基于光谱较色散原理宽带倍频装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光谱较色散原理宽带倍频装置，包括棱镜、透镜和晶体三部分，晶体的两侧对称设置有透镜和棱镜，所述棱镜由棱镜I、棱镜II、棱镜III和棱镜IV组成，透镜由透镜I和透镜II组成，沿光路方向依次设置有棱镜I、棱镜II、透镜I、晶体、透镜II、棱镜III和棱镜IV，相邻两个棱镜的边互相平行。本发明利用棱镜角色散的性质，把宽带超短脉冲中的光谱频率成分在空间上分开，而后用透镜聚焦，使各个频率成分的光波经透镜会聚后以适当的角度入射到BBO晶体，各个频率成分均满足相位匹配条件，这样恰好补偿了由晶体造成的相位失配。本发明所搭载的光路结构简单，各个光学元件均为常用材料，价格便宜，易于推广。
【专利说明】基于光谱较色散原理宽带倍频装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于倍频【技术领域】，涉及一种宽波段、超短脉冲倍频装置。
【背景技术】
[0002] 倍频技术是获得可见及紫外区域激光的重要手段而被广泛的研究。对于单色光而 言，在使用适当晶体倍频时，已经可以完美的相位匹配，实现高效的倍频，然而对宽带激光 的倍频遇到极大的困难，需要权衡倍频的转换效率和带宽。同时超短脉冲的倍频技术又是 物理、化学、生物以及航天等领域所迫切要求的。因此，实现超短脉冲的倍频具有重要意义。 其中主要的实现方法有啁啾匹配法、晶体级联方法和光谱角色散法。
[0003] K. Osvay等人无论从理论上还是实验上都已经验证了啁啾匹配法可以实现宽波段 的高效倍频，其原理主要是让不同的频率成分具有不同的时间相位，通过选择适合的啁啾 参数使宽带光中的所有频率成分的光波均可以满足或者最大程度的满足相位匹配,实现各 频率成分有效转换，从而使转换带宽和转换效率得到一定程度的提高。然而啁啾匹配方法 存在一个很大的缺点，因为整个谐波转换系统需要附加额外的光学元件，光路复杂，装调困 难，而且这种方法还无法补偿晶体的高阶色散，不能实现大宽带条件下的高效率转换。
[0004] 晶体级联方法是由美国的D.Eimer提出的，他是第一个提出使用级联的方式来提 高一块晶体二倍频的动态范围的，后来该方法被美国海军实验室用于超短脉冲的倍频技 术，随着科技的进步，1997年又发展为浸提级联三倍频。这种方法与啁啾匹配法相比其优点 在于简单、高效，而且它也是ICF激光驱动器中最常用的宽带倍频转换方法。但是所设计出 的装置相对来说造价比较昂贵，仅适合军方或特殊需要的群体使用。
[0005] 光谱角色散的方法是由苏联的V. D. Voloso最先提出的，后来经美国的Rochoste 大学的Μ· D. Skeldon和Short等人经过研究进一步发展和完善的。其基本原理是利用光栅 等色散元件所提供光谱角色散可以用来补偿晶体的色散，从而保证在一定宽度的频率范围 内的光波均能够实现相位匹配。它的工作过程是利用光栅的衍射的效应将宽带光的不同频 率成分的光波在空间上相互分开，选择合适的光栅参数和入射角度使各波长的光都能以各 自的相位匹配角入射到非线性晶体上，进而实现宽带光的高效倍频转换。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于光谱较色散原理宽带倍频装置，主要利用棱镜角色 散的性质，把宽带超短脉冲中的光谱频率成分在空间上分开，而后用透镜聚焦，使各个频率 成分的光波经透镜会聚后以适当的角度入射到ΒΒ0晶体，各个频率成分均满足相位匹配条 件，这样恰好补偿了由晶体造成的相位失配。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008] -种基于光谱较色散原理宽带倍频装置，包括棱镜、透镜和晶体三部分，晶体的两 侧对称设置有透镜和棱镜，所述棱镜由棱镜I、棱镜II、棱镜ΙΠ 和棱镜IV组成，透镜由透 镜I和透镜II组成，沿光路方向依次设置有棱镜I、棱镜II、透镜I、晶体、透镜II、棱镜III 和棱镜IV，相邻两个棱镜的边互相平行。
[0009] 本发明中，波段在78〇-87〇nm的超短脉冲由棱镜I的中点入射，使各个波段的光在 棱镜I边长的中点处彼此分开，由于棱镜II与棱镜I的边互相平行，所以由折射定律可以 知道，从棱镜II出射时，各个波段的光为彼此分开一定距离的平行光，经过透镜I后，会聚 于晶体一点处，经晶体倍频作用后，每个波段的光的频率被扩大一倍，此时就达到了各个波 段处的光的倍频目的；然后经过透镜II，将由倍频晶体出射的光变为平行光，再经过棱镜 III和棱镜IV使各个倍频后的光波耦合成一束光，该光束即为倍频后的超短脉冲。
[0010] 本发明中，所述棱镜I和棱镜π的顶角α = 58. 6。；棱镜I和棱镜π的边长Li =39mm ;棱镜I和棱镜II之间的距离L2 = 744. 5mm ;透镜I的焦距f = 59_。
[0011] 本发明中，所述棱镜I和棱镜II的材质为ZF2玻璃。
[0012] 本发明中，所述晶体为ΒΒ0晶体。
[0013] 本发明中，所述入射光束的波段为780-870nm。
[0014] 本发明中，所述入射光束为p偏振态的线偏振光。
[0015] 本发明具有如下优点：
[0016] 1、设计并分析了针对78〇-870nm超短脉冲的倍频装置，利用棱镜光谱较色散的性 质，采用对称式结构，实现了分光-倍频-耦合的过程。
