CN210007101U - 一种实现会聚光束高效四倍频的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实现会聚光束高效四倍频的装置，包括：高功率激光器，沿高功率激光器激光传输方向依次设置有二倍频晶体，二倍频取样劈板，聚焦透镜，四倍频DKDP晶体，四倍频取样劈板；所述四倍频DKDP晶体连接有温控系统，所述二倍频取样劈板和四倍频取样劈板均各自产生反射光路，且所述反射光路上各设置有二倍频能量计和四倍频能量计。本实用新型的一种实现会聚光束高效四倍频的装置具有提高会聚光束四倍频转换效率，改善四倍频光束质，解决聚焦透镜前置方案的局限性，为提升高功率激光系统负载能力奠定基础的优点。

Description

一种实现会聚光束高效四倍频的装置

技术领域

本实用新型属于一种非线性光学技术装置领域，具体涉及一种实现会聚光束高效四倍频的装置。

背景技术

高功率激光装置能输出兆焦耳级的激光能量，拍瓦甚至艾瓦级的激光功率，可为高能量密度科学、强场物理及天体物理等领域的研究提供条件，特别是近几十年来发展起来的惯性约束聚变研究，成为各大国的关注热点。高功率激光装置通常采用倍频晶体将基频红外光转化为短波长紫外光，并利用熔石英透镜将紫外光束聚焦至靶点。目前，高功率激光装置通常采用三倍频激光作为工作波长。研究表明，激光波长越短越有利于提高激光和靶丸的耦合效率，四倍频可以将紫外光拓展至260nm且具有较高的转换效率，因此四倍频激光应用前景广阔，得到了广泛关注。DKDP晶体是一种性能优良的非线性光学材料，其具有较大非线性系数，较宽的透光范围，较高的激光损伤阈值、较低的横向受激拉曼散射增益系数和易于获得大尺寸单晶等优点；另外，DKDP通过改变晶体氘含量易用实现非临界相位匹配，因此，高功率激光装置中四倍频材料普遍采用DKDP晶体。

高功率激光系统中熔石英透镜的紫外激光损伤问题一直是限制其激光输出能力提升的重要因素。抑制透镜损伤的方法通常是提升表面加工质量或通过表面酸刻蚀等技术提高透镜的损伤阈值，目前加工及后处理工艺下难以完全去除损伤前驱体，高功率激光下熔石英透镜将不可避免地发生损伤；熔石英元件一旦发生损伤，则损伤面积将会快速增长，元件使用寿命大大降低。与熔石英相比，目前DKDP晶体的损伤阈值虽然略低，但DKDP晶体损伤点面积较小，且损伤点尺寸随发次无显著增长。常规运行通量下DKDP晶体的损伤性能显著优于熔石英材料。在此需求背景下，研究人员提出将熔石英透镜至于紫外倍频晶体前使熔石英透镜处于二倍频光辐照下，从而降低熔石英透镜的损伤概率。但是，该种方案中进入四倍频DKDP晶体的二倍频光是会聚光束，对于特定氘含量的DKDP晶体难以使得晶体上各个位置满足相位匹配，导致四倍频效率低下且光束分布不均匀。可见，将聚焦透镜前置的方案存在明显局限性，此方案亟需改进以实现四倍频光束的高效输出。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种实现会聚光束高效四倍频的装置，包括：

用于发射基频激光的高功率激光器；

用于将基频激光转换二倍频激光的二倍频晶体，其设置在所述基频激光的光路下游；

二倍频取样劈板，其设置在所述二倍频晶体的光路下游，所述二倍频取样劈板将二倍频激光分为反射二倍频激光和透射二倍频激光；

二倍频能量计，其设置在反射二倍频激光光路中；

聚焦透镜，其设置在透射二倍频激光光路中；

用于将二倍频激光转换为四倍频激光的四倍频DKDP晶体，其设置在聚焦透镜的光路下游，所述四倍频DKDP晶体上连接有用于控制四倍频DKDP 晶体的温控系统；

四倍频取样劈板，其设置在所述四倍频DKDP晶体的光路下游，所述四倍频取样劈板将四倍频激光分为反射四倍频激光和透射四倍频激光；

四倍频能量计，其设置在反射四倍频激光光路中。

优选的是，所述高功率激光器发射皮秒或纳秒脉冲激光，激光波长为 1050nm～1070nm。

优选的是，所述二倍频晶体包括KDP、DKDP、ADP、LBO、YCOB非线性光学晶体中的一种或多种。

优选的是，所述聚焦透镜为厚度沿透镜径向单调变化的平凸形一维楔形透镜。

优选的是，所述基频激光中心指向和二倍频晶体中心垂直。

优选的是，所述二倍频激光光束中心指向和四倍频DKDP晶体垂直。

本实用新型至少包括以下有益效果：

本实用新型在聚焦透镜前置倍频方案的基础上提出了采用氘含量连续变化的DKDP晶体作为四倍频材料的思路，通过设计DKDP晶体氘含量的变化梯度可以匹配不同F数聚焦的需求，采用该装置可以显著提高会聚光束四倍频转换效率，改善四倍频光束质，解决聚焦透镜前置方案的局限性，为提升高功率激光系统负载能力奠定基础。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本实用新型提供的装置结构示意图；

图2为本实用新型提供的四倍频转换效率和晶体氘含量梯度的关系示意图；

图3为本实用新型提供的氘含量梯度a＝0.017％/mm时的四倍频光强分布示意图；

其中，SHG：二倍频光束，FHG：四倍频光束。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-3示出的一种实现会聚光束高效四倍频的装置，包括：

