CN112467511B - 一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统，它包括激光器端镜、起偏器、增益介质与泵浦源、非线性倍频晶体、双色镜和精密平移台，激光器、非线性频率转换晶体和双色镜组成近场滤波和激光器横模控制系统，本发明还构建了一种基于非线性效应的近场滤波新方法，可控制激光器的横模数量。本发明的系统和方法在非线性频率转换过程中，高阶横模转换效率较低，将会从双色镜泄露出激光器腔，而低阶模在逆向传输过程中将被转换回基频，从而囚禁在激光腔中振荡，最终实现激光器横模控制。

Description

一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统 及控制方法

技术领域

本发明属于激光振荡与放大技术领域，更具体地说，涉及一种基于可逆非线性频率转换技术的光束近场滤波与横模控制方法，可以将激光器输出光束空间发散角压缩在±200μrad以内。

背景技术

高功率激光激光振荡器或放大器中，空间滤波器是关键设备之一，主要用来抑制光束中高阶横模或高频扰动。该方法主要基于傅立叶变换光学原理，即在一对共焦的透镜的共焦面上插入一小孔，使光束的高阶横模被阻挡。该方法简捷而又高效，目前已被大多数高功率激光系统所采用，但随着光束口径和能量增加，空间滤波器的体积也会显著增加，且常常需要工作在真空状态下，导致整个激光系统变得庞大且复杂，不利于激光系统的小型化和运行维护。

针对目前空间滤波器存在的这一缺陷，提出一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制新方法，该方法无需透镜以及真空环境，可大幅度减小系统的体积以及光学元件数量，可用于大口径、高品质的激光振荡器和小型化的高功率激光系统。

发明内容

针对现有激光振荡器与放大器技术中广泛使用空间滤波器存在体积大、环境要求高的缺点，本发明提供一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制方法。本发明结合了激光器、非线性频率转换晶体、双色镜，构建一种基于非线性效应的近场滤波新方法，可控制激光器的横模数量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统，其特征在于，该系统结构上包括激光器端镜、起偏器、增益介质与泵浦源、折叠反射镜、非线性倍频晶体、双色镜、精密平移台，所述的激光器端镜、起偏器、增益介质与泵浦源和折叠反射镜处于激光放大光路上，所述的折叠反射镜、非线性倍频晶体和双色镜处于激光的模式控制光路上；

所述非线性倍频晶体处于相位匹配状态，公式(1)范围内光束转换成倍频光：

其中，

为非线性倍频晶体相位失配量随偏离匹配角度θ的一阶倒数，L为晶体的长度，Δθ为光束指向偏离传输方向的角度；

所述双色镜与所述非线性倍频晶体之间的距离为d，基频光与倍频光将因空气色散和双色镜的反射而产生相位差为φ，满足下面公式：

φ＝2[n(λ)-n(λ/2)]×d+φ_jump (2)

其中，n为空气折射率，λ为激光器振荡波长，d为晶体表面与双色镜之间距离，φ_jump为双色镜表面反射和非线性倍频晶体引起光束相移。

一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统的控制实现方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步，开启激光器的增益介质和泵浦源，并逐步提高泵浦能量，使激光器产生自由振荡，此为激光器振荡的第一振荡阈值；

第二步，调节非线性倍频晶体，使非线性倍频晶体处于相位匹配状态，此时光束指向只有在公式(1)范围内光束才能高效转换成倍频光：

其中，

为非线性倍频晶体相位失配量随偏离匹配角度θ的一阶倒数，L为晶体的长度，Δθ为光束指向偏离传输方向的角度；

第三步，输出双色镜对倍频光全反射，对基频光部分反射，使双色镜作为输出耦合镜和高阶模耗散元件，第二步中无法转换为倍频的高阶模，大部分将从双色镜透射出激光腔，同时所述双色镜还将转换成倍频光的低阶模和部分基频光反射回所述的非线性倍频晶体中，通过所述精密平移台调节双色镜与非线性倍频晶体之间距离，基频光与倍频光将因空气色散和双色镜的反射而产生相位差φ，其中φ如式(2)所示：

