一种飞秒激光倍频装置及方法与流程

1.本发明涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种飞秒激光倍频装置及方法。


背景技术：

2.紫外波段的的超快激光具有短波长、聚焦光斑较小、单光子能量高和时间分辨率高的优势，被广泛应用于物理化学超快现象、生物医学显微成像和超精细微纳加工等领域。目前，大部分用于研究激光的增益介质的发射波长主要集中于可见光和红外光波段，特别是超短超强脉冲激光器的输出波段主要处于近红外波段，因此，通过将近红外波段的激光通过多次倍频至紫外波段，从而获得紫外波段的激光，以成为研究的焦点。
3.现有一种倍频激光器，包括第一反射镜、第二反射镜、增益介质、望远镜模块、偏振元件以及非线性晶体，所述第一反射镜及所述第二反射镜间隔设置形成倍频激光器的谐振腔，偏振元件、增益介质、望远镜模块以及非线性晶体设置于谐振腔中，且望远镜模块设置于增益介质与非线性晶体之间。
4.上述倍频激光器在实现频率变换的过程中，由于非线性晶体会存在光束群速失配和光束空间走离效应等现象，从而会导致了倍频效率低以及倍频产生的光束质量差的缺陷。


技术实现要素：

5.本发明为克服现有技术存在的倍频效率低以及倍频产生的光束质量差的缺陷提供一种飞秒激光倍频装置及方法。
6.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
7.第一个方面，本发明提出一种飞秒激光倍频装置，包括：飞秒激光器、二倍频晶体和三倍频晶体，所述飞秒激光器与二倍频晶体之间设有用于补偿时间走离效应和空间走离效应的走离效应补偿组件，所述飞秒激光器输出基频红外光依次经过走离效应补偿组件、二倍频晶体和三倍频晶体输出。
8.作为优选的技术方案，所述走离效应补偿组件包括用于改变基频红外光偏振态方向的相位延迟片，以及产生晶体双折射效应的群延迟补偿片，所述相位延迟片设置在所述飞秒激光器和所述群延迟补偿片之间，所述群延迟补偿片设置在所述相位延迟片和所述二倍频晶体之间。
9.作为优选的技术方案，所述群延迟补偿片为偏硼酸钡晶体。
10.作为优选的技术方案，所述群延迟补偿片的主光面与所述二倍频晶体的主光面相对垂直设置，所述三倍频晶体的主光面和所述二倍频晶体的主光面相对垂直设置。
11.作为优选的技术方案，所述二倍频晶体和三倍频晶体之间还设置有偏振分光片。
12.作为优选的技术方案，所述飞秒激光器和所述走离效应补偿组件之间还设置有激光放大器。
13.作为优选的技术方案，所述二倍频晶体为三硼酸锂晶体，所述三倍频晶体为偏硼
酸钡晶体。
14.第二个方面，本发明采用如第一个方面任一技术方案所述的飞秒激光倍频装置的飞秒激光倍频方法，包括：
15.飞秒激光器输出的基频红外光经过走离效应补偿组件进行时间走离效应补偿和空间走离效应补偿。
16.经过时间走离效应补偿和空间走离效应补偿的基频红外光传输至二倍频晶体发生二倍频效应，产生二倍频绿光。
17.基频红外光与二倍频绿光传输至三倍频晶体进行和频，产生三倍频紫外光。
18.作为优选的技术方案，所述走离效应补偿组件包括相位延迟片和群延迟补偿片；飞秒激光器输出的基频红外光经过所述相位延迟片改变偏振态方向，得到相互垂直的基频红外o光和基频红外e光；o光与e光相互垂直的基频红外光经过所述群延迟补偿片产生晶体双折射效应，对基频红外光进行时间走离效应和空间走离效应的补偿。
19.作为优选的技术方案，所述基频红外光与所述二倍频绿光进入三倍频晶体进行和频之前，使用偏振分光片将基频红外o光导出光路。
