用于諧波轉(zhuǎn)換裝置對溫度變化引起相位失配的補償方法
【專利摘要】一種用于諧波轉(zhuǎn)換裝置對溫度變化引起的相位失配補償方法，結(jié)構(gòu)為電光晶體放置在兩塊非線性晶體之間，電壓源電壓加載在電光晶體上，溫度傳感器傳感非線性晶體溫度。在光束通過第一塊非線性晶體后，進(jìn)入下塊非線性晶體前先通過該電光晶體，利用晶體的電光效應(yīng)，補償在第一塊非線性晶體中產(chǎn)生的相位失配，然后再進(jìn)入第二塊非線性晶體進(jìn)行諧波轉(zhuǎn)換。本發(fā)明可以有效地降低諧波轉(zhuǎn)換效率對溫度變化的敏感度，進(jìn)而實現(xiàn)了高效穩(wěn)定的諧波轉(zhuǎn)換，而且對于不同類型晶體、進(jìn)行不同波段的諧波轉(zhuǎn)換時都可以通過對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計實現(xiàn)對溫度不敏感的高效穩(wěn)定諧波轉(zhuǎn)換。
【專利說明】用于諧波轉(zhuǎn)換裝置對溫度變化引起相位失配的補償方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光諧波轉(zhuǎn)換，特別是一種用于諧波轉(zhuǎn)換裝置對溫度變化引起相位失 配的補償方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 基于二階非線性光學(xué)效應(yīng)的高效光學(xué)諧波轉(zhuǎn)換是最重要的非線性光學(xué)效應(yīng)之一。 通過諧波轉(zhuǎn)換，比如和頻（SFG)、差頻（DFG)、光參量放大（0ΡΑ)及光參量振蕩（0P0)等可以 開拓新的相干波段，提供從遠(yuǎn)紅外到紫外各種波段的相干光源，滿足實際應(yīng)用的需要。目 前，利用非線性光學(xué)晶體（BB0、LB0、KDP、DKDP、KTP等）進(jìn)行的激光諧波轉(zhuǎn)換已成為產(chǎn)生可 調(diào)諧相干輻射的重要手段之一，也是紫外超短脈沖產(chǎn)生、激光慣性約束聚變等系統(tǒng)的關(guān)鍵 環(huán)節(jié)。因此，諧波轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換效率直接影響著相應(yīng)系統(tǒng)裝置的各項性能。隨著激光應(yīng)用領(lǐng) 域的不斷深入和拓展，高功率、高效率的倍頻激光輸出已是非線性諧波轉(zhuǎn)換研究發(fā)展的重 要方向。
[0003] 目前，最常用的諧波轉(zhuǎn)換技術(shù)之一是雙折射相位匹配（BPM)技術(shù)，這種技術(shù)是利 用非線性晶體的雙折射特性，通過選擇入射光的波矢方向和偏振方向來實現(xiàn)相位匹配。然 而，非線性晶體的折射率與溫度有關(guān)，它會因溫度的不同而變化，與此技術(shù)相關(guān)的設(shè)備或?qū)?驗裝置在運行過程中會因為外界光源照射、晶體吸收以及實際環(huán)境的溫控精度有限等因素 的影響導(dǎo)致晶體實際溫度偏離理想工作溫度。當(dāng)晶體實際溫度偏離理想工作溫度時，原本 相位匹配的晶體將產(chǎn)生相位失配，導(dǎo)致諧波轉(zhuǎn)換效率下降，這一影響對于高峰值功率、高重 復(fù)頻率的激光脈沖諧波轉(zhuǎn)換尤為明顯。所以非線性晶體（尤其對于一些折射率對溫度較為 敏感的晶體，如：DKDP、LiNb03等）的諧波轉(zhuǎn)換效率與周圍環(huán)境溫度的控制和晶體內(nèi)部溫度 變化有著密切關(guān)系。
