CN104283105B - 用于谐波转换装置对温度变化引起相位失配的补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种用于谐波转换装置对温度变化引起的相位失配补偿方法，结构为电光晶体放置在两块非线性晶体之间，电压源电压加载在电光晶体上，温度传感器传感非线性晶体温度。在光束通过第一块非线性晶体后，进入下块非线性晶体前先通过该电光晶体，利用晶体的电光效应，补偿在第一块非线性晶体中产生的相位失配，然后再进入第二块非线性晶体进行谐波转换。本发明可以有效地降低谐波转换效率对温度变化的敏感度，进而实现了高效稳定的谐波转换，而且对于不同类型晶体、进行不同波段的谐波转换时都可以通过对该结构进行重新设计实现对温度不敏感的高效稳定谐波转换。

Description

用于谐波转换装置对温度变化引起相位失配的补偿方法

技术领域

本发明涉及激光谐波转换，特别是一种用于谐波转换装置对温度变化引起相位失配的补偿方法。

背景技术

基于二阶非线性光学效应的高效光学谐波转换是最重要的非线性光学效应之一。通过谐波转换，比如和频(SFG)、差频(DFG)、光参量放大(OPA)及光参量振荡(OPO)等可以开拓新的相干波段，提供从远红外到紫外各种波段的相干光源，满足实际应用的需要。目前，利用非线性光学晶体(BBO、LBO、KDP、DKDP、KTP等)进行的激光谐波转换已成为产生可调谐相干辐射的重要手段之一，也是紫外超短脉冲产生、激光惯性约束聚变等系统的关键环节。因此，谐波转换的转换效率直接影响着相应系统装置的各项性能。随着激光应用领域的不断深入和拓展，高功率、高效率的倍频激光输出已是非线性谐波转换研究发展的重要方向。

目前，最常用的谐波转换技术之一是双折射相位匹配(BPM)技术，这种技术是利用非线性晶体的双折射特性，通过选择入射光的波矢方向和偏振方向来实现相位匹配。然而，非线性晶体的折射率与温度有关，它会因温度的不同而变化，与此技术相关的设备或实验装置在运行过程中会因为外界光源照射、晶体吸收以及实际环境的温控精度有限等因素的影响导致晶体实际温度偏离理想工作温度。当晶体实际温度偏离理想工作温度时，原本相位匹配的晶体将产生相位失配，导致谐波转换效率下降，这一影响对于高峰值功率、高重复频率的激光脉冲谐波转换尤为明显。所以非线性晶体(尤其对于一些折射率对温度较为敏感的晶体，如：DKDP、LiNbO3等)的谐波转换效率与周围环境温度的控制和晶体内部温度变化有着密切关系。

为解决晶体温度变化导致相位失配而影响谐波转换效率的问题，人们提出了一些补偿措施：Hov提出将晶体加工成板条状，增大热传导面积，改变基频光光束分布来减少晶体的热效应；Eimerl和Wu Sheng提出了采用多片薄片晶体组合实现谐波过程，一方面提高光波在晶体中的互作用的长度，另一方面又增大了晶体的散热面积来补偿热致相位失配；Yap等提出了采用冷却气体吹晶体使晶体出现相对相位匹配温度负温度变化，正好与倍频过程中出现的温度正变化相抵消，从而实现补偿温度系数的目的。但是这些方法都有不足之处，比如晶体加工成板条状，改变基频光光束分布、用冷却气体吹晶体都会使入射光束波面产生畸变，从而影响最终的光束质量；而采用多片薄片晶体组合方式实现谐波过程需要较多的光学元器件，结构复杂，每块晶体的通光面也不可能完全平整一致，光束通过每块晶体都会在一定程度上产生不同的畸变，当光束通过多块晶体后，畸变会逐渐累积导致光束质量下降严重，同时因为相位匹配技术对角度的调节精度要求非常高，当采用多块晶体级联时，其相位匹配角的调节难度变得非常困难，也易受外界扰动的影响，因此此类方案难以维持高效稳定的运行。

