一种宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统.pdf

本发明涉及一种能实现宽带激光脉冲高效谐波转换的光路系统，属于强激光非线性频率变换领域。所述宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统包括空间频率啁啾变换装置和放置在空间频率啁啾变换装置输出光路上的非线性频率变换装置。本发明所述宽带高效谐波转换光路系统能实现高效谐波转换，从而达到提高转换带宽的目的。所述宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统设计简单、调校方便、晶体选择灵活。

1、  一种宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统，其特征是包括空间频率啁啾变换装置和放置在空间频率啁啾变换装置的输出光路上的非线性频率变换装置，其中：
所述空间频率啁啾变换装置将宽带激光脉冲变换成宽度可调的空间频率啁啾脉冲，且所述空间频率啁啾脉冲的所有频率成分分布在横向空间某一轴上的不同位置，且相互平行；
所述非线性频率变换装置能满足不同频率成分准相位匹配的极化周期在横向某一轴上的变化与空间频率啁啾脉冲的频率变化成对应关系，当上述空间频率啁啾脉冲入射后，在空间频率啁啾方向上对非线性频率变换装置进行上下调节，使空间频率啁啾脉冲的所有频率成分都能在最佳相位匹配位置平行入射，最终使所有频率成分在各自的路径上实现高效谐波转换。

2、  根据权利要求1所述宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统，其特征是所述空间频率啁啾脉冲垂直非线性频率变换装置的端面入射。

3、  根据权利要求1所述宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统，其特征是所述空间频率啁啾变换装置由一衍射光栅和一凸透镜组成的光栅透镜组构成，其中凸透镜的焦点在宽带激光脉冲入射的中心位置，光轴与衍射光栅对宽带激光脉冲一级衍射的中心频率衍射方向一致。

4、  根据权利要求3所述宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统，其特征是所述凸透镜采用消色差凸透镜。

5、  根据权利要求1所述宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统，其特征是所述空间频率啁啾变换装置由两个棱镜组成的棱镜对构成。

6、  根据权利要求1所述宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统，其特征是所述空间频率啁啾变换装置由两个棱栅组成的棱栅对构成。

7、  根据权利要求1所述宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统，其特征是所述非线性频率变换装置采用的是可调节位置的扇形周期性极化晶体。

8、  根据权利要求1-7之一所述宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统，其特征是所述空间频率啁啾变换装置与非线性频率变换装置之间设置有幅度空间光调制器或相位空间光调制器。

