基于光譜較色散原理寬帶倍頻裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，包括棱鏡、透鏡和晶體三部分，晶體的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置有透鏡和棱鏡，所述棱鏡由棱鏡I、棱鏡II、棱鏡III和棱鏡IV組成，透鏡由透鏡I和透鏡II組成，沿光路方向依次設(shè)置有棱鏡I、棱鏡II、透鏡I、晶體、透鏡II、棱鏡III和棱鏡IV，相鄰兩個(gè)棱鏡的邊互相平行。本發(fā)明利用棱鏡角色散的性質(zhì)，把寬帶超短脈沖中的光譜頻率成分在空間上分開，而后用透鏡聚焦，使各個(gè)頻率成分的光波經(jīng)透鏡會(huì)聚后以適當(dāng)?shù)慕嵌热肷涞紹BO晶體，各個(gè)頻率成分均滿足相位匹配條件，這樣恰好補(bǔ)償了由晶體造成的相位失配。本發(fā)明所搭載的光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各個(gè)光學(xué)元件均為常用材料，價(jià)格便宜，易于推廣。
【專利說(shuō)明】基于光譜較色散原理寬帶倍頻裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于倍頻【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種寬波段、超短脈沖倍頻裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 倍頻技術(shù)是獲得可見及紫外區(qū)域激光的重要手段而被廣泛的研究。對(duì)于單色光而 言，在使用適當(dāng)晶體倍頻時(shí)，已經(jīng)可以完美的相位匹配，實(shí)現(xiàn)高效的倍頻，然而對(duì)寬帶激光 的倍頻遇到極大的困難，需要權(quán)衡倍頻的轉(zhuǎn)換效率和帶寬。同時(shí)超短脈沖的倍頻技術(shù)又是 物理、化學(xué)、生物以及航天等領(lǐng)域所迫切要求的。因此，實(shí)現(xiàn)超短脈沖的倍頻具有重要意義。 其中主要的實(shí)現(xiàn)方法有啁啾匹配法、晶體級(jí)聯(lián)方法和光譜角色散法。
[0003] K. Osvay等人無(wú)論從理論上還是實(shí)驗(yàn)上都已經(jīng)驗(yàn)證了啁啾匹配法可以實(shí)現(xiàn)寬波段 的高效倍頻，其原理主要是讓不同的頻率成分具有不同的時(shí)間相位，通過(guò)選擇適合的啁啾 參數(shù)使寬帶光中的所有頻率成分的光波均可以滿足或者最大程度的滿足相位匹配,實(shí)現(xiàn)各 頻率成分有效轉(zhuǎn)換，從而使轉(zhuǎn)換帶寬和轉(zhuǎn)換效率得到一定程度的提高。然而啁啾匹配方法 存在一個(gè)很大的缺點(diǎn)，因?yàn)檎麄€(gè)諧波轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要附加額外的光學(xué)元件，光路復(fù)雜，裝調(diào)困 難，而且這種方法還無(wú)法補(bǔ)償晶體的高階色散，不能實(shí)現(xiàn)大寬帶條件下的高效率轉(zhuǎn)換。
[0004] 晶體級(jí)聯(lián)方法是由美國(guó)的D.Eimer提出的，他是第一個(gè)提出使用級(jí)聯(lián)的方式來(lái)提 高一塊晶體二倍頻的動(dòng)態(tài)范圍的，后來(lái)該方法被美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室用于超短脈沖的倍頻技 術(shù)，隨著科技的進(jìn)步，1997年又發(fā)展為浸提級(jí)聯(lián)三倍頻。這種方法與啁啾匹配法相比其優(yōu)點(diǎn) 在于簡(jiǎn)單、高效，而且它也是ICF激光驅(qū)動(dòng)器中最常用的寬帶倍頻轉(zhuǎn)換方法。但是所設(shè)計(jì)出 的裝置相對(duì)來(lái)說(shuō)造價(jià)比較昂貴，僅適合軍方或特殊需要的群體使用。
[0005] 光譜角色散的方法是由蘇聯(lián)的V. D. Voloso最先提出的，后來(lái)經(jīng)美國(guó)的Rochoste 大學(xué)的Μ· D. Skeldon和Short等人經(jīng)過(guò)研究進(jìn)一步發(fā)展和完善的。其基本原理是利用光柵 等色散元件所提供光譜角色散可以用來(lái)補(bǔ)償晶體的色散，從而保證在一定寬度的頻率范圍 內(nèi)的光波均能夠?qū)崿F(xiàn)相位匹配。它的工作過(guò)程是利用光柵的衍射的效應(yīng)將寬帶光的不同頻 率成分的光波在空間上相互分開，選擇合適的光柵參數(shù)和入射角度使各波長(zhǎng)的光都能以各 自的相位匹配角入射到非線性晶體上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)寬帶光的高效倍頻轉(zhuǎn)換。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，主要利用棱鏡角色 散的性質(zhì)，把寬帶超短脈沖中的光譜頻率成分在空間上分開，而后用透鏡聚焦，使各個(gè)頻率 成分的光波經(jīng)透鏡會(huì)聚后以適當(dāng)?shù)慕嵌热肷涞溅ⅵ?晶體，各個(gè)頻率成分均滿足相位匹配條 件，這樣恰好補(bǔ)償了由晶體造成的相位失配。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0008] -種基于光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，包括棱鏡、透鏡和晶體三部分，晶體的兩 側(cè)對(duì)稱設(shè)置有透鏡和棱鏡，所述棱鏡由棱鏡I、棱鏡II、棱鏡ΙΠ 和棱鏡IV組成，透鏡由透 鏡I和透鏡II組成，沿光路方向依次設(shè)置有棱鏡I、棱鏡II、透鏡I、晶體、透鏡II、棱鏡III 和棱鏡IV，相鄰兩個(gè)棱鏡的邊互相平行。
