[发明专利]一种宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种能实现宽带激光脉冲高效谐波转换的光路系统，该系统能显著提高超短激光脉冲的谐波转换带宽，尤其适合构成宽带啁啾脉冲压缩谐波转换器，同时具备压缩与谐波转换功能，属于强激光非线性频率变换领域。

背景技术

超短激光脉冲的谐波转换不同于窄带激光，以二次谐波转换为例，非线性晶体都不可避免地存在色散效应，即不同频率的光在晶体中的相速度和群速度是不一样的。对于各向异性的非线性晶体，可以利用晶体的双折射效应来补偿由色散效应引起的相速度差异，实现相位匹配，即双折射相位匹配技术(BPM)。同样，也可利用晶体的双折射效应实现群速匹配(GVM)。然而，一般情况下，对于大部分各向异性的非线性晶体来说，这两个匹配是无法同时满足的，因为满足BPM和GVM的两个匹配方向一般不重合。对于各向同性的非线性晶体，是利用晶体的正、反常色散来实现相位匹配(PM)和群速匹配的。然而，这两个匹配也是无法同时满足的，因为满足PM和GVM所要求的正、反常色散材料的比例通常是不一样的。目前，针对宽带谐波转换相位与群速匹配问题的解决方案主要包括：光谱角色散，啁啾匹配，晶体级联和折返点匹配。

1光谱角色散

光谱角色散方案基本思想是利用光栅等色散元件提供的光谱角色散来补偿晶体的色散，从而保证在一个宽的频率范围内均能实现相位匹配。其基本过程是利用光栅或棱镜通过衍射的形式将宽带光的不同频率成分在空间上相互分开，通过选择合适的光栅参数和入射角度，使得不同的频率成分都能以各自的相位匹配角入射到非线性晶体上，从而实现各个频率成分的高效谐波转换，以达到提高转换带宽的目的。根据所采用的角色散补偿元件，其谐波转换装置分为光栅式和棱镜式两种。

光谱角色散方案的缺点在于整个谐波转换系统光路复杂，调节困难，并且这种方案无法补偿晶体的高阶色散，无法实现大带宽条件下的高效谐波转换。

2晶体级联

晶体级联方案为两种级联方式：群速补偿方式(WOC)和分布失谐方式(DDK)。

群速补偿级联方式：WOC级联方式多用于II型相位匹配的二倍频中，它是在后一块晶体中引入相反的群速走离来补偿前一块晶体的群速走离，让基波和谐波的脉冲包络重新叠加，以提高转换效率。它由两块光轴正交的II类匹配晶体组成，由于后一块晶体的快、慢轴相对与前一块晶体的快、慢轴旋转90度，于是，在前一块晶体的沿快/慢轴传输的基频光在第二块晶体中将沿慢/快轴传输，从而实现群速补偿的目的。

角度失谐级联方式：它是让每块晶体分别失谐一定角度以匹配该角度对应的那部分频率范围，以到达提高转换带宽的目的。理论上，N块晶体级联的二倍频转换带宽比同等长度单块晶体二倍频的转换带宽提高N倍。使用分布失谐方案必须合理地选择每块晶体的失谐角，并且按特定顺序排列失谐晶体，一般按照失谐角度依次从小到大或从大到小的方式排列。

3.折返点匹配

折返点匹配也称为波长不敏感匹配。谐波转换中，晶体相位匹配角与波长的关系曲线称为折返曲线，曲线的极值点称为折返点(retracing point)。1992年，Mark S.Webb指出在折返点处能实现高效、宽带二次谐波转换，因为在折返点处，相位匹配角随波长的变化很平缓，当波长在一定范围内变化时，相位匹配角的变化却很小，可近似认为没有变化。这就意味着在一定的带宽范围内，各种频率成分都能在折返点同一个角度下满足相位匹配，实现高效的频率转换。

这些方案都各有优缺点，角色散补偿方案能获得最大的转换带宽，但其光路复杂，损耗也较大，在高功率激光器中的应用受限。晶体级联方案光路简单，调校容易，能增加转换带宽，提高转换效率，既适用于小功率激光器也适用于高功率的激光装置，但并没有从根本上解决相位匹配和群速匹配的问题，其转换带宽的提高也很有限。折返点匹配方案能同时实现了相位匹配和群速匹配，既具有角色散补偿方案的大转换带宽，又具有晶体级联方案的高转换效率，但是其应用范围窄，目前只有少数波长处实现了折返点匹配，要根据不同需要，寻求特定非线性晶体材料来满足需求。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明目的旨在提供一种结构简单、调校方便、晶体选择灵活的宽带激光脉冲高效谐波转换光路系统。

本发明采取的技术方案是，一种宽带高效谐波转换光路系统，其包括空间频率啁啾变换装置和放置在空间频率啁啾变换装置的输出光路上的非线性频率变换装置，其中：

所述空间频率啁啾变换装置，将宽带激光脉冲变换成宽度可调的空间频率啁啾脉冲，且所述空间频率啁啾脉冲的所有频率成分分布在横向空间某一轴上的不同位置，且相互平行；