20.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明通过在飞秒激光器与二倍频晶体之间设置用于补偿时间走离效应和空间走离效应的走离效应补偿组件，对飞秒激光器输出的基频红外光进行时间上和空间上的走离效应补偿，使二倍频晶体和三倍频晶体能够对基频红外光进行高效的倍频，得到光束质量高的三倍频紫外光。
附图说明
21.图1为本技术实施例中飞秒激光倍频装置结构示意图。
22.图2为本技术实施例中走离效应补偿组件进行时间和空间走离的原理图。
23.图3为本技术实施例中飞秒激光倍频装置的工作原理图。
24.图4为本技术实施例中飞秒激光倍频方法的流程图。
25.其中，1-飞秒激光器，2-激光放大器，3-走离效应补偿组件，31-相位延迟片，32-群延迟补偿片，4-二倍频晶体，5-偏振分光片，6-三倍频晶体。
具体实施方式
26.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
27.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
28.实施例一
29.请参阅图1，本实施例提出一种飞秒激光倍频装置，包括：飞秒激光器1、二倍频晶体4和三倍频晶体6，所述飞秒激光器1与二倍频晶体4之间设有用于补偿时间走离效应和空间走离效应的走离效应补偿组件3，所述飞秒激光器1输出基频红外光依次经过走离效应补偿组件3、二倍频晶体4和三倍频晶体6输出。
30.在具体实施过程中，飞秒激光器1输出的基频红外光经过走离效应补偿组件3进行时间走离效应补偿和空间走离效应补偿。经过时间走离效应补偿和空间走离效应补偿的基频红外光传输至二倍频晶体4发生二倍频效应，产生二倍频绿光。基频红外光与二倍频绿光传输至三倍频晶体6进行和频，产生三倍频紫外光。
31.本实施例所提出的飞秒激光倍频装置，通过在飞秒激光器1与二倍频晶体4之间设置用于补偿时间走离效应和空间走离效应的走离效应补偿组件3，对飞秒激光器1输出的基频红外光进行时间上和空间上的走离效应补偿，使二倍频晶体4和三倍频晶体6能够对基频红外光进行高效的倍频，得到光束质量高的三倍频紫外光。
32.实施例二
33.本实施例在实施例一提出的飞秒激光倍频装置上作出改进。
34.本实施例中，飞秒激光器1输出能量为3mj、脉宽为300-500fs量级的1030nm基频红外光。
35.如图2所示，图2为走离效应补偿组件3进行时间和空间走离的原理图，本实施例中，所述走离效应补偿组件3包括用于改变基频红外光偏振态方向的相位延迟片31，以及产生晶体双折射效应的群延迟补偿片32，所述相位延迟片31设置在所述飞秒激光器1和所述群延迟补偿片32之间，所述群延迟补偿片32设置在所述相位延迟片31和所述二倍频晶体4之间。
36.本实施例中，所述群延迟补偿片32为偏硼酸钡晶体(bbo晶体)。
37.本实施例中，所述二倍频晶体4为三硼酸锂晶体(lbo晶体)，所述三倍频晶体6为偏硼酸钡晶体(bbo晶体)。
38.本实施例中，所述群延迟补偿片32的主光面与所述二倍频晶体4的主光面相对垂直设置。
39.本实施例中，通过调节相位延迟片31，使入射至二倍频晶体4产生二倍频绿光的基频红外o光为2.4mj，使入射至三倍频晶体6与二倍频绿光发生和频作用产生三倍频紫外光的基频红外e光为0.6mj。
40.经过所述群延迟补偿片32后，基频红外o光入射至二倍频晶体4中发生二倍频效应，产生515nm二倍频绿光。为了更好实现后续三倍频的过程，该阶段优先考虑光束质量，因此选用lbo晶体作为二倍频晶体4。lbo晶体在1030nm和515nm之间具有较小的空间走离角、色散和群速走离，倍频效率可高达60％。基频红外o光经过i类相位匹配，产生50％效率的515nm波长的倍频e光，即可以获得1.2mj的515nm二倍频绿光。而群延迟补偿片32产生的较落后的基频红外e光对于二倍频晶体4来说是e偏振，其直接通过二倍频晶体4，不参与二倍频效应，因而能保持其原本非常好的光束质量和时域特性，非常有利于与二倍频绿光和频过程中产生高质量的三倍频紫外光。另外，基频红外e光与原超前的基频红外o光有一定的角度走离，即两者不在同一光轴传输，有利于在后续分离出基频红外e光和倍频绿光。
