等优点，非常适合制作光子器件，在临床、生物和化学领域中获得了广泛的应用[10-11]。应用光学2018，39(1)吕清花，等：PMMA材料在线偏振和圆偏振光下的超连续光谱特性分析应用光学2018，39(1)吕清花，等：PMMA材料在线偏振和圆偏振光下的超连续光谱特性分析
为了分析PMMA材料的超连续光谱特性，本文根据光克尔效应的自相位调制理论，综合分析了飞秒激光脉冲传输过程中的各种物理机制，设计了线偏振(TE和TM)、圆偏振2种偏振态下和不同能量的飞秒激光作用于PMMA材料的实验，利用光谱仪采集不同条件下的超连续光谱信号，通过对展宽的光谱信号比较分析，绘制出不同偏振态、不同能量下的超连续光谱变化规律，并总结出PMMA材料在不同条件下产生超连续光谱的阈值。
1 理论分析
1.1 线偏振、圆偏振光
激光器中出射的光束偏振态多为线偏振、椭圆偏振等[12]。线偏振光有2种比较常见的偏振光TE光和TM光。TE光是入射波的电场矢量E与入射面垂直，TM光是入射波的电场矢量E与入射面平行，TE光与TM光的电矢量相互垂直，两者只是电矢量不同而已，通过λ/2波片和检偏器很容易实现TE和TM光，圆偏振光可通过调节λ/2波片和λ/4波片得到。
1.2 超连续光谱产生的条件及理论分析
1.2.1 自相位调制原理
飞秒激光具有极高的峰值功率，与透明材料相互作用时会出现多光子吸收，在传输过程中会出现强烈的非线性效应。飞秒激光脉冲在介质中传播时，其折射率随光强的变化而变化调制激光强度在时域上的改变，也会导致折射率在时域上的不均匀分布。这将反过来导致激光光谱中新的频率的出现[13]，这种由光场本身引起的相移称为自相位调制(self-phase modulation, SPM)，具有以下关系：
$$ n = {n_0} + {n_2}I\left( {r, t} \right) $$ (1) 式中:n为介质折射率；n0为线性折射率；n2为非线性折射率；r为极坐标；I(r, t)为激光强度I关于空间与时间(r, t)的一个变量。当强激光在介质中传播时，强激光引起的非线性折射率n2I(r, t)不能忽略，非线性折射率n2大小和能量分布与激光光强有关。SPM在飞秒激光产生的超连续光谱形成过程中起到了关键作用。
1.2.2 超连续光谱产生理论
当一束高强度飞秒激光脉冲通过透明介质材料后，由于超短脉冲激光具有较高的峰值功率密度，在传输过程中会产生非线性效应，使得出射光谱中产生新的频率成分，各种不同频率相互作用产生新频率的光束，出射光束的频谱被展宽，如图 1所示。这种相互作用越强，产生的频谱展宽越宽，从而生成一定波长范围的宽带光谱，这种光谱展宽的范围可以覆盖从紫外到红外较长的波段，从而产生超连续光谱[15]。
当飞秒激光在空气这种非线性介质中传输时, 会产生超连续光谱。与此同时，会引起丝状物的产生，超连续光谱频谱的展宽将伴随着丝状物出现[16]，由高强度自陷的飞秒激光光束诱导而产生。激光通过克尔自聚焦使得激光光束聚焦, 能量密度变强从而电离了空气。电离空气之后产生的等离子体会导致激光脉冲的散焦, 通过等离子体散焦和自聚焦的共同作用[17]，会出现如图 2所示的空间动态补偿模型。
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图 2 自聚焦与自散焦空间动态补偿模型示意图Figure 2. Schematic diagram of dynamic compensation of self-focusing and self-defocusing model图 2所示的模型是一个“聚焦-散焦-聚焦”的不断循环过程，一直存在于光束的传输中，循环将持续到脉冲的功率不足以再聚焦为止。光谱展宽是由很多非线性效应共同作用产生的，其中包括了自相位调制、脉冲自陡峭以及介质电离等引起的在时域上脉冲分布的改变。不同材料产生的超连续光谱阈值不同，且偏振态也会影响阈值大小。目前对透明的PMMA材料产生超连续光谱的特性研究较少。
2 实验设计及实验装置
为了探究PMMA材料在线偏振和圆偏振光及不同能量下产生超连续光谱的变化规律，搭建了图 3所示的实验系统，飞秒激光器采用美国相干公司的产品，中心波长为780 nm、脉冲宽度为120 fs、重复频率为1 kHz。从激光器中出射激光为线偏振，通过调整1/2波片和1/4波片，可获得TE和TM光和圆偏振光，将其利用聚焦透镜(f=50 mm)进行聚焦，加工样品材料为PMMA材料，加工前材料侧面进行研磨和抛光处理，加工时单脉冲能量控制在0.28 μJ~1.05 μJ范围内，在PMMA后端接光谱仪测量产生的超连续光谱。为了区分2种光，从激光器中出射的光称为激发光。
