[发明专利]能整形输出光谱的超短脉冲倍频装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种能实现输出光谱曲线任意整形的宽带高效谐波转换装置，该装置能扩展超短激光脉冲二次谐波产生的接受带宽，提高倍频效率，而且还可以根据需要对产生输出二次谐波脉冲的光谱曲线做任意整形，属于强激光非线性频率变换领域。

背景技术

超短激光脉冲的谐波转换不同于窄带激光，以二次谐波转换为例，非线性晶体都不可避免地存在色散效应，即不同频率的光在晶体中的相速度和群速度是不一样的。对于各向异性的非线性晶体，可以利用晶体的双折射效应来补偿由色散效应引起的相速度差异，实现相位匹配，即双折射相位匹配技术。同样，也可利用晶体的双折射效应实现群速匹配。然而，一般情况下，对于大部分各向异性的非线性晶体来说，这两个匹配是无法同时满足的，因为满足双折射相位匹配和群速匹配的两个匹配方向一般不重合。对于各向同性的非线性晶体，是利用晶体的正、反常色散来实现相位匹配和群速匹配的。然而，这两个匹配也是无法同时满足的，因为满足相位匹配和群速匹配所要求的正、反常色散材料的比例通常是不一样的。目前，针对超短脉冲倍频相位与群速匹配问题的解决方案主要包括：光谱角色散，啁啾匹配，晶体级联、折返点匹配、非周期性极化晶体(或线性啁啾周期性极化晶体)和扇形周期性极化晶体。

这些方案都各有优缺点，角色散补偿方案能获得最大的转换带宽，但其光路复杂，损耗也较大，在高功率激光器中的应用受限；晶体级联方案光路简单，调校容易，能增加转换带宽，提高转换效率，既适用于小功率激光器也适用于高功率的激光装置，但并没有从根本上解决相位匹配和群速匹配的问题，其转换带宽的提高也很有限；折返点匹配方案能同时实现了相位匹配和群速匹配，既具有角色散补偿方案的大转换带宽，又具有晶体级联方案的高转换效率，但是其应用范围窄，目前只有少数波长处实现了折返点匹配，要根据不同需要，寻求特定非线性晶体材料来满足需求；非周期性极化晶体(或线性啁啾周期性极化晶体)能较好地扩展转换带宽，但由于色散的限制，其转换效率很难做得较高。

此外，以上非线性谐波转换方法也都不能方便地实现输出光谱曲线分布的任意整形，由扇形周期性极化晶体构成的带光谱整形功能的超宽带高效谐波转换装置(中国发明专利：ZL200910043846.2)虽然能同时实现较大的带宽和较高的转换效率，也能够实现输出光谱曲线分布的任意整形，但需要另外增加光学元件，如空间滤波器等，因而成本高，装置复杂。

发明内容

针对现有扇形周期性极化晶体构成的一种超宽带高效谐波转换光路系统(中国发明专利：ZL200910043846.2)存在的缺陷，本发明在该专利的基础上，创造性地采用晶体局域极化技术与方法，对晶体极化光栅横向长度的适当设计，提供一种结构更简单、光谱整形更方便的超短脉冲二次谐波谐波转换装置。

本发明采取的技术方案是，一种能整形输出光谱的超短脉冲倍频装置，其包括空间频率啁啾变换装置和放置在空间频率啁啾变换装置的输出光路上的局域极化扇形周期性极化晶体，其中：

所述空间频率啁啾变换装置，将超短激光脉冲变换成宽度可调的空间频率啁啾脉冲，且所述空间频率啁啾脉冲的所有频率成分分布在横向空间某一轴上的不同位置，且相互平行；

所述局域极化扇形周期性极化晶体同时具有横向变化的极化光栅周期与长度，能满足不同频率成分准相位匹配的极化周期在横向某一轴上的变化与空间频率啁啾脉冲的频率变化成对应关系，当上述空间频率啁啾脉冲入射后，在空间频率啁啾方向上对非线性频率变换与光谱整形装置进行上下调节，使空间频率啁啾脉冲的所有频率成分都能在最佳相位匹配位置平行入射，最终使所有频率成分在各自的路径上实现高效二次谐波转换。

其中空间频率啁啾脉冲既可以垂直非线性频率变换与光谱整形装置的端面入射，也可以适当角度倾斜入射。

根据实施例的优选方案是，所述空间频率啁啾变换装置由一衍射光栅和一凸透镜组成的光栅透镜组构成，其中凸透镜的焦点在激光脉冲入射的中心位置，光轴与衍射光栅对超短激光脉冲一级衍射的中心频率衍射方向一致。

作为优选方案，当激光脉冲的宽带较大时，凸透镜采用消色差凸透镜。

所述局域极化扇形周期性极化晶体是位置可调的。