一种宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统
技术领域
本发明涉及一种能实现宽带激光脉冲高效谐波转换的光路系统，该系统能显著提高超短激光脉冲的谐波转换带宽，尤其适合构成宽带啁啾脉冲压缩谐波转换器，同时具备压缩与谐波转换功能，属于强激光非线性频率变换领域。
背景技术
超短激光脉冲的谐波转换不同于窄带激光，以二次谐波转换为例，非线性晶体都不可避免地存在色散效应，即不同频率的光在晶体中的相速度和群速度是不一样的。对于各向异性的非线性晶体，可以利用晶体的双折射效应来补偿由色散效应引起的相速度差异，实现相位匹配，即双折射相位匹配技术(BPM)。同样，也可利用晶体的双折射效应实现群速匹配(GVM)。然而，一般情况下，对于大部分各向异性的非线性晶体来说，这两个匹配是无法同时满足的，因为满足BPM和GVM的两个匹配方向一般不重合。对于各向同性的非线性晶体，是利用晶体的正、反常色散来实现相位匹配(PM)和群速匹配的。然而，这两个匹配也是无法同时满足的，因为满足PM和GVM所要求的正、反常色散材料的比例通常是不一样的。目前，针对宽带谐波转换相位与群速匹配问题的解决方案主要包括：光谱角色散，啁啾匹配，晶体级联和折返点匹配。
1光谱角色散
光谱角色散方案基本思想是利用光栅等色散元件提供的光谱角色散来补偿晶体的色散，从而保证在一个宽的频率范围内均能实现相位匹配。其基本过程是利用光栅或棱镜通过衍射的形式将宽带光的不同频率成分在空间上相互分开，通过选择合适的光栅参数和入射角度，使得不同的频率成分都能以各自的相位匹配角入射到非线性晶体上，从而实现各个频率成分的高效谐波转换，以达到提高转换带宽的目的。根据所采用的角色散补偿元件，其谐波转换装置分为光栅式和棱镜式两种。
光谱角色散方案的缺点在于整个谐波转换系统光路复杂，调节困难，并且这种方案无法补偿晶体的高阶色散，无法实现大带宽条件下的高效谐波转换。
2晶体级联
晶体级联方案为两种级联方式：群速补偿方式(WOC)和分布失谐方式(DDK)。
群速补偿级联方式：WOC级联方式多用于II型相位匹配的二倍频中，它是在后一块晶体中引入相反的群速走离来补偿前一块晶体的群速走离，让基波和谐波的脉冲包络重新叠加，以提高转换效率。它由两块光轴正交的II类匹配晶体组成，由于后一块晶体的快、慢轴相对与前一块晶体的快、慢轴旋转90度，于是，在前一块晶体的沿快/慢轴传输的基频光在第二块晶体中将沿慢/快轴传输，从而实现群速补偿的目的。
角度失谐级联方式：它是让每块晶体分别失谐一定角度以匹配该角度对应的那部分频率范围，以到达提高转换带宽的目的。理论上，N块晶体级联的二倍频转换带宽比同等长度单块晶体二倍频的转换带宽提高N倍。使用分布失谐方案必须合理地选择每块晶体的失谐角，并且按特定顺序排列失谐晶体，一般按照失谐角度依次从小到大或从大到小的方式排列。
3.折返点匹配
折返点匹配也称为波长不敏感匹配。谐波转换中，晶体相位匹配角与波长的关系曲线称为折返曲线，曲线的极值点称为折返点(retracing point)。1992年，Mark S.Webb指出在折返点处能实现高效、宽带二次谐波转换，因为在折返点处，相位匹配角随波长的变化很平缓，当波长在一定范围内变化时，相位匹配角的变化却很小，可近似认为没有变化。这就意味着在一定的带宽范围内，各种频率成分都能在折返点同一个角度下满足相位匹配，实现高效的频率转换。
这些方案都各有优缺点，角色散补偿方案能获得最大的转换带宽，但其光路复杂，损耗也较大，在高功率激光器中的应用受限。晶体级联方案光路简单，调校容易，能增加转换带宽，提高转换效率，既适用于小功率激光器也适用于高功率的激光装置，但并没有从根本上解决相位匹配和群速匹配的问题，其转换带宽的提高也很有限。折返点匹配方案能同时实现了相位匹配和群速匹配，既具有角色散补偿方案的大转换带宽，又具有晶体级联方案的高转换效率，但是其应用范围窄，目前只有少数波长处实现了折返点匹配，要根据不同需要，寻求特定非线性晶体材料来满足需求。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明目的旨在提供一种结构简单、调校方便、晶体选择灵活的宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统。
本发明采取的技术方案是，一种宽带高效谐波转换光路系统，其包括空间频率啁啾变换装置和放置在空间频率啁啾变换装置的输出光路上的非线性频率变换装置，其中：
所述空间频率啁啾变换装置，将宽带激光脉冲变换成宽度可调的空间频率啁啾脉冲，且所述空间频率啁啾脉冲的所有频率成分分布在横向空间某一轴上的不同位置，且相互平行；
所述非线性频率变换装置，能满足不同频率成分准相位匹配的极化周期在横向某一轴上的变化与空间频率啁啾脉冲的频率变化成对应关系，当上述空间频率啁啾脉冲入射后，在空间频率啁啾方向上对非线性频率变换装置进行上下调节，使空间频率啁啾脉冲的所有频率成分都能在最佳相位匹配位置平行入射，最终使所有频率成分在各自的路径上实现高效谐波转换。
