CN110336181A - 一种利用倍频系统实现会聚光束高效四倍频的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用倍频系统实现会聚光束高效四倍频的方法，本发明中基频光通过二倍频晶体转化为二倍频光，然后利用聚焦透镜将二倍频光束会聚，在二倍频会聚光束后放置四倍频DKDP晶体实现光束的四倍频，该DKDP晶体氘含量沿z轴方向连续变化，通过设计DKDP晶体氘含量的变化梯度可以匹配不同F数聚焦的需求，且通过温控系统控制DKDP晶体的温度，使得四倍频过程中晶体上各点实现相位匹配，从而获得会聚光束的高效四倍频输出。本发明可以显著提高会聚光束四倍频转换效率，改善四倍频光束质，解决聚焦透镜前置方案的局限性，为提升高功率激光系统负载能力奠定基础。
Description
技术领域
本发明属于一种非线性光学技术领域，具体涉及一种利用倍频系统实现会聚光束高效四倍频的方法。
背景技术
高功率激光方法能输出兆焦耳级的激光能量，拍瓦甚至艾瓦级的激光功率，可为高能量密度科学、强场物理及天体物理等领域的研究提供条件，特别是近几十年来发展起来的惯性约束聚变研究，成为各大国的关注热点。高功率激光方法通常采用倍频晶体将基频红外光转化为短波长紫外光，并利用熔石英透镜将紫外光束聚焦至靶点。目前，高功率激光方法通常采用三倍频激光作为工作波长。研究表明，激光波长越短越有利于提高激光和靶丸的耦合效率，四倍频可以将紫外光拓展至260nm且具有较高的转换效率，因此四倍频激光应用前景广阔，得到了广泛关注。DKDP晶体是一种性能优良的非线性光学材料，其具有较大非线性系数，较宽的透光范围，较高的激光损伤阈值、较低的横向受激拉曼散射增益系数和易于获得大尺寸单晶等优点；另外，DKDP通过改变晶体氘含量易用实现非临界相位匹配，因此，高功率激光方法中四倍频材料普遍采用DKDP晶体。
高功率激光系统中熔石英透镜的紫外激光损伤问题一直是限制其激光输出能力提升的重要因素。抑制透镜损伤的方法通常是提升表面加工质量或通过表面酸刻蚀等技术提高透镜的损伤阈值，目前加工及后处理工艺下难以完全去除损伤前驱体，高功率激光下熔石英透镜将不可避免地发生损伤；熔石英元件一旦发生损伤，则损伤面积将会快速增长，元件使用寿命大大降低。与熔石英相比，目前DKDP晶体的损伤阈值虽然略低，但DKDP晶体损伤点面积较小，且损伤点尺寸随发次无显著增长。常规运行通量下DKDP晶体的损伤性能显著优于熔石英材料。在此需求背景下，研究人员提出将熔石英透镜至于紫外倍频晶体前使熔石英透镜处于二倍频光辐照下，从而降低熔石英透镜的损伤概率。但是，该种方案中进入四倍频DKDP晶体的二倍频光是会聚光束，对于特定氘含量的DKDP晶体难以使得晶体上各个位置满足相位匹配，导致四倍频效率低下且光束分布不均匀。可见，将聚焦透镜前置的方案存在明显局限性，此方案亟需改进以实现四倍频光束的高效输出。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种利用倍频系统实现会聚光束高效四倍频的方法，
所述倍频系统包括：用于发射基频激光的高功率激光器；
用于将基频激光转换二倍频激光的二倍频晶体，其设置在所述基频激光的光路下游；
二倍频取样劈板，其设置在所述二倍频晶体的光路下游，所述二倍频取样劈板将二倍频激光分为反射二倍频激光和透射二倍频激光；
二倍频能量计，其设置在反射二倍频激光光路中；
聚焦透镜，其设置在透射二倍频激光光路中；
用于将二倍频激光转换为四倍频激光的四倍频DKDP晶体，其设置在聚焦透镜的光路下游，所述四倍频DKDP晶体上连接有用于控制四倍频DKDP晶体的温控系统；
四倍频取样劈板，其设置在所述四倍频晶体的光路下游，所述四倍频取样劈板将四倍频激光分为反射四倍频激光和透射四倍频激光；
四倍频能量计，其设置在反射四倍频激光光路中；
利用倍频系统实现会聚光束高效四倍频的步骤包括：
