專利名稱：能整形輸出光譜的超短脈沖倍頻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能實現(xiàn)輸出光譜曲線任意整形的寬帶高效諧波轉(zhuǎn)換裝置，該裝置能擴(kuò)展超短激光脈沖二次諧波產(chǎn)生的接受帶寬，提高倍頻效率，而且還可以根據(jù)需要對產(chǎn)生輸出二次諧波脈沖的光譜曲線做任意整形，屬于強激光非線性頻率變換領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超短激光脈沖的諧波轉(zhuǎn)換不同于窄帶激光，以二次諧波轉(zhuǎn)換為例，非線性晶體都不可避免地存在色散效應(yīng)，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(yīng)來補償由色散效應(yīng)引起的相速度差異，實現(xiàn)相位匹配，即雙折射相位匹配技術(shù)。同樣，也可利用晶體的雙折射效應(yīng)實現(xiàn)群速匹配。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，因為滿足雙折射相位匹配和群速匹配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(xiàn)相位匹配和群速匹配的。然而，這兩個匹配也是無法同時滿足的，因為滿足相位匹配和群速匹配所要求的正、反常色散材料的比例通常是不一樣的。目前，針對超短脈沖倍頻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(lián)、折返點匹配、非周期性極化晶體(或線性啁啾周期性極化晶體) 和扇形周期性極化晶體。這些方案都各有優(yōu)缺點，角色散補償方案能獲得最大的轉(zhuǎn)換帶寬，但其光路復(fù)雜， 損耗也較大，在高功率激光器中的應(yīng)用受限；晶體級聯(lián)方案光路簡單，調(diào)校容易，能增加轉(zhuǎn)換帶寬，提高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換帶寬的提高也很有限；折返點匹配方案能同時實現(xiàn)了相位匹配和群速匹配，既具有角色散補償方案的大轉(zhuǎn)換帶寬，又具有晶體級聯(lián)方案的高轉(zhuǎn)換效率，但是其應(yīng)用范圍窄，目前只有少數(shù)波長處實現(xiàn)了折返點匹配，要根據(jù)不同需要，尋求特定非線性晶體材料來滿足需求；非周期性極化晶體(或線性啁啾周期性極化晶體)能較好地擴(kuò)展轉(zhuǎn)換帶寬，但由于色散的限制，其轉(zhuǎn)換效率很難做得較高。此外，以上非線性諧波轉(zhuǎn)換方法也都不能方便地實現(xiàn)輸出光譜曲線分布的任意整形，由扇形周期性極化晶體構(gòu)成的帶光譜整形功能的超寬帶高效諧波轉(zhuǎn)換裝置(中國發(fā)明專利ZL200910043846. 2)雖然能同時實現(xiàn)較大的帶寬和較高的轉(zhuǎn)換效率，也能夠?qū)崿F(xiàn)輸出光譜曲線分布的任意整形，但需要另外增加光學(xué)元件，如空間濾波器等，因而成本高，裝置復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有扇形周期性極化晶體構(gòu)成的一種超寬帶高效諧波轉(zhuǎn)換光路系統(tǒng)(中國發(fā)明專利ZL200910043846. 2)存在的缺陷，本發(fā)明在該專利的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地采用晶體局域極化技術(shù)與方法，對晶體極化光柵橫向長度的適當(dāng)設(shè)計，提供一種結(jié)構(gòu)更簡單、光譜整形更方便的超短脈沖二次諧波諧波轉(zhuǎn)換裝置。
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本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，一種能整形輸出光譜的超短脈沖倍頻裝置，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局域極化扇形周期性極化晶體，其中所述空間頻率啁啾變換裝置，將超短激光脈沖變換成寬度可調(diào)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；所述局域極化扇形周期性極化晶體同時具有橫向變化的極化光柵周期與長度，能滿足不同頻率成分準(zhǔn)相位匹配的極化周期在橫向某一軸上的變化與空間頻率啁啾脈沖的頻率變化成對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)上述空間頻率啁啾脈沖入射后，在空間頻率啁啾方向上對非線性頻率變換與光譜整形裝置進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，使空間頻率啁啾脈沖的所有頻率成分都能在最佳相位匹配位置平行入射，最終使所有頻率成分在各自的路徑上實現(xiàn)高效二次諧波轉(zhuǎn)換。其中空間頻率啁啾脈沖既可以垂直非線性頻率變換與光譜整形裝置的端面入射， 也可以適當(dāng)角度傾斜入射。根據(jù)實施例的優(yōu)選方案是，所述空間頻率啁啾變換裝置由一衍射光柵和一凸透鏡組成的光柵透鏡組構(gòu)成，其中凸透鏡的焦點在激光脈沖入射的中心位置，光軸與衍射光柵對超短激光脈沖一級衍射的中心頻率衍射方向一致。作為優(yōu)選方案，當(dāng)激光脈沖的寬帶較大時，凸透鏡采用消色差凸透鏡。所述局域極化扇形周期性極化晶體是位置可調(diào)的。所述局域極化扇形周期性極化晶體的極化光柵的橫向長度的變化是根據(jù)諧波轉(zhuǎn)換公式、輸入光譜特性和輸出光譜特性曲線要求進(jìn)行設(shè)計的。通過僅對晶體的某些區(qū)域進(jìn)行極化，使得不同橫向位置的極化光柵長度不一樣。