CN1786803A - 高斯倍频光脉冲的产生方法 - Google Patents
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Abstract
一种高斯倍频光脉冲的产生方法，本发明利用有效延长倍频晶体有效作用长度的方式，通过控制初始基频光光强与倍频晶体有效作用长度的方式，使倍频输出的能量波动范围小于基频光能量的波动范围，从而实现了高稳定、高转换效率的高斯倍频光脉冲及近平顶的高阶高斯倍频光脉冲输出，本发明方法具有实现简单，调节方便等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种高稳定、高转换效率的高斯倍频光脉冲及近平顶的高阶高斯倍频光脉冲的产生方法。
背景技术
光学参量啁啾脉冲放大技术近年来成为人们研究的重点。实现高功率超短脉冲稳定输出成为一个很重要的问题。其中的关键是提高光参量放大器输出的稳定性。研究证明，如果以稳定的近平顶脉冲形状的高阶高斯绿光源作为抽运源，光参量放大后得到的信号光的输出稳定性将得到很大的改善。
为获得稳定的高阶高斯脉冲形状绿光输出，文献报道，目前采用的方案是：先对基频小信号进行时间整形，经过放大之后再通过倍频得到所需要的近平顶的高阶高斯脉冲。如美国Rochester大学采用的方法：利用波导调制器对脉冲进行时间整形生成高阶高斯脉冲，该信号经过再生放大器放大脉冲能量，放大后的信号作为基频光信号经由倍频晶体倍频后得到所需的结果。(L.J.Waxer，V.Bagnoud，I.A.Begishev，M.J.Guardalben，J.Puth，J.D.Zuegel，“High-conversion-efficiency optical parametric chirped-pulseamplification system using spatiotemporally shaped pump pulses”Opt Lett.28，1245(2003))这种方式先通过时间整形装置整形，由于整形后的信号很弱(pJ)，必须经过后级放大，最后才能倍频(这里暂简称为时间整形—放大—倍频技术)，由于涉及的环节比较多，且需要目前价格比较高昂的波导调制器，整体上结构比较复杂，而且价格高昂，其倍频稳定性取决于基频光的稳定性，倍频输出波动在4％～5％。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述现有技术的时间整形—放大—倍频技术方法的缺陷，提出一种直接由倍频来输出高斯及近平顶的高阶高斯倍频光脉冲的产生方法，由此方法可得到高稳定高转换效率的倍频脉冲输出，具有技术环节少，成本低，转换效率高(大于70％)，稳定性好(波动在2％内)的特点。
本发明的基本思想是：通过数值模拟计算由基频光光强(控制在倍频晶体破坏阈值内)设定晶体有效长度，对于三硼酸锂晶体(以下简称LBO晶体)，由于不用考虑走离角的影响，直接设定晶体长度即可；而对于BBO等倍频晶体，由于走离角影响比较大，用非线性双程倍频或者串联倍频的方式来延长倍频晶体有效作用长度；使倍频晶体有效作用长度与基频光光强相对应，保证倍频过程工作在“稳定”区，所谓的倍频“稳定区”，就是指在输入基频光强与晶体长度满足一定条件时，输入基频光的波动对倍频光的影响得到有效抑制，从而获取高转换效率、高稳定输出的高斯或近平顶的高阶高斯倍频光。
本发明的技术解决方案如下：
一种高稳定性、高转换效率的高斯倍频光脉冲的产生方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①选定基频光工作光强及其变化范围和倍频晶体，将相关参数代入归一化的倍频耦合方程组，通过计算机模拟计算，确定倍频晶体处于倍频稳定区的有效工作长度：我们知道在无限大平面波近似下，二倍频的理论描述可从耦合波动方程出发，在慢变振幅的近似条件下，得到归一化的倍频耦合方程组(请参见J.A.Armstrong，N.Bloembergen et al..Interaction between light waves in a nonlinear dielectric[J].Phys.Rev.127，1918(1962))如下：
