一种改善超短激光倍频能量稳定性的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于改善超短激光倍频能量稳定性的方法，特别涉及改善超短激 光三倍频能量稳定性的方法。
【背景技术】
[0002] 通常认为，由于超短激光的三倍频是一个三阶非线性过程，所以三倍频输出的能 量抖动接近基频激光抖动的三倍。一般基于多通放大器的激光系统输出的基频光能达到2% 的均方根能量稳定性，根据通常的理解，所产生的三倍频光的能量稳定性将恶化为基频光 能量抖动的三倍，这给光阴极注入器等对超短紫外激光能量稳定性要求高的应用带来极大 限制，例如，Linac Coherent Light Source (LCLS)要求驱动光阴极的紫外光的能量抖动 小于2% rms，FER-MI系统紫外光的能量抖动设计指标是小于3% rms。基于传统的理解，如 果要获得2%的紫外光能量抖动，那么红外光的能量抖动要求小于0. 7%，这对激光系统是一 个非常高的要求，需要采取一系列复杂的主动控制手段。
【发明内容】
[0003] 本发明是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供一种能够改善超短激光三 倍频能量稳定性的被动方法。
[0004] 关于改善超短激光三倍频能量稳定性的方法，可以分为主动方法和被动方法。具 体地说，主动的稳定性做法是，在紫外光产生之后，结合起偏器和二分之一波片，通过测量 紫外光的脉冲能量，计算平均能量，然后，通过测到的上一个脉冲的能量与上述平均能量的 差值，换算成维持脉冲能量稳定时二分之一波片应该转过的角度，通过电信号去反馈调节 二分之一波片转过该角度，从而达到三倍频能量稳定性提高的目的。相对与此，在本发明中 提供了一种被动方法，它与上述的主动方法有本质不同，不仅简单有效，而且能够显著提高 三倍频脉冲能量稳定性，更重要的是，本发明中的被动方法还能同时显著提高三倍频光的 横向分布和纵向分布的平滑性。
[0005] 本发明提供一种用于改善超短激光三倍频能量稳定性的方法，其特征在于，具有 如下步骤： (a) 获得三倍频转换效率相对于基频光的光强度的曲线； (b) 根据所述曲线的下降部，获得与所述下降部对应的光强度范围； (c) 调整基频光的基本参数，使基频光的光强度处于所述光强度范围内。
[0006] 此外，在本发明的方法中，所述步骤（a)包括如下步骤：（al)选择所使用的激光器 并确定所述激光器输出的基频光的基本参数，并且，选择所使用的三倍频晶体；（a2)针对 激光系统的基本参数和所述三倍频晶体，计算不同光强度下的三倍频转换效率曲线，并且 计算对应的不同光强度下三倍频能量抖动与基频光能量抖动之比，从而确定理论上光强最 优工作点，即，使抖动最小的工作点；（a3)对于所述激光器，将所述光强最优工作点作为参 照，在所述光强最优工作点附近以从低到高的方式调整所述基频光的能量，测量相应的三 倍频转换效率，由此，获得三倍频转换效率随光强度的先上升后下降的曲线。
[0007] 此外，在本发明的方法中，在所述步骤（C)中进而根据需要使基频光的光强度为所 述曲线的所述下降部上的某一点所对应的光强度。
[0008] 此外，在本发明的方法中，在所述步骤（a2)中是利用耦合波方程得到不同光强度 下的三倍频转换效率曲线的。
[0009] 此外，在本发明的方法中，在所述步骤（C )中，通过改变基频光的光束口径、基频光 的脉冲宽度、基频光的脉冲能量这三者中的至少一个来调整基频光的基本参数。
[0010] 此外，在本发明的方法中，所述三倍频光是紫外光。
[0011] 此外，在本发明的方法中，所述基频光是超短红外光。
[0012] 此外，本发明提供一种用于改善超短激光倍频能量稳定性的方法，其特征在于，具 有如下步骤： (a) 获得倍频转换效率相对于基频光的光强度的曲线； (b) 根据所述曲线的下降部，获得与所述下降部对应的光强度范围； (c) 调整基频光的基本参数，使基频光的光强度处于所述光强度范围内。
[0013] 此外，在本发明的方法中，所述步骤（a)包括如下步骤：（al)选择所使用的激光器 并确定所述激光器输出的基频光的基本参数，并且，选择所使用的倍频晶体；（a2)针对激 光系统的基本参数，计算不同光强度下的倍频转换效率曲线，并且计算对应的不同光强度 下倍频能量抖动与基频光能量抖动之比，从而确定理论上光强最优工作点，即，使抖动最小 的工作点；（a3)对于所述激光器，将所述光强最优工作点作为参照，在所述光强最优工作 点附近以从低到高的方式调整所述基频光的能量，测量相应的倍频转换效率，由此，获得倍 频转换效率随光强度的先上升后下降的曲线。
