基于两段准相位匹配晶体的飞秒脉冲压缩器.pdf

本发明的目的在于提供一种基于两段准相位匹配晶体的飞秒脉冲压缩器。它包括第一段晶体、第二段晶体和π/2相位调整晶体，第一段晶体的长度比第二段晶体的长度短，π/2相位调整晶体位于第一段晶体和第二段晶体中间，π/2相位调整晶体的长度是第一段晶体畴周期的一半。本发明能够实现具有无明显底座的飞秒脉冲压缩，能量传输趋于稳定，输入强度具有较低的阈值特性。

1.  一种基于两段准相位匹配晶体的飞秒脉冲压缩器，包括第一段晶体(1)、第二段晶体(3)和π/2相位调整晶体(2)，其特征在于所述第一段晶体(1)的长度比所述第二段晶体(3)的长度短；所述π/2相位调整晶体(2)位于所述第一段晶体(1)和所述第二段晶体(3)中间；所述π/2相位调整晶体(2)的长度是所述第一段晶体(1)畴周期的一半。

2.  根据权利要求1所述的基于两段准相位匹配晶体的飞秒脉冲压缩器，其特征在于所述第一段晶体(1)中波矢失配量Δk＝0；所述第一段晶体(1)输出脉冲的相位差与所述第一段晶体(1)的长度和入射强度都无关。