[0017] 2、就目前而言绝大多数的倍频装置设计过于复杂，光路的装调十分困难，而本发 明中所搭载的光路结构简单，其中各个光学元件均为常用材料，价格便宜，易于推广，同时 结合理论计算分析得出棱镜的材料选ZF2,倍频晶体选ΒΒ0晶体为最宜。
[0018] 3、以M0晶体的最佳相位匹配角为基础，理论上各个波长的光均实现最佳相位匹 配时的入射角为理想入射角，经过棱镜系统入射到ΒΒ0晶体时的角为实际入射角，以各个 波长光的理论入射角与实际入射角差的平方和为标准建立光学系统的评价函数，利用最小 二乘理论求得各个参数的大小，可使系统的误差在1(Γ 8(度）数量级，可实现该波段超短脉 冲的高效倍频。
[0019] 4、通过计算不同偏振状态的光经过系统后透射光强的大小，对比分析得出，当入 射光为Ρ偏振态的线偏振光时，透射光强大于99%，能量利用率最高。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为宽带倍频装置的示意图；
[0021] 图2为四中常用材料色散率与波长的关系图；
[0022] 图3为宽带倍频装置的计算光路图；
[0023] 图4为ΒΒ0晶体理论入射角的求解；
[0024]图5为理论参数与实际参数下误差函数对比图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本 发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖 在本发明的保护范围中。
[0026]本发明利用棱镜角色散的性质，把宽带超短脉冲中的光谱频率成分在空间上分 开，而后用透镜聚焦，使各个频率成分的光波经透镜会聚后以适当的角度入射到BBO晶体， 各个频率成分均满足相位匹配条件，这样恰好补偿了由晶体造成的相位失配。本发明通过 Mathematica软件对所设计的光路进行计算，调节所设计光路的各个元件的参数（棱镜顶 角、边长、两棱镜对之间的距离以及透镜的焦距等）寻找一组最佳的参数值使得实际入射 到晶体时各个频率成分光的入射角与理论上实现相位匹配时的入射角相差很小，保证各个 频率成分在倍频时的匹配角都能接近或达到最佳相位匹配角，达到高效倍频的目的，其设 计思路如下：
[0027] 1、详细分析了对于本发明的设计装置而言，棱镜材料的选择以及晶体材料选择的 方法；进而得出棱镜材料为ZF2,晶体材料为BB0晶体。
[0028] 2、通过计算分析实际入射角与理论入射角的推到公式，构造误差函数，求出实际 光路装调的各个参数的大小。
[0029] 3、通过误差函数得到各个参数的理论大小，结合实际装调及元件规格的选择，得 到实际参数的大小，通过对比发现，得到的最佳相位匹配角误差在3%以下。
[0030] 4、通过计算不同偏正态入射光经过系统时透射光强的大小来选择入射光的偏振 态，得到当以P偏振光入射时，透射光强大于99%，能量利用率最高。
[0031] 本发明所设计的倍频装置图如图1所示，晶体3两侧对称设置有棱镜和透镜，所述 棱镜由棱镜II、棱镜112、棱镜III6和棱镜IV7组成，透镜由透镜13和透镜115组成，沿光 路方向依次设置有棱镜II、棱镜112、透镜13、晶体4、透镜115、棱镜III6和棱镜IV7。
[0032] 在整个光路中棱镜作为分光元件，因此对于棱镜及透镜材料的选择应该选择色散 率比较大的材料，表1为四中常用材料的Schott系数，根据Schott方程知，棱镜折射率与 波长的关系为：
[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各种玻璃的Schott参数
[0035]
【权利要求】
1. 一种基于光谱较色散原理宽带倍频装置，其特征在于所述倍频装置包括棱镜、透镜 和晶体三部分，晶体的两侧对称设置有透镜和棱镜，所述棱镜由棱镜I、棱镜II、棱镜III和 棱镜IV组成，透镜由透镜I和透镜Π 组成，沿光路方向依次设置有棱镜I、棱镜II、透镜I、 晶体、透镜II、棱镜ΠΙ和棱镜IV，相邻两个棱镜的边互相平行。
2. 根据权利要求1所述的基于光谱较色散原理宽带倍频装置，其特征在于所述棱镜为 等腰棱镜。
3. 根据权利要求1所述的基于光谱较色散原理宽带倍频装置，其特征在于所述棱镜I 的顶角 α = 58. 6。，边长 Li = 39mm。
4. 根据权利要求1所述的基于光谱较色散原理宽带倍频装置，其特征在于所述棱镜II 的顶角 α =58.6。，边长 1^ = 39111111。
5. 根据权利要求1所述的基于光谱较色散原理宽带倍频装置，其特征在于所述棱镜I 和棱镜Π 之间的距离L2 = 744. 5mm。
6. 根据权利要求1所述的基于光谱较色散原理宽带倍频装置，其特征在于所述透镜I 的焦距f = 59臟。
7·根据权利要求1所述的基于光谱较色散原理宽带倍频装置，其特征在于所述棱镜I 和棱镜II的材质为ZF2玻璃。 8_根据权利要求1所述的基于光谱较色散原理宽带倍频装置，其特征在于所述晶体为 BBO晶体。
9. 根据权利要求1所述的基于光谱较色散原理宽带倍频装置，其特征在于所述入射光 束的波段为780-870nm。
10. 根据权利要求1所述的基于光谱较色散原理宽带倍频装置，其特征在于所述入射 光束为P偏振态的线偏振光。
【文档编号】G02F2/00GK104142596SQ201410356914
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】汪东生, 王玉雷, 刘振奇, 秦兰琦, 李韬, 王丽, 万子南 申请人:哈尔滨工业大学