41.走离效应补偿组件3中群速较快的基频红外o光作为二倍频晶体4的泵浦光，通过一类相位匹配(o+o
‑‑
》e)，以获得二倍频绿光。同时二倍频绿光和用于产生三倍频紫外光的基频红外e光都穿过二倍频晶体4，两者在二倍频晶体4内几乎没有互相走离夹角，不用单独补偿两者的空间走离，在简化光路设计的同时进一步提高了三倍频紫外光的光束质量和转换效率。
42.由于在二倍频晶体4内通过二倍频效应产生的515nm二倍频绿光也是e光，所以同为e光的二倍频绿光和基频红外e光在lbo晶体内传输时会与基频红外o光产生同方向的走离角，但两者的走离角之差仅为0.6mrad，即使是经过3mm长的二倍频晶体4，其相对走离位移仅为1.8微米，完全可以忽略不计，即可认为两者之间几乎共线传输，从而实现了空间走
离补偿的效果。
43.如图3所示，其为飞秒激光倍频装置的工作原理图，在具体实施过程中，飞秒激光器1输出的基频红外光经过所述相位延迟片31改变偏振态方向，得到相互垂直的基频红外o光和基频红外e光。基频红外光经过相位延迟片31后继续入射至群延迟补偿片32中，此时基频红外光的入射方向与群延迟补偿片32的晶体光轴为90
°
，群延迟补偿片32内基频红外e光和基频红外o光群速差最大且没有空间走离效应。另外，群延迟补偿片32为bbo晶体，其主光面与所述二倍频晶体4的主光面相对垂直设置，能够使群延迟补偿片32内超前的e光转换成o光入射至二倍频晶体4中，补偿了基频红外光在二倍频晶体4发生二倍频效应时产生的倍频光滞后的效应，实现了后续三倍频过程中基频红外光和二倍频绿光之间的时间走离效应的补偿。
44.本实施例中，所述二倍频晶体4和三倍频晶体6之间还设置有偏振分光片5。
45.在具体实施过程中，通过二倍频晶体4产生515nm二倍频绿光后，倍频过程剩余的基频红外o光并不参与后续与二倍频绿光的和频过程，而是直接被偏振分光片5tfp导出光路。通过偏振分光片5后的1030nm基频红外e光和515nm的二倍频绿光入射至三倍频晶体6进行和频，产生343nm三倍频紫外光。由于该过程需要兼顾倍频后的光束质量和转换效率，因此选用bbo晶体作为三倍频晶体6。bbo晶体在紫外波段具有较高的非线性系数，同时色散、群速走离和空间走离角等参数同lbo晶体差距缩小，具有较高的整体转换效率。
46.本实施例中，所述三倍频晶体6的主光面和所述二倍频晶体4的主光面相对垂直设置，即和所述群延迟补偿片32的主光面一致。
47.在具体实施过程中，所述二倍频晶体4的主光面与所述三倍频晶体6的主光面相对垂直设置，让通过二倍频晶体4的同为e光的二倍频绿光和基频红外e光相对于三倍频晶体6转置成o光。在三倍频晶体6中，同为o光的1.2mj二倍频绿光和0.6mj的基频红外通过ⅰ类相位匹配，最终通过和频作用输出33％效率的0.6mj343nm三倍频紫外光。由于事先设置了群延迟补偿片32，所以进行三倍频之前，二倍频绿光是领先于基频红外e光的，但由于在三倍频晶体6中，基频红外光传输速度快于二倍频绿光，即通过合理设计群延迟补偿片32在二倍频绿光和基频红外e光之间引入合适的群延迟，可以使二倍频绿光和基频红外e光在三倍频晶体6中实现最高的重叠度，从而实现高效率高光束质量的紫外光脉冲的产生。
48.本实施例中，所述飞秒激光器1和所述走离效应补偿组件3之间还设置有激光放大器2。