其中空间频率啁啾脉冲既可以垂直非线性频率变换装置的端面入射，也可以适当角度倾斜入射。
根据实施例的优选方案是，所述空间频率啁啾变换装置由一衍射光栅和一凸透镜组成的光栅透镜组构成，其中凸透镜的焦点在激光脉冲入射的中心位置，光轴与衍射光栅对宽带激光脉冲一级衍射的中心频率衍射方向一致。
作为优选方案，当激光脉冲的宽带较大时，凸透镜采用消色差凸透镜。
所述非线性频率变换装置采用的是可调节位置的扇形(FAN-OUT)周期性极化晶体。
本发明的设计原理是将宽带脉冲不同的频率成分通过周期性极化晶体的不同位置均能实现准相位匹配(QPM)，即利用光栅或棱镜等色散元件作为空间频率啁啾变换装置将宽带脉冲中不同的频率成分在空间上相互的分开，变成不同的频率成分光路相互平行的空间频率啁啾脉冲，通过选择合适的脉冲入射角度、光学元件参数及它们之间的距离，可以使得不同的频率成分平行入射到非线性频率变换装置横向某一轴上的不同位置，通过不同的路径实现准相位匹配(QPM)，使不同的频率成分在晶体中实现几乎相同的高效谐波转换，从而达到提高转换带宽的目的。
本发明的工作原理详细描述如下：所述宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统包括两部分：
一个是宽带脉冲空间频率啁啾变换装置，凡是能将宽带激光脉冲变换成宽度可调的空间频率啁啾脉冲的装置都可以，通常由倾斜平板玻璃、棱镜对、光栅、棱栅、体光栅等构成。另一个是放置在宽带脉冲空间频率啁啾变换装置的输出光路上的扇形(FAN-OUT)周期性极化晶体装置等其他具有类似特点的光学非线性频率变换装置。宽带脉冲空间频率啁啾变换装置输出的空间频率啁啾脉冲入射到非线性频率转换装置中，非线性频率转换装置在空间频率啁啾方向上可上下调节，使所有光谱成分都能最佳相位匹配位置入射，最终使所有光谱成分在各自的路径上实现高效的高效率谐波转换。空间频率啁啾脉冲既可以垂直入射到非线性频率转换装置中，也可以适当的角度入射。
本发明与已有的光谱角色散匹配方案相同的地方是都利用了色散元件来实现宽带相位匹配，但它们之间存在本质的差别，首先，角色散匹配方案中宽带脉冲的频率成分是以不同角度入射到非线性晶体中，而且是利用晶体的双折射来实现相位匹配的即BPM，而本发明中宽带脉冲的频率成分是以相同角度即相互平行入射到非线性晶体中，利用周期性极化晶体横向极化周期的变化来实现宽带脉冲不同频率成分的准相位匹配(QPM)，因而其调校更简单。
在本发明上述基本结构基础上，可根据需要，在空间频率啁啾变换装置与非线性频率变换装置之间增加缩束或聚焦装置，也可增加其它幅度空间光调制器、相位空间光调制器等对不同频率成分进行空间幅度与相位调控。
还可以将其作为负啁啾激光脉冲压缩器的一部分，由空间频率啁啾变换装置同时完成对啁啾脉冲的时域压缩与空间啁啾变换，再在非线性频率变换装置中完成谐波转换，最后再由空间频率啁啾反变换装置将转换后的谐波还原为无啁啾的宽带脉冲输出，同时实现压缩与谐波转换。当然，也可增加非线性频率变换装置及其他光学元件，将两路或多路宽带脉冲都通过空间啁啾变换后，再同步平行送入非线性频率变换装置，实现两路或多路宽带脉冲之间的高效率非线性频率变换，当然以类似的方法也可以实现宽带脉冲与窄带脉冲的高效非线性频率变换。
本发明所述宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统能显著提高超短激光脉冲的谐波转换带宽，且结构简单、调校方便、晶体选择灵活。
附图说明
图1为宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统示意图；
图2为实施例1中宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统示意图；
图3为实施例2中宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统示意图；
图4为实施例3中宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统示意图；
图5为实施例4中宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统示意图；
图6为扇形(FAN-OUT)周期性极化晶体结构示意图；
在附图中：
1-空间频率啁啾变换装置  2-光学非线性频率变换装置
3-衍射光栅  4-凸透镜  5、6-棱镜
7、8-棱栅  9-空间光调制器
