专利名称：位相匹配条件对温度不敏感的光参量倍频转换装置的利记博彩app
位相匹配条件对温度不敏感的光参量倍频转换装置技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种可以实现位相匹配条件对温度不敏感的光参量倍频转换装置。
背景技术：
光参量倍频转换技术能够扩展各种激光源的工作波长，它能够从一个固定频率的激光源得到一系列不同波长的相干辐射，以满足各种实际应用的需要。现在，光参量倍频转化技术已经广泛应用在单脉冲输出或者低平均功率的激光源上。但是，由于热效应导致的转换效率偏低以及不理想的光束质量严重制约了倍频转换技术在高平均功率激光源上的应用。造成倍频光不能实现高平均功率输出的原因是多方面的，其中一个主要原因就是非线性晶体会吸收基频光和倍频光的能量而产生热梯度，进而使得其内部出现温度差。由于晶体折射率会随温度的不同而变化，于是，晶体横截面上折射率的不均勻分布会使得整块晶体不能同时满足位相匹配条件，从而导致倍频转换效率的下降以及光束质量的恶化，过大的热梯度甚至会对晶体造成损坏。
为了控制热负荷和补偿用于高平均功率倍频转换的非线性晶体里的热效应，以美国列佛莫尔实验室(LLNL)为代表的众多研究机构提出了各种各样的方法，其中包括光束整形以及多片薄晶体设计通光面气冷等方法。但是，由于这些技术需要用到很多额外的器件， 造成其结构复杂，而整体效果又并不十分明显，使得高平均功率的倍频转换进展不大。近年来，YCOB晶体的出现，实质性地推动了高平均功率倍频转换技术的发展。但是，一般的，一种非线性晶体只能对一种波长实现倍频转换位相匹配条件对温度的不敏感，在其他波段， 高平均功率的倍频仍受限于晶体的热效应。所以说，这种依赖于非线性晶体材料自身光学特性的方法并不具有普遍适用性。发明内容
针对当前高平均功率倍频转换所面临的由于温度分布不均勻而造成的位相失配问题，本发明的目的在于提供一种可用于高平均功率激光源的光参量倍频转换装置。
本发明提出的可以实现位相匹配条件对温度不敏感的倍频转换装置，具体由两种不同的非线性晶体通过交叉级联的方式组成。其中，对于特定某一个波长的光参量倍频过程，这两种晶体由于工作温度发生变化而导致的位相失配量对温度的一阶偏导的符号是相反的。
非线性晶体会吸收基频光和倍频光的能量而产生热梯度，进而使得晶体在其横截面上出现温度的不均勻分布。而只有工作在位相匹配温度的那部分晶体，才能满足位相匹配条件。对其余绝大部分晶体来说，偏离位相匹配温度，意味着会引入输入基频光与输出倍频光间的位相失配量Ak。图1给出了当位相匹配温度为20 °C时，几种典型的非线性晶体 KH2PO4(KDP)(短虚线)，LiB3O5(LBO)(点线)，BaB2O4(BBO)(点虚线)和 YCOB (xy 平面虚线；XZ平面实线)，由于工作温度发生变化而导致的位相失配量对温度的一阶偏导随入射基频光波长的不同而变化的曲线图。对本发明特别重要的是，在很宽的频谱范围内(从100 nm到大于2 μ m)，都能够找到(即存在)热致位相失配量对温度的一阶偏导符号相反的两种晶体，例如1064 nm的KDP晶体跟LBO晶体，以及1550 nm的BBO晶体跟YCOB晶体。
本发明所用到的结构如图2所示，根据不同的需要，可以采用两块或者多块这两种不同非线性晶体交叉级联的设计方案，用作非线性倍频转换的工作介质。由于热效应的存在，当晶体的工作温度偏离其位相匹配温度的时候，这两种晶体都不再满足位相匹配条件(Ak Φ 0)，而且，随着偏离程度的加剧，所造成的位相失配会更加严重。但是，如果这两种晶体的热致位相失配量的符号是相反的，也就是说其中一个Ak大于0，而另一个Ak小于 0，那么在第一种晶体中累积的位相失配量会在级联在其后面的第二种晶体中得到补偿。使用的晶体数量越多，其位相匹配条件对温度越不敏感。为了保证倍频转换过程能够稳定进行，一般可以采用两块到四块晶体交叉级联的设计方案。图中给出的是包含有四块晶体交叉级联的结构。