钱列加等提出使用两种不同的非线性晶体通过交叉级联方式组成实现相位匹配对温度不敏感的光参量倍频转换装置(参见钱列加等.位相匹配条件对温度不敏感的光参量倍频转换装置:中国,201210039454.0[P].2014.07.09)，其原理是当温度变化时这两种晶体导致的相位失配量对温度的一阶偏导的符号是相反的来互相补偿。但由于使用不同类型的晶体，其晶格结构不同，相位失配量对温度的一阶导符号、大小也都不尽相同，目前只能在一些波段找到符合要求的晶体，要寻找出在不同波段一一对应的不同温度变化时相位失配量变化满足大小相近、符号相反的晶体，实现起来比较困难，甚至对于某些波段目前不存在满足要求的晶体，所以这种方案适用的温度范围、波长范围有一定的局限性，因此单纯依靠晶体自身随温度变化来实现互相补偿相位失配量所适用的范围是比较有限的。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有的谐波转换技术中由于受温度影响导致晶体折射率发生变化产生相位失配从而难以实现高效稳定的光学谐波转换问题，提出一种用于谐波转换装置对温度变化引起相位失配的补偿方法，从而实现对温度不敏感的高效稳定光学谐波转换方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于谐波转换装置对温度变化引起相位失配的补偿方法，该方法包括下列步骤：

①在沿光束输入方向的第一非线性晶体和第二非线性晶体之间设置电光晶体，该电光晶体)的Z轴垂直于所述的第一非线性晶体和第二非线性晶体的通光方向，在所述的电光晶体的Z轴方向施加可调电压源；温度传感器对所述的第一非线性晶体和第二非线性晶体之间的温度进行测量；

②保持谐波转换装置高效稳定的谐波转换，通过实验测量或模拟计算，绘制出不同温度下施加在所述的电光晶体两端的电压补偿第一非线性晶体上因温度变化引起的相位失配的温度电压定标曲线；

③当谐波转换装置工作时，所述的温度传感器实时地输出所述的第一非线性晶体(1)和第二非线性晶体之间的温度，在所述的温度电压定标曲线上找出相应的电压值，通过所述的电压源在所述的电光晶体上施加相应的电压；

④当所述的温度传感器输出的温度发生变化时，重复步骤③。

本发明的技术效果：

1、本发明相对于传统利用多薄片晶体组合这类谐波转换方法，本方法进行谐波转换的晶体只有两片，结构简单，光学元器件数量较少，这就降低了光束畸变的程度，同时在实际实验中相位匹配角度的调节难度也大为降低，具有较好的稳定性。

2、对于钱列加等提出的方法，本方法不需要针对不同波段寻找不同温度变化时相位失配量变化满足大小相近、符号相反的晶体，也不会因对于某些波段不存在的符合要求的晶体而无法实现对温度不敏感的谐波转换。

3、本方法利用晶体的电光效应，通过改变电压值，可以灵活的实现温度变化引起的相位失配补偿，使相位失配对温度变化的敏感度大大降低，这也就降低了温度控制精度、入射光功率等条件要求，可以在较大温度波动范围内实现高效稳定的谐波转换(尤其对于连续激光、高重频脉冲激光的谐波转换)，而且对于不同波段的倍频、和频、差频、光参量放大等非线性过程都可采用这种设计方案。

附图说明

图1为本发明用于谐波转换装置对温度变化引起相位失配的补偿方法的结构示意图，

图2为以DKDP晶体II类相位匹配进行和频(ω_1e+ω_2o→ω_3e)为例对本发明进行的原理验证模拟计算过程示意图。

图3为以DKDP晶体为例说明由于电光效应导致晶体折射率发生变化的示意图。

图4为以DKDP晶体为例对本发明进行模拟验证时，所计算出的不同温度与加载在电光晶体上的电压的温度电压定标曲线。

图5为通过计算机模拟不同最佳工作温度的晶体在不同温度时的谐波转换效率以及采用本发明方法在不同温度下的谐波转换的效率。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明方法进行具体说明。

先请参阅图1，图1为本发明用于谐波转换装置对温度变化引起相位失配的补偿方法的结构示意图，由图可见，本发明用于谐波转换装置对温度变化引起相位失配的补偿方法，该方法包括下列步骤：

①在沿光束输入方向的第一非线性晶体1和第二非线性晶体3之间设置电光晶体2，该电光晶体2的Z轴垂直于所述的第一非线性晶体1和第二非线性晶体3的通光方向，在所述的电光晶体2的Z轴方向施加可调电压源；温度传感器对所述的第一非线性晶体1和第二非线性晶体3之间的温度进行测量；

