基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置製造方法
2023-04-27 16:41:31
基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，包括稜鏡、透鏡和晶體三部分，晶體的兩側對稱設置有透鏡和稜鏡，所述稜鏡由稜鏡I、稜鏡II、稜鏡III和稜鏡IV組成，透鏡由透鏡I和透鏡II組成，沿光路方向依次設置有稜鏡I、稜鏡II、透鏡I、晶體、透鏡II、稜鏡III和稜鏡IV，相鄰兩個稜鏡的邊互相平行。本發明利用稜鏡角色散的性質，把寬帶超短脈衝中的光譜頻率成分在空間上分開，而後用透鏡聚焦，使各個頻率成分的光波經透鏡會聚後以適當的角度入射到BBO晶體，各個頻率成分均滿足相位匹配條件，這樣恰好補償了由晶體造成的相位失配。本發明所搭載的光路結構簡單，各個光學元件均為常用材料，價格便宜，易於推廣。
【專利說明】基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置
【技術領域】
[0001] 本發明屬於倍頻【技術領域】，涉及一種寬波段、超短脈衝倍頻裝置。
【背景技術】
[0002] 倍頻技術是獲得可見及紫外區域雷射的重要手段而被廣泛的研究。對於單色光而 言，在使用適當晶體倍頻時，已經可以完美的相位匹配，實現高效的倍頻，然而對寬帶雷射 的倍頻遇到極大的困難，需要權衡倍頻的轉換效率和帶寬。同時超短脈衝的倍頻技術又是 物理、化學、生物以及航天等領域所迫切要求的。因此，實現超短脈衝的倍頻具有重要意義。 其中主要的實現方法有啁啾匹配法、晶體級聯方法和光譜角色散法。
[0003] K. Osvay等人無論從理論上還是實驗上都已經驗證了啁啾匹配法可以實現寬波段 的高效倍頻，其原理主要是讓不同的頻率成分具有不同的時間相位，通過選擇適合的啁啾 參數使寬帶光中的所有頻率成分的光波均可以滿足或者最大程度的滿足相位匹配,實現各 頻率成分有效轉換，從而使轉換帶寬和轉換效率得到一定程度的提高。然而啁啾匹配方法 存在一個很大的缺點，因為整個諧波轉換系統需要附加額外的光學元件，光路複雜，裝調困 難，而且這種方法還無法補償晶體的高階色散，不能實現大寬帶條件下的高效率轉換。
[0004] 晶體級聯方法是由美國的D.Eimer提出的，他是第一個提出使用級聯的方式來提 高一塊晶體二倍頻的動態範圍的，後來該方法被美國海軍實驗室用於超短脈衝的倍頻技 術，隨著科技的進步，1997年又發展為浸提級聯三倍頻。這種方法與啁啾匹配法相比其優點 在於簡單、高效，而且它也是ICF雷射驅動器中最常用的寬帶倍頻轉換方法。但是所設計出 的裝置相對來說造價比較昂貴，僅適合軍方或特殊需要的群體使用。
[0005] 光譜角色散的方法是由蘇聯的V. D. Voloso最先提出的，後來經美國的Rochoste 大學的Μ· D. Skeldon和Short等人經過研究進一步發展和完善的。其基本原理是利用光柵 等色散元件所提供光譜角色散可以用來補償晶體的色散，從而保證在一定寬度的頻率範圍 內的光波均能夠實現相位匹配。它的工作過程是利用光柵的衍射的效應將寬帶光的不同頻 率成分的光波在空間上相互分開，選擇合適的光柵參數和入射角度使各波長的光都能以各 自的相位匹配角入射到非線性晶體上，進而實現寬帶光的高效倍頻轉換。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是提供一種基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，主要利用稜鏡角色 散的性質，把寬帶超短脈衝中的光譜頻率成分在空間上分開，而後用透鏡聚焦，使各個頻率 成分的光波經透鏡會聚後以適當的角度入射到ΒΒ0晶體，各個頻率成分均滿足相位匹配條 件，這樣恰好補償了由晶體造成的相位失配。
