CN104682185B

CN104682185B - 一种改善超短激光倍频能量稳定性的方法

Info

Publication number: CN104682185B
Application number: CN201310604796.7A
Authority: CN
Inventors: 颜立新; 黄志华; 游�燕; 唐传祥
Original assignee: Nuctech Co Ltd
Current assignee: Nuctech Co Ltd
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2018-05-15
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: CN104682185A

Abstract

本发明涉及用于改善超短激光三倍频能量稳定性的方法，其特征在于，具有如下步骤：（a）获得三倍频转换效率相对于基频光的光强度的曲线；（b）根据上述曲线的下降部，获得与所述下降部对应的光强度范围；（c）调整基频光的基本参数，使基频光的光强度处于所述光强度范围。根据本发明，通过选择基频激光参数（脉冲能量、脉冲宽度、光束口径）和晶体参数，使三倍频过程工作在三倍频效率曲线的下降段的合适位置，从而显著改善了三倍频光的能量稳定性，这种被动的稳定性方法突破了传统的三倍频光能量抖动是基频光能量抖动约三倍的限制，使三倍频光的能量稳定性明显优于基频光，并且，还能同时显著提高三倍频光的横向分布和纵向分布的平滑性。

Description

一种改善超短激光倍频能量稳定性的方法

技术领域

本发明涉及一种用于改善超短激光倍频能量稳定性的方法，特别涉及改善超短激光三倍频能量稳定性的方法。

背景技术

通常认为，由于超短激光的三倍频是一个三阶非线性过程，所以三倍频输出的能量抖动接近基频激光抖动的三倍。一般基于多通放大器的激光系统输出的基频光能达到2%的均方根能量稳定性，根据通常的理解，所产生的三倍频光的能量稳定性将恶化为基频光能量抖动的三倍，这给光阴极注入器等对超短紫外激光能量稳定性要求高的应用带来极大限制，例如，Linac Coherent Light Source (LCLS)要求驱动光阴极的紫外光的能量抖动小于2% rms，FER-MI系统紫外光的能量抖动设计指标是小于3% rms。基于传统的理解，如果要获得2%的紫外光能量抖动，那么红外光的能量抖动要求小于0.7%，这对激光系统是一个非常高的要求，需要采取一系列复杂的主动控制手段。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供一种能够改善超短激光三倍频能量稳定性的被动方法。

关于改善超短激光三倍频能量稳定性的方法，可以分为主动方法和被动方法。具体地说，主动的稳定性做法是，在紫外光产生之后，结合起偏器和二分之一波片，通过测量紫外光的脉冲能量，计算平均能量，然后，通过测到的上一个脉冲的能量与上述平均能量的差值，换算成维持脉冲能量稳定时二分之一波片应该转过的角度，通过电信号去反馈调节二分之一波片转过该角度，从而达到三倍频能量稳定性提高的目的。相对与此，在本发明中提供了一种被动方法，它与上述的主动方法有本质不同，不仅简单有效，而且能够显著提高三倍频脉冲能量稳定性，更重要的是，本发明中的被动方法还能同时显著提高三倍频光的横向分布和纵向分布的平滑性。

本发明提供一种用于改善超短激光三倍频能量稳定性的方法，其特征在于，具有如下步骤：

（a）获得三倍频转换效率相对于基频光的光强度的曲线；

（b）根据所述曲线的下降部，获得与所述下降部对应的光强度范围；

（c）调整基频光的基本参数，使基频光的光强度处于所述光强度范围内。

此外，在本发明的方法中，所述步骤（a）包括如下步骤：（a1）选择所使用的激光器并确定所述激光器输出的基频光的基本参数，并且，选择所使用的三倍频晶体；（a2）针对激光系统的基本参数和所述三倍频晶体，计算不同光强度下的三倍频转换效率曲线，并且计算对应的不同光强度下三倍频能量抖动与基频光能量抖动之比，从而确定理论上光强最优工作点，即，使抖动最小的工作点；（a3）对于所述激光器，将所述光强最优工作点作为参照，在所述光强最优工作点附近以从低到高的方式调整所述基频光的能量，测量相应的三倍频转换效率，由此，获得三倍频转换效率随光强度的先上升后下降的曲线。