②保持谐波转换装置高效稳定的谐波转换，通过实验测量或模拟计算，绘制出不同温度下施加在所述的电光晶体2两端的电压补偿第一非线性晶体1上因温度变化引起的相位失配的温度电压定标曲线；

③当谐波转换装置工作时，所述的温度传感器实时地输出所述的第一非线性晶体1和第二非线性晶体3之间的温度，在所述的温度电压定标曲线上找出相应的电压值，通过所述的电压源在所述的电光晶体2上施加相应的电压；

④当所述的温度传感器输出的温度发生变化时，重复步骤③。

为了清楚的描述该方案整个谐波转换过程，下面以DKDP晶体采用II类相位匹配方式进行和频(ω_1e+ω_2o→ω_3e)产生三次谐波过程为例，对本发明进行详细的说明，如图2所示。

DKDP晶体为负单轴晶体，其传统II类相位匹配方式进行的和频过程为非线性晶体中一束偏振态为e的光ω_1e和一束偏振态为o的光ω_2o产生偏振态为e的光ω_3e，即ω_1e+ω_2o→ω_3e，相位匹配条件为：Δk＝k_3e-k_1e-k_2o＝0，即n_3eω_3e＝n_1eω_1e+n_2oω_2o。设温控装置可控制范围为T_min～T_max，一块厚度为L₀的单块DKDP晶体，在理想室温T₀工作时，相位匹配角为θ₀。入射基频光ω_1e波长为λ₁，二倍频光ω_2o波长为λ₂，产生的三倍频光ω_3e波长为λ₃＝(λ₁λ₂)(λ₁+λ₂)，若此时DKDP晶体温度就处在T₀，那么就可以实现高效三次谐波转换。但实际中晶体会受外界热源、温控等因素的影响，使其温度偏离T₀，那么就会产生相位失配，导致谐波转换效率降低。

本发明中采用两块最佳工作温度为T₁、T₂(T_min≤T₁≤T₂≤T_max)、切割角为θ₁、θ₂，厚度为L₁、L₂第一非线性晶体1、第二非线性晶体3和一块放置在第一非线性晶体1、第二非线性晶体3之间长度为L，高度为d的电光晶体2(为了简单清晰的描述该方法，这里电光晶体也以DKDP为例)。当晶体工作温度处于T时，可以通过Sellmeier Equation求出，该温度下两入射光束ω_1e、ω₂和产生的三倍频光束ω₃在不同切割角晶体中相应的折射率n_1e(θ₁)、n_2o、n_3e(θ₁)；n_1e(θ₂)、n_2o、n_3e(θ₂)，e光折射率与切割角有关，o光折射率与切割角无关，通过以下公式可以求出该温度下两晶体中相位失配值Δk₁、Δk₂：

当入射光束经过第一非线性晶体1后，光束之间的相位失配量为此时如果不加电光晶体，光束直接进入第二非线性晶体3，第一非线性晶体1中产生的相位失配量将影响第二非线性晶体3中的谐波转换，使整体谐波转换效率下降较为严重。若第一非线性晶体1中出来的光束进入第二非线性晶体3前先通过电光晶体，利用电光效应对第一非线性晶体1中产生的相位失配量进行补偿，这样光束再进入第二非线性晶体3时，便有高的谐波转换效率。

电光晶体仍以DKDP为例，电压加载在其光轴z方向进行横向电光调制，调制器的结构如图2所示，因为外加电场沿z方向，所以E_x＝E_y＝0，E_z＝E，DKDP由单轴晶体变为双轴晶体，其折射率椭球的主轴x′、y′相对于原来的x、y轴(绕z轴)旋转了45°，此转角与外加电场大小无关，如图3所示，其折射率变化与电场大小成正比，折射率的变化量Δn的值称为电致折射率变化，由此可以计算出加电压后的各主轴相应的折射率。

DKDP类晶体属于四方晶系，点群，是负单轴晶体，因此有n_x＝n_y＝n_o，n_z＝n_e且n_o＞n_e，这类晶体的电光张量为：

而且γ₄₁＝γ₅₂，因此这一类晶体独立的电光系数只有γ₄₁、γ₆₃两个，根据外加电场E可以求得折射率变化量：

Δn_e＝0

新的主轴折射率也就可以求出：

n_z′＝n_e

此结构的通光方向与z轴垂直，沿y′方向传播，基频光ω_1e偏振方向沿z方向，二倍频光ω_2o偏振方向沿x′方向，三倍频光ω_3e偏振方向沿z方向，电光晶体通光方向长度为L，高(两电极间的距离)为d，外加电压V＝E_zd，则在晶体中传播时的基频光ω_1e、二倍频光ω_2o和三倍频光ω_3e的折射率分别为：

n′₁＝n_1e(θ₁)

n′₃＝n_3e(θ₁)