φ＝2[n(λ)-n(λ/2)]×d+φ_jump (2)

n为空气折射率，λ为激光器振荡波长，d为晶体表面与双色镜之间距离，φ_jump为双色镜表面反射和非线性倍频晶体引起光束相移，进一步通过精密平移台调节双色镜与非线性倍频晶体之间的距离d，使得φ＝π，此时倍频光将在逆向传输过程中，重新转换成基频光，并进一步在增益介质与泵浦源的增益介质中获得放大，则第二步与本步骤结合，形成了一种非线性损耗机制，即高阶模因倍频转换效率低，将在双色镜处出射，产生较高的损耗，而低阶模则因较高倍频效率和反射率，形成正反馈而振荡增强；

第四步，进一步提升泵浦能量，随着输出能量增大，激光器输出光束高阶横模将大幅减少，同时光束质量大幅改善，形成稳定振荡，据此记录为激光器振荡的第二振荡阈值；

第五步，基于前述步骤，当激光器工作于第二振荡阈值之上时，激光器将实现低阶横模乃至基横模锁定放大。

本发明基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制方法中，具体结构和参数的选择主要包括以下两方面：

第一、确定非线性晶体种类和晶体厚度。由于非线性频率转换效率直接与晶体非线性系数和厚度相关，同时非线性晶体相位匹配参数，直接影响高阶横模抑制的本领。晶体参数选择原则包括较高的非线性系数和较大的

可选择YCOB、α-BBO晶体等。

第二、确定倍频晶体与双色镜之间距离。由于非线性过程中能量将在基频与倍频之间振荡转化，倍频光与泵浦基频光之间的相位差将直接决定能流的方向，该相位差将由倍频晶体与双色镜之间距离决定。

本发明结合激光器、起偏器、非线性频率转换晶体、双色镜等，构建一种基于非线性效应的近场滤波新系统，基于该系统的控制方法还可控制激光器的横模数量。与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明通过对光束指向高度敏感的可逆非线性频率转换过程形成一种高阶模非线性损耗机制，可抑制高阶横模的产生，提升了激光器光束质量。

2、本发明采用可逆的非线性频率转换过程形成高阶模损耗，属于光束近场操控，无需透镜进行光束空域与频域变换和滤波，因此取消了传统空间滤波器对应的透镜与光束传输管道，可大幅减少激光系统体积和杂散光。

3、本发明的高阶模的抑制能力来自于可逆的非线性频率转换过程，光束口径不会影响系统性能和光束质量，因此可以大幅增加激光振荡器或放大器的口径和输出能量。

附图说明

图1为本发明中基于非线性效应的近场滤波和横模控制激光器的整体结构图。

图2为本发明实施例中非线性频率转换过程中滤波函数理论形式。

图3为本发明实施例中，相位差和倍频晶体与输出耦合镜之间空气间隙距离的关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明，一种基于非线性频率转换的近场滤波和横模控制方法，做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解其具体结构和实现过程，但不能以此来限制本发明专利保护范围。

如图1所示，本发明首先构建了一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统。该系统结构上包括激光器端镜1、起偏器2、增益介质与泵浦源3、折叠反射镜4、非线性倍频晶体5、双色镜6、精密平移台7，所述双色镜6固定于精密平移台7上。在光路设计方面，所述的激光器端镜1、起偏器2、增益介质与泵浦源3和折叠反射镜4 处于激光放大光路上，所述的折叠反射镜4、非线性倍频晶体5和双色镜6处于激光的模式控制光路上。

