基于空间啁啾的宽带激光倍频技术

提出一种新型的宽带倍频方案，利用时空耦合效应将宽带的时间啁啾光转换成空间啁啾光，采用多块晶体并联、各晶体独立调谐的技术途径对空间啁啾光进行谐波转换，因此倍频效率与窄带激光倍频相当。理论研究表明，采用KDP晶体I类位相匹配，对中心波长为1 053 nm的宽带基频光实现了带宽约30 nm、转换效率大于60%的高效率宽带二倍频。而且倍频光仍为线性啁啾宽带光，具备可压缩性。     

采用光栅角色散的宽带二倍频及聚焦特性分析

针对带宽为20 nm左右、中心波长为1 053 nm的线性啁啾宽带激光,分析了采用光栅角色散方式宽带二倍频的原理,讨论了光栅角色散性能及光栅加工误差引入的基频光位相扰动对二倍频光转换效率及聚焦特性的影响.研究结果表明:采用光栅角色散方式的宽带二倍频光的转换效率、脉冲宽度和带宽均明显增大;在0～22 nm基频光带宽范围内,二倍频光均可保持80％左右的转换效率;对于入射基频光带宽为22 nm的情况,光栅角色散率在30～80 μrad/nm范围内变化时,宽带二倍频转换效率均可保持在70％以上;基频光有位相扰动时,二倍频光带宽对二倍频聚焦光斑的主瓣影响不大,但对旁瓣有一定的匀滑作用,采用光栅角色散方式宽带二倍频的聚焦光斑旁瓣的匀滑效果更为明显.     

基于角色散的非共线匹配宽带三倍频技术

宽带光打靶可以有效降低激光等离子体相互作用过程中非线性效应。提出一种基于角色散的非共线匹配宽带三倍频方案,利用宽带基频与窄带二倍频的非共线和频产生宽带三倍频,和频过程中通过特殊设计的渐变光栅实现不同频率的基频光束以特定角度入射,补偿了波长差异引入的位相失配使得全波段满足位相匹配条件。理论模拟表明,采用KDP晶体Ⅱ类位相匹配,将中心波长为1058 nm、带宽10 nm的宽带基频光与526.5 nm的二倍频光进行非共线匹配和频,可以实现高效宽带三倍频转换。     

基频倍频光群速度对超短脉冲三倍频的影响分析

在超短脉冲的谐波转换过程中, 由于不同波包之间的群速度失配的存在, 非线性晶体的有效厚度、转换效率及带宽等将相互制约, 不能获得理想结果。基于耦合波方程, 在平面波和小信号近似条件下推导出了关于基频、倍频光群速度关系的解析表达式。通过对200 fs超短脉冲在II类KDP晶体中的混频过程的模拟分析, 发现在满足相位匹配的前提下, 三次谐波转换效率随着基频、倍频光群速度倒数的差值的平方呈现出指数衰减的关系, 与理论结果吻合。得出的关于基频光、倍频光群速度的表达式, 作为三倍频群速度匹配关系式的必要补充, 对寻找合适的色散晶体和选择有效的匹配措施, 实现宽带三次谐波转换具有理论指导意义。     

晶体级联方式宽带三倍频方案的参数优化

 针对时间位相调制的宽带激光，采用分步离散傅里叶变换及四阶龙格－库塔算法进行数值模拟计算。讨论了采用KDP晶体级联方式时，入射基频光的光强、带宽以及晶体厚度对三倍频转换效率的影响。对采用一块РⅠ类二倍频晶体、一块Ⅱ类和一块Ⅰ类双混频晶体的级联宽带三倍频方式进行了晶体参数的优化。研究结果表明，使用两块级联的KDP晶体作为混频晶体，不仅能有效地提高带宽较宽条件下三倍频光的转换效率，还可以显著增大宽带三倍频的动态范围。经优化后，带宽1.11 nm时入射基频光强在3～8 GW/cm²范围内的三倍频转换效率可保持在60％～70％，比采用单倍频单混频方案时增大了30％～40％。     

