CN113206431A - 基于光学频率重组上转换产生深紫外激光的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光技术领域，公开了一种基于光学频率重组上转换产生深紫外激光的装置。本发明包含二倍频晶体、合束镜、光参量放大晶体、四倍频晶体以及和频晶体。首先利用二倍频晶体将基频光进行倍频产生二次谐波，然后利用一部分二次谐波在光参量放大晶体中对信号光进行放大，同时产生闲置光。随后剩余部分二次谐波经四倍频晶体产生四次谐波，然后在和频晶体中将四次谐波与产生的闲置光进行和频，最终获得非整数次谐波的高能深紫外激光。本发明结合了光学谐波转换与光参量放大，通过光参量放大产生不同于基频光波长的激光，并将其与基频光的整数次谐波进行和频，从而获得非整数次谐波的激光，这为在诸多晶体中产生深紫外波段激光提供了新的途径。

Description

基于光学频率重组上转换产生深紫外激光的装置

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于光学频率重组上转换产生深紫外激光的装置。

背景技术

深紫外激光因具有高单光子能量、高光谱精度以及准确的时间和频率分辨精度等优势，在激光物理、分析化学、光谱学等诸多科学研究以及工业领域中都有着重要的应用。一个典型的例子就是在激光惯性约束聚变、高能密度物理等研究中，光谱范围在180-230nm的深紫外激光是等离子体诊断非常理想的探测光束，因为其在汤姆森散射中表现出低自发射背景这一显著优势。

然而，深紫外激光通常很难产生。目前，只有自由电子激光器和同步辐射源等大型装置和极少数增益介质可以直接在深紫外光谱区发射激光。随着强激光的出现，非线性光学技术被认为是产生深紫外激光最有效的方法之一，一个常用的技术就是通过1μm波段激光的五次谐波产生来获得200nm波段深紫外激光。尽管目前非线性光学得到了快速的发展，材料生长技术也有了快速的进步，一系列非线性光学晶体不断被研发出来，但通过非线性光学技术获得的200nm波段附近深紫外激光脉冲的能量仍只有数百毫焦耳的水平，这大大限制了深紫外激光的应用。阻碍这一波段激光能量提升一个关键原因在于目前可获得的大尺寸非线性晶体难以在室温条件下满足非线性光学技术中需要的相位匹配条件。

为了实现高效的谐波转换来获得200nm波段深紫外激光，满足相位匹配是一个重要的前提条件。对于目前常用的晶体，只有BBO、CLBO、KBBF等极少数晶体能够在室温条件下满足五次谐波产生所需的相位匹配。但这些晶体均难以获得大的生长尺寸，因而极大地限制了200nm波段深紫外激光能量的提升。对于KDP系列晶体，如：KDP、DKDP、ADP等，它们能够获得大的生长尺寸，但它们需要在极低温条件下才能够实现五次谐波的相位匹配。比如对于1053nm激光五次谐波产生，KDP晶体需要在-140℃才能实现相位匹配，运转这种苛刻的低温系统需要非常复杂的设备，尤其是在大尺寸晶体中实现高精度的温度控制。此外，这些本身就对温度非常敏感的晶体在这种低温环境下工作也面临着巨大的挑战。

发明内容

本发明针对目前基于非线性光学技术获得深紫外波段高能激光所面临的难题，提出了一种基于光学频率重组上转换产生深紫外激光的装置。该装置将光学谐波转换与光参量放大进行了充分结合，能够通过非整数次谐波产生来获得高能量深紫外乃至真空紫外激光，从而克服传统方案在可选材料种类较少、晶体工作条件苛刻、产生的激光能量和波长受限等方面的局限性。

本发明的原理如下：

在利用非线性晶体对基频光进行谐波转换，产生基频光整数次谐波的基础上，通过光参量放大产生不同于基频光波长的激光，并将其与基频光的整数次谐波进行和频来产生非整数次谐波，从而获得紫外、深紫外以及真空紫外等短波段的激光。

本发明的技术解决方案如下：

基于光学频率重组上转换产生深紫外激光的装置，其特点在于，包含二倍频晶体、合束镜、光参量放大晶体、四倍频晶体、和频晶体以及分束镜，所述的分束镜镀有使信号光、闲置光、二次谐波、四次谐波透射，使和频光反射的膜层。

基于所述的光学元器件，本发明包括如下关键特征：

1、基频光通过所述的二倍频晶体产生二次谐波，并入射至所述的合束镜；所述的基频光经所述的合束镜透射，二次谐波经所述的合束镜反射，同时一束垂直于基频光方向的信号光经所述的合束镜透射；信号光的脉冲宽度等于或大于基频光的脉冲宽度，且信号光的波长不同于基频光的波长；

2、经所述的合束镜反射的二次谐波和经所述的合束镜透射的信号光合束后，同步入射至光参量放大晶体中，一部分二次谐波作为泵浦对信号光进行参量放大，并产生波长不同于基频光的闲置光；剩余部分的二次谐波在所述的四倍频晶体中再次进行倍频，产生四次谐波；