所述非线性倍频晶体5处于相位匹配状态，在下述公式(1)范围内光束转换成倍频光：

其中，

为非线性倍频晶体5相位失配量随偏离匹配角度θ的一阶倒数，L为晶体的长度，Δθ为光束指向偏离传输方向的角度；

设定所述双色镜6与所述非线性倍频晶体5之间的距离为d，基频光与倍频光将因空气色散和双色镜6的反射而产生相位差为φ，满足下面公式：

φ＝2[n(λ)-n(λ/2)]×d+φ_jump (2)

其中，n为空气折射率，λ为激光器振荡波长，d为晶体表面与双色镜之间距离，φ_jump为双色镜6表面反射和非线性倍频晶体5引起光束相移。

所述0°输出耦合双色镜6固定于精密平移台7上，通过精密平移台7的精确控制实现对晶体表面与双色镜之间距离d的精确控制。

作为优选，本实施例中激光器端镜为对激光器振荡波长起反射作用的光学元件，可以为平面反射镜，也可以为带曲率的反射镜。

作为进一步优选，本实施例中激光器端镜为0°平面反射镜，对激光器振荡波长反射率≥99.5％，作为进一步优选，本实施例中0°输出耦合双色反射镜，对基频激光透过率为75％，对倍频透过率<0.5％。

作为优选，本实施例中起偏器可以为棱镜也可以为镀膜偏振片。

作为进一步优选，本实施例中起偏器为镀膜偏振片，p光高透，s 光高反。

作为优选，本实施例中增益介质可以为激光晶体、玻璃、气体等；，本实施例中泵浦光源为泵浦用氙灯或激光器。

作为优选，本实施例中折叠反射镜，是对激光谐振腔起折叠的腔镜，其对振荡光束起反射作用，可以为平面反射镜，也可以为带曲率的反射镜。作为进一步优选，本实施例中折叠反射镜为45°平面双色镜，对基频激光反射率>99.5％，对倍频激光反射率<0.5％。

作为优选，本实施例中非线性晶体为人工生长高品质非线性倍频晶体，如YCOB、LBO、α-BBO晶体等。

作为优选，本实施例中输出耦合双色镜为对振荡基频高透，倍频高反的反射镜。

本实施例基于非线性频率转换的近场滤波和横模控制方法，包括以下步骤：

步骤1.开启激光器的增益介质和泵浦源，并逐步提高泵浦能量，使激光器产生自由振荡，此为激光器振荡的第一振荡阈值，此时尚未产生横模锁定；

步骤2.调节倍频晶体，使倍频晶体处于相位匹配状态，此时光束指向(角谱)只有在式(1)范围内光束才能高效转换成倍频光，

为晶体相位失配量随偏离匹配角度θ的一阶倒数，L为晶体的长度，Δθ为光束指向偏离传输方向的角度；

步骤3.输出双色镜对倍频光全反射，对基频为部分反射，其不仅充当输出耦合镜，还是高阶模损耗元件。步骤2中无法转换为倍频的高阶模，大部分从双色镜透射出激光腔，因此会产生较大损耗。同时双色镜还将转换成倍频光的低阶模和部分基频光反射回非线性晶体中，调节双色镜与倍频晶体之间距离，基频光与倍频光将因空气色散和双色镜的反射而产生相位差φ，其中φ如式(2)所示，n为空气折射率，λ为激光器振荡波长，d为晶体表面与双色镜之间距离，φ_jump为双色镜表面反射和非线性晶体产引起光束相移。

φ＝2[n(λ)-n(λ/2)]×d+φ_jump (2)

通过精密平移台调节双色镜与晶体之间的距离d，使φ＝π，此时倍频光将在逆向传输过程中，重新转换成基频光，并进一步在增益介质中获得放大。步骤2和步骤3结合，形成了一种非线性损耗机制，即高阶模因倍频转换效率低，将在耦合镜处出射，产生较高的损耗，低阶模则因较高的正反馈，产生振荡增强；

