一种基于单块非线性晶体的飞秒激光超宽带高效率倍频器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于单块非线性晶体的飞秒激光超宽带高效率倍频器，其中，单块非线性晶体采用5％氧化镁掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体，通过的晶体结构的设计，包括对极化周期、极化周期啁啾度、极化周期占空比、晶体长度等的控制，利用准相位匹配技术，能够使用铌酸锂晶体最大的有效非线性系数，并且能够同时使用不同阶次的准相位匹配，使其在不同波长泵浦时无需改变晶体角度或者激光的偏振等，能够同时产生高效率的二次谐波。通过对该晶体的设计，实现了基于单块非线性晶体的超宽带倍频器，并且结构简单、容易操作及维护等，克服了目前宽带倍频器件效率低、结构复杂、调试困难、稳定性低等缺点。定性低等缺点。定性低等缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单块非线性晶体的飞秒激光超宽带高效率倍频器


[0001]本专利技术属于强激光非线性频率变换
，涉及一种紫外
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可见
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近红外波段的超宽带飞秒激光倍频器，利用啁啾周期极化铌酸锂晶体作为所用非线性晶体，具体涉及一种基于单块非线性晶体的飞秒激光超宽带高效率倍频器。

技术介绍

[0002]线性频率变换已经成为扩展激光波长的重要手段，然而现有器件只能对单色激光或者窄带频谱的激光进行非线性频率转换，无法实现各个波段的飞秒脉冲激光高效倍频。通常利用晶体双折射相位匹配技术使频率变换得以实现，然而为了实现完全的相位匹配，对于激光入射晶体的角度、温度、偏振等许多参数有着极高的要求，这一方面使得参数的调谐性能很差，同时存在空间走离问题；另一方面，对于不同波长的激光，需要设置的参数也会不同，因此为了在不同波段获得能量转换，不得不重新设置参数，这使实际应用起来非常繁琐。为此，通过使用啁啾周期的非线性晶体，结合准相位匹配技术，可以使较宽波段内的激光在同一块非线性极化晶体中实现较高效率的倍频，同时在波长调谐过程中不需要改变晶体角度、温度、或者入射激光的角度和偏振等参数，并且可以使晶体的最大非线性极化率得到利用，同时可以消除空间走离效应。为了进一步扩展在单块非线性极化晶体中的倍频带宽，本专利技术研究过程中至少发现通过对极化晶体的极化周期占空比的调控，可以同时利用不同阶次的准相位匹配，这能够使原本已经比较宽带的非线性带宽得到更大的扩展。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于单块非线性晶体的飞秒激光超宽带高效率倍频器，通过对啁啾极化晶体的啁啾结构，如极化周期啁啾度、占空比、晶体长度等参数的设计，可以利用准相位匹配技术在单块非线性晶体中实现各个波段的飞秒脉冲激光的高效倍频，并且不需要改变整个过程中的许多光学参数。该倍频器能够同时实现紫外
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可见
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近红外波段飞秒脉冲激光的高效倍频，且具有使用方便；结构可控；设计灵活的优点；克服了传统倍频器件带宽不足，调谐困难，操作使用不方便，维护要求高等。
[0004]本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0005]一种基于单块非线性晶体的飞秒激光超宽带高效率倍频器，根据准相位匹配原理，通过设计非线性晶体的各个参数，得到带倒格矢分布满足紫外
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可见
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近红外波段倍频产生所需相位补偿的周期极化晶体，所述非线性晶体为5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体，且该非线性晶体的切割方向沿着晶体的z方向切割，非线性晶体的参数包括极化周期长度、极化周期啁啾度、占空比、晶体长度等。
[0006]其中，所述啁啾周期极化铌酸锂晶体包括一系列长度不等的畴结构，所述一系列畴结构中，每个畴结构分别包含一对极化方向相反的正畴和负畴，所述一系列畴结构的长度沿着光传播方向按照连续的啁啾变化而改变，所述正畴的长度占畴结构长度的比例为极
化周期占空比D，所述极化周期占空比在整个晶体通光方向为固定大小。
[0007]进一步地，所述啁啾周期极化铌酸锂晶体呈长方体形状，上下表面平行且抛光，长宽为20mm*6mm，厚度为1～2mm。由于受到极化技术的限制，目前国内能做到的效果较好的极化厚度为1～2mm，因此根据飞秒激光光斑大小，选定合适的厚度；为了获得足够宽的倒格矢带，啁啾极化周期需要晶体具有一定的长度，不同长度会影响倒格矢带从而影响啁啾周期极化铌酸锂晶体的工作带宽，因此选择晶体长度为20mm。