由于电光效应三束光之间产生的相位失配量为：

要实现高效谐波转换电光晶体须对第一非线性晶体1中产生的相位失配进行补偿，即：

则加载在电光晶体上的电压值可以通过如下公式计算出来：

Δk₁×L₁＝-Δk′×L

上式中的参数均可由当前温度T和已知数据计算得出。在此基础上利用温度传感器获取当前温度，针对不同的温度来调节加载在电光晶体上的电压值，可以使谐波转换装置灵活的运行于温控装置可控制范围为T_min、T_max的环境中实现稳定高效的谐波转换。该结构对于其他类型晶体进行不同波段的谐波转换原理与此类似。

下面对根据该设计方案进行的计算机模拟验证，假设入射基频光ω_1e波长为λ₁＝1053nm，二倍频光ω_2o波长为λ₂＝526.5nm，它们具有相同的波形、脉冲时间、光斑半径，功率密度分别为0.5Gwcm²、1Gwcm²，其光子数之比为1:1，能量之比为1:2，该条件下不同温度与加载在电光晶体上的电压关系如图4所示。

首先模拟计算单块长为10mm的非线性晶体理想工作温度分别为23℃、24℃、25℃、26℃、27℃时，相应的相位匹配角为61.8165°、61.8242°、61.8319°、61.8396°、61.8473°，其工作在23℃～27℃情况下相应的三次谐波转换效率，然后模拟两块晶体级联(长度分别为L₁＝5.7mm、L₂＝4.3mm，其切割角分别为θ₁＝61.8267°、θ₂＝61.8370°)并在中间加入电光晶体对相位失配进行补偿的情况下，使其工作在23℃～27℃时的三次谐波转换效率，计算得出的效率图如图5所示。从图中可以看出，对于单块晶体当其在最佳工作温度使用时谐波转换效率很高，但当温度变化时其谐波转换效率大大降低，而使用本发明在两块非线性晶体之间加入电光晶体对产生的相位失配量进行补偿后再进行谐波转换时，当温度发生变化情况下，谐波转换效率仍可以保持在一个较高的水平，对温度变化的敏感度大为降低(相应的曲线为“*”标注的曲线)。

由此可以看出，本发明采用的两块谐波转换非线性晶体之间加一块用于相位失配补偿的电光晶体组成的级联结构在进行谐波转换时可以有效地降低转换效率对温度变化的敏感度。而且该结构组成简单，对不同温度情况下效率提升明显，可工作温度范围增大，对于不同类型晶体、不同波段进行的倍频、和频、差频、光参量放大等非线性过程时都可以通过对该结构简单的重新设计实现对温度不敏感的稳定高效谐波转换。

Claims (1)

1.一种用于谐波转换装置对温度变化引起相位失配的补偿方法，特征在于该方法包括下列步骤：

①在沿光束输入方向的第一非线性晶体(1)和第二非线性晶体(3)之间设置电光晶体(2)，该电光晶体(2)的Z轴垂直于所述的第一非线性晶体(1)和第二非线性晶体(3)的通光方向，在所述的电光晶体(2)的Z轴方向施加可调电压源；温度传感器对所述的第一非线性晶体(1)和第二非线性晶体(3)之间的温度进行测量；

②通过实验测量或根据第一非线性晶体(1)和第二非线性晶体(3)之间的温度和已知的晶体材料数据模拟计算出施加在电光晶体(2)上的电压，以补偿第一非线性晶体(1)中温度变化引起的相位失配，绘制出第一非线性晶体(1)和第二非线性晶体(3)之间的温度与施加在所述的电光晶体(2)两端的电压的温度电压定标曲线；

③当谐波转换装置工作时，所述的温度传感器实时地输出所述的第一非线性晶体(1)和第二非线性晶体(3)之间的温度，在所述的温度电压定标曲线上找出相应的电压值，通过所述的电压源在所述的电光晶体(2)上施加相应的电压；

④当所述的温度传感器输出的温度发生变化时，重复步骤③。