3、所述的闲置光与四次谐波经所述的和频晶体产生频率为基频光非整数倍的和频光，随后和频光经分束镜与其他激光分离；

4、结合所述的和频晶体的色散方程和需要产生的深紫外激光波段，闲置光应满足条件：

式中，下标i、4、SFG分别表示闲置光、四次谐波、需要产生的和频光；n表示激光的折射率；λ表示激光的波长。

根据所需的闲置光的波长可以由下式确定信号光的波长λ_s：

式中，下标2、s分别表示二次谐波、信号光；λ表示激光波长。由此，闲置光便可通过二次谐波对波长为λ_s的激光进行参量放大来产生，且光参量放大的效率可以通过调节入射到所述的光参量放大晶体中的信号光的能量来控制，使得最有利于后续和频光的产生。

本发明的效果如下：

1、将光学谐波转换与光参量放大进行了结合，通过光参量放大产生不同于基频光波长的激光，并将其与基频光的整数次谐波进行和频，从而能够获得非整数次谐波的激光，使得激光的波长不再局限于整数次谐波，为紫外、深紫外以及真空紫外等短波段激光的产生提供了新的途径。

2、克服了传统方案产生深紫外激光时，多种非线性晶体均需要工作在低温环境下这一弊端，使得BBO、LBO、CLBO、ADP、KDP以及DKDP等非线性晶体的应用范围得到极大地拓展，并且能够更灵活地产生不同波长的紫外激光。

附图说明

图1为本发明基于光学频率重组上转换产生深紫外激光的装置光路示意图。

图2为基于本发明，在室温20℃环境下、KDP晶体中266nm激光与1060-1160nm波长范围的闲置光进行和频获得210nm波段深紫外激光时，对应的相位匹配角变化曲线图。

图3以1064.1nm激光为基频光，1029.5nm激光为信号光，KDP晶体作为和频晶体，对基于本发明获得210nm波段深紫外激光进行实验验证测得的光谱图，其中(a)为基频光、二次谐波及四次谐波的光谱；(b)为信号光、闲置光及和频光的光谱。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行具体说明。

首先请参阅本发明基于光学频率重组上转换产生深紫外激光的装置光路示意图。从图1可以看出，其特征包括：二倍频晶体2、合束镜4、光参量放大晶体5、四倍频晶体6、和频晶体7以及分束镜8。所述的合束镜4镀有使基频光(ω₁)、信号光(ω_s)透射、二次谐波(ω₂)反射的膜层；所述的分束镜8镀有使信号光、闲置光(ω_i)、二次谐波、四次谐波(ω₄)透射，和频光(ω_SFG＝ω₄+ω_i)反射的膜层。

所述的基频光出射方向与所述的信号光出射方向垂直，信号光的脉宽等于或大于基频光的脉宽，且信号光的波长不同于基频光的波长。基频光通过所述的二倍频晶体2产生二次谐波，随后所述的合束镜4将二次谐波与基频光分离，并将二次谐波与信号光合束。

控制所述的基频光与信号光的出光时间使二次谐波与信号光在时间上同步地入射到所述的光参量放大晶体5中。一部分二次谐波作为泵浦对信号光进行参量放大，这一过程中，每湮灭一个二次谐波的光子会产生一个信号光光子和一个闲置光光子，闲置光的波长也与基频光的波长不同。调节所述的信号光输出能量来控制光参量放大的效率，使得最有利用于后面深紫外激光的产生。

剩余的二次谐波经所述的四倍频晶体6产生四次谐波，然后在所述的和频晶体7中，四次谐波与闲置光进行和频产生非整数次谐波的激光。最后所述的分束镜8将和频光与其它激光分离从而获得深紫外波段的高能激光。

本发明通过光参量放大产生不同于基频光波长的激光，并将其与基频光的整数次谐波进行和频，从而获得非整数次谐波的激光，使得最终产生的激光波长不再局限于整数次谐波，极大地丰富了可获得的短波段激光的波长范围。此外，为了能够在室温条件下产生需要的激光波段，可以结合和频晶体7在室温下的色散方程，计算出能满足相位匹配条件的闲置光波长，再根据二次谐波和闲置光的波长选择相应的信号光，进而通过光参量放大产生需要的闲置光，从而克服传统技术中一些光学材料需要工作在低温环境下的苛刻物理条件要求。

以KDP晶体、1064nm激光为基频光产生210nm波段深紫外激光为例来说明。若使用传统五次谐波产生技术，KDP晶体和频时需要工作在0℃度以下，这非常不利于高效深紫外激光的产生和长期稳定运行。

