CN106226969B - 自然补偿光学频率转换中热致相位失配的方法 - Google Patents

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Abstract

一种自然补偿光学频率转换中热致相位失配的方法，首先级联三块同类型的晶体，其中两端的晶体用于非线性光学频率转换，中间的晶体用于补偿热致相位失配，通过调整晶体切割角度和光束传输时与光轴的夹角，使各频率光波在频率转换晶体和相位失配补偿晶体中传输时的偏振态相反，从而实现相位失配补偿。本发明通过设置光波在各块晶体中传输时的偏振态，可使热致相位失配不需要进行任何调节便能自然地补偿，为实现温度不敏感的频率转换提供了一种新的方法，而且对于不同晶体、波段的激光频率转换过程都适用。

Description

自然补偿光学频率转换中热致相位失配的方法
技术领域
本发明属于激光频率转换技术领域，具体涉及一种自然补偿光学频率转换中热致相位失配的方法。
背景技术
利用非线性材料的非线性效应，对一个固定频率的激光进行频率转换是获得需要的激光波长的重要途径。但是要实现高效的激光频率转换，相互作用的光波之间满足相位匹配是一个前提条件。在非线性材料进行激光频率转换的过程中，受激光热效应或外部环境的影响将导致非线性材料温度偏离相位匹配温度，由于非线性材料的折射率与温度有关，光波在非线性材料中相位匹配条件将不再满足，频率转换的效率将显著降低，而且由于温度的不均匀光束质量也会下降。
为了缓解热效应带来的一系列问题，人们也提出许多解决方案，比如：把一块晶体分成多个薄片级联，然后进行气冷，加快热量的耗散，降低温度的变化量；或通过不同类型晶体的级联，使不同晶体中热致相位失配对温度的一阶偏导数的符号相反来实现相位失配互补，从而提高转换效率。但是这些方案中有的由于设计复杂，需要增加很多的设备和器件，使得其应用范围受到很大的限制；有的由于需要采用不同的晶体，而不同晶体的吸收系数、比热容、导热系数不同，这使得激光热效应导致的温度梯度并不一一对应，这些因素造成这一方案在实际应用中性能会下降很多，效果不是非常明显，而且由要求不同晶体中热致相位失配对温度的一阶偏导数的符号相反，这就进一步增加了约束条件，此外，激光波段和晶体的类型等因素也会对这一方法的应用有限制。因此，对于目前一些缓解激光频率转换中热效应问题的方法，它们的实用性或应用范围存在着较多的限制。
发明内容
本发明针对目前频率转换过程中晶体温度变化产生相位失配的问题，提出一种自然补偿光学频率转换中热致相位失配的方法。在级联三块相同类型晶体的基础上，通过调整晶体切割角度和光束传输时与光轴的夹角，使光波在频率转换晶体和相位失配补偿晶体中传输时的偏振态相反，从而使频率转换晶体和相位失配补偿晶体中热致相位失配对温度的一阶偏导数的符号是相反的，由此实现自然补偿频率转换过程中热致相位失配。具体方法如下：
一种自然补偿光学频率转换中热致相位失配的方法，其特征在于：
①沿着光路依次级联三块相同类型的晶体，其中，两端的晶体均用于进行非线性光学频率转换，中间的晶体用于补偿热致相位失配。
②对于一个特定波长激光的频率转换过程，通过调整晶体切割角度和光束传输时与光轴的夹角，使光波在频率转换晶体和相位失配补偿晶体中传输时的偏振态相反，即使在频率转换晶体中传输时为寻常光的光波，在相位失配补偿晶体中传输时为非寻常光，反之亦然，由此可以实现频率转换晶体和相位失配补偿晶体中热致相位失配对温度的一阶偏导数的符号是相反的，从而实现自然补偿热致相位失配。
③相位失配补偿晶体的厚度由如下方程组确定：
其中，N为整数，T0表示相位匹配温度，Δk2(T0)＝k(ω3,T0)-k(ω2,T0)-k(ω1,T0)，k为光波的波矢量，ω1、ω2和ω3分别表示不同光波的频率，它们满足：ω1+ω2＝ω3；T为晶体的温度，Δk′1和Δk′2可根据晶体的色散方程计算得到，L1为第一块频率转换晶体的厚度。
对于不同类型晶体和波段的频率转换过程，相位失配补偿晶体的厚度和切割角度等参数存在相应的最优值，这一最优值可以根据频率转换晶体的厚度、光波在各晶体中热致相位失配对温度的一阶偏导数按照③所述方法来确定。
本发明的方法效果：
1、本发明在级联相同类型晶体的基础上，通过调整合适的晶体切割角度和光束传输时与光轴的夹角来设置光波在各块晶体中传输时的偏振态，使频率转换晶体和相位失配补偿晶体中热致相位失配对温度的一阶偏导数的符号相反。当晶体温度变化时，本发明方法无需进行任何调整，即可实现相位失配自然补偿，使频率转换效率对温度的敏感性降低。
2、由于使用同一类型的晶体即可实现相位失配自动补偿，因此具有广泛的适用性，不存在晶体类型限制的问题，对于不同晶体和不同波段的频率转换都可以采用本发明方法。
附图说明
图1为本发明方法的原理示意图。
