专利名称：一种提高钕玻璃飞秒锁模振荡器输出脉冲倍频效率的方法
技术领域：
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种通过预啁啾补偿以及选择最佳倍频晶体长度以提高钕玻璃飞秒锁模振荡器输出脉冲倍频效率的方法。
背景技术：
由于短波长激光在光学存储、光学印刷、生物医学等方面有着广泛的应用，而通常的飞秒脉冲激光器的输出多处在可见及红外光波段，因此通过二次谐波产生将可见及红外光波段的飞秒脉冲转换到短波长波段这一技术受到了人们越来越多的关注。对于小于100fs的脉冲，基频光和倍频光之间的群速度失配是限制倍频转换效率的主要因素。群速度失配的存在将使基频光和倍频光在时间上分开(即时间走离)，不仅降低倍频转换效率，而且导致倍频光谱的窄化从而展宽倍频光。为了解决该问题，人们提出了许多方法，可归纳为以下三类(1)不采用任何额外的光学元件，仅利用单块倍频晶体。该方法主要采用强光注入以及短倍频晶体(R.J.Ellingson and C.L.Tang，High-repetition-rate femtosecond pulsegeneration in the blue，Opt Lett，1992，17343-345)进行倍频。由于晶体长度较短，不存在基频光和倍频光的走离问题，但这必然会限制转换倍频效率。为此采用强光注入的方法，但注入光强最终将受晶体损伤阈值的限制，因此不会获得很高效率；(2)利用特殊的光学元件消除群速度失配，主要有消色差位相匹配、多片晶体组合、倾斜脉冲等时间面匹配光栅等方法。其中，消色差位相匹配是最为突出的方法(C.Y.Chien，G.Korn，J.S.Coe，J.Squier，and G.Mourou，Highly efficient second-harmonic generation of ultraintense Ndglasslaser pulses，Opt Lett，1995，20353-355)，因为它可以提供～100nm的接受带宽，对应的二倍频脉宽可以小于10fs。但是该方法需要特殊的光学元件，不仅限制了转换效率，而且对调整精度的要求极高，调节十分复杂；(3)波长不灵敏位相匹配。该方法的基本思想是对于某些特殊倍频晶体，位相匹配曲线上某一特定波长处存在折返点，该点对应的基频光和倍频光的群速度失配为零。已经广泛研究的该类倍频晶体及对应的基频光波长包括BBO晶体中的1.5μm波长(L.E.Nelson，S.B.Fleischer，G.Lenz，and E.P.Ippen，Efficiency frequency doubling of a femtosecond fiber laser，Opt Lett，1996，211759-1761)，部分氘化KDP晶体中的1.034～1.179μm波长(M.S.Webb，D.Eimerl and S.P.Velsko，Wavelength insensitive phase-matched second-harmonic generation in partially deuterated KDP，J.Opt.Soc.Amer.B，1992，91118-1127)等。该方法不仅简便、可靠，而且可以采用较长晶体，从而提高转换效率，因此适用于输出能量较小的飞秒钕玻璃锁模振荡器。同时，由于飞秒钕玻璃锁模振荡器的输出波长为1.054μm，可以利用部分氘化KDP进行有效倍频，因此该方案引起了人们的广泛兴趣。但由于基频光和倍频光群速度色散的存在，如果初始注入的基频光为傅式变换极限脉冲，并不能获得最高的转换效率及最佳的倍频光谱，从而限制了飞秒激光倍频的效果。
发明内容
现有的提高倍频效率的技术或者不能获得最佳转换效率，或者比较复杂。本发明的目的在于提供一种简便易行、可有效提高钕玻璃飞秒锁模振荡器输出脉冲倍频效率的方法。
本发明提出的提高钕玻璃飞秒锁模振荡激光器输出脉冲信频效率的方法，是利用熔石英玻璃对振荡器输出脉冲进行预啁啾补偿，并选取最优色散条件所要求的最佳晶体长度，从而提高倍频效率，同时还可以获得最宽的倍频光谱。