[0009] 本發(fā)明中，波段在78〇-87〇nm的超短脈沖由棱鏡I的中點(diǎn)入射，使各個(gè)波段的光在 棱鏡I邊長(zhǎng)的中點(diǎn)處彼此分開，由于棱鏡II與棱鏡I的邊互相平行，所以由折射定律可以 知道，從棱鏡II出射時(shí)，各個(gè)波段的光為彼此分開一定距離的平行光，經(jīng)過(guò)透鏡I后，會(huì)聚 于晶體一點(diǎn)處，經(jīng)晶體倍頻作用后，每個(gè)波段的光的頻率被擴(kuò)大一倍，此時(shí)就達(dá)到了各個(gè)波 段處的光的倍頻目的；然后經(jīng)過(guò)透鏡II，將由倍頻晶體出射的光變?yōu)槠叫泄?，再?jīng)過(guò)棱鏡 III和棱鏡IV使各個(gè)倍頻后的光波耦合成一束光，該光束即為倍頻后的超短脈沖。
[0010] 本發(fā)明中，所述棱鏡I和棱鏡π的頂角α = 58. 6。；棱鏡I和棱鏡π的邊長(zhǎng)Li =39mm ;棱鏡I和棱鏡II之間的距離L2 = 744. 5mm ;透鏡I的焦距f = 59_。
[0011] 本發(fā)明中，所述棱鏡I和棱鏡II的材質(zhì)為ZF2玻璃。
[0012] 本發(fā)明中，所述晶體為ΒΒ0晶體。
[0013] 本發(fā)明中，所述入射光束的波段為780-870nm。
[0014] 本發(fā)明中，所述入射光束為p偏振態(tài)的線偏振光。
[0015] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0016] 1、設(shè)計(jì)并分析了針對(duì)78〇-870nm超短脈沖的倍頻裝置，利用棱鏡光譜較色散的性 質(zhì)，采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了分光-倍頻-耦合的過(guò)程。
[0017] 2、就目前而言絕大多數(shù)的倍頻裝置設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，光路的裝調(diào)十分困難，而本發(fā) 明中所搭載的光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其中各個(gè)光學(xué)元件均為常用材料，價(jià)格便宜，易于推廣，同時(shí) 結(jié)合理論計(jì)算分析得出棱鏡的材料選ZF2,倍頻晶體選ΒΒ0晶體為最宜。
[0018] 3、以M0晶體的最佳相位匹配角為基礎(chǔ)，理論上各個(gè)波長(zhǎng)的光均實(shí)現(xiàn)最佳相位匹 配時(shí)的入射角為理想入射角，經(jīng)過(guò)棱鏡系統(tǒng)入射到ΒΒ0晶體時(shí)的角為實(shí)際入射角，以各個(gè) 波長(zhǎng)光的理論入射角與實(shí)際入射角差的平方和為標(biāo)準(zhǔn)建立光學(xué)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)函數(shù)，利用最小 二乘理論求得各個(gè)參數(shù)的大小，可使系統(tǒng)的誤差在1(Γ 8(度）數(shù)量級(jí)，可實(shí)現(xiàn)該波段超短脈 沖的高效倍頻。
[0019] 4、通過(guò)計(jì)算不同偏振狀態(tài)的光經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后透射光強(qiáng)的大小，對(duì)比分析得出，當(dāng)入 射光為Ρ偏振態(tài)的線偏振光時(shí)，透射光強(qiáng)大于99%，能量利用率最高。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為寬帶倍頻裝置的示意圖；
[0021] 圖2為四中常用材料色散率與波長(zhǎng)的關(guān)系圖；
[0022] 圖3為寬帶倍頻裝置的計(jì)算光路圖；
[0023] 圖4為ΒΒ0晶體理論入射角的求解；
[0024]圖5為理論參數(shù)與實(shí)際參數(shù)下誤差函數(shù)對(duì)比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限于此，凡是對(duì)本 發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0026]本發(fā)明利用棱鏡角色散的性質(zhì)，把寬帶超短脈沖中的光譜頻率成分在空間上分 開，而后用透鏡聚焦，使各個(gè)頻率成分的光波經(jīng)透鏡會(huì)聚后以適當(dāng)?shù)慕嵌热肷涞紹BO晶體， 各個(gè)頻率成分均滿足相位匹配條件，這樣恰好補(bǔ)償了由晶體造成的相位失配。本發(fā)明通過(guò) Mathematica軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的光路進(jìn)行計(jì)算，調(diào)節(jié)所設(shè)計(jì)光路的各個(gè)元件的參數(shù)（棱鏡頂 角、邊長(zhǎng)、兩棱鏡對(duì)之間的距離以及透鏡的焦距等）尋找一組最佳的參數(shù)值使得實(shí)際入射 到晶體時(shí)各個(gè)頻率成分光的入射角與理論上實(shí)現(xiàn)相位匹配時(shí)的入射角相差很小，保證各個(gè) 頻率成分在倍頻時(shí)的匹配角都能接近或達(dá)到最佳相位匹配角，達(dá)到高效倍頻的目的，其設(shè) 計(jì)思路如下：
