高功率高效率三次谐波二维数值模拟研究

对大口径、高功率情况下的三次谐波转换 ,选择 KDP晶体 Type / Type 匹配角度失谐的三倍频方案 ,并从非线性三波耦合方程组出发 ,采用离散傅立叶变换和四阶龙格 -库塔 ( R-K)积分方法 ,编制了二维模拟三次谐波转换的计算程序。计算了各种晶体厚度和不同失谐角条件下 ,二、三次谐波的转换特性和效率。并对入射基频光为六阶超高斯分布时的三倍频器进行了优化 ,三倍频转换效率达80 % ,此时具有较大的动态范围和较高的三倍频转换效率     

三阶非线性效应对三次谐波振荡转换的影响

使用快速傅里叶变换和四阶龙格-库塔法,对KDP晶体内以Ⅰ／Ⅱ类角度失谐设置方式的高强度激光三次谐波振荡转换进行了研究,考虑了谐波转换过程中的三阶非线性x^[3]、衍射、离散等效应,并着重研究了KDP晶体的三阶非线性效应对高强度激光三次谐波转换的影响。研究表明,三阶非线性效应降低了三次谐波振荡转换效率,增大了相位扰动对3ω光束的强度调制,然而通过增加二倍频的失谐角△θ8,可以避免三阶非线性效应对三次谐波振荡转换带来的不利影响。     

高斯脉冲非理想条件下的谐波转换规律

对于实际的大口径高功率激光器而言,I/II类角度失谐三倍频系统的谐波转换规律常常偏离理想情况。为了研究其实际的谐波转换规律,以便于指导实际情况的晶体调试,研究了各种非理想条件下,比如1ns高斯脉冲,不同波面半径和晶体损耗对三倍频谐波转换的影响。研究结果表明:高斯形脉冲的三倍频外效率绝对值比平顶脉冲降低了10%;为了追求最高三倍频外效率,由于受1ns高斯脉冲和三倍频晶体损耗的影响,二倍频晶体的最佳内失谐角是160μrad而非220μrad,二倍频内部效率最佳平均值并非为67%,而是在60%~63%左右为最佳,并且晶体损耗越高,二倍频内部效率的最佳平均值越低;功率密度越高,波面半径和发散角对谐波转换的影响越大。     

离散效应对高强度激光三次谐波转换的影响

使用分步傅里叶变换和四阶龙格库塔法(R-K) ，对高强度激光以Ⅰ/Ⅱ类角度失谐方式，在KDP晶体中的谐波转换进行了研究，详细讨论了离散效应对三次谐波转换的影响。结果表明，离散效应不但降低了三次谐波转换效率，而且使谐波光束质量显著降低；初始入射基频光束腰半径较小时，离散效应是二次谐波转换和三次谐波转换效率降低的主要因素，失谐角对三次谐波转换的影响较小；随着束腰半径的增加，离散效应的影响逐渐减小，失谐角对三次谐波转换的影响逐渐增加。     

离散效应对高强度激光三次谐波转换的影响

 使用分步傅里叶变换和四阶龙格库塔法(R-K) ，对高强度激光以Ⅰ/Ⅱ类角度失谐方式，在KDP晶体中的谐波转换进行了研究，详细讨论了离散效应对三次谐波转换的影响。结果表明，离散效应不但降低了三次谐波转换效率，而且使谐波光束质量显著降低；初始入射基频光束腰半径较小时，离散效应是二次谐波转换和三次谐波转换效率降低的主要因素，失谐角对三次谐波转换的影响较小；随着束腰半径的增加，离散效应的影响逐渐减小，失谐角对三次谐波转换的影响逐渐增加。     

二倍频晶体温升分布对输出光场分布的影响

 利用分步快速傅里叶变换和四阶龙格-库塔法,对具有一定温升分布的倍频晶体的二次谐波转换过程进行了研究。综合考虑了谐波转换过程中的离散、衍射、二阶、三阶非线性等效应,着重讨论了倍频晶体吸收光能后,晶体内温升分布对晶体内o光和e光的折射率分布的影响,定量分析了温度分布引起的相位失配量、输出光场分布、二次谐波转换效率随倍频晶体温度分布变化的规律。结果表明:在高功率倍频系统中,倍频晶体温升分布引起基频光、倍频光的相位失配,相位失配导致输出光场光强分布的变化以及谐波转换效率的降低。     