基于棱镜对的超短脉冲倍频系统的光学设计

针对宽带超短脉冲的倍频,用光学设计软件设计了10 fs、0.8μm超短脉冲的倍频系统,该系统包括4个棱镜、2个聚焦透镜。宽带倍频系统要求脉冲中所有的波长成份在非线性晶体中均能实现相位匹配,据此选择操作数建立系统评价函数;以非线性光学倍频中的允许角度评价光学系统的质量;分别对基波和谐波的光路优化设计,获得的棱镜尺寸、棱镜间距和透镜焦距等参数能够使脉冲中的各频率成份以相位匹配方向入射到非线性晶体或无空间啁啾的合束。此外,编写宏对光学系统中群延色散进行控制,使基波在晶体中心无啁啾,以获得最佳倍频效果,谐波光路引入一定的群延色散补偿谐波中的啁啾,消除了谐波中的时间啁啾,获得高质量的谐波脉冲。     

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。     

空间走离和相速度补偿的高效飞秒脉冲倍频

采用两块大小均为10 mm×10 mm×0.2 mm的BBO晶体级联的实验方案对中心波长为800 nm、脉宽70 fs、重复频率10 Hz的激光进行了倍频,针对BBO晶体的空间走离和相速度失配,分别调节两块倍频晶体的光轴夹角和基频光的角度匹配失谐量.实验表明,两块倍频晶体光轴反向平行可以补偿空间走离效应,一定的角度失谐可以补偿基频光和倍频光的相速度失配.在无聚焦情况下,使用两块BBO晶体级联相互配合优化将8.1 mJ的入射基频光倍频后得到带宽6.7 nm(傅里叶转换极限脉冲宽度为35 fs)、2.8 mJ以上的倍频光.其倍频效率高达35.7%,是同等条件下单块晶体倍频转换效牢的1.7倍.     

基于预啁啾控制的极宽带光参量放大

在以飞秒钛宝石放大系统的倍频光为抽运光和超连续白光为信号光的光参量放大中,针对抽运光的宽带特点,分析了一种新的极宽带相位匹配方法.结果表明,10nm的抽运光带宽可得到近400nm的相位匹配带宽,若抽运光带宽达到20nm,相位匹配带宽就能达到近600nm.零色散波长为800nm的光子晶体光纤产生的超连续谱经光纤传输后为二次啁啾,宽带抽运光经棱镜对展宽具有线性啁啾,满足了极宽带相位匹配方法所需要的光谱分布.理论计算了对输入脉冲进行预啁啾控制应选择的光纤长度和棱镜对在光路中的插入量,为实现极宽带光参量放大提供了 关键词： 啁啾 极宽带相位匹配 光参量放大 光子晶体光纤     

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。     

Analysis of broadband third harmonic generation with non-collinear angular dispersion in KDP crystals

A new scheme with non-collinear sum frequency generation (SFG) process of broadband third harmonic generation (THG) with two KDP crystals (one doubler and one mixer) using angular dispersion was proposed. The principle of broadband harmonic generation with non-collinear angular dispersion was presented. The comparison between the schemes of non-collinear and collinear SFG process was performed. The effects of the angular dispersion on the conversion efficiency, the pulse shape and the spectrum of the third harmonic field were discussed. The results show that, if proper angular dispersion is added to the fundamental and the second harmonic field outside the mixing KDP crystal, respectively, the broadband third harmonic conversion efficiency can be improved significantly. However, the difficulty of this scheme arises due to the requirement of two gratings with different angular dispersion outside the mixer. With the new scheme, it can be simpler that only one grating is needed to realize the broadband phase matching in the non-collinear SFG process. Although the fundamental and the second harmonic field inside the mixing crystal are non-collinear except the center wavelength, a blazing grating with proper angular dispersion for the fundamental field (twice as that for second harmonic field) can yield the well compensation for phase mismatching in the SFG process. Consequently, the conversion efficiency and the characteristics of the third harmonic field for the broadband third harmonic generation can be improved significantly.     

101 W of average green beam from diode-side-pumped Nd:YAG/LBO-based system in a relay imaged cavity

A 52-W green laser at 532 nm by extra-cavity second-harmonic generation in a coupled-cavity configuration is demonstrated. The fundamental laser is a diode-side-pumped acousto-optic (AO) Q-switched Nd:YAG rod laser producing 84 W of average power at 1064 nm at 8 kHz repetition rate. Type-II phase-matched polished KTP crystal is used as the nonlinear crystal for second-harmonic generation. The individual green pulse width is 50 ns and the fundamental to second harmonic conversion efficiency is 61.8%.     