图2为使用KDP晶体对1053nm激光进行倍频时，相位失配补偿晶体中热致相位失配对温度的一阶偏导数随晶体角度的变化曲线图。
图3以KDP晶体为例，使用传统方法和本发明方法对1053nm激光倍频时，转换效率随温度变化的曲线图。
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。
一种自然补偿光学频率转换中热致相位失配的方法，包括如下步骤：
①沿着光路依次级联三块相同类型的晶体，其中，两端的晶体均用于进行非线性光学频率转换，中间的晶体用于补偿热致相位失配，如图1所示。
②对于一个特定波长激光的频率转换过程，通过调整晶体切割角度和光束在晶体中传输时与光轴的夹角，使光波在第一块晶体1和第三块晶体3中传输时的偏振态与第二块晶体2中传输时的偏振态相反，即使在第一块晶体1中传输时为寻常光的光波，在第二块晶体2中传输时为非寻常光，反之亦然，由此可以实现第一块晶体1和第三块晶体3中热致相位失配与第二块晶体2中热致相位失配对温度的一阶偏导数的符号是相反的。当晶体温度发生变化导致相位失配产生时，第一块晶体1中累积的相位失配在第二块晶体2中可以被自然地补偿，使频率转换在第三块晶体3中可以继续有效地进行。
③第二块晶体2的厚度由如下方程组确定：
其中，N为整数，T0表示相位匹配温度，Δk2(T0)＝k(ω3,T0)-k(ω2,T0)-k(ω1,T0)，k为光波的波矢量，ω1、ω2和ω3分别表示不同光波的频率，它们满足：ω1+ω2＝ω3；T为晶体的温度，Δk′1和Δk′2可根据晶体的色散方程计算得到，L1为第一块晶体1的厚度。
对于不同类型晶体和波段的频率转换过程，第二块晶体2的厚度和切割角度等参数存在相应的最优值，这一最优值可以根据第一块晶体1和第三块晶体3的厚度、光波在第一块晶体1、第二块晶体2和第三块晶体3中热致相位失配对温度的一阶偏导数的大小按照步骤③所述方法来确定。
下面以KDP晶体对1053nm的激光进行I类相位匹配的倍频为例来具体说明本发明方法，其过程为一束偏振态为o的基频光ω1入射到KDP晶体中产生偏振态为e的倍频光ω2，即：ω1o+ω1o→ω2e。
假设相位匹配温度为T0＝20℃，KDP晶体沿着光路依次级联，第一块晶体1和第三块晶体3用于频率转换，厚度分别表示为L1和L3，相位匹配角为：θ＝41.0°，第二块晶体2放置于第一块晶体1和第三块晶体3之间用于补偿热致相位失配。光波在第一块晶体1和第三块晶体3中，基频光ω1和倍频光ω2分别为寻常光(o光)和非寻常光(e光)，通过调整第二块晶体2的切割角和光波的入射方向可以使基频光和倍频光在第二块晶体2中分别为非寻常光(e光)和寻常光(o光)，如图1所示。对于第一块晶体1和第三块晶体3，相位失配为：Δk1＝Δk3＝k2e-2k1o，k为光波的波矢量。对于第二块晶体2，相位失配为：Δk2＝k2o-2k1e，这样可实现第一块晶体1和第三块晶体3中热致相位失配与第二块晶体2中热致相位失配对温度的一阶偏导数符号相反，从而实现热致相位失配的自然补偿。
使用KDP晶体进行1053nm激光I类相位匹配倍频时，第一块晶体1和第三块晶体3中热致相位失配与第二块晶体2中热致相位失配对温度的一阶偏导数随角度的变化如图2所示。根据第二块晶体2厚度的表达式和图2可以看出，对于切割角固定的第一块晶体1和第三块晶体3，第二块晶体2的角度越大所需的厚度就越薄，晶体也容易调节。
为了对比本发明方法与传统单块晶体频率转换方案进行倍频的效果，我们进行了模拟，假设基频光为峰值功率密度500MW/cm2的高斯脉冲，L1＝L3＝12.5mm，晶体2的切割角选择为90°附近，相应的厚度为：L2＝4.2mm，计算结果如图3所示。从图3可以看出，使用单块晶体进行倍频时，若晶体温度偏离相位匹配温度，则转换效率迅速下降。若定义转换效率曲线的半高全宽为温度接受带宽ΔTFWHM，对于单块晶体频率转换：ΔTFWHM＝3.63℃。由此可以看出，使用传统方法进行频率转换时，转换效率对温度的变化非常敏感。使用本发明方法进行倍频时，在晶体温度发生变化情况下，转换效率仍可以保持在一个较高的水平，温度的接收带宽增大了2.6倍，达到：9.41℃，转换效率对温度变化的敏感性显著降低。
本发明把相同种类的晶体进行级联，通过调整晶体切割角度和光束在晶体中传输时与光轴的夹角，使光波在第一块晶体1和第三块晶体3中传输时的偏振态与第二块晶体2中传输时的偏振态相反，从而使第一块晶体1和第三块晶体3中热致相位失配与第二块晶体2中热致相位失配对温度的一阶偏导数的符号相反。当晶体温度偏离相位匹配温度时，第一块晶体1中累积的相位失配在第二块晶体2中可以自然地补偿，使频率转换在第三块晶体3中可以继续有效地进行，从而降低了转换效率对温度变化的敏感性。本发明方法结构简单，限制因素少，可以应用于不同晶体和波段的频率转换，并且调节难度小，容易实现，这对于激光的频率转换有重要的应用价值，尤其是高功率激光装置的频率转换系统。