3 实验结果及分析
实验中激光器出射的是线偏振光，通过图 3所示的原理图控制入射激光的偏振态：线偏振(TE和TM)和圆偏振，将3种偏振态的激光分别经过透镜聚焦到透明材料PMMA内部，利用光纤光谱仪接收拓宽后的超连续光谱，图 4给出了单脉冲能量分别为0.281 μJ、0.460 μJ、0.674 μJ、0.850 μJ和1.00 μJ的5组光谱图结果。
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图 4 不同能量下的2种线偏振光产生超连续光谱实验结果图Figure 4. Experimental results of two kinds of linearly polarized light with different energies从图 4(a)和4(b)可以看出5种不同能量下的TE和TM光均产生了超连续光谱现象，超连续光谱谱宽覆盖了从745 nm~812 nm的谱区。对比观察5组数据，可以将超连续光谱描述为：光谱谱宽受SPM的影响，能量越高，光谱的谱宽也越宽。超连续光谱沿780 nm(激发光波长)向两边展宽，780 nm对应的光强处于饱和状态(激发光能量过强造成)。图 4(c)为圆偏振飞秒激光在不同能量下采集的超连续光谱图。从图 4可看出，TE、TM光和圆偏振光产生的超连续光谱有一些共同规律，低能量时，主要是入射激光(对应波长为780 nm)的光谱。随着能量的增加，当能量超过一定值(阈值)时，接收到的光谱范围不断增宽，出现超连续光谱现象，而且随着能量的进一步增大，光谱宽度不断展宽。
为了获得TE、TM光和圆偏振种、偏振态下产生的超连续光谱阈值，本文将激发光能量从0.182 μJ开始，再依次增大，共得到16组不同能量对应的超连续光谱数据。对每组数据选定固定光谱范围，然后统计该范围内的面积值。当面积值发生突变时，认为此激发光能量为该偏振态产生超连续光谱的阈值。
根据图 4的曲线特征，选取2个光谱范围进行计算：前波段745 nm~758 nm和后波段787 nm~812 nm，结果如图 5所示。从图 5可以观测出超连续光谱的阈值产生时对应的波长。对于圆偏振光，当激光单脉冲能量达到0.586 μJ时，第一次出现能量相对值增长最快，认为在此能量下达到了其产生超连续光谱的阈值；对于TE，当激光单脉冲能量达到0.46 μJ时，认为在此能量下达到了其产生超连续光谱的阈值；对于TM，当激光单脉冲能量达到0.46 μJ时，认为在此能量下达到了其产生超连续光谱的阈值。
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图 5 前后波段产生超连续光谱的阈值阶段Figure 5. Threshold phases of supercontinuum before and after the band4 结论
利用脉宽160 fs、中心波长为780 nm的飞秒激光对PMMA材料进行加工，观察了不同能量状态下线偏振、圆偏振和相同能量下线偏振、圆偏振产生的超连续光谱现象，分析了其光谱的变化过程具有以下变化规律：1)针对线偏振光和圆偏振光，分别分析了不同能量下产生超连续光谱的强度变化趋势，飞秒激光的自相位调制是导致光谱展宽的主要原因，对同一种材料PMMA，激光能量越大，光谱宽度越宽, 但有一个最大值, 这个最大值取决于材料的带宽。2)对于不同偏振方向的线偏振光TE和TM，其产生的超连续光谱曲线很类似，说明线偏振的不同偏振方向对其超连续光谱的影响不大。3)在相同能量的状态下，线偏振光的谱宽比圆偏振光的宽。因此为了获得稳定、平坦、谱宽更宽的超连续光谱，宜采用较大能量的线偏振光。
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图 2 自聚焦与自散焦空间动态补偿模型示意图
Figure 2. Schematic diagram of dynamic compensation of self-focusing and self-defocusing model
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图 4 不同能量下的2种线偏振光产生超连续光谱实验结果图
Figure 4. Experimental results of two kinds of linearly polarized light with different energies
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