[0007] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0008] -種基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，包括稜鏡、透鏡和晶體三部分，晶體的兩 側對稱設置有透鏡和稜鏡，所述稜鏡由稜鏡I、稜鏡II、稜鏡ΙΠ 和稜鏡IV組成，透鏡由透 鏡I和透鏡II組成，沿光路方向依次設置有稜鏡I、稜鏡II、透鏡I、晶體、透鏡II、稜鏡III 和稜鏡IV，相鄰兩個稜鏡的邊互相平行。
[0009] 本發明中，波段在78〇-87〇nm的超短脈衝由稜鏡I的中點入射，使各個波段的光在 稜鏡I邊長的中點處彼此分開，由於稜鏡II與稜鏡I的邊互相平行，所以由折射定律可以 知道，從稜鏡II出射時，各個波段的光為彼此分開一定距離的平行光，經過透鏡I後，會聚 於晶體一點處，經晶體倍頻作用後，每個波段的光的頻率被擴大一倍，此時就達到了各個波 段處的光的倍頻目的；然後經過透鏡II，將由倍頻晶體出射的光變為平行光，再經過稜鏡 III和稜鏡IV使各個倍頻後的光波耦合成一束光，該光束即為倍頻後的超短脈衝。
[0010] 本發明中，所述稜鏡I和稜鏡π的頂角α = 58. 6。；稜鏡I和稜鏡π的邊長Li =39mm ;稜鏡I和稜鏡II之間的距離L2 = 744. 5mm ;透鏡I的焦距f = 59_。
[0011] 本發明中，所述稜鏡I和稜鏡II的材質為ZF2玻璃。
[0012] 本發明中，所述晶體為ΒΒ0晶體。
[0013] 本發明中，所述入射光束的波段為780-870nm。
[0014] 本發明中，所述入射光束為p偏振態的線偏振光。
[0015] 本發明具有如下優點：
[0016] 1、設計並分析了針對78〇-870nm超短脈衝的倍頻裝置，利用稜鏡光譜較色散的性 質，採用對稱式結構，實現了分光-倍頻-耦合的過程。
[0017] 2、就目前而言絕大多數的倍頻裝置設計過於複雜，光路的裝調十分困難，而本發 明中所搭載的光路結構簡單，其中各個光學元件均為常用材料，價格便宜，易於推廣，同時 結合理論計算分析得出稜鏡的材料選ZF2,倍頻晶體選ΒΒ0晶體為最宜。
[0018] 3、以M0晶體的最佳相位匹配角為基礎，理論上各個波長的光均實現最佳相位匹 配時的入射角為理想入射角，經過稜鏡系統入射到ΒΒ0晶體時的角為實際入射角，以各個 波長光的理論入射角與實際入射角差的平方和為標準建立光學系統的評價函數，利用最小 二乘理論求得各個參數的大小，可使系統的誤差在1(Γ 8(度）數量級，可實現該波段超短脈 衝的高效倍頻。
[0019] 4、通過計算不同偏振狀態的光經過系統後透射光強的大小，對比分析得出，當入 射光為Ρ偏振態的線偏振光時，透射光強大於99%，能量利用率最高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1為寬帶倍頻裝置的示意圖；
[0021] 圖2為四中常用材料色散率與波長的關係圖；
[0022] 圖3為寬帶倍頻裝置的計算光路圖；
[0023] 圖4為ΒΒ0晶體理論入射角的求解；
[0024]圖5為理論參數與實際參數下誤差函數對比圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但並不局限於此，凡是對本 發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋 在本發明的保護範圍中。
[0026]本發明利用稜鏡角色散的性質，把寬帶超短脈衝中的光譜頻率成分在空間上分 開，而後用透鏡聚焦，使各個頻率成分的光波經透鏡會聚後以適當的角度入射到BBO晶體， 各個頻率成分均滿足相位匹配條件，這樣恰好補償了由晶體造成的相位失配。本發明通過 Mathematica軟體對所設計的光路進行計算，調節所設計光路的各個元件的參數（稜鏡頂 角、邊長、兩稜鏡對之間的距離以及透鏡的焦距等）尋找一組最佳的參數值使得實際入射 到晶體時各個頻率成分光的入射角與理論上實現相位匹配時的入射角相差很小，保證各個 頻率成分在倍頻時的匹配角都能接近或達到最佳相位匹配角，達到高效倍頻的目的，其設 計思路如下：
[0027] 1、詳細分析了對於本發明的設計裝置而言，稜鏡材料的選擇以及晶體材料選擇的 方法；進而得出稜鏡材料為ZF2,晶體材料為BB0晶體。
