CN111338152B - 一种匀化倍频光光场分布的装置 - Google Patents

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Abstract

一种匀化倍频光光场分布的装置，包括：基频光模块(1)，用于提供基频光源；光束整形模块(2)，设置在基频光源的行进方向上，用于调整基频光源的尺寸；倍频模块(3)，其包括至少一个形成为曲面的通光端面，通光端面设置在调整尺寸后的基频光的行进方向上，以将基频光变频为倍频光。通过设计倍频晶体通光端面的曲面参数，可实现由高斯基频光经倍频晶体后直接输出平顶或近平顶倍频光，即实现倍频光光场分布的匀化。本发明结构紧凑、体积小，不需要多个装置，降低了系统的复杂性，并且其输出的匀化倍频光用于大能量激光变频技术中，可实现器件损伤抑制，提高变频光功率和能量。

Description

一种匀化倍频光光场分布的装置
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种匀化倍频光光场分布的装置。
背景技术
目前，由于晶体损伤阈值的限制，使得经过多级变频实现大能量短脉冲激光的稳定输出成为一个很重要的问题。一般激光器输出的激光束的振幅在横向方向呈高斯分布，能量并非均匀分布，若大能量短脉冲高斯激光直接进入变频晶体，很容易造成器件损坏。另外，研究表明，在非线性光学的频率变换技术中，如果以稳定的近平顶脉冲形状的光束作为基频光，倍频效率可有很大提高，且可实现对变频器件的损伤抑制。
目前获得近平顶倍频光的方法，是先将基频光束整形为近平顶光，然后再进入倍频晶体。而比较成熟的激光束空间整形方法有：光阑拦截法、透射率为反高斯函数分布的滤光法、微透镜阵列整形法、衍射(二元)元件整形法、液晶空间光调制器法、长焦深元件整形法、基于变形镜的激光束整形法、全息滤波法、双折射晶体法、折射式非球面透镜整形法；这些方法都可以达到激光束近平顶整形的要求，然而上述方法在光束拦截中以及器件插入时会引起较大的能量损耗，同时结构复杂，占用空间较大，在实际应用中有局限性。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种匀化倍频光光场分布的装置，通过设计倍频晶体，能够直接输出能量分布均匀的近平顶倍频光束。装置紧凑、简单，能量损耗很小。本发明输出的匀化分布的倍频光可用于大能量激光变频技术中，实现器件损伤抑制，提高变频光功率/能量。
(二)技术方案
为解决上述问题，根据本发明的一个方面,本发明提供了一种匀化倍频光光场分布的装置，包括：基频光模块，用于提供基频光源；光束整形模块，设置在基频光源的行进方向上，以调整基频光源的尺寸；倍频模块，其包括至少一个形成为曲面的通光端面，通光端面设置在调整尺寸后的基频光的行进方向上，以将基频光变频为倍频光。
进一步的，基频光的光束质量因子小于5，光场呈高斯分布。
进一步的，光束整形模块包括依次设置的聚焦透镜和准直透镜；聚焦透镜的各个端面镀有透射膜，以聚焦基频光；准直透镜的各个端面镀有透射膜，以准直聚焦后的基频光；
聚焦透镜和准直透镜的设置距离为：
L＝f1+f2
其中，f1、f2分别为聚焦透镜和准直透镜的焦距，且f1>f2。
进一步的，倍频模块包括两端面，且两端面镀有对于基频光及倍频光的增透膜，以减少光能的反射损耗。
进一步的，倍频模块的出光端面曲面朝向光束整形模块的方向凸起，即出光端面为凸面；入射在曲面上的基频光位于不同坐标位置处，所对应的倍频模块的作用长度不同，对应于基频光的光束中心点位置的作用长度短于边缘位置的作用长度。
进一步的，倍频模块的入光端面形成为曲面，曲面朝向光束整形模块的方向凹陷，即入光端面为凹面；入射在曲面上的基频光位于不同坐标位置处，所对应的倍频模块的作用长度不同，对应于基频光的光束中心点位置的作用长度短于边缘位置的作用长度。
进一步的，形成为曲面的通光端面的对称轴与基频光的对称轴重合；
进一步的，曲面的设计如下：
基于倍频光产生过程中的耦合波方程组：
Figure GDA0003770298810000031
Figure GDA0003770298810000032
其中，z为光线的行进方向；E(ω,z)、E(2ω,z)分别为基频光和倍频光的振幅；k2ω和kω分别表示频率为2ω和ω的光波传播常数；△k＝2kω-k2ω为基频光波与倍频光波极化波矢之差；
所述基频光在频率ω和2ω处无损耗，张量χ(2)(ω,ω)为实数，利用极化率张量的时间反演对称性，则有：
Figure GDA0003770298810000033
