折返点匹配的宽带二倍频实验研究

在二次谐波转换中,基频光和倍频光的群速失配是限制转换带宽的主要因素。利用折返点匹配的宽带谐波转换技术能同时实现基频光和倍频光的相位匹配和群速匹配,理论计算表明在折返点匹配的情况下,倍频转换带宽将显著增加。分别利用厚度10 mm,氘含量12%的KD*P晶体和厚度12 mm的KDP晶体对中心波长为1053 nm,谱宽为31 nm,能量为620μJ的基频光进行折返点匹配二倍频和传统二倍频的对比实验,前者取得了22 nm的转换带宽,远大于后者7 nm的转换带宽。实验结果证实了理论计算的正确性,显示了折返点匹配宽带谐波转换技术的优越性。相应地,前者转换效率为25%,大于后者20%的转换效率,导致倍频转换效率较低的主要因素是入射基频光的光束质量和光谱质量较差。     

脉冲形状对三次谐波转换的影响分析

本文研究了基频光脉冲波形对三倍频转换效率的影响,对高斯脉冲和平顶脉冲的不同谐波转换特点作了详细分析,研究结果表明,当基频光脉冲形状偏离理想的平顶分布时,适当地降低二倍频转换效率,可提高三倍频转换效率。当基频光为高斯脉冲时,在3GW/cm2的输入条件下最佳的二倍频转换效率为56.8％,低于理论预计的66.7％。进一步的,计算了不同功率密度下,最佳二倍频转换效率与超高斯脉冲阶数的关系。     

高强度三倍频实验研究

针对KDP晶体的TypeI+ TypeⅡ匹配方式的三倍频方案,采用理论模拟与实验研究相结合方式,从非线性耦合波方程组出发,编制了考虑衍射、离散、吸收和端面反射等物理因素的二维模拟计算程序.针对x、y方向均是六阶超高斯分布的入射基频光,功率密度在2～8 GW/cm2时,得到了TypeⅠ倍频晶体厚度11.8 mm、失谐角300 μrad,TypeⅡ混频晶体厚度9 mm、失谐角为0 μrad的优化参数,此时三倍频转换具有较大的动态范围和较高的效率. 在星光Ⅱ激光装置大厅建立了高强度三倍频实验研究平台,实验平台上基频光光束口径为Φ70 mm、功率密度为1～7 GW/cm2内可调、脉冲宽度约为0.8 ns.在实验平台上采用Φ100 mm能量卡计对基频光(1ω)、二倍频(2ω)和三倍频光(3ω)的能量进行测量,二、三倍频的外部转换效率可达60%以上;利用条纹相机对1ω光和3ω光的脉宽进行测量,脉宽变化基本为0.8 ns(1ω)和0.5 ns(3ω);采用512×512点阵的CCD对1ω光和3ω光的近场分布进行了对应测量,通过图像处理,得到描述光束质量的强度调制度和通量对比度值.基频光的远场发散角利用列阵相机进行监测,得到对应的1ω光光束发散角θ=0.3±0.06 mrad.在倍频晶体后5 m远处用哈特曼小孔阵列板测量基频光和三倍频光的波前分布,得其均方根(rms)分别为1.129 waves和0.425 waves.实验中,当入射基频光功率密度较高时,倍频晶体出现了明显的非线性自聚焦丝破坏现象.(OB11)     

脉冲形状对3次谐波转换的影响分析

为了使谐波转换系统保持高效稳定的3次谐波转换,采用数值模拟的方法,研究了基频光脉冲波形对3倍频转换效率的影响,并对高斯脉冲和平顶脉冲的不同谐波转换特点作了详细分析.当基频光为高斯脉冲时,在3GW/cm2的输入条件下最佳的2倍频转换效率为56.8%,低于理论预计的66.7%.进一步计算了不同功率密度下,最佳2倍频转换效率与超高斯脉冲阶数的关系.当考虑空间走离效应,基频光时间和空间均为平顶分布时,最佳的2倍频转换效率为62%;若基频光时间为平顶分布、空间分布为高斯分布时,最佳2倍频转换效率为51%,进一步地偏离66.7%.结果表明,当基频光脉冲形状偏离理想的平顶分布时,适当地降低2倍频转换效率,可提高3倍频转换效率.     

超高强度飞秒脉冲的三次谐波转换

针对超高强度飞秒激光,对利用单块BBO晶体产生三倍频(THG)的过程进行了分析,比较了单块晶体中三阶非线性效应以及级联二阶非线性效应对三倍频转换效率的作用,讨论了入射基频光光强、晶体厚度、自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、群速度失配、失谐角、方位角等因素对三倍频光转换效率、时间波形及光谱分布的影响,在此基础上,提出了提高三倍频转换效率的方法.研究结果表明:入射基频光强一定时,三倍频光的峰值光强、脉冲宽度(FWHM)随晶体厚度变化不明显.通过优化基频光入射角度,可提高单块BBO晶体三倍频光转换效率及峰值光强,并减小三倍频光脉冲宽度.此外,方位角的优化也可在一定程度上提高三倍频转换效率.     