du1/dξ＝-u1u2sinΘ
du2/dξ＝u1 2sinΘ (1)
dΘ/dξ＝ΔS+(cosΘ/sinΘ)d/dξ[ln(u1 2u2)]
式中下标i取值为1和2，分别对应基频光与倍频光的情况。ui为相应光的归一化振幅，分别定义为
u1＝[I1/(2ω1W)]1/2 (2a)
u2＝[I2cos2β/(ω2W)]1/2 (2b)
W＝I1(O)+I2(O)cos2β (2c)
其中β为基频光走离角，Ii为相应的光强，Ii(O)为相应的初始光强，ωi为相应的角频率。
ΔS＝Δkz/ξ (2d)
Θ＝Δkz+Φ2-2Φ1 (2e)
ξ＝4deffπ(πW)1/2z/(ε0λ1 2λ2n1 2n2cos2β) (2f)
光波沿z轴传播，Δk＝k2-2k1为其波矢失配量，deff为倍频晶体相应的有效非线性系数。Φi为相应的初始位相。ni为相应的折射率。
②选定倍频晶体工作方式，搭建相应的倍频输出装置；
③用示波器分别检测入射基频光光强和出射的倍频光光强；
④调节倍频晶体的上下俯仰角及左右倾斜角度，使晶体满足倍频位相匹配条件，使由倍频晶体输出的倍频光强最大；
⑤调节输入基频光光强，以获得由倍频晶体输出的倍频光达到稳定输出。
所述的倍频晶体工作方式为φ角方向非共线双程倍频时，所述的倍频输出装置的构成包括一基频光源，在该基频光源的基频光传输光路上依次是缩束器、安装在第一两维精密调整架上的第一倍频晶体和安装在第一精密三维调整架上的平面反射镜，所述的第一倍频晶体处于I类位相匹配条件下工作，倍频晶体的物理长度近似为所述的倍频晶体有效工作长度的1/2。
所述的第一倍频晶体为BBO晶体。
所述的倍频晶体的工作方式为串联倍频方式时，所述的倍频输出装置包括一基频光源，在该基频光源的基频光传输光路上依次设有缩束器、安装在第二精密二维调整架上的第二倍频晶体、安装在第三精密二维调整架上的第三倍频晶体，所述的第二倍频晶体与第三倍频晶体的主轴方向对称放置，所述的第二倍频晶体与第三倍频晶体均处在I类位相匹配工作条件下，倍频晶体有效工作长度近似为第二倍频晶体与第三倍频晶体(10)物理长度之和。
所述的第二倍频晶体与第三倍频晶体为BBO晶体。
所述的倍频晶体的工作方式为直接倍频方式时，所述的倍频输出装置包括一基频光源，在该基频光源的基频光传输光路上依次设有缩束器、安装在第四精密二维调整架上的第四倍频晶体，所述的第四倍频晶体处于I类位相匹配条件下工作。
所述的第四倍频晶体为LBO晶体。
所述的基频光源是Nd:YAG调Q激光器，或Nd:YAG调Q激光器与放大器组成的。
本发明的技术效果：
·对BBO等走离角影响大的晶体，利用非共线双程倍频或串联倍频的方法延长倍频晶体有效作用长度；而对LBO等走离角影响小的晶体，可直接设计晶体长度。
·通过调节入射基频光的光强，使最终输出的倍频能量波动范围小于基频光能量的波动范围。
·相对于时间整形—放大—倍频的方案，该方法转换效率高，环节少，结构简单，成本低而且稳定性更好。
·装置中各个组成单元光学器件均为常用器件，工艺上比较成熟，性能可靠性好。
附图说明
图1为在不同的基频光光强情况下，归一化倍频光光强随晶体长度的变化曲线，
图2是BBO非共线双程倍频试验装置图
图3是BBO串联倍频试验装置图。
图4是LBO倍频试验装置图。
图5是输入1064nm基频光脉冲形状
图6双程倍频后输出倍频光脉冲形状
图中：
1-Nd:YAG调Q单纵模激光器与放大器 2-光束缩束装置
3-第一倍频晶体(BBO) 4-第一精密二维调整架
5-平面反射镜 6-第一精密三维调整架 7-第二精密二维调整架 8-第二倍频晶体(BBO) 9-第三精密二维调整架
10-第三倍频晶体(BBO) 11-第四精密二维调整架
12-第四倍频晶体(LBO)
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
一种高稳定性、高转换效率的高斯倍频光脉冲的产生方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①选定基频光工作光强及其变化范围和倍频晶体，将相关参数代入归一化的倍频耦合方程组，通过计算机模拟计算，确定倍频晶体处于倍频稳定区的有效工作长度；