步骤一、根据聚焦透镜的F值，基于耦合波方程建立会聚光束四倍频数值模型进行模拟，获得四倍频DKDP晶体氘含量变化梯度G，计算不同氘含量变化梯度G下的四倍频转换效率η，并通过曲线拟合得到四倍频转换效率η最高点的氘含量变化梯度Gmax；
步骤二、选取氘含量变化梯度为Gmax的四倍频DKDP晶体，并搭建实验光路图进行实验，高功率激光器发出的基频激光经过二倍频晶体获得二倍频光束，少量二倍频光束经过二倍频取样劈板进入二倍频能量计，剩余的二倍频光束经过聚焦透镜后形成二倍频会聚光束，之后进入四倍频DKDP晶体获得四倍频光束，少量四倍频光束经过四倍频取样劈板进入四倍频能量计；
步骤三、固定高功率激光器功率，根据DKDP晶体氘含量变化范围，确定四倍频DKDP晶体温度变化区间T0～T1，测量T0～T1区间内至少三个温度点的四倍频转换效率η，通过曲线拟合，得到四倍频转换效率最高的温度点Tmax；
步骤四、调节四倍频DKDP晶体温度到Tmax，获得最高的四倍频输出效率。
优选的是，所述步骤一中，基于耦合波方程建立会聚光束四倍频数值模型的模拟方式为：对于Ⅰ类倍频而言，倍频过程的耦合波方程为：
式中1表示二倍频光束，2表示四倍频光束，A、v、ρ、n、αΔk分别表示复振幅、群速度、走离因子、折射率、吸收系数和位相失配量，其中折射率是入射光和晶体z轴的夹角θ的函数，而θ光束随z轴位置变化，采用分步傅里叶变换和四阶龙格-库塔算法对上述耦合波方程进行模拟；计算不同氘含量变化梯度G下的四倍频转换效率η，并建立变化梯度G和效率η的关系曲线，通过曲线拟合获得效率最高点的Gmax。
优选的是，所述的四倍频DKDP晶体采用传统降温法沿z轴生长，对于特定氘含量的生长溶液传统生长DKDP晶体氘含量较为均匀，而快速生长的DKDP晶体氘含量均匀性较差。DKDP晶体生长过程中不断向氘化溶液中加入高纯水使得溶液氘含量逐渐降低，则DKDP晶体氘含量沿着z轴逐渐降低，晶体内的氘含量Dc与生长溶液中的氘含量Ds直接相关，即Dc＝0.68Ds·exp(0.00382·Ds)，根据DKDP晶体的生长速率设定降温程序可以获得给定氘含量变化梯度G的DKDP晶体。
优选的是，所述四倍频DKDP晶体在晶胚中的切割角度为θ＝90°，且四倍频DKDP晶体中的氘含量沿z轴方向连续变化。
优选的是，每个温度测量点恒温时间大于0.5小时。
优选的是，所述激光器发射皮秒或纳秒脉冲激光，激光波长为1050nm～1070nm。
优选的是，所述二倍频晶体包括KDP、DKDP、ADP、LBO、YCOB非线性光学晶体中的一种或几种。
优选的是，所述聚焦透镜的厚度沿透镜径向单调变化的聚焦透镜。
优选的是，所述二倍频会聚光束中心指向和四倍频DKDP晶体垂直。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明在聚焦透镜前置倍频方案的基础上提出了采用氘含量连续变化的DKDP晶体作为四倍频材料的思路，通过设计DKDP晶体氘含量的变化梯度可以匹配不同F数聚焦的需求，采用该方法可以显著提高会聚光束四倍频转换效率，改善四倍频光束质，解决聚焦透镜前置方案的局限性，为提升高功率激光系统负载能力奠定基础。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明提供的装置结构示意图；
其中，1-高功率激光器；2-二倍频晶体；3-二倍频取样劈板；31-反射二倍频激光；32-透射二倍频激光；4-二倍频能量计；5-温控系统；6-四倍频DKDP晶体；7-四倍频能量计；8-四倍频取样劈板；81-反射四倍频激光；82-透射四倍频激光；9-聚焦透镜。
图2为本发明提供的四倍频DKDP晶片在DKDP晶坯中的位置示意图；
其中，6-四倍频DKDP晶体；61-DKDP晶坯
图3为本发明提供的四倍频转换效率和晶体氘含量梯度的关系示意图；
图4为本发明提供的氘含量梯度Gmax＝0.017％/mm时的四倍频光强分布示意图；