超短脉冲倍频中三阶非线性效应的影响及补偿

 为了提高超短脉冲二倍频的转换效率和改善出射倍频光的脉冲形状,对超短脉冲倍频中三阶非线性效应的影响进行了理论分析和数值模拟,并采用初始相位失配的方法来补偿三阶非线性效应的影响。结果表明：用KDP晶体二倍频中心波长为800 nm的超短脉冲,当入射功率密度大于100 GW/cm²时,三阶非线性效应是倍频转换效率的主要影响因素。对脉宽为50 fs,入射功率密度为250 GW/cm²的超短脉冲在KDP晶体（2 mm）中的二次谐波变换,当初始相位失谐0.9 mrad时,转换效率提高了10%,同时由三阶非线性效应引起的强度调制得到明显抑制,出射基频光和倍频光的脉冲形状得到明显改善。     

时间位相调制对高强度三次谐波转换的影响

在惯性约束聚变研究中,为了利用光谱色散进行光束匀滑以及抑制KDP晶体等大口径光学元件中的横向受激布里渊散射,通常需要对激光脉冲进行时间位相调制.详细讨论了高功率条件下KDP晶体Ⅰ/Ⅱ角度失谐三倍频方案中,时间位相调制对三次谐波转换效率和脉冲频谱的影响.研究结果表明,时间位相调制会导致三次谐波转换效率明显下降.     

单轴晶体Ⅰ类相位匹配时的转换效率分析

 在考虑了二次谐波的吸收对转换效率影响的情况下,由光在介质中的波动方程,推导出负单轴晶体Ⅰ类相位匹配时平面二次谐波的耦合波方程和二次谐波转换效率的理论公式。在此基础上,再考虑走离效应的影响,给出了二次谐波转换效率的理论公式。根据这些公式,以负单轴晶体K₂Al₂B₂O₇（KABO）为例,对二次谐波的转换效率进行了数值计算。结果表明：考虑二次谐波的吸收时,存在倍频晶体长度的最佳值,当倍频晶体取该值时,二次谐波的转换效率最高;走离效应的存在使二次谐波的转换效率降低。     

啁啾脉冲堆积宽带激光的三次谐波产生

 针对啁啾脉冲堆积方法获得的宽带激光,分析了其形成机制,并给出了其时间波形和光谱分布。采用KDP晶体Ⅰ/Ⅱ类角度失谐的三倍频方案以及Ⅰ/Ⅱ/Ⅱ晶体级联角度失谐方案,定量分析了啁啾脉冲堆积方式宽带激光三倍频转换效率随入射光强、带宽、以及晶体厚度等因素的变化,并与时间相位调制的宽带激光三倍频的相应结果进行了比较。研究结果表明,采用晶体级联方式可以大幅度提高宽带三倍频转换效率,并且啁啾脉冲堆积宽带激光的三倍频转换效率的提高比时间相位调制宽带激光更为明显。     

惯性约束聚变驱动器终端束匀滑器件前置时频率转换系统优化研究

在惯性约束聚变驱动器终端光学系统中,束匀滑器件前置有许多优点,但它同时也将对频率转换系统的工作状态产生影响.从系统集成优化的观点研究了这种影响,并基于高强度激光非线性传输理论,采用耦合波方程组及微扰理论,模拟计算了连续相位板前置时基频光束通过频率转换系统的三倍频转换效率及出射光束的近远场分布和焦斑形态,提出了优化倍频晶体失谐角和晶体厚度以减小CPP前置对系统性能的影响.模拟计算了频率转换系统优化前后的三倍频转换效率、光束通量对比度和能量集中度,并进行了对比分析.分析结果表明,频率转换系统的优化对减小CPP 关键词： 惯性约束聚变 频率转换系统 连续相位板 系统集成优化     

KDP晶体相位匹配角理论预测模型及其验证分析

在高功率固体激光器的终端光学组件内, 大口径薄型KDP (KH₂PO₄)晶体的精密装配和校准是实现惯性约束核聚变的关键技术之一. 为了达到晶体在线安装高效高精度的要求, 需要测量高功率激光三次谐波转换效率达到最高时的晶体相位匹配角分布. 本文针对Ⅰ/Ⅱ类大口径薄型KDP晶体三次谐波转换的方式, 根据晶体的非线性光学属性获得了晶体不同位置相位匹配角之间的关系; 根据激光束在晶体内的传输路径分析得到了晶体面形、相位匹配角与激光三次谐波转换效率达到最高时 晶体最佳偏转角之间的相互关系. 在此基础上, 建立了Ⅰ/Ⅱ类KDP晶体相位匹配角的理论预测模型, 并利用实验进行了验证和分析. 实验结果表明, 晶体相位匹配角的预测值与实验值之差在10.0 μrad以内, 验证了Ⅰ/Ⅱ类KDP晶体相位匹配角理论预测模型的正确性, 为获得晶体全口径相位匹配角分布提供了简单、高效的预测方法.     