[0008]进一步地，所述啁啾周期极化铌酸锂晶体中，一系列畴结构在z方向的几何长度由Λ(z)＝l
+
+l
‑
＝Λ0/[1+(D
g
Λ0z/2π)]确定，其中z为对应畴结构在z方向上的起始位置坐标，z方向为光传播方向，l
+
、l
‑
分别为正畴和负畴的长度，其中Λ0为在准相位匹配技术的应用中倍频器所对应的倍频波长范围中最大波长所需要的极化周期，D
g
为啁啾度。当啁啾周期极化铌酸锂晶体在z方向的几何长度为20mm时，啁啾度为D
c
＝60
×
10
‑6μm
‑2，则能够得到对应的极化周期Λ(z)沿着z方向从23.6μm减少到20μm，此时啁啾周期极化铌酸锂晶体能够提供700
‑
1700nm波段倍频所需要的足够宽的倒格矢带。
[0009]进一步地，所述啁啾周期极化铌酸锂晶体的非线性系数为周期沿着传播方向减小的分布，将非线性系数分布进行傅里叶级数展开后，其不同阶次的傅里叶级数对应不同的准相位匹配阶次，对应得到不同阶次的等效极化周期长度：Λ
m
(z)＝Λ(z)/m＝(l
+
+l
‑
)/m，其中，不同阶次的等效极化周期的倒格矢带，能够对应不同波长的倍频产生所需要的相位失配。不同阶次的准相位匹配对应的等效非线性系数的大小受到占空比D的影响，对于不同的占空比D，能够获得不同的倒格矢分布。当占空比D为50％时，会使所有偶数阶次的准相位匹配对于的等效非线性系数变为0，此时啁啾周期极化铌酸锂晶体的工作带宽较小。而当占空比D为36％时，能够使1
‑
12阶次的倒格矢分布较为均匀，从而能够使啁啾周期极化铌酸锂晶体能够提供700
‑
1700nm波段倍频所需要的足够宽的倒格矢带。
[0010]进一步地，所述极化周期Λ0、啁啾度D
g
、啁啾极化铌酸锂晶体长度L、极化周期占空比D、准相位匹配阶次m，根据所需要的倍频波长范围，以不同的数值组合，使所述飞秒激光超宽带高效率倍频器的各阶次倒格矢带随着阶次从低到高，呈现为以入射飞秒激光波长由长到短对应的一系列倍频过程的相位失配的倒格矢带，从而在单块非线性晶体中能够同时为紫外
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可见
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近红外波段频率转换提供有效的相位补偿。极化周期Λ0确定了倒格矢带的最小值；啁啾度D
g
、啁啾极化铌酸锂晶体长度L的选择，能够使倒格矢带有足够宽的带宽；极化周期占空比D能够使不同准相位匹配阶次m的倒格矢带之间的间隔减小甚至有一定重叠，从而使啁啾周期极化铌酸锂晶体提供的倒格矢带支持700
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1700nm波段的倍频。
[0011]进一步地，所述啁啾周期极化铌酸锂晶体满足的准相位匹配条件要求飞秒脉冲激光为垂直入射非线性晶体，非线性晶体为晶体z向切割，且入射光偏振方向为e偏振。当入射光均为e偏振时，由准相位匹配的倍频过程产生的倍频光的偏振也为e偏振，而z向切割使垂直入射啁啾周期铌酸锂晶体的激光不会产生空间走离效应，从而使入射激光与出射激光的传播方向保持一致。
[0012]本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0013](1)本专利技术从准相位匹配技术的原理出发，设计得到了一种新型倍频器件，该器件基于啁啾周期极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单块非线性晶体的飞秒激光超宽带高效率倍频器，该倍频器基于准相位匹配技术，用于产生紫外
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可见
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近红外的倍频光，其特征在于，所述非线性晶体为5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体；所述啁啾周期极化铌酸锂晶体包括一系列长度不等的畴结构，所述一系列畴结构中，每个畴结构分别包含一对极化方向相反的正畴和负畴，所述一系列畴结构的长度沿着光传播方向按照连续的啁啾变化而改变，所述正畴的长度占畴结构长度的比例为极化周期占空比D，所述极化周期占空比在整个晶体通光方向为固定大小。2.根据权利要求1所述的飞秒激光超宽带高效率倍频器，其特征在于，所述啁啾周期极化铌酸锂晶体呈长方体形状，上下表面平行且抛光，长宽为20mm*6mm，厚度为1～2mm。3.根据权利要求1所述的飞秒激光超宽带高效率倍频器，其特征在于，所述啁啾周期极化铌酸锂晶体中，一系列畴结构在z方向的几何长度由Λ(z)＝l
+
+l
‑
＝Λ0/[1+(D
g
Λ0z/2π)]确定，其中z为对应畴结构在z方向上的起始位置坐标，z方向为光传播方向，l
+
、l
‑
分别为正畴和负畴的长度，其中Λ0为在准相位匹配技术的应用中倍频器所对应的倍频波长范围中最大波长所需要的极化周期，D
g...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志远，李铭洲，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：