此外，在本发明的方法中，在所述步骤（c）中进而根据需要使基频光的光强度为所述曲线的所述下降部上的某一点所对应的光强度。

此外，在本发明的方法中，在所述步骤（a2）中是利用耦合波方程得到不同光强度下的三倍频转换效率曲线的。

此外，在本发明的方法中，在所述步骤（c）中，通过改变基频光的光束口径、基频光的脉冲宽度、基频光的脉冲能量这三者中的至少一个来调整基频光的基本参数。

此外，在本发明的方法中，所述三倍频光是紫外光。

此外，在本发明的方法中，所述基频光是超短红外光。

此外，本发明提供一种用于改善超短激光倍频能量稳定性的方法，其特征在于，具有如下步骤：

（a）获得倍频转换效率相对于基频光的光强度的曲线；

此外，在本发明的方法中，所述步骤（a）包括如下步骤：（a1）选择所使用的激光器并确定所述激光器输出的基频光的基本参数，并且，选择所使用的倍频晶体；（a2）针对激光系统的基本参数，计算不同光强度下的倍频转换效率曲线，并且计算对应的不同光强度下倍频能量抖动与基频光能量抖动之比，从而确定理论上光强最优工作点，即，使抖动最小的工作点；（a3）对于所述激光器，将所述光强最优工作点作为参照，在所述光强最优工作点附近以从低到高的方式调整所述基频光的能量，测量相应的倍频转换效率，由此，获得倍频转换效率随光强度的先上升后下降的曲线。

如上所述，在本发明中提出了一种优化超短激光脉冲三倍频光脉冲能量稳定性的被动稳定方法，在该方法中，通过选择基频激光参数（脉冲能量、脉冲宽度、光束口径）和晶体参数，使三倍频过程工作在三倍频效率曲线（以激光强度为横轴）的下降段的合适位置，从而显著改善了三倍频光的能量稳定性，这种被动的稳定性方法突破了传统的三倍频光能量抖动是基频光能量抖动约三倍的限制，使三倍频光的能量稳定性明显优于基频光。

特别是，本发明的方法在需要高能量稳定性紫外光的相关领域，例如产生高亮度电子束的光阴极微波电子枪以及其他重频三倍频产生中都具有重要意义。

此外，根据本发明，能够获得比基频光能量更加稳定的三倍频光，突破了传统方法，为产生超能量稳定的紫外光提供了一种简单易行的方法，并且，基于相同原理，与基频光相比，本发明的方法同时使三倍频激光的纵向和横向分布更加平滑。

附图说明

图1是本发明中的利用倍频晶体产生三倍频激光的装置的示意图。

图2是本发明中的三倍频转换效率和基频光能量的关系的一例的图。

图3是本发明中的理论计算和实际测量基频光和三倍频光的能量抖动与基频光能量的关系的一例的图。

图4（a）是示出本发明的实施例中的不同光强度下的三倍频转换效率曲线的图，图4（b）是本发明的实施例中的三倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比和光强度的关系曲线图。

具体实施方式

以下，根据附图详细地对本发明的方法进行说明。

首先，作为本发明的基础，根据需要来选择所使用的激光器，明确该激光器所输出的基频光的基本参数，例如中心波长、光谱带宽、最大输出能量和压缩脉冲宽度等。根据这些基本参数，能够估算激光脉冲的最大峰值功率以及不同光束口径下的激光光强、激光强度的可调范围等参数。由此，明确了激光系统的基本参数。此外，同样地，根据需要选择所使用的三倍频晶体，例如能够选择使用BBO晶体等。