采用角谱色散补偿法的宽带三倍频方案分析

针对线性啁啾的宽频带激光,分析了采用角谱色散(ASD)方法实现Ⅰ/Ⅱ类角度失谐的KDP晶体三倍频方案,讨论了光栅角色散、入射基频光的光强、带宽以及晶体厚度对三倍频转换效率、脉冲波形和光谱分布的影响,并对采用角谱色散补偿法的宽带三倍频方案参数进行了优化.研究结果表明,采用ASD方法,不仅能有效地提高带宽较宽条件下三倍频光的转换效率,而且还可以使三倍频光脉宽和带宽明显变宽、脉冲波形和光谱分布变光滑.经方案优化后,当入射基频光带宽11.2nm、光强2-6GW/cm2时的三倍频光转换效率可达到60%左右,比不采用ASD时的三倍频光转换效率提高了40%左右.     

高强度飞秒脉冲单块BBO晶体三倍频实验

针对脉冲宽度100 fs,带宽25 nm,能量6 mJ左右的超短脉冲基频光(经过透镜缩束后峰值光强为200~900 GW/cm2),采用单块厚度为1.5 mm的BBO晶体进行了三倍频实验研究。在入射基频光强度约300 GW/cm2时,得到的三倍频转换效率约0.8%。采用分步傅里叶变换及四阶龙格-库塔算法,对描述飞秒脉冲单块晶体三倍频的耦合波方程组进行了数值计算。研究结果表明,三倍频光主要是由三阶非线性效应产生的;基频光带宽较大是限制三倍频转换效率的主要因素之一;对基频光的入射角度及方位角进行优化,可较好地补偿非线性相位失配,提高单块晶体三倍频转换效率。     

用于ICF驱动器高效三倍频方案的分析

用数值计算方法对适用于ICF驱动器的Ⅰ/Ⅱ角度失谐和Ⅱ/Ⅱ偏振失配(在5.0GW/cm2附近获得最佳三倍频转换效率)两种三倍频方案进行了详细地对比分析,还给出了基频光脉冲空间分布均匀和空间分布为六阶超高斯,时间分布均为高斯(脉宽1ns),入射功率密度范围为0～10GW/cm2时的三倍频效率曲线,对ICF三倍频实验具有很重要的参考价值。     

半绝缘GaAs倍频效应的研究

理论研究了GaAs的倍频效应,当基频光电场的偏振方向沿[111]方向时,倍频效应最显著;当基频光垂直于半球形GaAs样品的(001)底面入射时,产生的二次谐波沿(001)面传播.首次从光电流随基频光偏振方向的变化这一角度验证了波长为1.3μm的基频光沿GaAs晶体的[001]方向入射时的倍频吸收各向异性理论;实验测得了样品的光电流随外加偏压的非线性变化关系,实验中没有观察到光电流随外加偏压的增加而饱和的现象,进一步证明了GaAs样品中产生了倍频吸收.     

高峰值功率皮秒激光系统KTP和BBO倍频技术研究

文中对非线性光学晶体KTiOPO4(KTP)和β-BaB2O4(BBO)在窄脉宽300ps,峰值功率2×109 W激光系统中倍频技术进行了实验研究和理论分析,在基频光(1064nm)能量为550mJ时,KTiOPO4的二倍频效率达到60%;β-BaB2O4二倍频效率达到40%.并对KTiOPO4进行了损伤阈值实验,得出其损伤阈值为1.13GW/cm2,这对使用KTP晶体在皮秒级脉宽时获得最佳非线性转换而可能实现的功率密度提供了参考依据.     

Nd:YAG/Cr:YAG键合晶体的355 nm激光器

报道了一台基于Nd:YAG/Cr:YAG键合晶体的全固态355 nm紫外(UV)激光器的设计及实验结果.采用平-平腔结构获得高峰值功率、小束腰的1064 nm基频光.在谐振腔外,未聚焦的1064 nm基频光经KTP晶体倍频产生532 nm波长激光,二者再经LBO晶体和频获得355 nm紫外激光输出.实验中发现尽管Nd:YAG与Cr:YAG都是各向同性晶体,但在特定情况下输出的1064 nm基频光具有近似线偏振的特性,此特性可以有效地增加二次谐波产生(SHG)时基频光的利用率,从而提高整台激光器的转换效率.而基频光的谱线宽度及发散角也影响二次谐波及三次谐波产生(THG)的转换效率,需使其尽量在晶体的允许带宽及允许角范围以内.综合这几点因素,对激光谐振腔进行了仔细设计.当激光二极管(LD)抽运功率为8 W,激光器运行稳定时,基频光峰值功率达28 kW,最终获得平均功率为124 mW的355 nm紫外激光.     