基于本发明，产生的深紫外激光可以不再限制在五次谐波波长处。图2给出了在室温20℃环境下，1064nm激光的四次谐波(266nm)与1060-1160nm波长范围的闲置光进行和频获得210nm波段深紫外激光时，KDP晶体的相位匹配特性。可以看出266nm激光与波长大于1085nm的激光均能够在室温条件下、KDP晶体中实现相位匹配，因此信号光的波长小于1043nm即可。这表明可以使用常见的1064nm和1030nm激光分别为基频光和信号光来产生1100nm的闲置光，通过266nm与1100nm激光在室温条件下、KDP晶体中和频便可获得210nm波段的深紫外激光。对于BBO、LBO、CLBO、ADP以及DKDP等非线性晶体都可以基于本发明进行类似的应用，所以本发明可以应用于诸多晶体中实现紫外、深紫外甚至真空紫外等波段激光的高效产生。

下面通过实际实验对本发明基于光学频率重组上转换产生深紫外激光的装置进行验证。

实验中1064.1nm激光为基频光，1029.5nm激光为信号光。基频光经DKDP晶体(二倍频晶体2)产生532.1nm的二次谐波。合束镜4将二次谐波与基频光分离，与信号光合束，并同时入射到另一以DKDP晶体为非线性材料的光参量放大晶体5中，一部分二次谐波对信号光进行参量放大的同时产生了波长为1101.2nm的闲置光。剩余的二次谐波经以KDP晶体作为非线性材料的四倍频晶体6产生了266.2nm的四次谐波。然后，四次谐波和闲置光在KDP晶体作为非线性材料的和频晶体7中和频产生了214.3nm的深紫外激光(4.97次谐波)。在上述实验过程中，非线性光学晶体均处于室温条件下，测得的光谱数据如图3所示。

实验结果表明将光学谐波转换与光参量放大进行结合，通过光参量放大来产生不同于基频光波长的激光，并将其与基频光的整数次谐波进行和频，能够在室温条件下使用KDP晶体有效地获得非整数次谐波的深紫外激光。由于激光的波长不再局限于整数次谐波，因此可获得的紫外、深紫外甚至真空紫外等短波段激光的光谱能够极大地拓展，同时也使得多种光学材料在用于产生深紫外波段激光时，所需要的苛刻环境条件得到了有效地缓解，使材料的性能能够充分发挥。因此本发明不仅可以显著地增加BBO、LBO、CLBO以及KDP系列晶体的应用潜力和范围，而且对于新频率激光的产生有重要的应用价值。

Claims (4)

1.基于光学频率重组上转换产生深紫外激光的装置，其特征在于，包含二倍频晶体(2)、合束镜(4)、光参量放大晶体(5)、四倍频晶体(6)以及和频晶体(7)；

基频光(ω₁)经所述的二倍频晶体(2)产生二次谐波(ω₂)，并入射至所述的合束镜(4)；所述的基频光(ω₁)经所述的合束镜(4)透射，二次谐波(ω₂)经所述的合束镜(4)反射，同时一束垂直于基频光(ω₁)方向的信号光(ω_s)经所述的合束镜(4)透射；信号光(ω_s)的脉冲宽度等于或大于基频光(ω₁)的脉冲宽度，且信号光(ω_s)的波长不同于基频光(ω₁)的波长；

经所述的合束镜(4)反射的二次谐波(ω₂)和经所述的合束镜(4)透射的信号光(ω_s)合束后，同步入射至所述的光参量放大晶体(5)中，一部分二次谐波(ω₂)作为泵浦对信号光(ω_s)进行参量放大，并产生波长不同于基频光(ω₁)的闲置光(ω_i)；剩余部分的二次谐波(ω₂)在所述的四倍频晶体(6)中再次进行倍频，产生四次谐波(ω₄)；

所述的闲置光(ω_i)与四次谐波(ω₄)经所述的和频晶体(7)产生频率为基频光(ω₁)非整数倍的和频光(ω_SFG)。

2.根据权利要求1所述的基于光学频率重组上转换产生深紫外激光的装置，其特征在于，还包括用于分离和频光(ω_SFG)的分束镜(8)，该分束镜(8)镀有使信号光(ω_s)、闲置光(ω_i)、二次谐波(ω₂)、四次谐波(ω₄)透射，使和频光(ω_SFG)反射的膜层。

3.根据权利要求1所述的基于光学频率重组上转换产生深紫外激光的装置，其特征在于，所述的和频晶体(7)为BBO、LBO、CLBO、ADP、KDP或DKDP非线性晶体。

4.根据权利要求1所述的基于光学频率重组上转换产生深紫外激光的装置，其特征在于：结合所述的和频晶体(7)的色散方程和需要产生的深紫外激光波段，闲置光(ω_i)应满足如下条件：

式中，n_i表示闲置光的折射率；λ₄表示四次谐波的波长，λ_SFG表示需要产生的和频光的波长；

根据所需的闲置光(ω_i)的波长λ_i，确定信号光(ω_s)的波长λ_s，公式如下：

式中，λ₂表示二次谐波的波长；

闲置光(ω_i)通过二次谐波(ω₂)对波长为λ_s的激光进行参量放大来产生，且光参量放大的效率通过调节入射到所述的光参量放大晶体(5)中的信号光(ω_s)的能量来控制，产生最有利于后续和频光(ω_SFG)。

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