[发明专利]一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统及控制方法

说明书

本发明公开了一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统，它包括激光器端镜、起偏器、增益介质与泵浦源、非线性倍频晶体、双色镜和精密平移台，激光器、非线性频率转换晶体和双色镜组成近场滤波和激光器横模控制系统，本发明还构建了一种基于非线性效应的近场滤波新方法，可控制激光器的横模数量。本发明的系统和方法在非线性频率转换过程中，高阶横模转换效率较低，将会从双色镜泄露出激光器腔，而低阶模在逆向传输过程中将被转换回基频，从而囚禁在激光腔中振荡，最终实现激光器横模控制。

技术领域

本发明属于激光振荡与放大技术领域，更具体地说，涉及一种基于可逆非线性频率转换技术的光束近场滤波与横模控制方法，可以将激光器输出光束空间发散角压缩在±200μrad以内。

背景技术

高功率激光激光振荡器或放大器中，空间滤波器是关键设备之一，主要用来抑制光束中高阶横模或高频扰动。该方法主要基于傅立叶变换光学原理，即在一对共焦的透镜的共焦面上插入一小孔，使光束的高阶横模被阻挡。该方法简捷而又高效，目前已被大多数高功率激光系统所采用，但随着光束口径和能量增加，空间滤波器的体积也会显著增加，且常常需要工作在真空状态下，导致整个激光系统变得庞大且复杂，不利于激光系统的小型化和运行维护。

针对目前空间滤波器存在的这一缺陷，提出一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制新方法，该方法无需透镜以及真空环境，可大幅度减小系统的体积以及光学元件数量，可用于大口径、高品质的激光振荡器和小型化的高功率激光系统。

发明内容

针对现有激光振荡器与放大器技术中广泛使用空间滤波器存在体积大、环境要求高的缺点，本发明提供一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制方法。本发明结合了激光器、非线性频率转换晶体、双色镜，构建一种基于非线性效应的近场滤波新方法，可控制激光器的横模数量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统，其特征在于，该系统结构上包括激光器端镜、起偏器、增益介质与泵浦源、折叠反射镜、非线性倍频晶体、双色镜、精密平移台，所述的激光器端镜、起偏器、增益介质与泵浦源和折叠反射镜处于激光放大光路上，所述的折叠反射镜、非线性倍频晶体和双色镜处于激光的模式控制光路上；

所述非线性倍频晶体处于相位匹配状态，公式(1)范围内光束转换成倍频光：

其中，为非线性倍频晶体相位失配量随偏离匹配角度θ的一阶倒数，L为晶体的长度，Δθ为光束指向偏离传输方向的角度；

所述双色镜与所述非线性倍频晶体之间的距离为d，基频光与倍频光将因空气色散和双色镜的反射而产生相位差为φ，满足下面公式：

φ＝2[n(λ)-n(λ/2)]×d+φ_jump (2)

其中，n为空气折射率，λ为激光器振荡波长，d为晶体表面与双色镜之间距离，φ_jump为双色镜表面反射和非线性倍频晶体引起光束相移。

一种基于非线性频率转换的近场滤波和激光器横模控制系统的控制实现方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步，开启激光器的增益介质和泵浦源，并逐步提高泵浦能量，使激光器产生自由振荡，此为激光器振荡的第一振荡阈值；

第二步，调节非线性倍频晶体，使非线性倍频晶体处于相位匹配状态，此时光束指向只有在公式(1)范围内光束才能高效转换成倍频光：

其中，为非线性倍频晶体相位失配量随偏离匹配角度θ的一阶倒数，L为晶体的长度，Δθ为光束指向偏离传输方向的角度；