1.理论模型晶体中的倍频过程由以下归一化非线性耦合波方程描述∂A1∂l-iLNL2LD1∂2A1∂τ2=-iA2A1*exp(-iΔk′l)---(1)]]>∂A2∂l+LNLLw∂A2∂τ-iLNL2LD2∂2A2∂τ2=-iA12exp(iΔk′l)---(2)]]>其中Ai＝Ei/E0为归一化电场，Ei(i＝1，2分别代表基频光和倍频光)为电场振幅包络，E0为初始入射基频光的峰值场强；l＝z/LNL为归一化传输距离，z为实际传输距离，LNL＝2n1c/(ωχ(2)E0)为非线性长度；τ＝t/t0为归一化时间，t为实验室时间坐标，t0为入射基频光脉宽；Δk′＝ΔkLNL为归一化相位失配参量，Δk为实际的位相失配；Lw＝t0(1/υg2-1/υg1)-1为基频光和倍频光之间的走离长度；LDi=t02/β2i]]>(i＝1，2分别代表基频光和倍频光)为色散长度。假定初始入射基频光为高斯脉冲E(0,t)=E0exp(-t2/t02),]]>变换到频域，得到频域电场包络E(0,ω)=exp(-ω2t02/4)---(3)]]>本发明采用预啁啾补偿的方法，就是在频域电场上叠加二次位相，得E1(0,ω)=exp(-ω2t02/4)exp(ipω2)---(4)]]>
其中p为线性啁啾参量，表征初始入射基频脉冲预补偿的啁啾量的大小。
当啁啾脉冲在群速度色散为β2的介质中传输时，如果β2p＜0，脉冲将先经历压缩、达到傅式变换极限(即脉宽压缩到最短)后将展宽。定义傅氏变换距离参量zRzR＝-2p/β2(5)它表示脉冲达到傅式变换极限时在晶体中走过的距离，可作为预补偿啁啾量的量度。同时，定义色散参量ξξ＝L/|LD1| (6)由以下计算结果看出色散参量是影响倍频转换效率及二次谐波光谱宽度的决定性因素。
2.数值结果及讨论通过数值求解耦合波方程(1)、(2)，可以得到倍频转换效率最大所对应的条件。
(1)倍频效率与位相失配及晶体长度的关系计算表明最大转换效率与位相失配和晶体长度的乘积存在对应关系，并且对于不同的晶体长度及倍频光色散，该乘积存在最优值，对应最大的倍频转换效率。将该乘积定义为最优位相失配ΔkLopt。ΔkLopt与色散参量ξ＝L/|LD1|及不同倍频光群速度色散的关系如图(1)所示。其中基频光色散取为-13fs2/mm，对应于12％氘化的磷酸二氢钾(KDP)。由图可见晶体越长、倍频光的色散越大，所需的最优位相失配越大。由于采用波长不灵敏位相匹配的工作方式，因此Lgvm＝∞。以下结果均是在满足最优位相失配并假定基频光非消耗的条件下得到的。
(2)倍频效率与傅氏变换距离参量zR之间的关系为了提高倍频光转换效率，考虑在初始入射基频光上叠加预啁啾以补偿材料本身色散造成的转换效率降低的问题，预啁啾的形式由(4)式给出。图(2)显示了相对转换效率与傅氏变换距离参量zR之间的关系。由图(2)可以看出在基频光和倍频光之间存在群速度失配的情况下，预啁啾补偿对提高倍频效率没有任何影响。对于群速度失配为零的情况，不管倍频光的群速度色散多大，当傅氏变换距离参量zR与晶体长度L之比zR/L＝1/2时倍频效率最高。这为基频光所叠加的预啁啾量提供了依据，即当基频光在晶体中间达到傅氏变换极限时对应的预啁啾量可以保证倍频转换效率最大。经过计算，得预啁啾量应满足以下条件
p＝-β21L/4 (7)例如对于长度为5.6cm、12％氘化的KDP晶体，预啁啾量应为182fs2。
(3)倍频效率与色散参量之间的关系一般来说，倍频光和基频光的群速度色散不为零。群速度色散会导致脉冲展宽从而影响倍频转换效率，同时会对倍频光光谱产生影响。色散参量ξ＝L/|LD1|是衡量倍频转换效率的重要指标。图(3)给出了相对转换效率与色散参量以及倍频光群速度色散β22之间的关系曲线。其中β22的取值范围为-10fs2/mm到70fs2/mm。由图(3)可以清楚看出对应于某一固定倍频光群速度色散，当色散参量取某一最优值时可以保证倍频转换效率最大。并且由图(3)可以看出当基频光与倍频光群速度色散之比β21∶β22＝2∶1时可以获得最大转换效率，对应的最优色散参量ξ＝2.84。当基频光与倍频光的群速度色散之比偏离2∶1时，会导致可获得的最大倍频效率下降。但最优色散参量总是存在，它可以保证在给定倍频光群速度色散的情况下得到最大的转换效率。例如对于β22＝70fs2/mm(对应于12％氘化的KDP)，最优色散参量ξopt＝0.8。如果入射脉宽t0＝30fs，则色散长度LD1=t02/β21=6.92cm,]]>由(6)式应当选择长度L＝ξoptLD1＝5.6cm的晶体作为工作介质。当色散参量偏离最优值时，转换效率下降。计算表明当色散参量在0.46～1.31范围内取值时，可以保证转换效率大于取最优色散参量时转换效率的95％。