[0014] 此外，在本发明的方法中，在所述步骤（c)中进而根据需要使基频光的光强度为所 述曲线的所述下降部上的某一点所对应的光强度。
[0015] 此外，在本发明的方法中，在所述步骤（c)中，通过改变基频光的光束口径、基频光 的脉冲宽度、基频光的脉冲能量这三者中的至少一个来调整基频光的基本参数。
[0016] 如上所述，在本发明中提出了一种优化超短激光脉冲三倍频光脉冲能量稳定性的 被动稳定方法，在该方法中，通过选择基频激光参数(脉冲能量、脉冲宽度、光束口径）和晶 体参数，使三倍频过程工作在三倍频效率曲线（以激光强度为横轴）的下降段的合适位置， 从而显著改善了三倍频光的能量稳定性，这种被动的稳定性方法突破了传统的三倍频光能 量抖动是基频光能量抖动约三倍的限制，使三倍频光的能量稳定性明显优于基频光。
[0017] 特别是，本发明的方法在需要高能量稳定性紫外光的相关领域，例如产生高亮度 电子束的光阴极微波电子枪以及其他重频三倍频产生中都具有重要意义。
[0018] 此外，根据本发明，能够获得比基频光能量更加稳定的三倍频光，突破了传统方 法，为产生超能量稳定的紫外光提供了一种简单易行的方法，并且，基于相同原理，与基频 光相比，本发明的方法同时使三倍频激光的纵向和横向分布更加平滑。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明中的利用倍频晶体产生三倍频激光的装置的示意图。
[0020] 图2是本发明中的三倍频转换效率和基频光能量的关系的一例的图。
[0021] 图3是本发明中的理论计算和实际测量基频光和三倍频光的能量抖动与基频光 能量的关系的一例的图。
[0022] 图4 (a)是示出本发明的实施例中的不同光强度下的三倍频转换效率曲线的图， 图4 (b)是本发明的实施例中的三倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比和光强度的关系 曲线图。
【具体实施方式】
[0023] 以下，根据附图详细地对本发明的方法进行说明。
[0024] 首先，作为本发明的基础，根据需要来选择所使用的激光器，明确该激光器所输出 的基频光的基本参数，例如中心波长、光谱带宽、最大输出能量和压缩脉冲宽度等。根据这 些基本参数，能够估算激光脉冲的最大峰值功率以及不同光束口径下的激光光强、激光强 度的可调范围等参数。由此，明确了激光系统的基本参数。此外，同样地，根据需要选择所 使用的三倍频晶体，例如能够选择使用BB0晶体等。
[0025] 然后，针对激光系统的例如脉冲宽度、光谱宽度等基本参数和所采用的三倍频晶 体，利用例如耦合波方程来计算不同光强度下的三倍频转换效率曲线，并且，计算对应的不 同光强度下的三倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比，得到三倍频光能量抖动与基频光 能量抖动之比和光强度的关系曲线图，由此，能够确定理论上的基频光的光强最优工作点， 艮P，三倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比最小的光强度的值。
[0026] 然后，利用理论设计的光强工作点与激光器的脉冲峰值功率，采用如下几种方法 能够实现进行三倍频的激光的光强参数：（1)改变激光器的基频光的光束口径，设计相应 的缩束或者扩束光学系统；（2)改变激光器的基频光的脉冲宽度(例如，调整脉冲压缩光栅 对的间距等方法）；（3)改变进行三倍频的激光器的基频光的脉冲能量；（4)上述三种方法 的组合。
[0027] 然后，对于所述激光器，将上述的光强最优工作点作为参照，在该光强最优工作点 附近，以从低到高的方式调整基频光的能量，测量相应的三倍频转换效率，获得三倍频转换 效率随脉冲能量的变化曲线（即，能够得到三倍频转换效率随着脉冲能量的增加先上升后 下降的曲线)，并且，计算对应的不同光强下的三倍频光能量抖动与基频光能量抖动之比， 确定实际的光强最优工作点。
[0028] 然后，调整激光器的光束口径或者脉冲宽度或者基频光的能量，使得应用所需的 脉冲能量工作点与实际的光强最优工作点重合，在保证脉冲能量抖动显著下降的同时倍频 效率的损失在可接受范围内，即，确保三倍频激光的能量抖动较小并且三倍频转换效率较 商。
[0029] 以下，举出具体的实施例对本申请发明进行说明。