专利名称：光谱响应曲线可调的宽带激光脉冲参量放大或参量转换系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能实现输入输出光谱响应曲线可调的宽带激光脉冲参量放大或
转换系统，该系统不但能实现输入信号带宽内所有频率成分的几乎相同增益的参量放大或转换，而且还可以根据需要调节各泵浦脉冲的强度与位置，改变所述参量放大或转换系统的光谱响应曲线或输出脉冲的带宽与光谱特性，属于非线性强激光领域。
背景技术：
宽带超短激光脉冲的参量放大(或参量变换)不同于窄带激光，由于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(BPM)。同样，也可利用晶体的双折射效应实现群速匹配(GVM)。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BPM和GVM的两个匹配方向一般不重合。对于各向同性的非线性晶体，可以利用晶体的正、反常色散来实现相位匹配(PM)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PM和GVM所要求的正、反常色散材料的比例通常是不一样的。目前，针对宽带参量放大(或参量变换)的相位与群速匹配问题的解决方案主要包括非共线相位匹配、波前倾斜群速匹配、简并点相位匹配、多角度泵浦相位匹配和时域延迟双脉冲泵浦啁啾匹配等。 这些方案都各有优缺点，非共线相位匹配和波前倾斜群速匹配光路结构简单，但带宽有限，简并点相位匹配法不但光路结构简单，而且可获得较大的带宽，但不同的晶体只能应用在特定的频率上，而多角度泵浦相位匹配和时域延迟双脉冲泵浦啁啾匹配虽然可以得到最大的带宽，但其结构复杂，且多角度泵浦相位匹配由于多个光束同时相交在同一位置，其输入功率密度受到限制。
发明内容
为提高激光脉冲参量放大(或参量变换)的带宽，本发明目的旨在提供一种结构简单、调校方便、晶体选择灵活的光谱响应曲线可调的宽带激光脉冲参量放大或转换系统，不但能实现输入信号带宽内所有频率成分的几乎相同增益的参量放大，而且还可以根据需要调节输出带宽和响应曲线。 为实现上述发明目的，本发明采取的基础技术方案是，一种光谱响应曲线可调的宽带激光脉冲参量放大或参量转换系统，包括空间频率啁啾变换装置、分束、衰减与光学延迟装置及依次布置于空间频率啁啾变换装置光轴线上的部分反射镜、聚焦柱面透镜、扇形周期性极化晶体、滤波装置和准直柱面透镜，其中分束、衰减与光学延迟装置的输出泵浦脉冲呈45°入射至部分反射镜，且所述部分反射镜和滤波装置的安装方向与空间频率啁啾变换装置输出光轴呈45。夹角。
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作为具体实施例，所述泵浦脉冲分束、衰减与延迟装置可由部分反射镜、衰减器、光学延迟线和反射镜组成，输入泵浦脉冲经光学延迟线后，入射到部分反射镜，部分反射镜反射光部分经可调衰减器后输出一束泵浦脉冲，部分反射镜透射光部分经反射镜反射后入射到另一个可调衰减器后，也输出一束泵浦脉冲。部分反射镜的分光比例可通过选择不同部分反射镜来实现。相应增加部分反射镜等可以获得更多束激光泵浦脉冲，泵浦脉冲分束、衰减与延迟装置中部分反射镜将泵浦激光脉冲按一定比例分成2束或多束激光光束后入射到扇形周期性极化晶体的不同位置；其中衰减器用于调节各泵浦激光脉冲的强度；光学延迟线用于调节泵浦激光脉冲与宽带激光脉冲的时间同步以及分束后各泵浦激光脉冲之间的时间关系。 所述空间频率啁啾变换装置可由倾斜平板玻璃、棱镜对、光栅、棱栅、体光栅等构成，将宽带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，相互平行。 所述部分反射镜，具有透射与反射功能，将45度角输入的泵浦脉冲反射到聚焦柱面透镜，同时将输入宽带激光脉冲直接透射到聚焦柱面透镜。 所述聚焦柱面透镜，将输入的各个宽带激光脉冲聚焦到扇形周期性极化晶体轴上适当位置。 所述扇形周期性极化晶体，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，当上述脉冲入射后，在空间频率啁啾方向上对扇形周期性极化晶体进行上下调节，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。空间频率啁啾脉冲既可以垂直扇形周期性极化晶体的端面入射，也可以适当角度倾斜入射。 所述滤波装置可采用分色镜或滤波片，将扇形周期性极化晶体变换后输出的不同