Efficient and high-power green beam generation by frequency doubling of acousto-optic Q-switched diode-side pumped Nd:YAG rod laser in a coupled cavity

A 52-W green laser at 532 nm by extra-cavity second-harmonic generation in a coupled-cavity configuration is demonstrated. The fundamental laser is a diode-side-pumped acousto-optic (AO) Q-switched Nd:YAG rod laser producing 84 W of average power at 1064 nm at 8 kHz repetition rate. Type-II phase-matched polished KTP crystal is used as the nonlinear crystal for second-harmonic generation. The individual green pulse width is 50 ns and the fundamental to second harmonic conversion efficiency is 61.8%.     

高能量高转换效率355 nm紫外激光器

为了得到一种三倍频效率高达60%的355 nm脉冲激光器,采用曲率半径分别为2 m的凹凸高斯镜和9 m的平凹全反镜组合作为谐振腔,加以电光调Q,得到1 064 nm高光束质量激光输出,再将其进行行波放大,获得重复频率10 Hz、脉宽7.3 ns、单脉冲能量1.01 J的1 064 nm基频光输出。利用Ⅰ类相位匹配LBO晶体进行二倍频、Ⅱ类相位匹配LBO晶体进行三倍频以得到波长为355 nm的紫外光输出。通过二倍频和三倍频输出特性和非线性晶体参数的分析和实验调试,最终获得了单脉冲能量为608 mJ、脉宽为5.7 ns、线宽为2 nm的紫外激光输出。通过优化二倍频的转换效率,可使1 064 nm基频光到三倍频得到的355 nm紫外光的转换效率达60%。     

非共轴三阶自相关中的倍频过程影响分析

针对非共轴三阶自相关法测试中对二倍频光束的要求,采用分步傅里叶变换方法对入射高斯光束,使用KDP晶体I类匹配的二倍频过程时间波形演变规律进行数值模拟,给出二倍频光束波形仍为高斯分布的入射基频光能量范围.不同二倍频效率下基频光与倍频光脉宽比值不同,所得的三阶自相关函数脉宽则不同,导致与脉冲形状有关的半高宽度换算因子不是固定值.分析结果对三阶自相关仪的参数设计和三阶自相关法测试中的误差分析有一定理论指导意义.     

超短脉冲在单块晶体中的三次谐波理论模拟

讨论了群速度失配、自相位调制和交叉相位调制、晶体厚度、基波的频率啁啾等因素对超短脉冲单块晶体的三次谐波转换效率、三倍频光脉冲形状以及频谱的影响.结果表明：群速度延迟使三倍频光脉冲展宽；自相位调制和交叉相位调制会降低转换效率,并使三倍频光脉冲形状发生畸变；晶体厚度对三倍频光脉冲频谱展宽有着较大的影响；合适的基频光频率啁啾可以减小三倍频光脉冲的畸变,并有效地提高三倍频转换效率.     

二次谐波转换对激光脉宽影响的实验研究

 实验研究了KDP晶体二次谐波转换非线性效应对脉宽测量精度的影响。结果表明：在小信号近似下,长度为1～3cm的KDPⅡ类晶体,对于近高斯脉冲,其基频脉宽与倍频脉宽存在21/2的关系;对于非近高斯脉冲,基频脉冲半宽与倍频脉冲波形的1/4高宽相等;在输入功率密度和能量转换效率较高时,基频与倍频脉宽无固定关系。     

Walk off compensation, multicrystal, cascaded, single pass, second harmonic generation in LBO

Walk off compensation and multi crystal (MC) cascaded single pass second harmonic generation (SP-SHG) in LBO was combined to improve the SHG conversion efficiency. We report a simple and compact implementation for (SP-SHG) of radiation, based on a cascaded multicrystal (MC) scheme that can provide high conversion efficiency without other focusing device, the enhancement factor of 2.9 was realized. At an incident pump power of 20 W, the average power of 6.1 W and pulse width of 12 ns green laser was obtained at a repetition rate of 42.4 kHz, corresponding to a peak power of 12 kW and single pulse energy of 144 ??J. The optical to optical conversion efficiency from diode to green and from IR to green laser are about 30.5 and 67.8%, the whole length of this system is about 150 mm, the output fluctuation of this system is less than 5% in 2 h.