[發明專利]一種寬帶激光脈沖高效諧波轉換光路系統

無效

• 申請號: 200910043846.2
• 申請日: 2009-07-03
• 公開（公告）號: CN101592842A
• 公開（公告）日: 2009-12-02
• 發明（設計）人: 陳列尊;文雙春
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司
• 代理人: 馬 強

技術領域

本發明涉及一種能實現寬帶激光脈沖高效諧波轉換的光路系統，該系統能顯著提高超短激光脈沖的諧波轉換帶寬，尤其適合構成寬帶啁啾脈沖壓縮諧波轉換器，同時具備壓縮與諧波轉換功能，屬于強激光非線性頻率變換領域。

背景技術

超短激光脈沖的諧波轉換不同于窄帶激光，以二次諧波轉換為例，非線性晶體都不可避免地存在色散效應，即不同頻率的光在晶體中的相速度和群速度是不一樣的。對于各向異性的非線性晶體，可以利用晶體的雙折射效應來補償由色散效應引起的相速度差異，實現相位匹配，即雙折射相位匹配技術(BPM)。同樣，也可利用晶體的雙折射效應實現群速匹配(GVM)。然而，一般情況下，對于大部分各向異性的非線性晶體來說，這兩個匹配是無法同時滿足的，因為滿足BPM和GVM的兩個匹配方向一般不重合。對于各向同性的非線性晶體，是利用晶體的正、反常色散來實現相位匹配(PM)和群速匹配的。然而，這兩個匹配也是無法同時滿足的，因為滿足PM和GVM所要求的正、反常色散材料的比例通常是不一樣的。目前，針對寬帶諧波轉換相位與群速匹配問題的解決方案主要包括：光譜角色散，啁啾匹配，晶體級聯和折返點匹配。

1光譜角色散

光譜角色散方案基本思想是利用光柵等色散元件提供的光譜角色散來補償晶體的色散，從而保證在一個寬的頻率范圍內均能實現相位匹配。其基本過程是利用光柵或棱鏡通過衍射的形式將寬帶光的不同頻率成分在空間上相互分開，通過選擇合適的光柵參數和入射角度，使得不同的頻率成分都能以各自的相位匹配角入射到非線性晶體上，從而實現各個頻率成分的高效諧波轉換，以達到提高轉換帶寬的目的。根據所采用的角色散補償元件，其諧波轉換裝置分為光柵式和棱鏡式兩種。

光譜角色散方案的缺點在于整個諧波轉換系統光路復雜，調節困難，并且這種方案無法補償晶體的高階色散，無法實現大帶寬條件下的高效諧波轉換。

2晶體級聯

晶體級聯方案為兩種級聯方式：群速補償方式(WOC)和分布失諧方式(DDK)。

群速補償級聯方式：WOC級聯方式多用于II型相位匹配的二倍頻中，它是在后一塊晶體中引入相反的群速走離來補償前一塊晶體的群速走離，讓基波和諧波的脈沖包絡重新疊加，以提高轉換效率。它由兩塊光軸正交的II類匹配晶體組成，由于后一塊晶體的快、慢軸相對與前一塊晶體的快、慢軸旋轉90度，于是，在前一塊晶體的沿快/慢軸傳輸的基頻光在第二塊晶體中將沿慢/快軸傳輸，從而實現群速補償的目的。

角度失諧級聯方式：它是讓每塊晶體分別失諧一定角度以匹配該角度對應的那部分頻率范圍，以到達提高轉換帶寬的目的。理論上，N塊晶體級聯的二倍頻轉換帶寬比同等長度單塊晶體二倍頻的轉換帶寬提高N倍。使用分布失諧方案必須合理地選擇每塊晶體的失諧角，并且按特定順序排列失諧晶體，一般按照失諧角度依次從小到大或從大到小的方式排列。

3.折返點匹配

折返點匹配也稱為波長不敏感匹配。諧波轉換中，晶體相位匹配角與波長的關系曲線稱為折返曲線，曲線的極值點稱為折返點(retracing?point)。1992年，Mark?S.Webb指出在折返點處能實現高效、寬帶二次諧波轉換，因為在折返點處，相位匹配角隨波長的變化很平緩，當波長在一定范圍內變化時，相位匹配角的變化卻很小，可近似認為沒有變化。這就意味著在一定的帶寬范圍內，各種頻率成分都能在折返點同一個角度下滿足相位匹配，實現高效的頻率轉換。

這些方案都各有優缺點，角色散補償方案能獲得最大的轉換帶寬，但其光路復雜，損耗也較大，在高功率激光器中的應用受限。晶體級聯方案光路簡單，調校容易，能增加轉換帶寬，提高轉換效率，既適用于小功率激光器也適用于高功率的激光裝置，但并沒有從根本上解決相位匹配和群速匹配的問題，其轉換帶寬的提高也很有限。折返點匹配方案能同時實現了相位匹配和群速匹配，既具有角色散補償方案的大轉換帶寬，又具有晶體級聯方案的高轉換效率，但是其應用范圍窄，目前只有少數波長處實現了折返點匹配，要根據不同需要，尋求特定非線性晶體材料來滿足需求。

發明內容

針對上述現有技術存在的缺陷，本發明目的旨在提供一種結構簡單、調校方便、晶體選擇靈活的寬帶激光脈沖高效諧波轉換光路系統。

本發明采取的技術方案是，一種寬帶高效諧波轉換光路系統，其包括空間頻率啁啾變換裝置和放置在空間頻率啁啾變換裝置的輸出光路上的非線性頻率變換裝置，其中：

所述空間頻率啁啾變換裝置，將寬帶激光脈沖變換成寬度可調的空間頻率啁啾脈沖，且所述空間頻率啁啾脈沖的所有頻率成分分布在橫向空間某一軸上的不同位置，且相互平行；