②选定倍频晶体工作方式，搭建相应的倍频输出装置；
③用示波器分别检测入射基频光光强和出射的倍频光光强；
④调节倍频晶体的上下俯仰角及左右倾斜角度，使晶体满足倍频位相匹配条件，使由倍频晶体输出的倍频光强最大；
⑤调节输入基频光光强，以获得由倍频晶体输出的倍频光达到稳定输出。
对倍频过程进行模拟计算来确定晶体有效作用长度，例如初始基频光光强设定为0.2Gw/cm2，对基频光光强变化分别为-10％、-5％、5％和10％的倍频光输出情况进行模拟，获得归一化倍频光强随倍频晶体长度变化的模拟曲线，计算结果如图1所示。在图1中，存在一个交叉汇聚区(图1中C位置所示)，在这个区域，输入基频光光强的波动对于倍频光输出的影响很小，故称之为倍频“稳定区”。当倍频晶体长度设计在该区域，在上述初始条件下，基频光强的波动对倍频光输出稳定性的影响可得到有效控制。
对于三硼酸锂晶体(以下简称为LBO)等走离角影响小的倍频晶体，晶体实际长度直接设定为计算长度即可；
对于β偏硼酸钡晶体(以下简称BBO)等走离角影响大的倍频晶体，以φ角方向非共线双程倍频或串联倍频的方式延长倍频晶体有效作用长度；(其中θ与φ角是定义光波波矢方向的两个参量，θ定义为波矢与光轴z的夹角，φ为波矢在xoy面上与投影与x轴的夹角，x与y轴为晶体压电方向)
调节倍频晶体上下俯仰角以及左右倾斜角度，使满足倍频位相匹配条件，此时输出倍频光强最强。
在设定的基频光的光强的附近调节基频光光强大小，同时用示波器观测入射基频光的波动与出射倍频光的波动，找到倍频光波动远远小于入射基频光波动的位置，即可得到高稳定高转换效率的倍频脉冲输出。
A：φ角方向非共线双程倍频的方法：
该方法的特征是基频光经过缩束后，进入BBO等倍频晶体3中，调节调整架4以及BBO晶体3的方位角，使输出倍频光最强，此时晶体满足一类相位匹配条件，一次倍频后，光束被平面反射镜5反射，调节三维调整架6，使平面反射镜5与BBO晶体3之间距离在4cm左右，并调节三维调整架6使被反射后的返程光束在BBO晶体的φ角方向有个偏离角，调节6使返程光束在θ角方向满足位相匹配条件，此时倍频光强最强，由调节φ角及基频光光强，重复⑤中操作，找到输出倍频光稳定性最好的工作位置。
B：串联倍频的方式：
该方法的特征是基频光经过缩束后，先进入第一块BBO晶体8中，调节调整架7以及BBO晶体8的方位角，使得输出倍频光强最强，此时满足I类相位匹配条件，光束经过第一块BBO晶体8后，进入第二块BBO晶体10中，晶体10的主轴方向与晶体8的主轴方向对称放置，以使两块BBO晶体的走离角影响彼此抵消，调节调整架9及BBO晶体10的方位角，使得第二块晶体10满足位相匹配条件，输出倍频光最强，重复⑤中操作，找到使输出倍频光稳定性最好的工作位置。
C：直接倍频的方式：
对于LBO晶体只需要一块长晶体，该方法特征是基频光经过缩束后，进入晶体LBO12中，调节调整架11及LBO晶体12的方位角，使得晶体满足位相匹配条件，输出倍频光最强，重复⑤中操作，找到使输出倍频光稳定性最好的工作位置。
参阅图1，图1在不同的基频光光强情况下，归一化倍频光光强随晶体长度的变化曲线，其中的C区位置即为倍频“稳定区”的位置，在初始基频光光强与晶体确定时，由该图可确定晶体有效作用长度的大小。
对于BBO晶体，由于走离角的影响，需要以φ角非共线双程倍频或串联倍频的方式延长晶体有效作用长度。
图2是φ角非共线双程倍频装置图，由Nd:YAG激光器调Q激光器与放大器1，输出单纵模高斯脉冲，经过缩束器2缩束后，进入倍频晶体BBO3中，单程倍频(I类位相匹配条件下)后，光束经反射镜5(1.064μm与0.532μm全反)反射，再次经过倍频晶体3，此时光束在φ角方向偏离入射方向一个角度(θ方向不变)。
参阅图3，图3是串联倍频试验装置图，由Nd:YAG激光器调Q激光器与放大器1，输出单纵模高斯脉冲，经过缩束器2缩束后，进入第一倍频晶体BBO 8中，倍频(I类位相匹配条件下)后，光束进入第二倍频晶体BBO 10中，两块倍频晶体的放置方位保证各自的走离角互补。
参阅图4，图4是LBO倍频试验装置图，由Nd:YAG激光器调Q激光器与放大器1，输出单纵模高斯脉冲，经过缩束器2缩束后，进入倍频晶体LBO 12中，倍频(I类位相匹配条件下)。