Claims (1)

1.一种自然补偿光学频率转换中热致相位失配的方法，其特征在于：
①沿着光路依次级联三块相同类型的晶体，其中，两端的晶体均用于进行非线性光学频率转换，中间的晶体用于补偿热致相位失配；
②对于一个特定波长激光的频率转换过程，通过调整的晶体切割角度和光束传输时与光轴的夹角，使光波在第一块晶体(1)和第三块晶体(3)中传输时的偏振态与在第二块晶体(2)中传输时的偏振态相反，使在第一块晶体(1)和第三块晶体(3)中传输时为寻常光的光波，在第二块晶体(2)中传输时为非寻常光，反之亦然，由此可以使第一块晶体(1)和第三块晶体(3)中热致相位失配与第二块晶体(2)中热致相位失配对温度的一阶偏导数的符号是相反的，从而实现自然补偿热致相位失配；
③确定第二块晶体(2)的厚度L2，方程组如下：
其中，N为整数，T0表示相位匹配温度，Δk2(T0)＝k(ω3,T0)-k(ω2,T0)-k(ω1,T0)，k为光波的波矢量，ω1、ω2和ω3分别表示不同光波的频率，且满足：ω1+ω2＝ω3；Δk1是第一块晶体的相位失配，Δk1′是Δk1的一阶偏导数，Δk2是第二块晶体的相位失配，Δk2′是Δk2的一阶偏导数，T为晶体的温度，L1为第一块晶体(1)的厚度。
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