波段激光脉冲分离，输出所需要波段的激光脉冲。 所述准直柱面透镜，将分色镜输出的激光脉冲准直后输出； 根据实施例的优选方案是，所述空间频率啁啾变换装置具体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，光轴与衍射光栅对宽带激光脉冲一级衍射的中心频率衍射方向一致。当激光脉冲的宽带较大时，所述凸透镜和聚焦柱面透镜采用消色差透镜。 所述泵浦脉冲可以窄带激光脉冲也可以是宽带激光脉冲。为了对不同频率成分进
行空间幅度与相位调控，以实现更复杂的输入输出响应曲线，基于上述基本结构基础，可在
扇形周期性极化晶体前侧或后侧增加幅度空间光调制器或相位空间光调制器。 本发明的设计原理是利用泵浦激光脉冲与宽带脉冲不同的频率成分通过周期性
极化晶体的不同位置同时实现准相位匹配(QPM)，即利用光栅或棱镜等色散元件作为空间
频率啁啾变换装置将宽带脉冲中不同的频率成分在空间上相互的分开，变成不同的频率成
分光路相互平行的空间频率啁啾脉冲，改变脉冲入射角度、光学元件参数(如光栅或棱镜
的参数)及它们之间的距离，可以使得不同的频率成分平行入射到扇形周期性极化晶体横
向某一轴上的不同位置，与泵浦激光脉冲实现空间重叠与时间同步，在不同的路径实现准
相位匹配(QPM)，使不同的频率成分在在晶体的不同位置实现几乎相同增益的参量放大或
非线性频率变换，同时，也可根据需要灵活调节各泵浦脉冲光束的强度与位置，改变本参量
4放大或转换系统的光谱响应曲线或输出脉冲的带宽与光谱特性。 本发明所述光谱响应曲线可调的宽带激光脉冲参量放大或转换系统包括以下三 个主要部分 —个是宽带脉冲空间频率啁啾变换装置，凡是能将宽带激光脉冲变换成宽度可调 的空间频率啁啾脉冲的装置都可以，通常由倾斜平板玻璃、棱镜对、光栅、棱栅、体光栅等构 成，输入的宽带激光脉冲经空间频率啁啾变换装置变换成宽度可调的空间频率啁啾脉冲；
—个是由部分反射镜、衰减器与光学延迟线构成的泵浦激光脉冲分光、衰减与延 迟调节装置，输入的泵浦激光脉冲经分束、衰减与延迟装置变换为2束或多束光强、位置和 延迟均可调节的激光脉冲； —个是放置在宽带脉冲空间频率啁啾变换装置的输出光路上的扇形周期性极化 晶体(或其他具有类似特点的非线性光学晶体)。泵浦激光脉冲与空间频率啁啾脉冲同步 入射到扇形周期性极化晶体，在晶体的不同路径实现最佳相位匹配，实现参量放大或参量 变换。 宽带脉冲空间频率啁啾变换装置输出的空间频率啁啾脉冲和泵浦脉冲分光、衰减 与延迟调节装置输出的泵浦脉冲同时入射到扇形周期性极化晶体的端面上，泵浦脉冲入射 位置可以根据需要通过调节分光、衰减与延迟调节装置的光路任意调节，使不同的泵浦脉 冲光束与啁啾脉冲的不同频率成分在不同位置重叠，而空间频率啁啾脉冲中心频率的位置 也是可以调节的，从而使宽带脉冲的不同光谱成分与不同的泵浦激光脉冲光束在不同位置 都能实现最佳相位匹配，最终使宽带脉冲所有的光谱成分在各自的不同的路径与不同的泵 浦激光脉冲光束相互作用，实现高效的宽带参量放大或参量变换，调节各泵浦脉冲光束的 强度与位置，就可以方便灵活地改变参量放大或参量变换系统的频率响应曲线或输出脉冲 的带宽与光谱特性。所有的入射激光脉冲既可以垂直入射到扇形周期性极化晶体中，也可 以适当的角度倾斜入射。变换后由分色镜取出所需频段激光脉冲并由准直柱面透镜准直后 输出。 本发明所述泵浦脉冲可以窄带激光脉冲也可以是宽带激光脉冲，并且在上述基本
结构基础上，可根据需要，在扇形周期性极化晶体前后增加幅度空间光调制器、相位空间光
