CN1801552A - 基于多组分变掺杂层状晶体的飞秒激光倍频器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光倍频器件，具体为一种基于多化学组分、变掺杂的多层非线性光学晶体的飞秒激光倍频器。本发明包括一种特殊设计的变掺杂的层状非线性光学倍频晶体，沿着通光方向，不同层之间各种化学组分的掺杂浓度不同。本发明的目的是利用这样一种特殊设计的非线性光学晶体，实现超宽带飞秒激光的倍频。这种倍频器具有使用简便，可靠，倍频允许带宽特别宽的特性，可广泛应用于飞秒脉冲的倍频。

Description

基于多组分变掺杂层状晶体的飞秒激光倍频器

技术领域

本发明属激光倍频技术领域，具体涉及一种基于多化学组分变掺杂的层状非线性光学晶体的超宽带飞秒激光倍频器。

背景技术

超宽带的飞秒脉冲在强场物理，激光核聚变，超快测量等多方面都有着广泛的应用。以钛宝石激光为典型载体的飞秒技术日趋成熟，以及其商品化器件的出现，极大地推动了超快技术本身的发展。倍频技术作为一种有效的频率转换技术在飞秒光领域有着重要的应用。但是对于一般的倍频晶体来说，超宽带的飞秒光中远离中心频率频谱成分，会因为位相失配过大而得不到有效倍频，频谱的损失意味着飞秒光时间域上的展宽以及总效率的降低，因此需要发展宽带倍频技术。

最简单的宽带倍频技术是使用薄的倍频晶体，以减小频谱边缘成分的位相失配量，增大倍频带宽(R.J.Ellingson and C.L Tang，“High-repetition-rate femtosecond pulse generationin the blue，”Opt.Lett.17，343，1992)。要获得相同的倍频效率，薄晶体要求的基频光强要比长晶体高两三个数量级，但基频光强会受到晶体的光损伤阈值以及其他高阶非线性效应的限制，因此多数时候需要牺牲效率来提高倍频带宽。

其他现有的宽带倍频技术主要分为两类

(1)通过特殊结构设计使得宽带基频光中所有波长都能实现完全位相匹配，例如消色差的位相匹配(APM)(B.A.Richman，S.E.Bisson，R.Trebino，E.Sidick，and A.Jacobson，“Efficient broadband secondharmonic generation by dispersive achromatic nonlinearconversionusing only prisms，”Opt.Lett.23，497，1998)，多片晶体组合技术(M.Brown，“Increased spectral bandwidths in nonlinear conversion processes by use of multicrystaldesigns，”Opt.Lett.23，1591，1998)等。这一类技术理论上可以对一定波段内任意波长都实现位相匹配，从而达到足够宽的倍频带宽。但是这些技术一般结构复杂，而且对调节精确度要求严格，不适合长期稳定使用。

(2)折返点的倍频技术。位相失配曲线的折返点意味着位相失配对于波长的一阶导数为0(即群速度失配GVM＝0)，此时位相失配对波长变得不敏感，可以提高倍频带宽。但是受到晶体种类的限制，并不是每个波长的倍频过程都能找到对应得GVM为0的晶体，掺杂折返点倍频技术提供了GVM＝0的波长的调节能力。生长晶体时将不同化学组分掺杂，可以改变晶体色散性质，使倍频中心波长GVM＝0。例如将KDP和KD^*P按照一定比例掺杂后可以使得1μm波段倍频GVM＝0，通过改变掺杂浓度，GVM＝0的波长调谐范围1.034-1.179μm。(Heyuan Zhu，Tao Wang，Wanguo Zheng，et al.“Efficient second harmonicgeneration of femtosecond laser at 1μm”Optics Express vol.12，no.10；17 May 2004)这一类技术因为结构简单可靠，有较高的实用性，但是其理论的带宽极限仍然会受到晶体色散(GVD)的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单、稳定性好、理论带宽大的新颖飞秒激光倍频器。