由于沒有極化的區(qū)域的參量過程幾乎可以忽略不計，因此，不同橫向路徑的有效參量相互作用的長度也就不一樣，使得晶體不同橫向路徑的轉(zhuǎn)換效率也不相同，導(dǎo)致輸出的光譜成分也就可以通過設(shè)計橫向極化光柵長度變化的模式，實現(xiàn)對諧波轉(zhuǎn)換輸出光譜曲線的整形。本發(fā)明的設(shè)計原理是利用光柵或棱鏡等色散元件作為空間頻率啁啾變換裝置將寬帶脈沖中不同的頻率成分在空間上相互的分開，變成不同的頻率成分光路相互平行的空間頻率啁啾脈沖，平行入射到非線性頻率變換與光譜整形裝置橫向某一軸上的不同位置， 通過不同的路徑實現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配(QPM)，從而達(dá)到提高轉(zhuǎn)換帶寬的目的。為了實現(xiàn)光譜整形，我們需要根據(jù)二次諧波轉(zhuǎn)換公式、輸入的光譜特性和輸出光譜特性曲線要求對周期性極化晶體橫向不同位置的有效極化長度進(jìn)行設(shè)計。由于非線性頻率變換或諧波轉(zhuǎn)換的效率與扇形周期性極化光柵的長度直接相關(guān)，通過適當(dāng)設(shè)計的晶體極化光柵的橫向長度變化，實現(xiàn)對輸出光譜特性曲線的任意整形。下面以輸出二次諧波平頂光譜特性曲線的晶體極化光柵橫向長度變化的設(shè)計方法為例介紹光譜整形的晶體極化光柵長度的設(shè)計方法已知基于空間頻率啁啾脈沖和扇形周期性極化晶體構(gòu)成的寬帶高效諧波轉(zhuǎn)換器二次諧波的輸出強度的表達(dá)式為I2 ο- (I1)2L2(1)假設(shè)輸入的激光脈沖I1U, y)在時域與空域均為高斯形，其空域表達(dá)式為Il(X^y) = I0 txp[-2x2 Zw2x0-2y2 Iw2y0I(2)
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其中，Itl為輸入脈沖中心頻率的光譜強度，Wxt^nWytl分別為空間頻率啁啾脈沖光譜強度為Io/e2的空間X和y方向的寬度。假設(shè)需要在X e [-a, a](設(shè)a等于啁啾脈沖χ方向的半高所在位置，當(dāng)然也可以是其他值)范圍內(nèi)的輸出光譜特性為平頂曲線，根據(jù)(1)和要求，周期性極化晶體的極化光柵長度L(x，y)必須滿足
權(quán)利要求
1.換裝置和放置在空間頻率啁啾變換裝置的輸出光路上的局域極化扇形周期性極化晶體，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(diào)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；所述局域極化扇形周期性極化晶體同時具有橫向變化的極化光柵周期與長度，局域極化扇形周期性極化晶體的極化光柵的橫向長度的變化是根據(jù)諧波轉(zhuǎn)換公式、輸入光譜特性和輸出光譜特性曲線要求進(jìn)行特別設(shè)計的，通過特別設(shè)計的晶體既能滿足不同頻率成分準(zhǔn)相位匹配的極化周期在橫向某一軸上的變化與空間頻率啁啾脈沖的頻率變化成對應(yīng)關(guān)系， 又能滿足輸出光譜整形要求，當(dāng)上述空間頻率啁啾脈沖入射后，在空間頻率啁啾方向上對局域極化扇形周期性極化晶體進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，使空間頻率啁啾脈沖的所有頻率成分都能在最佳相位匹配位置平行入射，最終使所有頻率成分在各自的路徑上實現(xiàn)高效諧波轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能整形輸出光譜的超短脈沖倍頻裝置，其特征是所述空間頻率啁啾脈沖垂直或傾斜局域極化扇形周期性極化晶體的端面入射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能整形輸出光譜的超短脈沖倍頻裝置，其特征是所述空間頻率啁啾變換裝置由一衍射光柵和一凸透鏡組成的光柵透鏡組構(gòu)成，其中凸透鏡的焦點在寬帶激光脈沖入射的中心位置，光軸與衍射光柵對寬帶激光脈沖一級衍射的中心頻率衍射方向一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述能整形輸出光譜的超短脈沖倍頻裝置，其特征是所述凸透鏡采用消色差凸透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述能整形輸出光譜的超短脈沖倍頻裝置，其特征是所述空間頻率啁啾變換裝置由兩個棱鏡組成的棱鏡對構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述能整形輸出光譜的超短脈沖倍頻裝置，其特征是所述空間頻率啁啾變換裝置由兩個棱柵組成的棱柵對構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述能整形輸出光譜的超短脈沖倍頻裝置，其特征是所述局域極化扇形周期性極化晶體是位置可調(diào)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述能整形輸出光譜的超短脈沖倍頻裝置，其特征是所述空間頻率啁啾變換裝置與局域極化扇形周期性極化晶體之間設(shè)置有縮束或聚焦裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能整形輸出光譜的超短脈沖倍頻裝置，屬于強激光非線性頻率變換領(lǐng)域。該裝置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局域極化扇形周期性極化晶體。本發(fā)明所述能整形輸出光譜的超短脈沖倍頻裝置，結(jié)構(gòu)簡單、晶體選擇靈活、光譜整形方便。
文檔編號G02F1/35GK102169268SQ20111010516
公開日2011年8月31日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者文雙春, 陳列尊 申請人:湖南大學(xué)