CN100483088C - 聚焦高斯光束相速度分布的测量方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光技术领域，具体为一种基于离轴和频产生实现聚焦高斯光束相速度分布测量方法及其装置。该方法利用两束偏振方向相互垂直且束腰位置、束腰宽度相等的离轴高斯光束，以二类相位匹配入射非线性晶体产生和频光，并通过测量最佳相位失配量Δkopt间接取得聚焦高斯光束的相速度分布的数据，从而实现聚焦高斯光束的相速度分布的测量。该装置由一个激光光源，两块分束镜，两块反射镜，两块凸透镜，两块偏振片，一块非线性晶体、一块滤光镜及一个探测器经光路连接组成。本方法和装置填补了传统测量方法无法实现的聚焦高斯光束中非均匀的相速度分布的测量的空白。

Description

聚焦高斯光束相速度分布的测量方法及其装置
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于离轴和频产生对聚焦高斯光束相速度分布进行测量的方法及其装置。
背景技术
聚焦高斯光束的相速度分布是不均匀的，即在强聚焦高斯光束中存在相速度大于和小于光速的区域。相速度小于光速的区域在诸多领域，尤其是在粒子加速中，起着举足轻重的作用。实现对聚焦高斯光束的相速度分布的测量也因此显得非常重要。
过去传统的测量相速度的方法是直接对波矢及其相位进行测量。但该方法不适用于聚焦高斯光束中相速度分布的测量。因为(1)聚焦光束中的相速度不是均匀分布的；(2)在聚焦光束中，不同位置之间的相速度差别非常小，比如对于束腰小到波长的10倍量级的光束，其相速度差别也仅在10-4C的量级。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够对聚焦高斯光束中相速度分布进行测量的方法和装置。
本发明提出的对聚焦高斯光束中相速度分布进行测量的方法，是基于离轴和频产生而实现的测量方法，具体是利用两束偏振方向相互垂直且束腰位置、束腰宽度相等的离轴高斯光束，以二类相位匹配入射非线性晶体产生和频光，并通过测量最佳相位失配量Δkopt间接取得聚焦高斯光束的相速度分布的数据，从而实现聚焦高斯光束的相速度分布的测量。
本发明根据离轴高斯光束和频产生时最佳相位失配量Δkopt与相速度分布之间存在一定的关系：在二类相位匹配的离轴高斯光束和频产生过程中，基频光与和频光之间存在相速度差异，因此本发明引入一个偏离完全相位匹配的最佳相位失配量Δkopt来补偿基频光与和频光之间存在的相速度差异，从而获得最大的和频光产生效率；最佳相位失配量Δkopt会随着两个离轴高斯光束之间的偏离距离x0而变化，这反映了最佳相位失配量Δkopt与相速度分布之间是相互关联的，其关系可以用下式来表示：
Figure C200610027438D00032
上式中，
Figure C200610027438D00041
表示基频高斯光束的在
Figure C200610027438D00042
位置处的相速度，C表示基频平面波在晶体中的相速度，Δkopt(x0，z)、Δkopt(0，z)分别表示离轴距离为x0和0时的最佳相位失配量，k和频表示和频光的波数。
由公式(1)，本发明只要知道在偏离距离分别为0和x0处的最佳相位失配量Δkopt(0，z)、Δkopt(x0，z)，就能获得基频光在x0/2位置处的相速度
Figure C200610027438D00043
通过调节偏离距离x0并测得相应的最佳相位失配量Δkopt，就能得到基频光的相速度分布。从而实现聚焦高斯光束中相速度分布的测量。
在图1中，用数值计算模拟了本发明提出的测量方法(参数取为：w0＝10λ，L＝0.5zR，这里w0，λ，zR分别为基频光的束腰宽度、波长和瑞利距离，L为晶体长度)，并将模拟所得相速度分布与理论值进行了比较，结果表明，二者吻合得很好。因此，本发明所提出的测量方法可以实现聚焦高斯光束相速度分布的测量。
图2是根据本发明所提出的方法而设计的测量高斯光束的相速度分布的装置。该装置由一个激光光源，两块分束镜，两块反射镜，两块凸透镜，两块偏振片，一块非线性晶体、一块滤光片及一个探测器经光路连接组成。其光路连接关系为：由激光源1发出的圆偏振基频高斯光束13，经过分束镜2分为两束相互垂直的线偏振基频高斯光束，其中，一光束14经过偏振片3、反射镜5、凸透镜7和分束镜9，另一光束15经过偏振片4、反射镜6、凸透镜8和分束镜9；分束镜9后依次为非线性晶体10、滤光片11、探测器12。经过分束镜9后，得到两束离轴且偏振方向相互垂直的聚焦线偏振基频高斯光16和17，聚焦线偏振基频高斯光束入射到非线性晶体10，产生线偏振和频高斯光束18。光路中的滤光片11将聚焦线偏振基频高斯光束滤去，而线偏振和频高斯光束由探测器12接收。
本装置中，通过反射镜和透镜的联动来调节基频光之间的离轴距离，通过调节凸透镜的位置而使两基频光取得相同的束腰宽度和束腰位置。接收过程中，通过调节非线性晶体的角度，探测器可探测到和频光的调谐曲线，调谐曲线峰值处所对应的非线性晶体角度即最佳相位匹配Δkopt所对应的角度，可根据此角度计算出最佳相位匹配Δkopt。通过反射镜和凸透镜的联动来调节两束基频高斯光束之间的离轴距离x0，可获得不同离轴距离x0时的最佳相位匹配Δkopt。再根据公式(1)，即可获得基频光的相速度分布。
附图说明
图1为数值模拟本发明的方法所得高斯光束相速度分布与理论值的比较(参数取为：w0＝10λ，L＝0.5zR)。图中菱形符号表示数值模拟的结果，实线表示理论值，r1表示基频高斯光束的横坐标。
图2为测量高斯光束的相速度分布的装置。
图中标号：1为激光源，2为第一分束镜，3为第一偏振片，4为第二偏振片，5为第一反射镜，6为第二反射镜，7为第一凸透镜，8为第二凸透镜，9为第二分束镜，10为非线性晶体，11为滤波片，12为探测器，13为圆偏振基频高斯光束，14为线偏振基频高斯光束，15为另一线偏振基频高斯光束，16为聚焦线偏振基频高斯光束，17为另一聚焦线偏振基频高斯光束，18为线偏振和频高斯光束。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明。
图2所示为根据本发明的测量高斯光束的相速度分布的装置。由激光源1所发出的圆偏振基频高斯光束13经分束镜2分为两束，分别通过偏振片3和4后，变成线偏振基频高斯光束14和15。经凸透镜7和8聚焦后得到离轴且偏振方向相互垂直的聚焦线偏振基频高斯光束16和17，聚焦线偏振基频高斯光束16和17经分束镜9后入射到非线性晶体10，将会产生线偏振和频高斯光束18。利用滤光片11将聚焦线偏振基频高斯光束16和17滤去，而线偏振和频高斯光束18则由探测器12接收。
在接收过程中，通过调节非线性晶体10的角度，探测器12可探测到和频光18的调谐曲线，调谐曲线峰值处所对应的非线性晶体10的角度即最佳相位匹配Δkopt所对应的角度，可根据此角度计算出最佳相位匹配Δkopt。
通过反射镜5和透镜7的联动(或反射镜6和透镜8的联动)来调节基频光16和17之间的离轴距离x0。并重复上述操作，可获得不同离轴距离x0时的最佳相位匹配Δkopt。再根据公式(1)，即可获得基频光的相速度分布。
在测量过程中，聚焦线偏振基频高斯光束16和17通过调节凸透镜7和8的位置而取得相同的束腰宽度和束腰位置。
在测量过程中，所得到的相速度分布是整个晶体长度内的平均值，而当晶体较短(小于或等于0.5倍瑞利距离)时，所得到的相速度即晶体中点处所对应的基频光相速度。