在使用过程中，对应不同的实际情况，相邻两块不同晶体的长度比例会存在一个最优值，使得这种光参量倍频转换装置的位相匹配条件对温度最不敏感。这个最优值是由晶体的热致位相失配量跟有效非线性系数决定的，可以通过计算机数值模拟解非线性耦合波方程组的方法大致得到。根据不同的使用情况，这个最优值会各不相同，而这些最优值之间是没有联系的。本发明对相邻两块不同晶体宽度比例无要求，只需要晶体的口径能够让光束完全通过。这种装置能够有效地减少光参量倍频转换过程中位相匹配条件对温度的敏感程度。而且，其还具有工作波长可设计的优点，可以用于构建不同波长的高平均功率倍频转换激光系统。
本发明的这种倍频转换装置不但结构简单，不需要用到额外的器件，而且效果明显。更重要的是，这种装置是对波长可设计的，只要选用合适的晶体，就能够在感兴趣的波长上实现位相匹配条件对温度不敏感的倍频转换。
图1所示为几种典型非线性晶体由于工作温度发生变化而导致的位相失配量对温度的一阶偏导，随入射基频光波长的不同而变化的曲线图。
图2为根据本发明设计的位相匹配条件对温度不敏感的光参量倍频转换装置示意图。
图3所示为为了展示本发明所进行的原理验证性实验的实验装置图。
图4所示为实验得到的不同倍频转换系统倍频转换效率随温度变化的曲线图。
图中标号1为非线性晶体Α，2为与非线性晶体A相邻的非线性晶体Β，3为窄带皮秒激光源，4为皮秒基频光，5为第一非线性晶体，6为通过第一非线性晶体后的倍频激光以及剩余的基频激光，7为第二非线性晶体，8为通过第二非线性晶体后的倍频激光以及剩余的基频激光，9为滤光片，10为倍频激光，11为激光功率计。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明。
图2所示为根据本发明设计的位相匹配条件对温度不敏感的光参量倍频转换装置。该装置包括两种不同的非线性晶体(A和B)，采用两块或者多块这两种不同非线性晶体交叉级联的设计方案，用作非线性倍频转换的工作介质。其中，对于特定某一个波长的光参量倍频过程，这两种晶体由于工作温度发生变化而导致的位相失配量对温度的一阶偏导的符号是相反的。以下主要描述只有两块晶体时的情况。
假设，在室温(20。C)的时候，两块用于倍频的非线性晶体均满足位相匹配条件， 而随着高平均功率倍频转换过程的进行，由于热效应的逐渐积累，非线性晶体内的温度会偏离原来的温度，破坏已经满足了的位相匹配条件。
由于入射基频光与倍频光位相失配，当它们之间累计的位相差达到η，也就是说在晶体内的作用长度等于其相干长度(L。= π/Ak)的时候，新产生的倍频光就会与之前产生的倍频光相干抵消，开始发生倍频的逆过程——回流。随着晶体作用长度的持续增加，倍频光会转换回基频光，转换效率会逐渐减小。
然而，本发明中采用的两块倍频晶体的热致位相失配量的符号是相反的，也就是说其中一个Ak大于0而另一个Ak小于0，那么在第一块晶体A中累积的基频光与倍频光间的位相差(Δ C^1 = Ak1L1)会在级联在其后面的第二块晶体B中得到补偿(Δ φ2 = Ak2L2). 于是，在这种情况下，只要保证在整个倍频转换过程中，两块不同非线性晶体内的位相差都小于η，产生的倍频光就能始终保持相干增长，对应着倍频转换的正过程。因此，倍频转换效率对温度变化的敏感程度会大大降低，进而实现位相匹配条件对温度不敏感的光参量倍频转换。而且，使用的晶体数量越多，转换效率受温度变化的影响会更小。
图3是为为了展示本发明所进行的原理验证性实验的实验装置图。