所述缩束器2的缩孔比例是2∶1。
本发明的基本工作过程：
经缩束装置2缩束后的基频光脉冲进入倍频晶体3中进行倍频，对BBO晶体采用φ角非共线双程倍频或者串联倍频方式延长倍频晶体的有效作用长度，并补偿单程(或者单块晶体)倍频中走离角所带来的影响。
φ角非共线双程倍频过程中，调整反射镜与晶体距离，并调节光束在φ角方向偏离角大小来补偿由于空气色散引起的位相失配，从而延长倍频晶体有效作用长度；串联倍频过程中，通过调整第二块倍频晶体方位使之满足晶体I类相位匹配的条件，从而延长倍频晶体有效作用长度。
对LBO晶体直接倍频即可。
调节输入基频光的光强，使之与有效晶体作用长度相匹配，使最终输出的倍频能量波动范围小于基频光能量波动范围，最终的倍频光输出稳定性得到大幅的提高。
本发明具体的实例中：
缩束后进入倍频晶体的基频光脉冲波形如图5所示，输出波动范围±6％左右，输入能量大约60mJ，φ2光斑，按照这个入射条件计算后，倍频晶体BBO的尺寸设计为8m×8mm×12.5mm，(θ＝22.8°，φ＝0°)，φ角非共线双程倍频方式得到的稳定输出波形如图6所示，能量转换率大于70％，而输出倍频脉冲的波动小于±2％，稳定性指标相对于基频光提高了近3倍。
Claims (8)
1、一种高稳定性、高转换效率的高斯倍频光脉冲的产生方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①选定基频光工作光强及其变化范围和倍频晶体，将相关参数代入归一化的倍频耦合方程组，通过计算机模拟计算，确定倍频晶体处于倍频稳定区的有效工作长度；
②选定倍频晶体工作方式，搭建相应的倍频输出装置；
③用示波器分别检测入射基频光光强和出射的倍频光光强；
④调节倍频晶体的上下俯仰角及左右倾斜角度，使晶体满足倍频位相匹配条件，使由倍频晶体输出的倍频光强最大；
⑤调节输入基频光光强，以获得由倍频晶体输出的倍频光达到稳定输出。
2、根据权利要求1所述的高斯倍频光脉冲的产生方法，其特征在于所述的倍频晶体工作方式为φ角方向非共线双程倍频时，所述的倍频输出装置的构成包括一基频光源(1)，在该基频光源(1)的基频光传输光路上依次是缩束器(2)、安装在第一两维精密调整架(4)上的第一倍频晶体(3)、和安装在第一三维精密调整架(6)上的平面反射镜(5)，所述的第一倍频晶体(3)处于I类位相匹配条件下工作，倍频晶体的物理长度近似为所述的倍频晶体有效工作长度的1/2。
3、根据权利要求2所述的高斯倍频光脉冲的产生方法，其特征是在于所述的第一倍频晶体(3)为BBO晶体。
4、根据权利要求1所述的高斯倍频光脉冲的产生方法，其特征在于所述的倍频晶体的工作方式为串联倍频方式时，所述的倍频输出装置包括一基频光源(1)，在该基频光源(1)的基频光传输光路上依次设有缩束器(2)、安装在第二精密二维调整架(7)上的第二倍频晶体(8)、安装在第三两维精密调整架(9)上的第三倍频晶体(10)，所述的第二倍频晶体(8)与第三倍频晶体(10)的主轴方向对称放置，所述的第二倍频晶体(8)与第三倍频晶体(10)均处在I类位相匹配工作条件下，倍频晶体有效工作长度近似为第二倍频晶体(8)与第三倍频晶体(10)物理长度之和。
5、根据权利要求4所述的高稳定性、高转换效率的高斯倍频光脉冲的产生方法，其特征在于所述的第二倍频晶体(8)与第三倍频晶体(10)为BBO晶体。
6、根据权利要求1所述的高斯倍频光脉冲的产生方法，其特征在于所述的倍频晶体的工作方式为直接倍频方式时，所述的倍频输出装置包括一基频光源(1)，在该基频光源(1)的基频光传输光路上依次设有缩束器(2)、安装在第四精密二维调整架(11)上的第四倍频晶体(12)，所述的第四倍频晶体(12)处于I类位相匹配条件下工作。
7、根据权利要求6所述的高斯倍频光脉冲的产生方法，其特征在于所述的第四倍频晶体(12)为LBO晶体。
8、根据权利要求1至7任一项所述的高斯倍频光脉冲的产生方法，其特征是在于所述的基频光源(1)是Nd:YAG调Q激光器，或Nd:YAG调Q激光器与放大器组成的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20071205 Termination date: 20110928 |