然后，针对激光系统的例如脉冲宽度、光谱宽度等基本参数和所采用的三倍频晶体，利用例如耦合波方程来计算不同光强度下的三倍频转换效率曲线，并且，计算对应的不同光强度下的三倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比，得到三倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比和光强度的关系曲线图，由此，能够确定理论上的基频光的光强最优工作点，即，三倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比最小的光强度的值。

然后，利用理论设计的光强工作点与激光器的脉冲峰值功率，采用如下几种方法能够实现进行三倍频的激光的光强参数：（1）改变激光器的基频光的光束口径，设计相应的缩束或者扩束光学系统；（2）改变激光器的基频光的脉冲宽度（例如，调整脉冲压缩光栅对的间距等方法）；（3）改变进行三倍频的激光器的基频光的脉冲能量；（4）上述三种方法的组合。

然后，对于所述激光器，将上述的光强最优工作点作为参照，在该光强最优工作点附近，以从低到高的方式调整基频光的能量，测量相应的三倍频转换效率，获得三倍频转换效率随脉冲能量的变化曲线（即，能够得到三倍频转换效率随着脉冲能量的增加先上升后下降的曲线），并且，计算对应的不同光强下的三倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比，确定实际的光强最优工作点。

然后，调整激光器的光束口径或者脉冲宽度或者基频光的能量，使得应用所需的脉冲能量工作点与实际的光强最优工作点重合，在保证脉冲能量抖动显著下降的同时倍频效率的损失在可接受范围内，即，确保三倍频激光的能量抖动较小并且三倍频转换效率较高。

以下，举出具体的实施例对本申请发明进行说明。

图1是本发明中的利用三倍频晶体产生三倍频激光的装置的示意图，该装置是基于BBO晶体的三倍频转换装置。在图1中，SHG是利用β-BBO晶体进行的二倍频过程，GVDC是利用α-BBO晶体进行的群速度延迟补偿，PRP是旋转偏振片，SFG是利用β-BBO晶体进行的和频过程。此外，在本实施例中，如图1所示，基频光（1ω）由例如Ti:sapphire激光系统产生，所产生的激光的中心波长为例如800nm，光谱FWHM宽度22nm，最大输出脉冲能量17mJ，脉冲长度70fs FWHM(非变换极限)，有效束斑直径约为6mm，并且，计算得到脉冲峰值功率为800GW/cm²。所产生的激光垂直入射到第一个β-BBO晶体（SHG），通过第一个β-BBO晶体（SHG）而产生二倍频光（2ω）。然后，利用α-BBO晶体对在第一个β-BBO晶体中群速度失谐导致的群速度延迟进行补偿，接着，利用偏振态旋转片PRP对二倍频光的偏振状态进行调节，将非寻常光调节为寻常光。最后，使基频光和二倍频光通过第二个β-BBO晶体（SFG）进行和频，从而产生三倍频光（3ω）。

此外，在整个三倍频过程中，只有部分的基频光转化为三倍频光。并且，三倍频的转换效率定义为三倍频光的能量与入射的基频光的脉冲能量之比。此外，相位匹配程度、晶体的大小、入射激光的带宽以及峰值强度等因素都会影响三倍频转换效率。

此外，在本实施例中，SHG晶体（第一个β-BBO晶体）和SFG晶体（第二个β-BBO晶体）的厚度分别为190µm和100µm。并且，为了获得高的转换效率，使SHG晶体和SFG晶体的相位匹配角度分别为29.2°和44.3°。

接着，对于Ti:sapphire激光系统的例如脉冲宽度、光谱宽度等基本参数和所使用的β-BBO晶体，采用例如耦合波方程来计算不同光强下的三倍频转换效率曲线（图4（a）），并且，计算对应的不同光强下的三倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比，得到三倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比和光强度的关系曲线图（图4（b））。并且，根据所得到的图4（a）和图4（b）中所示出的曲线，能够确定理论上的激光系统的基频光的光强最优工作点，即，三倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比最小的光强度的值，参照图4（a）和图4（b）可知，在本实施例中理论上的光强最优工作点在510GW/cm²附近。