[0004] 為解決晶體溫度變化導(dǎo)致相位失配而影響諧波轉(zhuǎn)換效率的問題，人們提出了一些 補償措施：Hov提出將晶體加工成板條狀，增大熱傳導(dǎo)面積，改變基頻光光束分布來減少晶 體的熱效應(yīng)；Eimerl和Wu Sheng提出了采用多片薄片晶體組合實現(xiàn)諧波過程，一方面提高 光波在晶體中的互作用的長度，另一方面又增大了晶體的散熱面積來補償熱致相位失配； Yap等提出了采用冷卻氣體吹晶體使晶體出現(xiàn)相對相位匹配溫度負(fù)溫度變化，正好與倍頻 過程中出現(xiàn)的溫度正變化相抵消，從而實現(xiàn)補償溫度系數(shù)的目的。但是這些方法都有不足 之處，比如晶體加工成板條狀，改變基頻光光束分布、用冷卻氣體吹晶體都會使入射光束波 面產(chǎn)生畸變，從而影響最終的光束質(zhì)量；而采用多片薄片晶體組合方式實現(xiàn)諧波過程需要 較多的光學(xué)元器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每塊晶體的通光面也不可能完全平整一致，光束通過每塊晶 體都會在一定程度上產(chǎn)生不同的畸變，當(dāng)光束通過多塊晶體后，畸變會逐漸累積導(dǎo)致光束 質(zhì)量下降嚴(yán)重，同時因為相位匹配技術(shù)對角度的調(diào)節(jié)精度要求非常高，當(dāng)采用多塊晶體級 聯(lián)時，其相位匹配角的調(diào)節(jié)難度變得非常困難，也易受外界擾動的影響，因此此類方案難以 維持高效穩(wěn)定的運行。
[0005] 錢列加等提出使用兩種不同的非線性晶體通過交叉級聯(lián)方式組成實現(xiàn)相位匹配 對溫度不敏感的光參量倍頻轉(zhuǎn)換裝置（參見錢列加等.位相匹配條件對溫度不敏感的光參 量倍頻轉(zhuǎn)換裝置：中國，201210039454. 0[P]. 2014. 07. 09)，其原理是當(dāng)溫度變化時這兩種 晶體導(dǎo)致的相位失配量對溫度的一階偏導(dǎo)的符號是相反的來互相補償。但由于使用不同類 型的晶體，其晶格結(jié)構(gòu)不同，相位失配量對溫度的一階導(dǎo)符號、大小也都不盡相同，目前只 能在一些波段找到符合要求的晶體，要尋找出在不同波段一一對應(yīng)的不同溫度變化時相位 失配量變化滿足大小相近、符號相反的晶體，實現(xiàn)起來比較困難，甚至對于某些波段目前不 存在滿足要求的晶體，所以這種方案適用的溫度范圍、波長范圍有一定的局限性，因此單純 依靠晶體自身隨溫度變化來實現(xiàn)互相補償相位失配量所適用的范圍是比較有限的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有的諧波轉(zhuǎn)換技術(shù)中由于受溫度影響導(dǎo)致晶體折 射率發(fā)生變化產(chǎn)生相位失配從而難以實現(xiàn)高效穩(wěn)定的光學(xué)諧波轉(zhuǎn)換問題，提出一種用于諧 波轉(zhuǎn)換裝置對溫度變化引起相位失配的補償方法，從而實現(xiàn)對溫度不敏感的高效穩(wěn)定光學(xué) 諧波轉(zhuǎn)換方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0008] -種用于諧波轉(zhuǎn)換裝置對溫度變化引起相位失配的補償方法，該方法包括下列步 驟：
[0009] ①在沿光束輸入方向的第一非線性晶體和第二非線性晶體之間設(shè)置電光晶體，該 電光晶體）的Z軸垂直于所述的第一非線性晶體和第二非線性晶體的通光方向，在所述的 電光晶體的Z軸方向施加可調(diào)電壓源；溫度傳感器對所述的第一非線性晶體和第二非線性 晶體之間的溫度進(jìn)行測量；
[0010] ②保持諧波轉(zhuǎn)換裝置高效穩(wěn)定的諧波轉(zhuǎn)換，通過實驗測量或模擬計算，繪制出不 同溫度下施加在所述的電光晶體兩端的電壓補償?shù)谝环蔷€性晶體上因溫度變化引起的相 位失配的溫度電壓定標(biāo)曲線；
[0011] ③當(dāng)諧波轉(zhuǎn)換裝置工作時，所述的溫度傳感器實時地輸出所述的第一非線性晶體 (1)和第二非線性晶體之間的溫度，在所述的溫度電壓定標(biāo)曲線上找出相應(yīng)的電壓值，通過 所述的電壓源在所述的電光晶體上施加相應(yīng)的電壓；