(4)倍频光谱与晶体长度及色散参量之间的关系尽管增大晶体长度可以增大倍频转换效率，然而通过计算发现当晶体长度达到某一特定值后，随着晶体长度增加，二次谐波的带宽将变窄。因为我们希望得到的是飞秒脉冲，而带宽变窄意味着脉宽变长。因此不能无限制的增加晶体长度，而应当选择一个最优值Lopt，它对应于二次谐波可以有较大转换效率并且同时保证二次谐波的光谱宽度最大。计算表明对于给定的基频光色散长度LD1，当晶体长度满足最优色散条件时，倍频光具有最大谱宽。图(4)中假定基频光群速度色散β21＝-13fs2/mm，倍频光群速度色散β22＝0，由图(3)可得最优色散参量ξ＝L/|LD1|＝1.8。由图(4)可以清楚看出当晶体长度满足最优色散条件L＝1.8|LD1|时，倍频光光谱最宽并且与理想情况(即β21＝0，此时对应最大倍频光谱宽)几乎完全相同。而当晶体长度偏离最优色散长度(如图(4)中对应于L＝10|LD1|的曲线)时，倍频光谱严重窄化，从而导致倍频光脉宽展宽。因此，实际操作过程中，应当保证晶体长度满足最优色散条件。这不仅可以获得大的倍频效率，同时也可以保证短的倍频光脉宽。对于12％氘化的KDP晶体及脉宽为30fs的入射脉冲，应当选择晶体长度L＝5.6cm。
图1最优位相失配与色散参量ξ及倍频光群速度色散β22的关系。横坐标表示色散参量ξ＝L/|LD1|，纵坐标表示最优位相失配ΔkLopt。自上至下的曲线分别表示β22＝30fs2/mm，0及-6.5fs2/mm。其它条件LNL＝10L，Lgvm＝∞，β21＝-13fs2/mm。
图2相对转换效率与傅氏变换极限参量zR之间的关系。横坐标表示傅氏变换极限参量zR与晶体长度L之比zR/L，纵坐标表示相对转换效率。点划线|LD2|＝∞，Lgvm＝0.03L；实线|LD2|＝∞，Lgvm＝∞；虚线β22＝30fs2/mm，|LD2|＝0.2L，Lgvm＝∞。其它条件LNL＝10L，β21＝-13fs2/mm。
图3相对转换效率与色散参量ξ之间的关系。横坐标表示色散参量ξ＝L/|LD1|，纵坐标表示相对转换效率。自上至下的曲线分别表示β22＝-6.5fs2/mm，-10fs2/mm，0，10fs2/mm，30fs2/mm和70fs2/mm。其它条件LNL＝10L，β21＝-13fs2/mm。
图4归一化倍频光谱与不同晶体长度L之间的关系。横坐标表示归一化波长(相对于理想情况下的倍频光谱宽归一，即(λ2ω-λ2ω(0))/Δλ2ω)，纵坐标表示归一化光谱强度。虚线L＝1.8|LD1|；实线L＝10|LD1|；点线理想情况下的倍频光谱。其它条件LNL＝10L，β21＝-13fs2/mm，β22＝0。
图5本发明具体实现的结构图。
具体实施例方式
下面结合附图进一步描述本发明。
如图5所示，从钕玻璃飞秒锁模振荡器输出的脉宽为30fs、中心波长为1054nm的傅式变换极限脉冲，正入射到长度为5mm的熔石英玻璃。通过熔石英玻璃后基频光叠加了182fs2的预啁啾，然后正入射到长度为5.6cm，切割角为41度的KDP晶体，最终获得相对转换效率为0.5的倍频光输出。
权利要求
1.一种提高钕玻璃飞秒锁模振荡器输出脉冲倍频效率的方法，其特征在于利用对振荡器输出脉冲采用预啁啾补偿的方法来提高其倍频转换效率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的预啁啾量满足下式条件p＝-β21L/4这里β21为基频光的群速度色散，L为倍频晶体长度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过选择最佳倍频晶体长度，使它与基频光群速度色散之比满足最优色散条件，从而获得最高倍频转换效率及最宽倍频光光谱。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于选用氘化的KDP作为倍频晶体。
全文摘要
本发明属于激光技术领域，具体是一种提高钕玻璃飞秒锁模振荡器输出脉冲倍频效率的方法。该方法对钕玻璃飞秒锁模振荡器输出的1054nm的光脉冲，通过采用预啁啾补偿以及依据最优色散条件选择最佳晶体长度的方法，获得较高的倍频转换效率及较宽的倍频光光谱。本发明主要适用于钕玻璃飞秒锁模振荡器系统，倍频晶体可以采用氘化的KDP。
文档编号H01S3/109GK1822454SQ200610023260
公开日2006年8月23日 申请日期2006年1月12日 优先权日2006年1月12日
发明者钱列加, 王科, 郑万国, 韩伟, 朱鹤元, 范滇元 申请人:复旦大学