3.  根据权利要求1所述的基于两段准相位匹配晶体的飞秒脉冲压缩器，其特征在于所述第二段晶体(3)的输出端满足近相位匹配。

基于两段准相位匹配晶体的飞秒脉冲压缩器
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于两段准相位匹配晶体的飞秒脉冲压缩器。
背景技术
飞秒激光具有持续时间特别短、瞬时功率非常高的特点，拓展了飞秒化学、飞秒生物、量子调制和相干光谱等研究领域。
固态飞秒激光技术日益成熟，目前已经应用到很多领域。外部压缩技术是通过对现有的激光脉冲输出进行压缩整形和再生放大，能够获得更短的飞秒甚至亚飞秒脉冲。现有的可行压缩技术包括以下几种：(1)基于色散递减光纤(Dispersion Decreasing Fiber，DDF)实现的绝热压缩，虽然该技术在输入功率不高的情况下就可以获得没有明显底座的压缩脉冲，但是该技术的压缩比小，所需DDF较长(在几十千米以上)；(2)利用光纤及光栅对组合实现的压缩，虽然可获得微米级波长飞秒级脉宽的光脉冲压缩，但其缺点在于产生的较大的脉冲峰值功率会破坏光纤本身；(3)以超连续白光作为信号光，在BBO晶体中采用宽带非共线光参量放大的方式获得周期量级脉冲，以及～1uJ的能量，但应用非常有限；(4)周期QPM压缩，压缩后的脉冲带有明显的底座，能量传输时振荡较大。
以上压缩方法的的主要缺点是能量传输振荡大，引起压缩后的脉冲存在明显底座，而且实验装置复杂。
发明内容
针对以上压缩方法中存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于两段准相位匹配晶体的飞秒脉冲压缩器，经其压缩后的脉冲无明显底座。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于两段准相位匹配晶体的飞秒脉冲压缩器，所述两段准相位匹配的结构包括第一段晶体、第二段晶体和π/2相位调整晶体，其特征在于所述第一段晶体的长度比所述第二段晶体的长度短；所述π/2相位调整晶体位于所述第一段晶体和所述第二段晶体中间；所述π/2相位调整晶体的长度是所述第一段晶体畴周期的一半。
上述第一段晶体中波矢失配量Δk＝0，其输出脉冲的相位差与上述第一段晶体的长度和入射强度都无关。
上述第一段晶体输出脉冲的相位差调整是通过π/2相位调整晶体实现的。
上述第二段晶体的输出端满足近相位匹配。
本发明的工作原理：
在第一段晶体中，基频光和倍频光较好地满足理想相位匹配原理，二者的耦合方程为
∂E1∂z=i12k··1∂2E1∂η2-iωdcn1E2E1*exp(-iΔkz)|Δk=0---(1)]]>
∂E2∂z=i12k··2∂2E2∂η2-iωdcn2E12exp(iΔkz)|Δk=0---(2)]]>
其中，E₁、E₂分别是基频光和倍频光的振幅，ω是基频光频率，n₁、n₂分别是基频光和倍频光的折射率，Δk＝2k₁-k₂表示波矢失配，k₁、k₂分别是基频光和倍频光的波矢，分别是基频光、倍频光波矢的二阶导数，表示相应的二阶色散。
在第二段晶体中，波矢失配Δk较小，进入该晶体的基频光与倍频光满足能量等量交换时的强度比和相位差，所以基频光和倍频光都实现了无明显底座的压缩。
π/2相位调整晶体可使基频光和倍频光的相位相差至0或π，其长度L由下式确定
L=12·λ4(n2-n1)---(3)]]>
其中，λ是基频光中心波长。
与现有方法相比，本发明具有如下突出实质性特点和显著优势：
(1)能够实现具有无明显底座的飞秒脉冲压缩，能量传输趋于稳定，输入强度具有较低的阈值特性；
(2)第一段晶体输出脉冲的相位差与第一段晶体的长度和入射强度都无关，有利于对脉冲的控制；
(3)能够得到数值较大、符号可控的非线性系数。χ⁽²⁾∶χ⁽²⁾等效的非线性系数比三阶非线性系数大两个数量级，并且可通过波矢失配来控制非线性系数的符号和大小。
附图说明
图1是本发明基于两段准相位匹配晶体的飞秒脉冲压缩器一个实施例的结构原理图。
图2是图1示例的基频光和倍频光的脉宽变化示意图。
图3是图1示例的基频光和倍频光归一化的能量传输示意图。
图4是图1示例的第二段晶体末端输出的无明显底座的基频光示意图。
图5是图1示例的第二段晶体末端输出的无明显底座的倍频光示意图。
图6是图1示例的基频光脉冲的传输与压缩示意图。
图7是图1示例的倍频光脉冲的形成、传输与压缩示意图。
图8是图1示例的输入强度阈值特性示意图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例下面结合附图并以周期QPM压缩方法作为对比，通过数值计算进一步来描述本发明。
如附图1所示，本基于两段准相位匹配晶体的飞秒脉冲压缩器，包括第一段晶体1、第二段晶体3和π/2相位调整晶体2，第一段晶体1的长度比第二段晶体3的长度短；π/2相位调整晶体2位于第一段晶体1和第二段晶体3中间；π/2相位调整晶体2的长度是第一段晶体1畴周期的一半。第一段晶体1的长度为0.6mm，第二段晶体3的长度为9.4mm，π/2相位调整晶体2位于第一段晶体1和第二段晶体3的中间。温度T＝309.06K，进入第一段晶体1的脉冲仅有基频光，光强I₀＝20GW/cm²，脉宽τ＝100fs，波长λ＝1560nm。进入第二段晶体3的基频光和倍频光的能量之比为E₁/E₂＝3.55、相位差为0或π，这样，在第二段晶体3输出端满足近相位匹配的条件下，等效的三阶非线性和色散共同作用就得到了压缩的脉冲。
与周期QPM压缩方法中基频光和倍频光的脉宽4相比，本发明的基频光和倍频光脉宽5不但实现了相似的压缩，而且传播过程中本发明的基频光和倍频光脉宽5比周期QPM压缩方法中基频光和倍频光的脉宽4的变化相对缓和很多。同时，基频光和倍频光的能量传输7与周期QPM压缩方法中基频光和倍频光的能量传输6相对稳定很多。与输入基频光脉冲8相比，本发明在晶体末端输出的基频光脉冲10和周期QPM压缩方法在晶体末端输出的基频光脉冲9有相似的压缩效果。但是，第二段晶体3末端输出的倍频光脉冲12要比周期QPM压缩方法中晶体末端输出的倍频光脉冲11好的多，几乎没有底座。
图6和图7分别说明了本发明的基频光和倍频光脉冲的形成、传输与压缩。图8描述了本发明输入强度的阈值特性。当入射光强为阈值强度I0th=3GW/cm2]]>时，非周期QPM压缩的基频光和倍频光14比输入脉冲13的脉宽要窄，此时，周期QPM的基频光和倍频光15则没有实现压缩。