Claims (4)

1、一种聚焦高斯光束相速度分布测量方法，其特征在于利用两束偏振方向相互垂直且束腰位置、束腰宽度相等的离轴高斯光束，以二类相位匹配入射非线性晶体产生和频光，并通过测量最佳相位失配量Δkopt间接取得聚焦高斯光束的相速度分布的数据，从而实现聚焦高斯光束的相速度分布的测量。
2、根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于具体步骤如下：
在二类相位匹配的离轴高斯光束和频产生过程中，引入一个偏离完全相位匹配的最佳相位失配量Δkopt来补偿基频光与和频光之间存在的相速度差异，从而获得最大的和频光产生效率；最佳相位失配量Δkopt与相速度分布
Figure C200610027438C00021
之间关系用下式来表示：
Figure C200610027438C00022
上式中，
Figure C200610027438C00023
表示基频高斯光束的在
Figure C200610027438C00024
置处的相速度，C表示基频平面波在晶体中的相速度，Δkopt(x0，z)、Δkopt(0，z)分别表示离轴距离为x0和0时的最佳相位失配量，k和频表示和频光的波数；
通过调节偏离距离x0并测得相应的最佳相位失配量Δkopt，就能得到基频光的相速度分布，从而实现聚焦高斯光束中相速度分布的测量。
3、一种聚焦高斯光束相速度分布测量的装置，其特征在于由一个激光光源，两块分束镜，两块反射镜，两块凸透镜，两块偏振片，一块非线性晶体、一块滤光镜及一个探测器经光路连接组成；光路连接关系为：由激光源(1)发出的圆偏振基频高斯光束(13)，经过第一分束镜(2)分为两束相互垂直的线偏振基频高斯光束；其中一光束(14)经过第一偏振片(3)、第一反射镜(5)、第一凸透镜(7)和第二分束镜(9)，另一光束(15)经过第二偏振片(4)、第二反射镜(6)、第二凸透镜(8)和第二分束镜(9)；第二分束镜(9)后依次为非线性晶体(10)、滤光片(11)、探测器(12)。
4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于通过反射镜和透镜的联动来调节基频光之间的离轴距离，通过调节凸透镜的位置而使两基频光取得相同的束腰宽度和束腰位置。
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