[0028] 2、通過計算分析實際入射角與理論入射角的推到公式，構造誤差函數，求出實際 光路裝調的各個參數的大小。
[0029] 3、通過誤差函數得到各個參數的理論大小，結合實際裝調及元件規格的選擇，得 到實際參數的大小，通過對比發現，得到的最佳相位匹配角誤差在3%以下。
[0030] 4、通過計算不同偏正態入射光經過系統時透射光強的大小來選擇入射光的偏振 態，得到當以P偏振光入射時，透射光強大於99%，能量利用率最高。
[0031] 本發明所設計的倍頻裝置圖如圖1所示，晶體3兩側對稱設置有稜鏡和透鏡，所述 稜鏡由稜鏡II、稜鏡112、稜鏡III6和稜鏡IV7組成，透鏡由透鏡13和透鏡115組成，沿光 路方向依次設置有稜鏡II、稜鏡112、透鏡13、晶體4、透鏡115、稜鏡III6和稜鏡IV7。
[0032] 在整個光路中稜鏡作為分光元件，因此對於稜鏡及透鏡材料的選擇應該選擇色散 率比較大的材料，表1為四中常用材料的Schott係數，根據Schott方程知，稜鏡折射率與 波長的關係為：
[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各種玻璃的Schott參數
[0035]
【權利要求】
1. 一種基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特徵在於所述倍頻裝置包括稜鏡、透鏡 和晶體三部分，晶體的兩側對稱設置有透鏡和稜鏡，所述稜鏡由稜鏡I、稜鏡II、稜鏡III和 稜鏡IV組成，透鏡由透鏡I和透鏡Π 組成，沿光路方向依次設置有稜鏡I、稜鏡II、透鏡I、 晶體、透鏡II、稜鏡ΠΙ和稜鏡IV，相鄰兩個稜鏡的邊互相平行。
2. 根據權利要求1所述的基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特徵在於所述稜鏡為 等腰稜鏡。
3. 根據權利要求1所述的基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特徵在於所述稜鏡I 的頂角 α = 58. 6。，邊長 Li = 39mm。
4. 根據權利要求1所述的基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特徵在於所述稜鏡II 的頂角 α =58.6。，邊長 1^ = 39111111。
5. 根據權利要求1所述的基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特徵在於所述稜鏡I 和稜鏡Π 之間的距離L2 = 744. 5mm。
6. 根據權利要求1所述的基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特徵在於所述透鏡I 的焦距f = 59臟。
7·根據權利要求1所述的基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特徵在於所述稜鏡I 和稜鏡II的材質為ZF2玻璃。 8_根據權利要求1所述的基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特徵在於所述晶體為 BBO晶體。
9. 根據權利要求1所述的基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特徵在於所述入射光 束的波段為780-870nm。
10. 根據權利要求1所述的基於光譜較色散原理寬帶倍頻裝置，其特徵在於所述入射 光束為P偏振態的線偏振光。
【文檔編號】G02F2/00GK104142596SQ201410356914
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月23日 優先權日:2014年7月23日
【發明者】汪東生, 王玉雷, 劉振奇, 秦蘭琦, 李韜, 王麗, 萬子南 申請人:哈爾濱工業大學