[0012] ④當(dāng)所述的溫度傳感器輸出的溫度發(fā)生變化時，重復(fù)步驟③。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)效果：
[0014] 1、本發(fā)明相對于傳統(tǒng)利用多薄片晶體組合這類諧波轉(zhuǎn)換方法，本方法進(jìn)行諧波轉(zhuǎn) 換的晶體只有兩片，結(jié)構(gòu)簡單，光學(xué)元器件數(shù)量較少，這就降低了光束畸變的程度，同時在 實際實驗中相位匹配角度的調(diào)節(jié)難度也大為降低，具有較好的穩(wěn)定性。
[0015] 2、對于錢列加等提出的方法，本方法不需要針對不同波段尋找不同溫度變化時相 位失配量變化滿足大小相近、符號相反的晶體，也不會因?qū)τ谀承┎ǘ尾淮嬖诘姆弦?的晶體而無法實現(xiàn)對溫度不敏感的諧波轉(zhuǎn)換。
[0016] 3、本方法利用晶體的電光效應(yīng)，通過改變電壓值，可以靈活的實現(xiàn)溫度變化引起 的相位失配補償，使相位失配對溫度變化的敏感度大大降低，這也就降低了溫度控制精度、 入射光功率等條件要求，可以在較大溫度波動范圍內(nèi)實現(xiàn)高效穩(wěn)定的諧波轉(zhuǎn)換（尤其對于 連續(xù)激光、高重頻脈沖激光的諧波轉(zhuǎn)換），而且對于不同波段的倍頻、和頻、差頻、光參量放 大等非線性過程都可采用這種設(shè)計方案。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明用于諧波轉(zhuǎn)換裝置對溫度變化引起相位失配的補償方法的結(jié)構(gòu)示 意圖，
[0018] 圖2為以DKDP晶體II類相位匹配進(jìn)行和頻（ω1ε+ω2。一 ω3ε)為例對本發(fā)明進(jìn)行 的原理驗證模擬計算過程示意圖。
[0019] 圖3為以DKDP晶體為例說明由于電光效應(yīng)導(dǎo)致晶體折射率發(fā)生變化的不意圖。
[0020] 圖4為以DKDP晶體為例對本發(fā)明進(jìn)行模擬驗證時，所計算出的不同溫度與加載在 電光晶體上的電壓的溫度電壓定標(biāo)曲線。
[0021] 圖5為通過計算機模擬不同最佳工作溫度的晶體在不同溫度時的諧波轉(zhuǎn)換效率 以及采用本發(fā)明方法在不同溫度下的諧波轉(zhuǎn)換的效率。

【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明方法進(jìn)行具體說明。
[0023] 先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明用于諧波轉(zhuǎn)換裝置對溫度變化引起相位失配的補償 方法的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明用于諧波轉(zhuǎn)換裝置對溫度變化引起相位失配的補償 方法，該方法包括下列步驟：
[0024] ①在沿光束輸入方向的第一非線性晶體1和第二非線性晶體3之間設(shè)置電光晶體 2,該電光晶體2的Ζ軸垂直于所述的第一非線性晶體1和第二非線性晶體3的通光方向， 在所述的電光晶體2的Ζ軸方向施加可調(diào)電壓源；溫度傳感器對所述的第一非線性晶體1 和第二非線性晶體3之間的溫度進(jìn)行測量；
[0025] ②保持諧波轉(zhuǎn)換裝置高效穩(wěn)定的諧波轉(zhuǎn)換，通過實驗測量或模擬計算，繪制出不 同溫度下施加在所述的電光晶體2兩端的電壓補償?shù)谝环蔷€性晶體1上因溫度變化引起的 相位失配的溫度電壓定標(biāo)曲線；
[0026] ③當(dāng)諧波轉(zhuǎn)換裝置工作時，所述的溫度傳感器實時地輸出所述的第一非線性晶體 1和第二非線性晶體3之間的溫度，在所述的溫度電壓定標(biāo)曲線上找出相應(yīng)的電壓值，通過 所述的電壓源在所述的電光晶體2上施加相應(yīng)的電壓；