故，将倍频光产生过程中的耦合波方程组更改为：
Figure GDA0003770298810000034
在△k＝0时，对更改后的耦合波方程组进行解析求解，得到：
Figure GDA0003770298810000035
其中，lSH表示倍频光产生过程中速率的特征长度，
Figure GDA0003770298810000041
基频光的光波复振幅为：
Figure GDA0003770298810000042
其中，A0为中心振幅；w0为激光脉冲光强度降落到中心值的1/e2的点所定义的光束半径；r2＝x2+y2；
所述基频光的光强为：
Figure GDA0003770298810000043
由④-⑦式可知，倍频光的光强为：
Figure GDA0003770298810000044
为获得平顶/近平顶倍频光输出，则
Figure GDA0003770298810000045
Figure GDA0003770298810000046
式中，A，B为常数。
进一步的，倍频模块(3)为LBO晶体。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本申请的装置通过设计倍频晶体通光端面的曲面参数，可实现由高斯基频光经倍频晶体后直接输出平顶/近平顶倍频光，即实现倍频光光场分布的匀化。
该装置结构紧凑、简单、体积小，不需要多个装置，降低了系统的复杂性，能量损耗较小。
本申请输出的匀化光场分布的倍频光可用于大能量激光变频技术，实现器件损伤抑制，提高变频光功率/能量。
附图说明
图1是本发明提供的匀化倍频光光场分布的装置的结构示意图；
图2是本发明提供的实施例的基频光光强分布曲线；
图3是本发明提供的实施例的晶体作用长度分布曲线；
图4是本发明提供的实施例的理论计算的平顶/近平顶倍频光光场分布曲线。
附图标记：
1-基频光模块；
2-光束整形模块，21-聚焦透镜，22-准直透镜；
3-倍频模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
图1是本发明提供的匀化倍频光光场分布的装置的结构示意图，请查看图1。本发明提供的一种匀化倍频光光场分布的装置包括：基频光模块1，其用于提供基频光源；光束整形模块2，其设置在基频光源的行进方向上，以调整基频光源的尺寸；倍频模块3，其包括至少一个形成为曲面的通光端面，通光端面设置在调整尺寸后的基频光的行进方向上，以将基频光变频为倍频光。
图1中，基频光的行进方向为z轴，与行进方向垂直的平面为xy平面。
可选的，基频光的光束质量会影响倍频效率，为实现良好的倍频，需要使用光束质量较好的基频光光源。因此，本发明中基频光模块1产生的光束质量因子M2小于5。
在一实施例中，光束整形装置2包括依次设置的聚焦透镜21和准直透镜22，由基频光模块1产生的准直高斯基频光进入光束整形装置2后，首先被聚焦透镜21聚焦，再通过准直透镜22准直。
可选的，聚焦透镜21的各个端面镀有透射膜，以聚焦基频光；准直透镜22的各个端面也镀有透射膜，以准直聚焦后的基频光。
可选的，光束整形模块2根据具体情况设置一定的缩束比，以调整基频光尺寸。将聚焦透镜21和准直透镜22的距离设置为：
L＝f1+f2
其中，f1、f2分别为聚焦透镜21和准直透镜22的焦距，且f1>f2。
可选的，倍频晶体3为LBO晶体。倍频晶体3按相位匹配方向切割，满足相位匹配条件，将基频光源1变频产生倍频光。
具体地，倍频晶体3包括两端面，即入光端面和出光端面，入光端面靠近光束整形装置2，使得整形后的基频光束进入倍频晶体3。
可选的，出光端面制作成曲面，且该曲面朝向光束整形模块2的方向凸起即出光端面为凸面。
可选的，入光端面形成为曲面，曲面朝向光束整形模块2的方向凹陷，即入光端面为凹面。
上述曲面使得沿基频光行进方向上，入射的基频光在不同xy坐标位置处，所对应的倍频晶体3的作用长度不同。对应于高斯基频光束中心点位置的作用长度比边缘位置处作用长度短，以此实现匀化光场分布的倍频光束输出即在xy截面上，不同点位置对应不同的作用长度。例如：(0,0)点对应作用长度与(0,1.2)位置作用长度不同。
可选的，加工非规则倍频晶体可通过切割、成型、研磨、柔性抛光非球面加工技术实现。可选的，形成为曲面的出光端面的对称轴与基频光的对称轴重合。
在一实施例中，倍频模块3的两端面均镀有对于基频光及倍频光的增透膜，以减少光能的反射损耗。
以下通过实施例以及实施例附图对本申请的装置进行进一步说明。
其中，基频光模块1为1064nm激光器，能够输出脉宽为10ns，重复频率为10Hz，光束质量因子M2小于5，光斑直径为6mm的准直高斯基频光。