然后，利用如上所述那样得到的光强最优工作点510GW/cm²与激光器的脉冲峰值功率，采用如下几种方法能够实现三倍频的激光的光强参数：（1）改变激光器的基频光的光束口径，设计相应的缩束或者扩束光学系统；（2）改变激光器的基频光的脉冲宽度，例如，调整脉冲压缩光栅对的间距等方法；（3）改变进行三倍频的激光器的基频光的脉冲能量；（4）上述三种方法的组合。

然后，对于Ti:sapphire激光系统，将上述的光强最优工作点510GW/cm²作为参照，在该光强最优工作点附近，以从低到高的方式调整Ti:sapphire激光系统的基频光的能量，测量相应的三倍频转换效率，获得三倍频效率随脉冲能量的变化曲线（即，能够得到三倍频转换效率随着脉冲能量的增加先上升后下降的曲线），并且，计算对应的不同光强下三倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比，确定实际的光强最优工作点。

图2是在本实施例中所得到的三倍频的倍频转换效率和基频光能量的关系的图。如图2所示，三倍频转换效率随着基频光的脉冲能量的增大先上升后下降（即，能够得到与图2中的曲线的下降部所对应的光强度范围），可获得的最大的转换效率为15%，对应基频光脉冲能量为7mJ。

此外，图3是本实施例中的理论计算和实际测量基频光和三倍频光的能量抖动与基频光能量的关系的图。在图3中，横轴是激光强度，纵轴是相对能量抖动。此外，关于激光强度与激光脉冲能量之间的关系，在脉冲宽度和光斑大小一定的情况下，激光强度等效于激光脉冲能量，所以，当将前两者固定时，调整激光能量实际上就是调整激光强度。如图3所示，三倍频转换效率随着脉冲能量的增加而下降，利用该三倍频转换效率曲线的下降特性，能够获得比基频光能量抖动更小的三倍频光。入射基频光的能量抖动约5%，几乎不变，而在本实施例中所获得的三倍频光的能量抖动（图中的3ω曲线）随着基频光的脉冲能量的增大，从约12%降低到约2%。两条曲线的交点对应于基频光的脉冲能量约8mJ，其转换效率相对最大的三倍频转换效率只降低了3%。三倍频转换效率曲线的下降特性正是本发明提出的被动稳定三倍频光能量抖动方法的机理。

接着，通过改变基频光的光束口径、基频光的脉冲宽度、基频光的脉冲能量这三者中的至少一个，从而调整基频光的基本参数，使得应用所需的脉冲能量处于三倍频转换效率曲线的下降段的范围内，此外，光强度与上述三个参数的关系由下式（1）表示，

（1），

其中，J为单脉冲能量，为脉冲宽度，r为光束口径。

即，在本发明的方法中，通过选择基频激光参数（脉冲宽度、光束口径）和晶体参数，能够使三倍频过程工作在三倍频效率曲线的下降段的合适位置。

此外，本发明的方法能够应用于所有的基于倍频晶体的三倍频过程，由于其原理简单并且实施方便，所以，能够获得高能量稳定性的三倍频光，并且，也可以推广到转化效率具有饱和特征的其它非线性产生过程中以提高稳定性。同理，利用本发明的方法，能够获得横向和纵向分布比基频光更平滑的三倍频光。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但是，本发明并不限于此，例如，在本发明中，所使用的基频光可以是超短红外光，所述三倍频所产生的光是可以紫外光。

此外，如上所述，对三倍频的情况进行了说明，但是，本发明可以应用于所有转换效率具有下降段的非线性转换过程。即，本发明不限于三倍频的情况，也可以应用于例如二倍频等其他倍频的情况。在将本发明的方法应用于其他倍频的情况下，与三倍频的情况类似，以如下的步骤来进行。