本发明设计的飞秒激光倍频器，是一种多化学组分、变掺杂的层状非线性光学倍频晶体。即沿着一块晶体的通光方向，化学组分在不同层之间掺杂浓度不同，不同层对应不同波长的位相匹配，从而实现简单可靠的超宽带倍频。结构示意图如图1。

通常的倍频晶体采用多片晶体组合技术，即沿通光方向使用多块薄晶体，通过相邻晶体之间的微小的角度差别，来实现对不同频率成分的倍频，从而实现超宽带倍频。这种系统对于晶体角度的调节精度要求比较高，而且因为晶体都是相互独立的，在调试好之后重复使用时可靠性比较差，容易受到周围环境的影响。本发明用一块晶体里的多层来代替多块单晶体，由不同层来实现对于不同频率成分的倍频，从而提高重复使用时的可靠性。而在晶体生长时改变层间的角度是比较困难的，本发明采用晶体掺杂技术提供了一个可行的手段。由KDP和KD^*P掺杂的理论计算图2可以看出，不同的掺杂浓度对应着不同位相匹配波长。因此通过改变层间的掺杂浓度来代替改变角度，是可以实现相同目的的，即不同层对于不同频率成分的倍频。

与上述两种宽带倍频方法比较，本发明的特点：

与多片晶体组合技术相比较：

(1)单块多层晶体代替多块晶体系统，使器件稳定可靠，操作简单，克服了多片晶体组合技术的不足。

(2)都具有对基频光中任意波长都实现位相匹配的特点，倍频的理论带宽非常宽。

与单一掺杂折返点倍频技术比较：

(1)变掺杂系统具有对基频光中任意波长都实现位相匹配的特点，其理论带宽极限不受GVD的限制，远大于单一掺杂晶体理论带宽。

(2))同为单块晶体，简单可靠。

总之，本发明的特殊晶体继承了两种现有技术的优点，既具备很宽的理论带宽，又简单可靠具有实用性。

本发明中，所述倍频晶体，其生长时使用两种(或多种)不同化学组分掺杂，并且沿通光方向为层状结构，不同层中掺杂组分的掺杂浓度不同。

本发明中，晶体中的掺杂组分可选择下述2种化学成分组合之一种：磷酸二氢钾(KDP)/氘化磷酸二氢钾(KD^*P)，磷酸二氢铵(ADP)/氘化磷酸二氢铵(AD^*P)，磷酸二氢铷(RDP)/氘化磷酸二氢铷(RD^*P)，磷酸二氢钾(KDP)/砷酸二氢钾(KDA)等。

本发明中，晶体的不同层次中的掺杂组分的掺杂浓度可选择如下函数进行变化：线性函数，阶梯形函数，二次函数，指数函数，对数函数，高斯函数。一般浓度的变化范围为3-25个百分点。这里的掺杂浓度是指两种掺杂组分中，前面一个组分在晶体中的质量百分比。

本发明中，晶体长度一般为0.1-4cm，各单层厚度一般可为0.1-1.5mm。

本发明设计的飞秒激光倍频器，其工作波长范围可以涵盖200nm至4μm的宽波段。

对于基频光中某一个特定的波长，理论上在多层晶体中只有一层对其实现完全的位相匹配，其相邻层会有微小的位相失配，并且随着与位相匹配层的距离增大其位相失配变大，较远的层对于该波长的倍频过程甚至没有影响。也就是说对于某一波长只有相应的一段晶体起到了倍频作用。所以对晶体结构的优化设计是必须的，既要保证足够倍频带宽，又要尽量增大各波长起到倍频作用的有效晶体长度。

优化的自由度包括晶体长度，掺杂浓度的范围，晶体的层数，以及掺杂浓度在层与层之间的变化函数。

(1)晶体长度，因为其位相匹配与波长无关，所以理论上越长的晶体长度就意味着越大的允许带宽和非线性作用，即晶体长度应该尽量长。只是晶体长度受到晶体生长技术和成本的限制，所以要根据实际应用设计。一般较常用的晶体长度在1cm-4cm之间。与之相比较，单一掺杂的晶体因GVD的作用，晶体长度要受限于需要的倍频带宽。