用于发射基频激光的高功率激光器1；

用于将基频激光转换二倍频激光的二倍频晶体2，其设置在所述基频激光的光路下游；

二倍频取样劈板3，其设置在所述二倍频晶体2的光路下游，所述二倍频取样劈板3将二倍频激光分为反射二倍频激光31和透射二倍频激光32；

二倍频能量计4，其设置在反射二倍频激光光路31中；

聚焦透镜5，其设置在透射二倍频激光光路32中；

用于将二倍频激光转换为四倍频激光的四倍频DKDP晶体6，其设置在聚焦透镜5的光路下游，所述四倍频DKDP晶体6上连接有用于控制四倍频 DKDP晶体6的温控系统7；

四倍频取样劈板8，其设置在所述四倍频DKDP晶体6的光路下游，所述四倍频取样劈板8将四倍频激光分为反射四倍频激光81和透射四倍频激光 82；

四倍频能量计9，其设置在反射四倍频激光光路中。

工作原理：根据要求搭建实验光路，保证高功率激光器1发出的基频光能够穿过二倍频晶体2打在二倍频取样劈板3中心上，且基频激光穿过二倍频晶体2后形成二倍频激光光束，其通过二倍频取样劈板3时，一部分反射到二倍频能量计4上，其余的光透过二倍频取样劈板3打在聚焦透镜5上，通过聚焦透镜5汇聚后，光束打在位于温控系统7中的四倍频DKDP晶体6 上，通过温控系统7调节四倍频DKDP晶体6的温度，实现各点的相位匹配，使形成的四倍频激光输出效率最高，之后，四倍频激光光束打在四倍频取样劈板8上，一部分被反射到四倍频能量计9内，检测激光的光强，其余大部分激光光束穿过四倍频取样劈板8。

在实验开始前，根据所述的四倍频DKDP晶体6氘含量变化梯度与聚焦透镜5的F数呈正相关，针对实验中给定的F数，基于耦合波方程建立会聚光束四倍频数值模型：

式中1表示二倍频光束，2表示四倍频光束，A、v、ρ、n、αΔk分别表示复振幅、群速度、走离因子、折射率、吸收系数和位相失配量，其中折射率是入射光和晶体z轴的夹角θ的函数，而θ光束随z轴位置变化，采用分步傅里叶变换和四阶龙格-库塔算法对上述耦合波方程进行模拟，可以计算不同氘含量变化梯度下的四倍频转换效率，根据得到的数值，建立关系曲线，可得效率最高时的氘含量变化梯度，选定氘含量变化梯度为效率最高的DKDP 晶体为实验所用的四倍频DKDP晶体。

固定高功率激光器1的输出能量，可以通过温控系统5改变四倍频DKDP 晶体6的温度，从而实现四倍频DKDP晶体6上的各点实现相位匹配，并可以测得不同温度下的四倍频转换效率，建立关系曲线图得到转换效率最高时的四倍频DKDP晶体的温度。

实验时，将氘含量变化梯度和四倍频DKDP晶体温度设置为测所得的最佳值，进行调节，最终可以使得四倍频的输出效率最高，实现会聚光束高效四倍频。

在上述技术方案中，所述高功率激光器1发射皮秒或纳秒脉冲激光，激光波长为1050nm～1070nm。

在上述技术方案中，所述二倍频晶体2包括KDP、DKDP、ADP、LBO、 YCOB非线性光学晶体中的一种或多种。

在上述技术方案中，所述聚焦透镜9为厚度沿透镜径向单调变化的平凸形一维楔形透镜。

在上述技术方案中，所述基频激光中心指向和二倍频晶体2中心垂直。采用这种方式，激光光束中心指向和二倍频晶体中心垂直，保证入射光线能量更加集中，减少能量的损耗。

在上述技术方案中，所述二倍频激光光束中心指向和四倍频DKDP晶体 6垂直。采用这种方式，二倍频会聚光束中心指向与四倍频DKDP晶体6垂直，可以避免光束的能量的损耗，减小误差，使得实验结果更加精确。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本实用新型的说明的。对本实用新型的实现会聚光束高效四倍频的装置的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种实现会聚光束高效四倍频的装置，其特征在于，包括：

用于发射基频激光的高功率激光器；

用于将基频激光转换二倍频激光的二倍频晶体，其设置在所述基频激光的光路下游；

二倍频取样劈板，其设置在所述二倍频晶体的光路下游，所述二倍频取样劈板将二倍频激光分为反射二倍频激光和透射二倍频激光；

二倍频能量计，其设置在反射二倍频激光光路中；

聚焦透镜，其设置在透射二倍频激光光路中；

用于将二倍频激光转换为四倍频激光的四倍频DKDP晶体，其设置在聚焦透镜的光路下游，所述四倍频DKDP晶体上连接有用于控制四倍频DKDP晶体的温控系统；

四倍频取样劈板，其设置在所述四倍频DKDP晶体的光路下游，所述四倍频取样劈板将四倍频激光分为反射四倍频激光和透射四倍频激光；

四倍频能量计，其设置在反射四倍频激光光路中。

2.如权利要求1所述的实现会聚光束高效四倍频的装置，其特征在于，所述高功率激光器发射皮秒或纳秒脉冲激光，激光波长为1050nm～1070nm。

3.如权利要求1所述的实现会聚光束高效四倍频的装置，其特征在于，所述二倍频晶体包括KDP、DKDP、ADP、LBO、YCOB非线性光学晶体中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的实现会聚光束高效四倍频的装置，其特征在于，所述聚焦透镜为厚度沿透镜径向单调变化的平凸形一维楔形透镜。

5.如权利要求1所述的实现会聚光束高效四倍频的装置，其特征在于，所述基频激光中心指向和二倍频晶体中心垂直。

6.如权利要求1所述的实现会聚光束高效四倍频的装置，其特征在于，所述二倍频激光光束中心指向和四倍频DKDP晶体垂直。