其中，SHG：二倍频光束，FHG：四倍频光束。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1：
本实施例选取的激光器为钕玻璃激光器，激光波长1053nm，光束口径360mm，光束空间分布为超高斯分布；二倍频晶体为Ⅰ类匹配KDP晶体，晶体口径400mm，经过KDP晶体后二倍频光束强度为0.6GW/cm2；聚焦透镜为平凸形一维楔形透镜，F数为20；四倍频晶体为传统生长的DKDP晶体，晶体切割角度为θ＝90°，切割方向如图2所示，晶体尺寸为400mm；二倍频会聚光束进入四倍频DKDP晶体中，光束指向和晶体夹角随z轴方向变化，二倍频会聚光束中心指向和四倍频DKDP晶体垂直。四倍频DKDP晶体初始氘含量为70％，氘含量沿z轴方向连续变化，氘含量变化梯度设为G，晶体各位置氘含量可以表示为x＝70％-G·z。
步骤一、根据聚焦透镜的F值，基于耦合波方程建立会聚光束四倍频数值模型，将二倍频光束分布代入根据耦合波方程计算二倍频会聚光束经过四倍频DKDP晶体后四倍频光束强度分布，四倍光束强度积分值与二倍频光束强度积分值之比为四倍频效率η；根据以上过程分别计算了G＝0％/mm、0.01％/mm、0.02％/mm和0.03％/mm时的四倍频效率，结果如图3所示。可看出随着氘含量变化梯度G增加，四倍频效率随之先增加后减小，当Gmax＝0.017％/mm时四倍频效率最大，与G＝0％/mm(晶体氘含量均为70％)相比效率提升近4％；将Gmax＝0.017％/mm代入耦合波方程可以计算获得四倍频光束空间分布，结果如图4所示，可以看出此时四倍频光束呈超高斯分布，光束均匀性较好。
步骤二、选取氘含量变化梯度为Gmax的四倍频DKDP晶体搭建如图1所示的实验光路，进行实验。其中，四倍频DKDP晶体采用传统降温法沿着z轴生长，晶体内的氘含量Dc与生长溶液中的氘含量Ds直接相关，即Dc＝0.68Ds·exp(0.00382·Ds)，将晶体初始氘含量设为70％，此时溶液氘含量为76.8％。在DKDP晶体生长过程中，不断向氘化溶液中加入高纯水使得溶液氘含量逐渐降低，则DKDP晶体氘含量沿着z轴方向逐渐降低，根据DKDP晶体的生长速率设定降温程序可以获得氘含量变化梯度为Gmax＝0.017％/mm的DKDP晶体。
步骤三、在四倍频过程中，DKDP晶体置于温控系统中，调节温控系统的温度使得四倍频晶体上各点实现相位匹配。其中，DKDP晶体氘含量变化范围为70％～63％，根据非临界相位匹配温度和DKDP晶体氘含量的关系，可得温度调节范围为18.5℃～34℃；选取18.5℃、25℃、30℃和34℃4个温度测量点，每个温度测量点恒温时间40分钟，固定基频光能量利用倍频系统测量各温度点下的四倍频转换效率η；建立温度T和效率η的关系曲线，可以得到温度为26℃时，四倍频效率最高；
步骤四、通过温控系统将DKDP晶体上的温度调节至Tmax＝26℃，获得最高的四倍频输出效率。
实施例2：
本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于楔形透镜的F数为10，可以根据此F数通过耦合波方程计算响应的氘含量变化梯度G2，并开展后续的操作。
实施例3：
本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于基频光波长为1064nm，光斑口径为20mm，空间为高斯分布。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的利用倍频系统实现会聚光束高效四倍频的方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种利用倍频系统实现会聚光束高效四倍频的方法，其特征在于，
所述倍频系统包括用于发射基频激光的高功率激光器；
用于将基频激光转换二倍频激光的二倍频晶体，其设置在所述基频激光的光路下游；