(2)掺杂浓度。不同的掺杂浓度对应不同的光谱成分，应该根据实际需要带宽的大小来确定掺杂浓度范围。在晶体长度一定的情况下，掺杂浓度变化范围越大，对应于每个波长起倍频作用的有效晶体长度就越短，对泵浦光强的要求就越高。因此掺杂浓度范围取决于实际的光谱宽度，不可过大。本发明根据实际应用的需要，掺杂浓度的变化范围设置不是很大，一般为3-25个百分点(例如掺杂浓度在60％-80％范围变化时，变化范围为20个百分点)，例如对于10fs(光谱半高带宽160nm)基频光，需要变化范围为18-25个百分点；而对于40fs(光谱半高带宽40nm)基频光，需要变化范围为3-6个百分点等等。

(3)晶体层数。层数太少意味着整个晶体只对各层的几个中心波长的倍频的效果最好，会产生光谱的变形。最极端的效果就是单层晶体，即单一比例掺杂的情况，只对中心波长倍频效果最好，达不到超宽带倍频的需要。因此层数要多一些，最好是使掺杂量接近连续变化，但是生长晶体的技术和成本也使得层数不可能无限多，具体层数的精度受限于实际的技术。一般情况下单层厚度在mm量级，即一块晶体中大约有几十层。目前，其单层厚度为0.1-1.5mm。随着技术的改进，单层厚度可以做到更小。

(4)掺杂浓度的变化函数是另一个调节自由度。对不同的基频光光谱形状可使用不同的掺杂浓度函数。例如需要倍频过程各频率成分增益相近，一般可选择使用线性函数或者阶梯函数；为了使得中心波长倍频效果得到加强，可以使用高斯函数、二次函数或指数函数，其中函数的平坦部分对应中心波长位相匹配的位置；为了得到平坦的倍频光谱，可以采用高斯函数，但是函数中平坦部分对应边缘波长位相匹配的位置，边缘频率成分有效倍频作用距离较长，使得倍频光谱趋于平坦。总之，通过改变掺杂函数，可以使得对某些波长倍频效果增强，某些波长倍频效果减弱，从而改变倍频光的光谱形状，达到对倍频光谱整形的目的。

本发明的优越性在于：

(1)对任意波长都实现位相匹配，可以支持超宽带飞秒光的倍频。

(2)单块晶体简单可靠，使用方便，具有良好的实用性。

(3)解决了晶体长度对带宽的限制，使得长的晶体得以应用，从而减小了对泵浦光强度的要求。

(4)通过改变掺杂浓度的变化函数，能够实现对光谱的整形。

附图说明

图1本发明基于化学组分变掺杂的非线性光学晶体的结构示意图(两种成分线性比例掺杂)。其中，A：入射宽带基频光，B：变掺杂量的层状倍频晶体，C：出射宽带倍频光，L：晶体长度，X(z)：掺杂量在在不同层间的变化函数。

图2对于KDP和KD^*P掺杂晶体，不同掺杂浓度情况下，位相失配量随波长的变化的理论计算图，晶体切割角度为41度。定义晶体掺杂浓度x为KDP在晶体中物质的量百分比。实线、划线和点线分别代表掺杂浓度x的值为80％，88％，75％的情况。

图3对于ADP和AD^*P掺杂晶体，不同掺杂浓度情况下，位相失配量随波长的变化的理论计算图，晶体切割角度为40.6度。定义晶体掺杂浓度x₁为ADP在晶体中物质的量百分比。实线和划线分别代表掺杂浓度x₁的值为69％，62％的情况。

