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     

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TypeⅠ/TypeⅡ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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

飞秒紫外激光脉冲振荡的实验研究

本文讨论了采用空间光脉冲光谱的啁啾特性和选择聚焦透镜焦距相结合的技术大大提高二次谐波转换效率和产生紫外飞秒光脉冲的实验研究.采用一类相位匹配的BBO晶体,当飞秒钛宝石光脉冲平均功率为560mW时,二次谐波输出功率为352mW,二次谐波转换效率高达63%;采用一类相位匹配的LBO晶体时,获得高光束质量的倍频蓝光输出,输出平均功率为170mW,转换效率大于30%.运用LBO倍频产生的蓝光脉冲和剩余的基频光脉冲进行了三次谐波的振荡研究.三倍频晶体采用BBO,通过优化设计倍频光与基频光之间的空间模匹配及精确时间延迟,得到飞秒紫外光输出,输出功率为2mW,中心波长约为280nm,重复率为100MHz.     

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%。     

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.     

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。     

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。     

KDP晶体折射率不均匀性对三倍频转换效率的影响

 采用正交偏振干涉测量法获得了典型的快速(RG)和传统(CG)生长的KDP晶体折射率空间分布，数值模拟了倍频晶体固定失谐角分别为0和220 mrad时晶体折射率不均匀性对高功率三倍频光转换效率的影响。结果表明：快速生长晶体的折射率不均匀性的均方根约为传统生长晶体的6倍；三倍频转换效率在低功率密度下对折射率不均匀性不敏感，在高功率密度下尤其是转换效率较高时很敏感；当混频过程中的二倍频光不过剩时，在晶体折射率变化对三倍频效率的影响方面，倍频晶体比混频晶体严重；目前国产的传统生长晶体可以满足高功率三倍频实验要求。     

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。     

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。     

晶体级联方式的宽带三倍频方案分析

 讨论了入射基频光频谱宽度、两块和频晶体失谐角对KDP晶体Ⅰ/Ⅱ/Ⅱ类角度失谐级联方式的三倍频光功率谱分布的影响，分析了影响三倍频效率的因素。研究结果表明，第二块和频晶体得到的三倍频光的功率谱分布与基频光功率谱分布及失谐角有关，三倍频光频谱宽度近似为基频光的3倍，采用该方案的三倍频可有效抑制由于基频光时间相位调制导致的三倍频光强随时间分布的不均匀，并能有效提高大带宽条件下的三倍频转换效率。同时，采用该方案的三倍频，对级联的两块和频晶体厚度及失谐角调整精度要求不高，在实验上有很大的可操作性。     

高效、高峰值功率蓝光飞秒脉冲产生研究

分析计算了利用棱镜组引进频谱空间啁啾来补偿谐波倍频晶体的相位失配.结果表明,光谱 存在空间啁啾时,选择合适的透镜可在一定程度上补偿由于飞秒光脉冲的宽谱带引起的相位失配.采用此方法在实验上用自制的飞秒自锁模钛宝石激光器和BBO倍频晶体进行了二次谐波 倍频的研究,结果产生倍频蓝光的转换效率高达63%,蓝光平均输出功率达320mW,中心波长 为420nm,光谱带宽达5.5nm,可支持33.6fs的光脉冲.利用钛宝石激光器中的棱镜对进行波 长调谐,可使蓝光脉冲产生404—420nm的调谐范围. 关键词： 飞秒蓝光脉冲 空间啁啾补偿 二次谐波产生 转换效率     

高转换效率下具有高斯及类高斯光束的内脏倍频

本文在考虑了振幅的横向分布和基波的衰减时,给出了一些关于倍频的有价值的结果。借助于求解三维耦合波方程,导出了二次谐波功率的最一般的表达式,讨论了基波功率和晶体长度的影响。作为一个特例,也给出了低转换效率下二次谐波功率的表达式。讨论了类高斯光束倍频的平面波近似处理方法,这里借助于类高斯光束的光线方程。作为小结,我们列出了八种不同情况下二次谐波功率的表达式,其中后五种来自本文的推导。 最后,阐明了一种处理内腔倍频激光器的新方法。在我们的模型中,对于在腔内循环的基波功率而言,由于倍频的功率损耗,可视为一种可变的损耗。借助于速率方程的数值解,我们求得了激光腔参数和倍频晶体的最佳值。     

LD泵浦Nd∶YAG/Cr∶YAG腔外频率变换高功率紫外激光器

用KTP晶体对激光二极管端面泵浦的Nd∶YAG晶体,Cr∶YAG被动调Q产生的1064 nm脉冲激光器进行腔外倍频,用BBO晶体四倍频产生266 nm紫外激光.用15 W的LD阵列,当LD泵浦功率为12 W的情况下,红外(1064μm)调Q平均输出功率为2.2 W,脉冲序列周期为40μs,脉宽为18 ns,峰值功率高达4.9 kW.采用KTP腔外二倍频,532 nm的绿光输出平均功率为850 mW;用BBO腔外四倍频,266 nm的紫外光输出平均功率高达215 mW,绿光-紫外光光转换效率为25.2%,红外到紫外总的转换效率为9.8%.     

夹持方式对KDP晶体三倍频转换效率的影响

 针对压条固定方式、粘胶固定方式和全外围夹持方式进行理论建模和数值计算分析,并讨论了不同夹持方式的优缺点及其对KDP晶体面形和三倍频转换效率的影响。研究结果表明：晶体面形形变对高斯光束三倍频转换效率的影响明显小于平面波时的情况。当入射基频光光强为6 GW·cm^-2时,对于平面波的情况,压条固定方式、粘胶固定方式和全外围夹持方式3种夹持方式相对于不考虑夹持作用时的三倍频转换效率分别减小7.5%,9.0%和7.2%;对于高斯光束的情况,三倍频转换效率分别减小了1.3%,1.0%和1.5%。     

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。