根据需要选择所使用的激光器，明确该激光器所输出的基频光的中心波长、光谱带宽、最大输出能量和压缩脉冲宽度等基本参数。根据这些基本参数，能够估算激光脉冲的最大峰值功率以及不同光束口径下的激光光强、激光强度的可调范围等参数，从而明确了激光系统的基本参数。此外，同样地根据需要选择所使用的倍频晶体。

然后，针对激光系统的例如脉冲宽度、光谱宽度等基本参数和所采用的倍频晶体，利用例如耦合波方程来计算不同光强度下的倍频转换效率曲线，并且，计算对应的不同光强度下的倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比，得到倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比和光强度的关系曲线图，由此，能够确定理论上的基频光的光强最优工作点，即，倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比最小的光强度的值。

然后，对于所述激光器，将上述的光强最优工作点作为参照，在该光强最优工作点附近，以从低到高的方式调整基频光的能量，测量相应的倍频转换效率，获得倍频转换效率随脉冲能量的变化曲线（即，能够得到倍频转换效率随着脉冲能量的增加先上升后下降的曲线），并且，计算对应的不同光强下的倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比，确定实际的光强最优工作点。

然后，调整激光器的光束口径或者脉冲宽度或者基频光的能量，使得应用所需的脉冲能量工作点与实际的光强最优工作点重合，在保证脉冲能量抖动显著下降的同时倍频效率的损失在可接受范围内，即，确保倍频激光的能量抖动较小并且倍频转换效率较高。

此外，应该理解为，在本发明的范围内能够对上述实施方式进行适当的变形，并且，在上述实施方式中所使用的参数也能够根据需要来适当的选择。

Claims

1.一种用于改善超短激光三倍频能量稳定性的方法，其特征在于，具有如下步骤：

（a）获得三倍频转换效率相对于基频光的光强度的曲线；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤（a）包括如下步骤：（a1）选择所使用的激光器并确定所述激光器输出的基频光的基本参数，并且，选择所使用的三倍频晶体；（a2）针对激光系统的基本参数和所述三倍频晶体，计算不同光强度下的三倍频转换效率曲线，并且计算对应的不同光强度下三倍频能量抖动与基频光能量抖动之比，从而确定理论上光强最优工作点，即，使抖动最小的工作点；（a3）对于所述激光器，将所述光强最优工作点作为参照，在所述光强最优工作点附近以从低到高的方式调整所述基频光的能量，测量相应的三倍频转换效率，由此，获得三倍频转换效率随光强度的先上升后下降的曲线。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

在所述步骤（c）中进而根据需要使基频光的光强度为所述曲线的所述下降部上的某一点所对应的光强度。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

在所述步骤（a2）中是利用耦合波方程得到不同光强度下的三倍频转换效率曲线的。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

在所述步骤（c）中，通过改变基频光的光束口径、基频光的脉冲宽度、基频光的脉冲能量这三者中的至少一个来调整基频光的基本参数。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

由所述三倍频晶体得到的三倍频光是紫外光。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

所述基频光是超短红外光。

8.一种用于改善超短激光倍频能量稳定性的方法，其特征在于，具有如下步骤：

（a）获得倍频转换效率相对于基频光的光强度的曲线；

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述步骤（a）包括如下步骤：（a1）选择所使用的激光器并确定所述激光器输出的基频光的基本参数，并且，选择所使用的倍频晶体；（a2）针对激光系统的基本参数，计算不同光强度下的倍频转换效率曲线，并且计算对应的不同光强度下倍频能量抖动与基频光能量抖动之比，从而确定理论上光强最优工作点，即，使抖动最小的工作点；（a3）对于所述激光器，将所述光强最优工作点作为参照，在所述光强最优工作点附近以从低到高的方式调整所述基频光的能量，测量相应的倍频转换效率，由此，获得倍频转换效率随光强度的先上升后下降的曲线。