49.在具体实施过程中，飞秒激光器1输出飞秒光脉冲经过所述激光放大器2后输出高平均功率、高单脉冲能量和飞秒量级脉冲的基频红外光。
50.本实施例所提出的飞秒激光倍频装置，通过在飞秒激光器1与二倍频晶体4之间设置用于补偿时间走离效应和空间走离效应的走离效应补偿组件3，对飞秒激光器1输出的基频红外光进行时间上和空间上的走离效应补偿，使二倍频晶体4和三倍频晶体6能够对基频红外光进行高效的倍频，得到高功率、高光束质量以及高功率稳定性的三倍频紫外光，形成温度精密可控、结构紧凑可靠、维护简单、针对应用端不同需求适应性强的超强超短激光脉冲2h(二倍频)和3h(三倍频)频率上转换模块，并实现产业化示范。
51.本实施例所提出的飞秒激光倍频装置，仅采用一组群延迟补偿片32即可实现整个系统中二倍频和三倍频过程产生的时间和空间走离效应的补偿。通过设计合适的群延迟补
偿片32，即可有效补偿非线性倍频晶体对不同波长光脉冲的群速走离，避免了多次二倍频、三倍频以及引入多组时间和空间走离补偿装置的复杂光路设计，从而让参与二倍频和三倍频过程的光束具有很好的光束质量和时空重合度。
52.实施例三
53.参阅图4，本实施例提出一种飞秒激光倍频装置的飞秒激光倍频方法，包括：
54.飞秒激光器1输出的基频红外光经过走离效应补偿组件3进行时间走离效应补偿和空间走离效应补偿。
55.本实施例中，飞秒激光器1输出能量为3mj、脉宽为300-500fs两级的1030nm基频红外光。
56.本实施例中，所述走离效应补偿组件3包括相位延迟片31和群延迟补偿片32；飞秒激光器1输出的基频红外光经过所述相位延迟片31改变偏振态方向，得到相互垂直的基频红外o光和基频红外e光；o光与e光相互垂直的基频红外光经过所述群延迟补偿片32产生晶体双折射效应，对基频红外光进行时间走离效应和空间走离效应的补偿。
57.本实施例中，所述群延迟补偿片32为偏硼酸钡晶体(bbo晶体)。
58.本实施例中，所述二倍频晶体4为三硼酸锂晶体(lbo晶体)，所述三倍频晶体6为偏硼酸钡晶体(bbo晶体)。
59.经过时间走离效应补偿和空间走离效应补偿的基频红外光传输至二倍频晶体4发生二倍频效应，产生二倍频绿光。
60.本实施例中，所述群延迟补偿片32的主光面与所述二倍频晶体4的主光面相对垂直设置。
61.本实施例中，通过调节相位延迟片31，使入射至二倍频晶体4产生二倍频绿光的基频红外o光为2.4mj，使入射至三倍频晶体6与二倍频绿光发生和频作用产生三倍频紫外光的基频红外e光为0.6mj。
62.经过所述群延迟补偿片32后，基频红外o光入射至二倍频晶体4中发生二倍频效应，产生515nm二倍频绿光。为了更好实现后续三倍频的过程，该阶段优先考虑光束质量，因此选用lbo晶体作为二倍频晶体4。lbo晶体在1030nm和515nm之间具有较小的空间走离角、色散和群速走离，倍频效率可高达60％。基频红外o光经过i类相位匹配，产生50％效率的515nm波长的倍频e光，即可以获得1.2mj的515nm二倍频绿光。而群延迟补偿片32产生的较落后的脉冲对于二倍频晶体4来说是e偏振，其直接通过二倍频晶体4，且与原超前的基频红外o光有一定的角度走离，即两者不在同一光轴传输，有利于在后续分离出基频红外e光和倍频绿光。
63.由于在二倍频晶体4内通过二倍频效应产生的515nm二倍频绿光也是e光，所以同为e光的二倍频绿光和基频红外e光在lbo晶体内传输时会与基频红外o光产生同方向的走离角，但两者的走离角之差仅为0.6mrad，即使是经过3mm长的二倍频晶体4，其相对走离位移仅为1.8微米，完全可以忽略不计，即可认为两者之间几乎共线传输，从而实现了空间走离补偿的效果。