步骤4.进一步提升泵浦能量，随着输出能量增大，激光器输出光束高阶横模将减少，并逐步实现横模锁定，其角谱在倍频对应的容许范围内，同时光束质量也会大幅改善，此为激光器第二振荡阈值。

步骤5.基于前述步骤，当激光器工作于第二振荡阈值之上时，激光器将实现低阶横模乃至基横模锁定放大。

实施例1

本实施例中控制系统的结构器件组成和光路组成主要体现在图1的系统结构中，比如在结构器件组成上包括激光器端镜1、起偏器2、增益介质与泵浦源3、折叠反射镜4、非线性倍频晶体5、双色镜6、精密平移台7，所述双色镜6固定于精密平移台7上。除了前述的结构器件组成外，图所示编号8、9、10、11和12均表示激光光束的传输方向，其中编号8、9为腔内振荡基频线偏振光，偏振方向由起偏器2决定；编号 10为通过倍频晶体后剩余的基频光；编号11为倍频光，编号12为激光器输出的基频光。

以下应用例以YCOB晶体作为倍频晶体，Nd：YAG晶体为激光增益介质。

YCOB晶体，切割角度θ＝149.2°,φ＝0°，晶体厚度为35mm，晶体固定于精密角度调节装置上，角度的控制精度2″，上述角度控制精度现有产品完全可以保证。

本实施例的具体实施步骤为：

1.开启激光器，逐步提高泵浦光强，使激光器处于多模自由振荡状态；

2.旋转倍频晶体角度，当达到1064nm激光相位匹配时，出射的 532nm倍频光会变得最强，此时倍频转换效率一般可以达到80％以上。倍频过程对应的滤波函数如图2所示，大于200μrad的高频成份或扰动转换效率接近于零，将在输出耦合双色镜6处射出激光腔，从而消耗殆尽；

3.通过精密位移台调节输出耦合双色镜6与非线性倍频晶体5之间距离，使基频光与倍频光再次返回到非线性倍频晶体时产生π弧度的相位差，空气间隙与相位差关系如图3所示，32mm间隙对应π弧度的相位差；

4.进一步提高泵浦强度，直至光束的横模锁定，激光器处于稳态状态运行；

5.当激光器工作于第二振荡阈值之上时，激光器将实现低阶横模乃至基横模锁定放大。

本实施例中为了突出非线性倍频过程的空间滤波效应，对其转换效率曲线作了归一化处理，其相位匹配处的转换效率为1，具体如图2所示，所允许的起振光束的角度在±200μrad范围内。其效果与广泛使用空间滤波器相当，但避免使用透镜以及光束传输管路，空间更为节省，同时振荡器的光束口径主要限制来自于光学元件的口径，理论上振荡器输出光束口径可到达数厘米量级。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解。总而言之，本发明的保护范围还包括其他对于本领域技术人员来说显而易见的变换和替代。

Claims (8)

1.一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统，其特征在于，该系统结构上包括激光器端镜（1）、起偏器（2）、增益介质与泵浦源（3）、折叠反射镜（4）、非线性倍频晶体（5）、双色镜（6）、精密平移台（7），所述双色镜（6）固定于精密平移台（7）上；所述的激光器端镜（1）、起偏器（2）、增益介质与泵浦源（3）和折叠反射镜（4）处于激光放大光路上，所述的折叠反射镜（4）、非线性倍频晶体（5）和双色镜（6）处于激光的模式控制光路上；

所述非线性倍频晶体（5）处于相位匹配状态，公式（1）范围内光束转换成倍频光：

（1）

其中，∂Δk/∂θ为非线性倍频晶体（5）相位失配量随偏离匹配角度θ的一阶倒数，L为晶体的长度，Δθ为光束指向偏离传输方向的角度；

所述双色镜（6）与所述非线性倍频晶体（5）之间的距离为d，基频光与倍频光将因空气色散和双色镜的反射而产生相位差为ϕ，满足下面公式：

（2）

其中， n为空气折射率，λ为激光器振荡波长，d为晶体表面与双色镜之间距离，ϕ_jump为双色镜(6)表面反射和非线性倍频晶体（5）引起光束相移；当ϕ =π时，倍频光将在逆向传输过程中，重新转换成基频光，并进一步在增益介质与泵浦源（3）的增益介质中获得放大。