如图1所示，所述宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统包括宽带脉冲空间频率啁啾变换装置1(可以由倾斜平板玻璃、棱镜对、棱栅对、体光栅对或光栅透镜组等构成)和光学非线性频率变换装置2：扇形(FAN-OUT)周期性极化晶体(如图6所示，也可以是其他具有类似特点的光学非线性频率变换装置)两部分，光学非线性频率变换装置2中满足不同频率成分准相位匹配的极化周期在横向某一轴上的变化与空间频率啁啾脉冲的频率变化成对应关系，如垂直方向。宽带激光脉冲通过的空间频率啁啾变换装置1变换成宽度可调的空间频率啁啾脉冲，这样变换后脉冲的所有频率成分分布在横向空间某一轴上的不同位置，如图1垂直方向的不同高度上，且相互平行，然后入射到光学非线性频率变换装置2中，光学非线性频率变换装置2在空间频率啁啾方向，即图1垂直方向上可上下调节，使所有频率成分都能最佳相位匹配位置平行入射，最终使所有频率成分在各自的路径上实现高效的高效率谐波转换，得到空间啁啾输出脉冲。空间频率啁啾脉冲既可以垂直光学非线性频率变换装置2的端面入射，也可以适当角度倾斜入射。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步描述：
实施例1：
如图2，本实施例中空间频率啁啾变换装置1是由一衍射光栅3和一凸透镜4组成的光栅透镜组构成。凸透镜4的焦点在激光脉冲入射的中心位置，光轴与衍射光栅对激光脉冲一级衍射的中心频率衍射方向一致，如果激光脉冲的宽带较大最好使用消色差凸透镜。宽带激光脉冲以一定的角度入射到衍射光栅3上，由于光栅的色散作用，脉冲中不同频率成分的衍射角不一样，产生光谱角色散，经过凸透镜4后变成各频率成分相互平行输出的空间频率啁啾脉冲，其作为空间啁啾输入脉冲平行入射到光学非线性频率变换装置2端面的不同位置，本实施例的光学非线性频率变换装置2采用扇形(FAN-OUT)周期性极化晶体(三维结构示意图如图6所示)，其中心路径的极化周期是根据与激光脉冲的中心频率进行设计，能实现最佳的准相位匹配，晶体极化周期的扇出角也是根据激光脉冲的带宽确定(具体参照周期性极化晶体的设计方法进行，由于其设计方法为现有技术，不在本发明范围，在此不详细说明)。在空间频率啁啾方向上(如图2的垂直方向)上下调节光学非线性频率变换装置2，使入射脉冲中心频率的频率成分从最佳相位匹配位置进入，实现中心频率最高效率的谐波转换，然后，改变衍射光栅3的倾斜角和激光脉冲的入射角或者改变凸透镜4的焦距，调节频率啁啾脉冲的空间宽度，使其他频率成分也以最佳相位匹配位置进入光学非线性频率变换装置2获得最佳的谐波转换效率，从而在整体上实现整个脉冲所有频率成分的高效谐波转换。空间频率啁啾脉冲既可以垂直入射到光学非线性频率变换装置2中，也可以适当的角度入射，具体角度可根据测量情况进行调整。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别是其空间频率啁啾变换装置1是由棱镜对构成，其他都相同。
如图3，本实施例中空间频率啁啾变换装置1是由两个棱镜(5、6)组成的棱镜对构成的。两个棱镜放置在入射激光脉冲与非线性频率变换装置2之间，两棱镜之间的距离可根据需要进行调节。宽带激光脉冲以一定的角度入射到棱镜5上，由于棱镜的色散作用，脉冲中不同频率成分的衍射角不一样，产生光谱角色散，经过棱镜6后变成各频率成分相互平行输出的空间频率啁啾脉冲，再平行入射到光学非线性频率变换装置2端面的不同位置，本实施例的光学非线性频率变换装置2采用扇形(FAN-OUT)周期性极化晶体(三维结构示意图如图6所示)，其中心路径的极化周期是根据与激光脉冲的中心频率进行设计，能实现最佳的准相位匹配，晶体极化周期的扇出角也是根据激光脉冲的带宽确定。在空间频率啁啾方向上上下调节光学非线性频率变换装置2，使入射脉冲中心频率的频率成分从最佳相位匹配位置进入，实现中心频率最高效率的谐波转换。然后，改变棱镜5和棱镜6之间的距离，调节频率啁啾脉冲的空间宽度，使其他频率成分也以最佳相位匹配位置进入光学非线性频率变换装置2获得最佳的谐波转换效率，从而在整体上实现整个脉冲所有频率成分的高效谐波转换。空间频率啁啾脉冲既可以垂直入射到光学非线性频率变换装置2中，也可以适当的角度入射，具体角度可根据测量情况进行调整。
实施例3：
如图4，本实施例将实施例2的棱镜对(5、6)换成棱栅对(7、8)构成，其他都相同。
棱栅对(7、8)的位置与使用调节方法和棱镜对(5、6)相似。
实施例4：
如图5，在空间频率啁啾变换装置1与非线性频率变换装置2之间增加由液晶或其他幅度、相位空间光调制器9，当空间频率啁啾脉冲通过空间光调制器9时，由于不同频率成分经过的位置不一样，受不同位置幅度或相位调制的影响，不同频率成分在不同位置输出的幅度或相位将发生改变，从而改变了整个脉冲的光谱结构与脉冲形状。经过空间光调制器9的光脉冲平行进入装置2发生非线性频率变换，其输出的谐波也将与没有空间光调制器9时发生明显变化，从而达到对输出谐波实施幅度与相位调节的目的。空间频率啁啾变换装置1与非线性频率变换装置2的结构与调节方法可用实施例1-4中的任何一种。
空间光调制器9也可以放置在非线性频率变换装置2的后面。调节方法与前面相同。
虽然本发明以4个较好的实施案例披露如上，但并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的基本精神与范围内，所作的各种变化与修改，应都在本发明的保护范围。