64.在具体实施过程中，飞秒激光器1输出的基频红外光经过所述相位延迟片31改变偏振态方向，得到相互垂直的基频红外o光和基频红外e光。基频红外光经过相位延迟片31后继续入射至群延迟补偿片32中，此时基频红外光的入射方向与群延迟补偿片32的晶体光
轴为90
°
，群延迟补偿片32内基频红外e光和基频红外o光群速差最大且没有空间走离效应。另外，群延迟补偿片32为bbo晶体，其主光面与所述二倍频晶体4的主光面相对垂直设置，能够使群延迟补偿片32内超前的e光转换成o光入射至二倍频晶体4中，补偿了基频红外光在二倍频晶体4发生二倍频效应时产生的倍频光滞后的效应，实现了后续三倍频过程中基频红外光和二倍频绿光之间的时间走离效应的补偿。
65.基频红外光与二倍频绿光传输至三倍频晶体6进行和频，产生三倍频紫外光。
66.本实施例中，所述基频红外光与所述二倍频绿光进入三倍频晶体6进行和频之前，使用偏振分光片5将基频红外o光导出光路。
67.在具体实施过程中，通过二倍频晶体4产生515nm二倍频绿光后，倍频过程剩余的基频红外o光并不参与后续与二倍频绿光的和频过程，而是直接被偏振分光片5tfp导出光路。通过偏振分光片5后的1030nm基频红外e光和515nm的二倍频绿光入射至三倍频晶体6进行和频，产生343nm三倍频紫外光。由于该过程需要兼顾倍频后的光束质量和转换效率，因此选用bbo晶体作为三倍频晶体6。bbo晶体在紫外波段具有较高的非线性系数，同时色散、群速走离和空间走离角等参数同lbo晶体差距缩小，具有较高的整体转换效率。
68.本实施例中，所述三倍频晶体6的主光面和所述二倍频晶体4的主光面相对垂直设置，即和所述群延迟补偿片32的主光面一致。
69.在具体实施过程中，所述二倍频晶体4的主光面与所述三倍频晶体6的主光面相对垂直设置，让通过二倍频晶体4的同为e光的二倍频绿光和基频红外e光相对于三倍频晶体6转置成o光。在三倍频晶体6中，同为o光的1.2mj二倍频绿光和0.6mj的基频红外e光通过ⅰ类相位匹配，最终通过和频作用输出33％效率的0.6mj343nm三倍频紫外光。由于事先设置了群延迟补偿片32，所以进行三倍频之前，二倍频绿光是领先于基频红外e光的，但由于在三倍频晶体6中，基频红外e光传输速度快于二倍频绿光，即通过合理设计群延迟补偿片32在二倍频绿光和基频红外e光之间引入合适的群延迟，可以使二倍频绿光和基频红外e光在三倍频晶体6中实现最高的重叠度，从而实现高效率高光束质量的紫外光脉冲的产生。
70.本实施例所提出的飞秒激光倍频方法，通过在飞秒激光器1与二倍频晶体4之间设置用于补偿时间走离效应和空间走离效应的走离效应补偿组件3，对飞秒激光器1输出的基频红外光进行时间上和空间上的走离效应补偿，使二倍频晶体4和三倍频晶体6能够对基频红外光进行高效的倍频，得到高功率、高光束质量以及高功率稳定性的三倍频紫外光，形成温度精密可控、结构紧凑可靠、维护简单、针对应用端不同需求适应性强的超强超短激光脉冲2h二倍频和3h三倍频频率上转换模块，并实现产业化示范。
71.本实施例所提出的飞秒激光倍频方法，仅采用一组群延迟补偿片32即可实现整个系统中二倍频和三倍频过程产生的时间和空间走离效应的补偿。通过设计合适的群延迟补偿片32，即可有效补偿非线性倍频晶体对不同波长光脉冲的群速走离，避免了多次二倍频、三倍频以及引入多组时间和空间走离补偿装置的复杂光路设计，从而让参与二倍频和三倍频过程的光束具有很好的光束质量和时空重合度。
72.附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
73.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本
发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。