二倍频取样劈板，其设置在所述二倍频晶体的光路下游，所述二倍频取样劈板将二倍频激光分为反射二倍频激光和透射二倍频激光；
二倍频能量计，其设置在反射二倍频激光光路中；
聚焦透镜，其设置在透射二倍频激光光路中；
用于将二倍频激光转换为四倍频激光的四倍频DKDP晶体，其设置在聚焦透镜的光路下游，所述四倍频DKDP晶体上连接有用于控制四倍频DKDP晶体的温控系统；
四倍频取样劈板，其设置在所述四倍频晶体的光路下游，所述四倍频取样劈板将四倍频激光分为反射四倍频激光和透射四倍频激光；
四倍频能量计，其设置在反射四倍频激光光路中；
利用倍频系统实现会聚光束高效四倍频的步骤包括：
步骤一、根据聚焦透镜的F值，基于耦合波方程建立会聚光束四倍频数值模型进行模拟，获得四倍频DKDP晶体氘含量变化梯度G，计算不同氘含量变化梯度G下的四倍频转换效率η，并通过曲线拟合得到四倍频转换效率η最高点的氘含量变化梯度Gmax；
步骤二、选取氘含量变化梯度为Gmax的四倍频DKDP晶体，并搭建实验光路图进行实验，高功率激光器发出的基频激光经过二倍频晶体获得二倍频光束，少量二倍频光束经过二倍频取样劈板进入二倍频能量计，剩余的二倍频光束经过聚焦透镜后形成二倍频会聚光束，之后进入四倍频DKDP晶体获得四倍频光束，少量四倍频光束经过四倍频取样劈板进入四倍频能量计；
步骤三、固定高功率激光器功率，根据DKDP晶体氘含量变化范围，确定四倍频DKDP晶体温度变化区间T0～T1，测量T0～T1区间内至少三个温度点的四倍频转换效率η，通过曲线拟合，得到四倍频转换效率最高的温度点Tmax；
步骤四、调节四倍频DKDP晶体温度到Tmax，获得最高的四倍频输出效率。
2.如权利要求1所述的实现会聚光束高效四倍频的方法，其特征在于，所述步骤一中，基于耦合波方程建立会聚光束四倍频数值模型的模拟方式为：对于Ⅰ类倍频而言，倍频过程的耦合波方程为：
式中1表示二倍频光束，2表示四倍频光束，A、v、ρ、n、αΔk分别表示复振幅、群速度、走离因子、折射率、吸收系数和位相失配量，其中折射率是入射光和晶体z轴的夹角θ的函数，而θ光束随z轴位置变化，采用分步傅里叶变换和四阶龙格-库塔算法对上述耦合波方程进行模拟；计算不同氘含量变化梯度G下的四倍频转换效率η，并建立变化梯度G和效率η的关系曲线，通过曲线拟合获得效率最高点的Gmax。
3.如权利要求1所述的实现会聚光束高效四倍频的方法，其特征在于，所述的四倍频DKDP晶体采用传统降温法沿z轴生长，对于特定氘含量的生长溶液传统生长DKDP晶体氘含量较为均匀，而快速生长的DKDP晶体氘含量均匀性较差，DKDP晶体生长过程中不断向氘化溶液中加入高纯水使得溶液氘含量逐渐降低，则DKDP晶体氘含量沿着z轴逐渐降低，晶体内的氘含量Dc与生长溶液中的氘含量Ds直接相关，即Dc＝0.68Ds·exp(0.00382·Ds)，根据DKDP晶体的生长速率设定降温程序可以获得给定氘含量变化梯度G的DKDP晶体。
4.如权利要求1所述的实现会聚光束高效四倍频的装置，其特征在于，所述四倍频DKDP晶体在晶胚中的切割角度为θ＝90°，且四倍频DKDP晶体中的氘含量沿z轴方向连续变化。
5.如权利要求1所述的实现会聚光束高效四倍频的方法，其特征在于，每个温度测量点恒温时间大于0.5小时。
6.如权利要求1所述的实现会聚光束高效四倍频的方法，其特征在于，所述激光器发射皮秒或纳秒脉冲激光，激光波长为1050nm～1070nm。
7.如权利要求1所述的实现会聚光束高效四倍频的方法，其特征在于，所述二倍频晶体包括KDP、DKDP、ADP、LBO、YCOB非线性光学晶体中的一种或几种。
8.如权利要求1所述的实现会聚光束高效四倍频的方法，其特征在于，所述聚焦透镜的厚度沿透镜径向单调变化的聚焦透镜。
9.如权利要求1所述的实现会聚光束高效四倍频的方法，其特征在于，所述二倍频会聚光束中心指向和四倍频DKDP晶体垂直。
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