该装置包括根据本发明设计的位相匹配条件对温度不敏感的光参量倍频转换系统，以及用于进行测量的激光功率计。其中窄带皮秒激光源3出射的皮秒激光4，通过满足一定位相匹配角的第一非线性晶体5， 进行光参量倍频转换(SHG)。然后，将得到的倍频激光以及剩余的基频激光6通过第二非线性晶体7，再次进行SHG。通过滤光片9把剩余的没有参与作用的基频激光滤除后，用激光功率计11测量最终得到的倍频光10。在具体实验中，本装置使用两块设计合理的KDP晶体跟LBO晶体分别作为第一非线性晶体5跟第二非线性晶体7，用作光参量倍频转换系统的工作介质。从图1可以看出，对于1064 nm的倍频过程，这两种非线性晶体热致位相失配量的符号是相反的。同时，这两块晶体被分别放在两个数字温控炉里，通过调节控温炉里非线性晶体的工作温度，最终可以得到倍频转换效率随温度的变化曲线。
图4给出了实验中得到的倍频转换效率随温度变化的曲线图，同时，对于传统的使用单一晶体作为非线性介质的倍频转换系统，图里也给出了其输出倍频转换效率随温度变化的曲线。为了公平、直观地比较两种不同倍频转换系统位相匹配条件对温度的敏感程度，图中每种倍频转换系统都被设计成在满足位相匹配条件的时候，能够得到相当的倍频转换效率。从图中可以看出，随着非线性晶体的工作温度逐渐偏离其位相匹配温度，位相失配的出现会导致倍频转换效率的下降，对温度越敏感，下降得越快。而如果将两种在1064 nm倍频上对温度变化都很敏感的KDP晶体(三角符号)跟LBO晶体(矩形符号)，进行交叉级联(圆形符号)，就能够在较大的温度变化范围内提高倍频转换效率。同样的，这种方法还能够用在其他倍频波长上，例如1550 nm。而目前仍没找到能够在这个波段上实现位相匹配条件对温度不敏感的倍频晶体。
可以看出，本发明所提出的将两种不同的非线性晶体进行交叉级联，用作非线性倍频转换工作介质的倍频转换装置，能够较好地解决由于温度分布的不均勻而造成位相失配，从而导致倍频转换效率降低以及光束质量恶化的问题。它不但结构简单，不需要用到额外的器件，而且效果明显。更重要的是，这种装置是对波长可设计的，只要选用合适的晶体， 就能够在感兴趣的波段上实现位相匹配条件对温度不敏感的倍频转换。可以用于构建不同波长的高平均功率倍频转换激光系统。
权利要求
1.一种位相匹配条件对温度不敏感的光参量倍频转换装置，其特征在于由两种不同的非线性晶体进行交叉级联组成，用作非线性倍频转换的工作介质，其中对于特定某一个波长的光参量倍频过程，这两种晶体由于工作温度发生变化而导致的位相失配量对温度的一阶偏导的符号是相反的。
2.根据权利要求1所述的位相匹配条件对温度不敏感的光参量倍频转换装置，其特征在于对应不同的实际情况，相邻两块不同的非线性晶体的长度比例存在一个最优值。
全文摘要
本发明属于激光技术领域，具体为一种可以实现位相匹配条件对温度不敏感的光参量倍频转换装置。该装置主要由两种不同的非线性晶体通过交叉级联的方式组成。对于特定某一个波长的光参量倍频过程，这两种晶体由于工作温度发生变化而导致的位相失配量对温度的一阶偏导的符号是相反的。当晶体的工作温度偏离其位相匹配温度时，在第一种晶体中累积的位相失配量会在级联在其后面的第二种晶体中得到补偿。这种装置可以有效地减少光参量倍频转换过程中位相匹配条件对温度的敏感程度。而且，这种装置还具有工作波长可设计的优点，可以用于构建不同波长的高平均功率倍频转换激光系统。
文档编号H01S3/109GK102566197SQ20121003945
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月21日 优先权日2012年2月21日
发明者朱鹤元, 袁鹏, 钟亥哲, 钱列加 申请人:复旦大学