调制器等对不同频率成分进行空间幅度与相位调控，以实现更复杂的输入输出响应曲线。 本发明所述宽带激光脉冲参量放大或转换系统不但能实现输入信号带宽内所有
频率成分几乎相同增益的参量放大，而且还可以根据需要调节响应曲线或输出带宽和光谱
特性。通过选用不同的周期性极化晶体参数，该光路系统同样适用于和频、差频等光学参量
过程，且具有设计简单、调校方便、晶体选择灵活等特点。
图1为本发明的系统示意图； 图2为实施例中光谱响应曲线可调的宽带激光脉冲参量放大或转换系统示意图； 图3为图2中扇形周期性极化晶体的三维结构示意图。 在附图中 1-空间频率啁啾变换装置2-分束、衰减与延迟调节装置 3-部分反射镜4-聚焦柱面透镜5-扇形周期性极化晶体
6-滤波装置7-准直柱面透镜8-衍射光栅9-凸透镜
10-光学延迟线11-反射镜12-部分反射镜13-衰减器
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明做进一步描述 如图l，本实施例提供了一种光谱响应曲线可调的宽带激光脉冲参量放大或转换 系统，包括空间频率啁啾变换装置1(可以由倾斜平板玻璃、棱镜对、棱栅对、体光栅对或光 栅透镜组等构成)、分束、衰减与光学延迟装置2(可由部分反射镜、衰减器和光线延迟线等 组成)、部分反射镜3、聚焦柱面透镜4、扇形周期性极化晶体5 (如图3所示)、滤波装置6和 准直柱面透镜7。宽带脉冲空间频率啁啾变换装置1输出的空间频率啁啾脉冲和泵浦脉冲 分束、衰减与延迟调节装置2输出的泵浦脉冲经部分反射镜3和聚焦柱面透镜4同时入射 到扇形周期性极化晶体5的端面上，泵浦脉冲入射位置可以根据需要通过调节分光、衰减 与延迟调节装置的光路任意调节，使不同的泵浦脉冲光束与啁啾脉冲的不同频率成分在不 同位置重叠，而空间频率啁啾脉冲中心频率的位置也是可以调节的，从而使宽带脉冲的不 同光谱成分与不同的泵浦激光脉冲光束在不同位置都能实现最佳相位匹配，最终使宽带脉 冲所有的光谱成分在各自的不同的路径与不同的泵浦激光脉冲光束相互作用，实现高效的 宽带参量放大或非线性频率变换，调节各泵浦脉冲光束的强度与位置，就可以方便灵活地 改变该参量放大或转换系统的频率响应曲线或输出脉冲的带宽与光谱特性。所有入射的激 光脉冲既可以垂直入射到扇形周期性极化晶体(图中5)中，也可以适当的角度倾斜入射。 变换后由分色镜6取出所需频段激光脉冲并由准直柱面透镜7准直后输出。
如图2所示，其中空间频率啁啾变换装置1是由一衍射光栅8和一凸透镜9组成的 光栅透镜组构成。凸透镜9的焦点在激光脉冲入射的中心位置，光轴与衍射光栅对激光脉 冲一级衍射的中心频率衍射方向一致，如果激光脉冲的宽带较大最好使用消色差凸透镜。 宽带激光脉冲以一定的角度入射到衍射光栅8上，由于光栅的色散作用，脉冲中不同频率 成分的衍射角不一样，产生光谱角色散，经过凸透镜9后变成各频率成分相互平行输出的 空间频率啁啾脉冲，其作为空间啁啾输入脉冲经部分反射镜3和聚焦柱面透镜4聚焦后，入 射到扇形周期性极化晶体5端面的不同位置。 本实施例的扇形周期性极化晶体5如图3所示，其中心路径的极化周期是根据宽 带激光脉冲和泵浦脉冲的中心频率按最佳相位匹配设计的，晶体极化周期的扇出角也是根 据激光脉冲的带宽确定，具体参照周期性极化晶体的设计方法进行，由于其设计方法为现 有技术，不在本发明范围，在此不详细说明。在空间频率啁啾方向上上下调节扇形周期性极 化晶体5，使入射脉冲中心频率的频率成分从最佳相位匹配位置进入，实现中心频率最高效 率的谐波转换，然后，改变衍射光栅8的光栅常数和激光脉冲的入射角或者改变凸透镜9的 焦距，可调节频率啁啾脉冲的空间宽度，使其他频率成分也以最佳相位匹配位置进入扇形 周期性极化晶体5 ;泵浦脉冲经光学延迟线10、反射镜11、部分反射镜12和衰减器后，获得 光强、位置和延迟均可调节的2束泵浦脉冲光束，同样经部分反射镜3和聚焦柱面透镜4聚 焦后入射到扇形周期性极化晶体5，调节各泵浦光束的光轴位置，使它们分别与不同的宽带 脉冲的光谱成分重叠，使宽带脉冲所有的光谱成分在各自的不同的路径与不同的泵浦激光 脉冲光束在扇形周期性极化晶体5中相互作用，实现高效的宽带参量放大或非线性频率变换，调节各泵浦脉冲光束的强度与位置，就可以方便灵活地改变本参量放大或转换系统的