具体实施方式

实施例1

设计KDP和KD^*P掺杂晶体实现1054nm附近的宽带倍频。

(1)基频脉冲形状高斯型，中心波长1054nm，脉宽20fs，其对应光谱半高宽为80nm。我们设计KDP和KD^*P掺杂的多层晶体来实现其宽带倍频。考虑到技术因素及成本，设计晶体长度为20mm，层数为20层，切割角为41度。为了达到对各个频率成分的有效倍频，我们希望位相匹配波长涵盖基频光半宽2倍的光谱范围，即0.974um-1.134um。从图2我们可以看出，需要选择掺杂浓度x在晶体中的变化范围为80％-88％。层间掺杂浓度变化函数采用线性函数。通过这些优化设计，实现了对于1054nm附近超宽带飞秒光的简单可靠的倍频。

(2)基频脉冲形状为高斯型，中心波长1054nm，但脉宽变为40fs，其对应光谱半高宽为40nm。通过和实施例1第一部分相似的计算，设计晶体长度20mm，层数为20层，切割角41度，x在晶体中的变化范围为84％-88％，依然采用线性变化函数。与实施例1第一部分相比，由于x的变化范围减小，使得各个频率成分有效倍频长度变大，相同基频光强下得到的倍频效率增大。

(3)基频脉冲形状为高斯型，中心波长1054nm，脉宽40fs，对应光谱半高宽40nm。为了得到平坦的倍频光谱输出，掺杂浓度x的变化函数采用高斯函数，但函数中平坦部分对应边缘频率成分位相匹配位置。依旧使用晶体长度20mm，层数为20层，切割角41度，x在晶体中的变化范围为84％-88％。得到了平坦的倍频光谱，但同基频光强下倍频效率比前面两种情况要低。

实施例2

设计其他掺杂晶体实现1054nm附近的宽带倍频。

(1)ADP和AD^*P掺杂的情况，基频脉冲形状为高斯型，中心波长1054nm，脉宽20fs，对应光谱半高宽80nm。与实施例1第一部分相比较，设计晶体长度为20mm，层数为20层，切割角为40.6度。如图3，选择掺杂浓度x₁在晶体中的变化范围为62％-69％。层间掺杂浓度变化函数采用线性函数。同样可以达到宽带倍频的效果。

(2)同实施例2第一部分相同的基频脉冲条件下，要达到宽带倍频目的，若使用KDA/KDP掺杂晶体，设计晶体长度为20mm，层数为20层，切割角为41.1度，KDP在晶体中物质的量百分比的变化范围为82％-90％；若使用RDP/RD^*P掺杂晶体，设计晶体长度为20mm，层数为20层，切割角为41.3度，RDP在晶体中物质的量百分比的变化范围为91％-98％。均可达到宽带倍频的效果。

Claims (5)

1.一种基于多组分、变掺杂层状晶体飞秒激光倍频器，包括一个相关特殊设计的非线性光学晶体，其特征在于：该光学晶体生长时是使用两种或多种化学组分掺杂而成；并且沿通光方向具有层状结构，不同层间两种或多种组分的掺杂浓度不同。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光倍频器，其特征在于：所述的掺杂组分采用下述化学成份组合之一种：磷酸二氢钾/氘化磷酸二氢钾，磷酸二氢铵/氘化磷酸二氢铵，磷酸二氢铷/氘化磷酸二氢铷，磷酸二氢钾/砷酸二氢钾。

3.根据权利要求1所述的飞秒激光倍频器，其特征在于：晶体中不同层间两种成分掺杂浓度随晶体位置的变化而变化，其变化关系的函数为如下之一种：线性函数，阶梯形函数，二次函数，指数函数，对数函数，高斯函数。

4.根据权利要求1所述的飞秒激光倍频器，其特征在于：所述晶体长度为0.1-4cm，各单层厚度为0.1-1.5mm。

5根据权利要求1所述的飞秒激光倍频器，其特征在于：工作波长范围涵盖200nm至4μm的宽波段。

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