[发明专利]位相匹配条件对温度不敏感的光参量倍频转换装置

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种可以实现位相匹配条件对温度不敏感的光参量倍频转换装置。

背景技术

光参量倍频转换技术能够扩展各种激光源的工作波长，它能够从一个固定频率的激光源得到一系列不同波长的相干辐射，以满足各种实际应用的需要。现在，光参量倍频转化技术已经广泛应用在单脉冲输出或者低平均功率的激光源上。但是，由于热效应导致的转换效率偏低以及不理想的光束质量严重制约了倍频转换技术在高平均功率激光源上的应用。造成倍频光不能实现高平均功率输出的原因是多方面的，其中一个主要原因就是非线性晶体会吸收基频光和倍频光的能量而产生热梯度，进而使得其内部出现温度差。由于晶体折射率会随温度的不同而变化，于是，晶体横截面上折射率的不均匀分布会使得整块晶体不能同时满足位相匹配条件，从而导致倍频转换效率的下降以及光束质量的恶化，过大的热梯度甚至会对晶体造成损坏。

为了控制热负荷和补偿用于高平均功率倍频转换的非线性晶体里的热效应，以美国列佛莫尔实验室（LLNL）为代表的众多研究机构提出了各种各样的方法，其中包括光束整形以及多片薄晶体设计通光面气冷等方法。但是，由于这些技术需要用到很多额外的器件，造成其结构复杂，而整体效果又并不十分明显，使得高平均功率的倍频转换进展不大。近年来，YCOB晶体的出现，实质性地推动了高平均功率倍频转换技术的发展。但是，一般的，一种非线性晶体只能对一种波长实现倍频转换位相匹配条件对温度的不敏感，在其他波段，高平均功率的倍频仍受限于晶体的热效应。所以说，这种依赖于非线性晶体材料自身光学特性的方法并不具有普遍适用性。

发明内容

针对当前高平均功率倍频转换所面临的由于温度分布不均匀而造成的位相失配问题，本发明的目的在于提供一种可用于高平均功率激光源的光参量倍频转换装置。

本发明提出的可以实现位相匹配条件对温度不敏感的倍频转换装置，具体由两种不同的非线性晶体通过交叉级联的方式组成。其中，对于特定某一个波长的光参量倍频过程，这两种晶体由于工作温度发生变化而导致的位相失配量对温度的一阶偏导的符号是相反的。

非线性晶体会吸收基频光和倍频光的能量而产生热梯度，进而使得晶体在其横截面上出现温度的不均匀分布。而只有工作在位相匹配温度的那部分晶体，才能满足位相匹配条件。对其余绝大部分晶体来说，偏离位相匹配温度，意味着会引入输入基频光与输出倍频光间的位相失配量?k。图1给出了当位相匹配温度为20 ^oC时，几种典型的非线性晶体：KH₂PO₄(KDP)（短虚线）, LiB₃O₅(LBO)（点线）, BaB₂O₄(BBO)（点虚线）和YCOB（xy平面：虚线；xz平面：实线），由于工作温度发生变化而导致的位相失配量对温度的一阶偏导随入射基频光波长的不同而变化的曲线图。对本发明特别重要的是，在很宽的频谱范围内（从~700 nm到大于2 μm），都能够找到（即存在）热致位相失配量对温度的一阶偏导符号相反的两种晶体，例如1064 nm的KDP晶体跟LBO晶体，以及1550 nm的BBO晶体跟YCOB晶体。 

本发明所用到的结构如图2所示，根据不同的需要，可以采用两块或者多块这两种不同非线性晶体交叉级联的设计方案，用作非线性倍频转换的工作介质。由于热效应的存在，当晶体的工作温度偏离其位相匹配温度的时候，这两种晶体都不再满足位相匹配条件（?k ≠ 0），而且，随着偏离程度的加剧，所造成的位相失配会更加严重。但是，如果这两种晶体的热致位相失配量的符号是相反的，也就是说其中一个?k大于0，而另一个?k小于0，那么在第一种晶体中累积的位相失配量会在级联在其后面的第二种晶体中得到补偿。使用的晶体数量越多，其位相匹配条件对温度越不敏感。为了保证倍频转换过程能够稳定进行，一般可以采用两块到四块晶体交叉级联的设计方案。图中给出的是包含有四块晶体交叉级联的结构。