频率响应曲线或输出脉冲的带宽与光谱特性。所有入射的激光脉冲既可以垂直入射到扇形
周期性极化晶体中，也可以适当的角度倾斜入射，具体角度可根据测量情况进行调整。变换
后由分色镜6取出所需频段激光脉冲并由准直柱面透镜7准直后输出。 上述实施例并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的基本
精神与范围内，所作的各种变化与修改，应都在本发明的保护范围。
权利要求
一种光谱响应曲线可调的宽带激光脉冲参量放大或参量转换系统，其特征是包括输入宽带激光脉冲的空间频率啁啾变换装置(1)、输入泵浦脉冲的分束、衰减与光学延迟装置(2)及依次布置的空间频率啁啾变换装置(1)光轴线上的部分反射镜(3)、聚焦柱面透镜(4)、扇形周期性极化晶体(5)、滤波装置(6)和准直柱面透镜(7)，其中分束、衰减与光学延迟装置(2)的输出泵浦脉冲呈45°入射至部分反射镜，且所述部分反射镜(3)和滤波装置(6)的安装方向与空间频率啁啾变换装置(1)的输出光轴呈45°夹角。
2. 根据权利要求1所述光谱响应曲线可调的宽带激光脉冲参量放大或参量转换系统，其特征是，所述泵浦脉冲分束、衰减与延迟装置(2)由部分反射镜(12)、衰减器(13)、光学延迟线(10)和反射镜(11)组成，输入泵浦脉冲经光学延迟线(10)后，呈45°入射到部分反射镜(12)，部分反射镜(12)输出的反射光部分经衰减器(13)后输出一束泵浦脉冲，部分反射镜(12)输出的透射光部分呈45。入射至反射镜(ll)，该透射光部分经反射镜(11)反射后，再入射到另一衰减器(13)后输出一束泵浦脉冲。
3. 根据权利要求1所述光谱响应曲线可调的宽带激光脉冲参量放大或参量转换系统，其特征是，所述空间频率啁啾变换装置(1)由一衍射光栅(8)和一凸透镜(9)组成的光栅透镜组构成，其中凸透镜(9)的焦点在宽带激光脉冲入射的中心位置，凸透镜(9)的光轴与衍射光栅(8)对宽带激光脉冲一级衍射的中心频率衍射方向一致。
4. 根据权利要求3所述光谱响应曲线可调的宽带激光脉冲参量放大或参量转换系统，其特征是，当宽带激光脉冲的宽带较大时，所述凸透镜(9)和聚焦柱面透镜(4)采用消色差透镜。
5. 根据权利要求l-4之一所述光谱响应曲线可调的宽带激光脉冲参量放大或参量转换系统，其特征是，所述滤波装置(6)可采用分色镜或滤波片。
6. 根据权利要求l-4之一所述光谱响应曲线可调的宽带激光脉冲参量放大或参量转换系统，其特征是，所述泵浦脉冲是窄带激光脉冲或宽带激光脉冲。
7. 根据权利要求l-4之一所述光谱响应曲线可调的宽带激光脉冲参量放大或参量转换系统，其特征是，在扇形周期性极化晶体(5)的前侧或后侧增加幅度空间光调制器或相位空间光调制器。
全文摘要
本发明涉及光谱响应曲线可调的宽带激光脉冲参量放大或转换系统，属于非线性强激光领域，其包括空间频率啁啾变换装置、分束、衰减与光学延迟装置及依次布置于光轴线上的部分反射镜、聚焦柱面透镜、扇形周期性极化晶体、滤波装置和准直柱面透镜，其中分束、衰减与光学延迟装置的输出泵浦脉冲呈45°入射至部分反射镜，且所述部分反射镜和滤波装置的安装方向与空间频率啁啾变换装置输出光轴呈45°夹角。本发明所述系统不但能实现输入信号带宽内所有频率成分的几乎相同增益的参量放大或转换，而且还可以根据需要调节各泵浦脉冲的强度与位置，改变频率响应曲线或输出脉冲的带宽与光谱特性。该系统具有装置简单、调校方便、晶体选择灵活等特点。
文档编号H01S3/23GK101771237SQ20101030036
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月15日 优先权日2010年1月15日
发明者文双春, 陈列尊 申请人:湖南大学