[发明专利]一种群速失配在线补偿三次谐波激光装置及其应用

说明书

技术领域

本申请涉及一种群速失配在线补偿三次谐波激光装置，属于激光领域。

背景技术

超短紫外脉冲激光在超精细加工，纳米生物工程、保密通讯、现代生物技术、材料加工、光谱分析和科学研究等领域有广泛的应用前景。

非线性频率变换技术是实现超短紫外脉冲激光输出最常用的方法，然而对于强场超短激光脉冲，群速失配是影响其倍频效率的主要因素之一。所谓群速失配是指，由于不同频率的光在非线性晶体中的传播速度不同，导致基频波的群速与二次谐波的群速不一致，使得它们在和频晶体中在时域上不能够完全叠加，从而降低了三次谐波的转换效率。为了解决群速失配问题，最常用的方式是利用时间延迟线技术，延迟线由分束片和反射镜组成，通过调整基频光和倍频光在光路中的传播距离，最终使得通过和频晶体时在时域上完全重叠，从而获得较高的倍频效率。然而，由于反射镜和分束片受到镀膜技术的限制，基频光和倍频光在通过上述镜片后会造成不可避免的能量损耗，同时受到超短脉冲自身的限制，两束光在光路上的传播距离匹配要非常精确，例如：飞秒激光的脉冲宽度为35fs，通过倍频晶体后，倍频光将落后于基频光几十个微米。延迟线技术的另一个缺陷在于，对于不同波长的基频光，延迟线之间的距离匹配长度不同，这对于产生可调谐的超短激光脉冲来说，增加了光路的复杂化。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种群速失配在线补偿三次谐波脉冲激光装置，通过对基频光和倍频光的群速失配进行在线补偿，从而解决了群速失配的问题，在很大程度上提高了三次谐波的转换效率。所述装置操作简单，成本较低，光路的复杂化得到改善，尤其适用于超短脉冲激光装置。

所述群速失配在线补偿三次谐波脉冲激光装置，其特征在于，包括倍频晶体、群速补偿晶体以及和频晶体；所述群速补偿晶体位于所述倍频晶体与所述和频晶体之间；基频光经过所述倍频晶体产生的倍频光与基频光一起经过所述群速补偿晶体后，再经过所述和频晶体，得到和频激光。

本申请在三次谐波激光装置的倍频晶体和和频晶体之间加入了群速补偿晶体，通过缩小经过和频晶体之前基频光和倍频光之间的时域差，使得基频光和倍频光在通过和频晶体时群速能够匹配，提高了和频激光的输出功率和效率。

优选地，基频光进入所述倍频晶体的入射角度满足第一类相配匹配条件；基频光和倍频光进入所述和频晶体的入射角度满足第二类相位匹配条件。

优选地，基频光和倍频光进入所述基频光和倍频光进入群速补偿晶体的入射角满足正入射条件。

优选地，所述倍频晶体中倍频光的群速小于基频光的群速；所述群速补偿晶体中所述倍频光的群速大于所述基频光的群速；所述和频晶体中所述倍频光的群速大于所述基频光的群速。

本申请的群速失配在线补偿三次谐波脉冲激光装置的工作过程是：

(a)基频光进入倍频晶体后，通过调整倍频晶体的入射角，满足第一类相位匹配条件，产生二次谐波，即倍频激光输出；

(b)基频光和倍频光进入群速补偿晶体，调整群速补偿晶体的入射角度，倍频光在通过群速补充晶体后，基频光和倍频光的时域差缩小，倍频光在时域上稍微落后于基频光；

(c)当基频光和倍频光进入和频晶体时，通过调整和频晶体的入射角，满足第二类相位匹配条件，最终基频光和倍频光在群速匹配的情况下得到三倍频和频激光。

优选地，所述群速补偿晶体选自β相偏硼酸钡晶体、BBSAG、方解石的至少一种。

本申请中，所述BBSAG晶体的化学式为Ba_1-xB_2-y-zO₄Si_xAl_yGa_z，其x＝0～0.15，y＝0～0.01，z＝0～0.04，x²+y²+z²≠0。

更进一步优选地，所述群速补偿晶体为β相偏硼酸钡晶体(可简写为β-BBO)。β-BBO晶体的化学式为β-BaB₂O₄，三方晶系，3m点群；晶胞参数为

本领域技术人员可以根据实际装置的需要和条件选择所述群速补偿晶体的厚度，在一定范围内，均起到可以改善群速失配的问题，当群速补偿晶体的厚度与所述倍频晶体的厚度、所述和频晶体的厚度满足一定关系时，可以使得基频光和倍频光在通过所述和频晶体时的群速完全匹配。

优选地，所述群速补偿晶体在光线入射方向上的厚度L_GCP满足如式I所示的关系：