[发明专利]用于谐波转换装置对温度变化引起相位失配的补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光谐波转换，特别是一种用于谐波转换装置对温度变化引起相位失配的补偿方法。

背景技术

基于二阶非线性光学效应的高效光学谐波转换是最重要的非线性光学效应之一。通过谐波转换，比如和频(SFG)、差频(DFG)、光参量放大(OPA)及光参量振荡(OPO)等可以开拓新的相干波段，提供从远红外到紫外各种波段的相干光源，满足实际应用的需要。目前，利用非线性光学晶体(BBO、LBO、KDP、DKDP、KTP等)进行的激光谐波转换已成为产生可调谐相干辐射的重要手段之一，也是紫外超短脉冲产生、激光惯性约束聚变等系统的关键环节。因此，谐波转换的转换效率直接影响着相应系统装置的各项性能。随着激光应用领域的不断深入和拓展，高功率、高效率的倍频激光输出已是非线性谐波转换研究发展的重要方向。

目前，最常用的谐波转换技术之一是双折射相位匹配(BPM)技术，这种技术是利用非线性晶体的双折射特性，通过选择入射光的波矢方向和偏振方向来实现相位匹配。然而，非线性晶体的折射率与温度有关，它会因温度的不同而变化，与此技术相关的设备或实验装置在运行过程中会因为外界光源照射、晶体吸收以及实际环境的温控精度有限等因素的影响导致晶体实际温度偏离理想工作温度。当晶体实际温度偏离理想工作温度时，原本相位匹配的晶体将产生相位失配，导致谐波转换效率下降，这一影响对于高峰值功率、高重复频率的激光脉冲谐波转换尤为明显。所以非线性晶体(尤其对于一些折射率对温度较为敏感的晶体，如：DKDP、LiNbO3等)的谐波转换效率与周围环境温度的控制和晶体内部温度变化有着密切关系。

为解决晶体温度变化导致相位失配而影响谐波转换效率的问题，人们提出了一些补偿措施：Hov提出将晶体加工成板条状，增大热传导面积，改变基频光光束分布来减少晶体的热效应；Eimerl和Wu Sheng提出了采用多片薄片晶体组合实现谐波过程，一方面提高光波在晶体中的互作用的长度，另一方面又增大了晶体的散热面积来补偿热致相位失配；Yap等提出了采用冷却气体吹晶体使晶体出现相对相位匹配温度负温度变化，正好与倍频过程中出现的温度正变化相抵消，从而实现补偿温度系数的目的。但是这些方法都有不足之处，比如晶体加工成板条状，改变基频光光束分布、用冷却气体吹晶体都会使入射光束波面产生畸变，从而影响最终的光束质量；而采用多片薄片晶体组合方式实现谐波过程需要较多的光学元器件，结构复杂，每块晶体的通光面也不可能完全平整一致，光束通过每块晶体都会在一定程度上产生不同的畸变，当光束通过多块晶体后，畸变会逐渐累积导致光束质量下降严重，同时因为相位匹配技术对角度的调节精度要求非常高，当采用多块晶体级联时，其相位匹配角的调节难度变得非常困难，也易受外界扰动的影响，因此此类方案难以维持高效稳定的运行。

钱列加等提出使用两种不同的非线性晶体通过交叉级联方式组成实现相位匹配对温度不敏感的光参量倍频转换装置(参见钱列加等.位相匹配条件对温度不敏感的光参量倍频转换装置:中国,201210039454.0[P].2014.07.09)，其原理是当温度变化时这两种晶体导致的相位失配量对温度的一阶偏导的符号是相反的来互相补偿。但由于使用不同类型的晶体，其晶格结构不同，相位失配量对温度的一阶导符号、大小也都不尽相同，目前只能在一些波段找到符合要求的晶体，要寻找出在不同波段一一对应的不同温度变化时相位失配量变化满足大小相近、符号相反的晶体，实现起来比较困难，甚至对于某些波段目前不存在满足要求的晶体，所以这种方案适用的温度范围、波长范围有一定的局限性，因此单纯依靠晶体自身随温度变化来实现互相补偿相位失配量所适用的范围是比较有限的。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有的谐波转换技术中由于受温度影响导致晶体折射率发生变化产生相位失配从而难以实现高效稳定的光学谐波转换问题，提出一种用于谐波转换装置对温度变化引起相位失配的补偿方法，从而实现对温度不敏感的高效稳定光学谐波转换方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于谐波转换装置对温度变化引起相位失配的补偿方法，该方法包括下列步骤：

①在沿光束输入方向的第一非线性晶体和第二非线性晶体之间设置电光晶体，该电光晶体)的Z轴垂直于所述的第一非线性晶体和第二非线性晶体的通光方向，在所述的电光晶体的Z轴方向施加可调电压源；温度传感器对所述的第一非线性晶体和第二非线性晶体之间的温度进行测量；