原始基频光光斑为6mm，经考虑峰值功率密度等因素，确定进入倍频晶体3的基频光光斑尺寸应为4mm，因此光束整形模块2的缩束比为6:4，即3:2。
在光束整形模块2中，聚焦透镜21的焦距f1＝150mm，准直透镜22焦距f2＝100mm，且准直透镜22位于聚焦透镜21后方250mm的位置处，以此将光斑直径为6mm的准直基频光缩束为光斑直径为4mm的准直基频光。
倍频模块3的出光端面尺寸为5x5mm，其工作在Ⅰ类相位匹配条件下，即1064nm(o)+1064nm(o)→532nm(e)，切割角度θ＝90°，φ＝0°。
倍频模块3的两端面经光学抛光后分别镀有1064nm和532nm增透膜，可以减少反射光，以实现对基频光及倍频光良好的透射效果。
本申请中，曲面的设计如下：
基于倍频光产生过程中的耦合波方程组：
Figure GDA0003770298810000071
Figure GDA0003770298810000081
其中，z为光线的行进方向；E(ω,z)、E(2ω,z)分别为基频光和倍频光的振幅；k2ω和kω分别表示频率为2ω和ω的光波传播常数；△k＝2kω-k2ω为基频光波与倍频光波极化波矢之差；
基频光在频率ω和2ω处无损耗，张量χ(2)(ω,ω)为实数，利用极化率张量的时间反演对称性，则有：
Figure GDA0003770298810000082
故，将倍频光产生过程中的耦合波方程组更改为：
Figure GDA0003770298810000083
在△k＝0时，对更改后的耦合波方程组进行解析求解，得到：
Figure GDA0003770298810000084
其中，lSH表示倍频光产生过程中速率的特征长度，
Figure GDA0003770298810000085
基频光的光波复振幅为：
Figure GDA0003770298810000086
其中，A0为中心振幅；w0为激光脉冲光强度降落到中心值的1/e2的点所定义的光束半径；r2＝x2+y2；
基频光的光强为：
Figure GDA0003770298810000091
由④-⑦式可知，倍频光的光强为：
Figure GDA0003770298810000092
为获得平顶/近平顶倍频光输出，则
Figure GDA0003770298810000093
Figure GDA0003770298810000094
式中，A，B为常数。
由上式可见，倍频晶体的工作长度z(r)与r有关，对于不同r位置处，作用距离z(r)不同，有利于实现匀化光场分布的倍频光输出。
图3是上述实施例的倍频晶体3的作用长度z(r)的分布曲线，其中横坐标r表示作用长度，z表示基频光的行进方向。
对于倍频晶体3作用长度z(r)，计算如下：
本实施例中，基频光复振幅及光强分布为：
Figure GDA0003770298810000095
Figure GDA0003770298810000096
由式⑤和式(11)可得，特征长度lSH为：
Figure GDA0003770298810000097
若对于中心光强一半位置处的光斑进行平顶/近平顶整形，即r≤1.2mm，且令倍频晶体3的总长度为40mm，即
z(1.2×10-3)＝40×10-3m (14)
将上式带入式z(r)的公式，则可以求得LBO晶体的工作长度z(r)的表达式为：
Figure GDA0003770298810000101
因此，上述实施例是将由基频光模块1射出的光斑直径为6mm的1064nm基频光垂直入射到缩束比为3:2的光束整形模块2中，输出光斑直径为4mm的基频光；该基频光光束垂直入射到特定设计的倍频晶体3，经倍频晶体3的非线性作用，在LBO晶体的出光端面可获得光场匀化分布的532nm的倍频光。
图2为上述实施例中经光束整形模块2后进入倍频晶体3的基频光脉冲光强分布曲线；图4为上述实施例理论计算出的输出的平顶/近平顶倍频光光场分布曲线，经倍频后输出如图4所示的532nm近平顶倍频光。
本发明旨在保护一种匀化倍频光光场分布的装置的结构示意图，本发明提供的一种匀化倍频光光场分布的装置，包括：基频光模块1，其用于提供基频光源；光束整形模块2，其设置在基频光源的行进方向上，以调整基频光源的尺寸；倍频模块3，其包括至少一个形成为曲面的通光端面，通光端面设置在调整尺寸后的基频光的行进方向上，以将基频光变频为倍频光。通过设计倍频晶体通光端面的曲面参数，可实现由高斯基频光经倍频晶体后直接输出平顶/近平顶倍频光，即实现倍频光光场分布的匀化。该装置结构紧凑、简单、体积小，不需要多个装置，降低了系统的复杂性，能量损耗较小。且输出的匀化光场分布的倍频光可用于大能量激光变频技术，实现器件损伤抑制，提高变频光功率/能量。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种匀化倍频光光场分布的装置，其特征在于，包括：