[0027] ④當(dāng)所述的溫度傳感器輸出的溫度發(fā)生變化時，重復(fù)步驟③。
[0028] 為了清楚的描述該方案整個諧波轉(zhuǎn)換過程，下面以DKDP晶體采用II類相位匹配 方式進(jìn)行和頻（ω 1ε+ω2。一 ω3ε)產(chǎn)生三次諧波過程為例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明，如圖2 所示。
[0029] DKDP晶體為負(fù)單軸晶體，其傳統(tǒng)II類相位匹配方式進(jìn)行的和頻過程為非線性晶 體中一束偏振態(tài)為e的光ω 1ε和一束偏振態(tài)為〇的光ω2。產(chǎn)生偏振態(tài)為e的光ω3ε，即 ω ie+ω 2。- ω 3e，相位匹配條件為：Δ k = k3e-kle-k2。= 0,即 n3e ω 3e = nle ω le+n2。ω 2。。設(shè)溫 控裝置可控制范圍為Tmin?Tmax，一塊厚度為U的單塊DKDP晶體，在理想室溫?；工作時， 相位匹配角為Θ。。入射基頻光ω 1ε波長為λ i，二倍頻光ω2。波長為λ 2，產(chǎn)生的三倍頻光 ω 3e波長為λ 3 = ( λ i λ 2) ( λ片λ 2)，若此時DKDP晶體溫度就處在Τ。，那么就可以實現(xiàn)高效 三次諧波轉(zhuǎn)換。但實際中晶體會受外界熱源、溫控等因素的影響，使其溫度偏離?；，那么就 會產(chǎn)生相位失配，導(dǎo)致諧波轉(zhuǎn)換效率降低。
[0030] 本發(fā)明中采用兩塊最佳工作溫度為1\、T2(Tmin彡?\彡T 2彡Tmax)、切割角為Θ ^ Θ 2，厚度為U、L2第一非線性晶體1、第二非線性晶體3和一塊放置在第一非線性晶體1、第 二非線性晶體3之間長度為L，高度為d的電光晶體2 (為了簡單清晰的描述該方法，這里電 光晶體也以DKDP為例）。當(dāng)晶體工作溫度處于T時，可以通過Sellmeier Equation求出， 該溫度下兩入射光束ω1ε、ω2和產(chǎn)生的三倍頻光束ω 3在不同切割角晶體中相應(yīng)的折射率 nle ( Θ J、n2。、n3e ( Θ J ;nle ( Θ 2)、n2。、n3e ( Θ 2)，e光折射率與切割角有關(guān)，〇光折射率與切割 角無關(guān)，通過以下公式可以求出該溫度下兩晶體中相位失配值A(chǔ)kp Ak2 :

【權(quán)利要求】
1. 一種用于諧波轉(zhuǎn)換裝置對溫度變化引起相位失配的補償方法，特征在于該方法包括 下列步驟： ① 在沿光束輸入方向的第一非線性晶體（1)和第二非線性晶體（3)之間設(shè)置電光晶體 (2)，該電光晶體（2)的Z軸垂直于所述的第一非線性晶體（1)和第二非線性晶體（3)的通 光方向，在所述的電光晶體（2)的Z軸方向施加可調(diào)電壓源；溫度傳感器對所述的第一非線 性晶體（1)和第二非線性晶體（3)之間的溫度進(jìn)行測量； ② 保持諧波轉(zhuǎn)換裝置高效穩(wěn)定的諧波轉(zhuǎn)換，通過實驗測量或模擬計算，繪制出不同溫 度下施加在所述的電光晶體（2)兩端的電壓補償?shù)谝环蔷€性晶體（1)上因溫度變化引起的 相位失配的溫度電壓定標(biāo)曲線； ③ 當(dāng)諧波轉(zhuǎn)換裝置工作時，所述的溫度傳感器實時地輸出所述的第一非線性晶體（1) 和第二非線性晶體（3)之間的溫度，在所述的溫度電壓定標(biāo)曲線上找出相應(yīng)的電壓值，通 過所述的電壓源在所述的電光晶體（2)上施加相應(yīng)的電壓； ④ 當(dāng)所述的溫度傳感器輸出的溫度發(fā)生變化時，重復(fù)步驟③。
【文檔編號】H01S3/13GK104283105SQ201410552963
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】崔子健, 劉德安, 孫美智, 劉亞群, 繆潔, 朱寶強, 朱健強 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所