2.根据权利要求1所述的一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统，其特征在于，所述非线性倍频晶体为人工生长高品质非线性倍频晶体，包括有YCOB、LBO和α-BBO晶体。

3.根据权利要求1所述的一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统，其特征在于，所述增益介质与泵浦源（3）中泵浦光源为泵浦用氙灯或激光器，所述增益介质与泵浦源（3）中增益介质为激光晶体、玻璃或气体。

4.根据权利要求1所述的一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统，其特征在于，所述的折叠反射镜（4）是对激光谐振腔起折叠的腔镜，其对振荡光束起反射作用，可以为平面反射镜，也可以为带曲率的反射镜。

5.根据权利要求1所述的一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统，其特征在于，所述的折叠反射镜（4）为45°平面双色镜，其对基频激光反射率>99.5%，对倍频激光反射率<0.5%。

6.根据权利要求1所述的一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统，其特征在于，所述双色镜（6）为对振荡波长高透，对倍频波长高反的0°输出耦合双色反射镜，其对基频激光透过率>75%，对倍频透过率<0.5% 。

7.一种根据权利要求1-6中任一所述的一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统的控制实现方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步，开启激光器的增益介质和泵浦源（3），并逐步提高泵浦能量，使激光器产生自由振荡，此为激光器振荡的第一振荡阈值；

第二步，调节非线性倍频晶体（5），使非线性倍频晶体（5）处于相位匹配状态，此时光束指向只有在公式（1）范围内光束才能高效转换成倍频光：

（1）

其中，∂Δk/∂θ为非线性倍频晶体（5）相位失配量随偏离匹配角度θ的一阶倒数，L为晶体的长度，Δθ为光束指向偏离传输方向的角度；

第三步，输出双色镜（6）对倍频光全反射，对基频光部分反射，使双色镜（6）作为输出耦合镜和高阶模耗散元件，第二步中无法转换为倍频的高阶模，大部分将从双色镜（6）透射出激光腔，同时所述双色镜（6）还将转换成倍频光的低阶模和部分基频光反射回所述的非线性倍频晶体（5）中，通过所述精密平移台（7）调节双色镜（6）与倍频晶体（5）之间距离，基频光与倍频光将因空气色散和双色镜的反射而产生相位差ϕ，其中ϕ 如式（2）所示：

（2）

n为空气折射率，λ为激光器振荡波长，d为晶体表面与双色镜之间距离，ϕ_jump为双色镜(6)表面反射和非线性倍频晶体（5）引起光束相移，进一步通过精密平移台（7）调节双色镜（6）与非线性倍频晶体（5）之间的距离d，使得ϕ =π，此时倍频光将在逆向传输过程中，重新转换成基频光，并进一步在增益介质与泵浦源（3）的增益介质中获得放大，则第二步与本步骤结合，形成了一种非线性损耗机制，即高阶模因倍频转换效率低，将在双色镜（6）处出射，产生较高的损耗，而低阶模则因较高倍频效率和反射率，形成正反馈而振荡增强；

第四步，进一步提升泵浦能量，随着输出能量增大，激光器输出光束高阶横模将大幅减少，同时光束质量大幅改善，形成稳定振荡，据此记录为激光器振荡的第二振荡阈值；

第五步，基于前述步骤，当激光器工作于第二振荡阈值之上时，激光器将实现低阶横模乃至基横模锁定放大。

8.根据权利要求7所述的一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统的控制实现方法，其特征在于：激光器可实现低阶横模或基模输出，输出光束空间发散角将压缩在±200μrad以内，腔内无光阑小孔与聚焦元件。

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