基频光模块(1)，用于提供基频光源；
光束整形模块(2)，设置在所述基频光源的行进方向上，以调整所述基频光源的尺寸；
倍频模块(3)，其包括至少一个形成为曲面的通光端面，所述通光端面设置在调整尺寸后的基频光的行进方向上，以将所述基频光变频为倍频光；
所述曲面的设计如下：
基于倍频光产生过程中的耦合波方程组：
Figure FDA0003760124330000011
Figure FDA0003760124330000012
其中，z为光线的行进方向；E(ω,z)、E(2ω,z)分别为基频光和倍频光的振幅；k2ω和kω分别表示频率为2ω和ω的光波传播常数；△k＝2kω-k2ω为基频光波与倍频光波极化波矢之差；
所述基频光在频率ω和2ω处无损耗，张量χ(2)(ω,ω)为实数，利用极化率张量的时间反演对称性，则有：
Figure FDA0003760124330000013
故，将倍频光产生过程中的耦合波方程组化简为：
Figure FDA0003760124330000014
在△k＝0时，对化简后的所述耦合波方程组进行解析求解，得到：
Figure FDA0003760124330000021
其中，lSH表示倍频光产生过程中速率的特征长度，
Figure FDA0003760124330000022
所述基频光的光波复振幅为：
Figure FDA0003760124330000023
其中，A0为中心振幅；w0为激光脉冲光强度降落到中心值的1/e2的点所定义的光束半径；r2＝x2+y2；
所述基频光的光强为：
Figure FDA0003760124330000024
由④-⑦式可知，所述倍频光的光强为：
Figure FDA0003760124330000025
为获得平顶/近平顶倍频光输出，则
Figure FDA0003760124330000026
Figure FDA0003760124330000027
式中，A，B为常数。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述基频光的光束质量因子小于5，光场呈高斯分布。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，
所述光束整形模块(2)包括依次设置的聚焦透镜(21)和准直透镜(22)；
所述聚焦透镜(21)的各个端面镀有透射膜，以聚焦所述基频光；
所述准直透镜(22)的各个端面镀有透射膜，以准直聚焦后的所述基频光；
所述聚焦透镜(21)和所述准直透镜(22)的设置距离为：
L＝f1+f2
其中，f1、f2分别为所述聚焦透镜(21)和所述准直透镜(22)的焦距，且f1>f2。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，其特征在于，
所述倍频模块(3)包括两端面，且所述两端面镀有对于所述基频光及所述倍频光的增透膜，以减少光能的反射损耗。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述倍频模块(3)的出光端面形成为曲面，所述曲面朝向所述光束整形模块(2)的方向凸起，即出光端面为凸面；
入射在所述曲面上的所述基频光位于不同坐标位置处，所对应的所述倍频模块(3)的作用长度不同，对应于所述基频光的光束中心点位置的作用长度短于边缘位置的作用长度。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述倍频模块(3)的入光端面形成为曲面，所述曲面朝向所述光束整形模块(2)的方向凹陷，即入光端面为凹面；
入射在所述曲面上的所述基频光位于不同坐标位置处，所对应的所述倍频模块(3)的作用长度不同，对应于所述基频光的光束中心点位置的作用长度短于边缘位置的作用长度。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，
形成为曲面的所述通光端面的对称轴与所述基频光的对称轴重合。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述倍频模块(3)为LBO晶体。
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