[0027] 1、詳細(xì)分析了對(duì)于本發(fā)明的設(shè)計(jì)裝置而言，棱鏡材料的選擇以及晶體材料選擇的 方法；進(jìn)而得出棱鏡材料為ZF2,晶體材料為BB0晶體。
[0028] 2、通過(guò)計(jì)算分析實(shí)際入射角與理論入射角的推到公式，構(gòu)造誤差函數(shù)，求出實(shí)際 光路裝調(diào)的各個(gè)參數(shù)的大小。
[0029] 3、通過(guò)誤差函數(shù)得到各個(gè)參數(shù)的理論大小，結(jié)合實(shí)際裝調(diào)及元件規(guī)格的選擇，得 到實(shí)際參數(shù)的大小，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，得到的最佳相位匹配角誤差在3%以下。
[0030] 4、通過(guò)計(jì)算不同偏正態(tài)入射光經(jīng)過(guò)系統(tǒng)時(shí)透射光強(qiáng)的大小來(lái)選擇入射光的偏振 態(tài)，得到當(dāng)以P偏振光入射時(shí)，透射光強(qiáng)大于99%，能量利用率最高。
[0031] 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的倍頻裝置圖如圖1所示，晶體3兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置有棱鏡和透鏡，所述 棱鏡由棱鏡II、棱鏡112、棱鏡III6和棱鏡IV7組成，透鏡由透鏡13和透鏡115組成，沿光 路方向依次設(shè)置有棱鏡II、棱鏡112、透鏡13、晶體4、透鏡115、棱鏡III6和棱鏡IV7。
[0032] 在整個(gè)光路中棱鏡作為分光元件，因此對(duì)于棱鏡及透鏡材料的選擇應(yīng)該選擇色散 率比較大的材料，表1為四中常用材料的Schott系數(shù)，根據(jù)Schott方程知，棱鏡折射率與 波長(zhǎng)的關(guān)系為：
[0033] η(λ) = (Ao+Ai λ 2+Α2 λ-2+Α3 λ 3+Α4 λ-4+Α5 λ-8)1/2 (1)
[0034] 表1各種玻璃的Schott參數(shù)
[0035]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特征在于所述倍頻裝置包括棱鏡、透鏡 和晶體三部分，晶體的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置有透鏡和棱鏡，所述棱鏡由棱鏡I、棱鏡II、棱鏡III和 棱鏡IV組成，透鏡由透鏡I和透鏡Π 組成，沿光路方向依次設(shè)置有棱鏡I、棱鏡II、透鏡I、 晶體、透鏡II、棱鏡ΠΙ和棱鏡IV，相鄰兩個(gè)棱鏡的邊互相平行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特征在于所述棱鏡為 等腰棱鏡。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特征在于所述棱鏡I 的頂角 α = 58. 6。，邊長(zhǎng) Li = 39mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特征在于所述棱鏡II 的頂角 α =58.6。，邊長(zhǎng) 1^ = 39111111。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特征在于所述棱鏡I 和棱鏡Π 之間的距離L2 = 744. 5mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特征在于所述透鏡I 的焦距f = 59臟。
7·根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特征在于所述棱鏡I 和棱鏡II的材質(zhì)為ZF2玻璃。 8_根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特征在于所述晶體為 BBO晶體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特征在于所述入射光 束的波段為780-870nm。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特征在于所述入射 光束為P偏振態(tài)的線偏振光。
【文檔編號(hào)】G02F2/00GK104142596SQ201410356914
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】汪東生, 王玉雷, 劉振奇, 秦蘭琦, 李韜, 王麗, 萬(wàn)子南 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)