振幅调制和位相扰动对三倍频参数优化的影响

 详细讨论了入射基频光的振幅调制和位相扰动对三倍频转换效率和动态范围的影响，提出了提高三倍频转换效率和增大动态范围的方法。采用I/II类角度失谐的KDP晶体三倍频方案，对倍频晶体的参数进行了优化设计。     

晶体环境下高次谐波谱的截止频率分析

通过数值求解中红外飞秒光脉冲与一维单电子多阱势相互作用的含时薛定谔方程, 研究了晶体环境下的高次谐波发射光谱, 发现了晶体谐波谱的截止位置公式.研究发现, 不同于气体环境下的谐波谱截止频率规律, 晶体谐波谱的截止频率与激光电场的峰值振幅及晶格参数成线性关系. 鉴于准经典力学的三步模型对于气体谐波截止频率的解释, 进一步采用准经典力学方法验证了晶体谐波截止位置规律的正确性. 关键词： 中红外飞秒光脉冲 晶体 高次谐波 截止频率     

晶体面形畸变对三倍频转换效率的影响

在惯性约束聚变(ICF)领域,为了满足物理实验需求,需要采用短波长的紫外激光打靶。目前,国内外高功率固体激光装置普遍采用谐波转换的方式来获得三倍频紫外激光。高效的频率转换必须满足相位匹配条件,而晶体的反射面形畸变过大对准直精度和倍频效率均匀性都会产生不利影响。通过实验验证了晶体准直光斑的质量退化主要来源于晶体因夹持和重力导致的反射面形畸变,证明了改进晶体的夹持方式可以有效改善晶体面形,提高准直精度和准直光斑质量,并显著提升三倍频转换效率。     

Demonstration of high efficiency third harmonic conversion of high power Nd-glass laser radiation

We report on efficient conversion from 1.054 μm to 0.35 μm by third harmonic generation in two Type II KDP crystals. Energy conversion efficiencies of up to 80% have been measured under conditions applicable to large glass laser systems. A new tripling scheme used for these experiments requires a minimum of optical components and is insensitive to exact crystal alignment and laser beam divergence. A convenient scaling law allows tripling optimization for many different laser conditions.     

Theory of high efficiency third harmonic generation of high power Nd-glass laser radiation

Overall energy efficiencies on the order of 80% are predicted for the conversion of 1.054 μm laser radiation to the third harmonic. A new tripling configuration is used in which the fundamental beam is incident upon the first of two KDP Type II crystals linearly polarized at an angle of tan^?1 1/√2 to the ordinary direction. This configuration is compared with alternative tripling schemes.     

晶体角度跟随三倍频效率控制技术

基于推导的倍频晶体匹配角与温度关系的理论分析,揭示了温度对频率转换过程影响的热光物理机制。数值模拟了频率转换过程中二倍频与三倍频晶体的匹配角热敏感性。由于不同晶体材料热敏感性的差异性,实验获得了激光装置中所用晶体材料的匹配角随温度变化的关系曲线。理论分析了不同输入功率密度情况下匹配角失谐对三倍频过程的影响,并在线验证了温度变化导致匹配角失谐,进而引起三倍频转换效率的下降。根据实验获得的晶体匹配角的热敏感性参数,提出利用晶体角度跟随方法进行三倍频转换效率补偿,实现了三倍频能量的稳定输出。     

高强度大动态范围高效率三倍频转换的数值模拟

 对高强度大动态范围基频光入射以及偏振态发生部分变化的条件下,Ⅰ/Ⅱ角度失谐和Ⅱ/Ⅱ偏振失配（双倍频和双混频）两种高效三倍频方案的转换特性进行了数值模拟,结果表明在上述条件下Ⅰ/Ⅱ角度失谐方案优于Ⅱ/Ⅱ偏振失配方案。