基于光子晶体光纤飞秒激光技术的高功率紫外激光源

实验研究了一种基于大模场面积光子晶体光纤飞秒激光技术的紫外飞秒激光源.分析了群速失配下的倍频光和基频光的走离长度,并实验比较了不同长度的BBO晶体的倍频功率和效率.分别采用5 mm和0.18 mm的两块BBO晶体,在Ⅰ类相位匹配条件下,对光子晶体光纤放大器输出的脉宽为110 fs,重复频率50 MHz的1040 nm飞秒激光进行腔外二倍频(SHG)和四倍频(FHG),获得了高功率紫外飞秒激光.在20 W的平均功率抽运下,获得了8.88 W的二倍频绿光输出,转换效率为44.4%.同时获得了656 mW的四倍频260 nm紫外激光,单脉冲能量13 nJ,最高功率时二次谐波(SH)到四次谐波(FH)的转换效率为7.39%.     

Efficient generation of continuously tunable coherent radiation in the 2460-2650-Å spectral range

Continuously tunable coherent radiation in the 2460- 2650-Å spectral range has been achieved by second harmonic generation (SHG) of a dye laser in a 90° phase-matched ADP crystal, temperature tuned between-116°C and 52°C. The 8.4-percent conversion efficiency obtained at a fundamental power of 9.6 kW is approximately 5 times larger than that reported earlier for SHG at these wavelengths.     

高效率高功率全固态紫外激光器

报道了采用大功率国产光纤束模块端面抽运Nd∶YVO4激光晶体的腔外三倍频紫外激光器,用声光调Q技术实现了高功率高光束质量基频光输出。采用LBOⅠ类相位匹配和LBOⅡ类相位匹配的腔外倍频方法,并利用凹面反射镜的方式进行聚焦,避免了1064nm和532nm激光聚焦时由于波长的不同而产生的色差效应,有效地提高了三倍频的倍频效率。最终在注入抽运光功率为23.3W,声光调Q激光器的调制频率为20kHz的工作条件下,基频光输出功率为7.28W时,得到紫外激光输出功率为1.86W,1064nm基频光到355nm紫外激光的光-光转换效率为25.5%,此外,对紫外激光光束质量的测试表明,该紫外激光器具有高功率输出的同时仍有很好的光束质量。     

皮秒激光中KTP晶体灰迹对二次谐波转换效率的影响

高功率激光在KTP晶体中引起的“灰迹”(gray -tracking)现象 ,影响了二次谐波转换效率的进一步提高。本文利用凸 -ARR非稳腔产生的皮秒光脉冲比较和研究了KTP和BBO晶体的倍频转换效率 ,分析KTP灰迹形成对转换效率的影响。腔外倍频实验中 ,分别获得 43 .8%和 3 2 %的转变效率 ;当采用腔内倍频方式 ,其转换效率分别为 5 3 .4%和 70 %。结果指出 :在较低的激光功率下 (小于KTP灰迹产生阈值 )KTP的转换效率高于BBO晶体 ;而在高功率密度情况下 ,由于KTP灰迹的产生 ,使它的倍频转换效率低于BBO晶体。     

High-power long-pulse second harmonic generation and optical damage with free-running Nd:YAG laser

Frequency doubling with a free-running long-pulse Nd:YAG laser and LBO or KTP nonlinear crystals yields conversion efficiency of up to 17.5% and 162 W peak power in the second harmonic. This efficiency is obtained for a TEM/sub 00/ beam with rectangular temporal pulse shape of 50 to 400 /spl mu/s. To our knowledge, this is the highest second-harmonic generation (SHG) efficiency reported for the long-pulse free-running configuration. The efficiency is limited by optical damage with much lower threshold than in the Q-switch domain. The damage is preceded by a saturation effect of the SHG efficiency. Both wavelengths (fundamental and second-harmonic) are necessary for the creation of the catastrophic damage. We present first evidence for a mechanism that involves creation of transient absorption centers by the second-harmonic radiation due to multiphoton absorption. Absorption of the fundamental wave at these centers leads to local heating and ultimately catastrophic damage.     

TEA CO2激光在AgGaSe2晶体中的倍频实验研究

实验上实现了TEACO2 激光在AgGaSe2 非线性光学晶体中的倍频光产生。着重研究了TEACO2 激光的能量、脉冲重复频率以及基波的焦点位置对于倍频光输出的影响。实验中得到了倍频光的角度调谐曲线 ,将入射光聚焦在晶体的中心区域 ,获得最大倍频光输出能量为 1 32mJ。脉冲能量转换效率为 2 4 % ,主脉冲的最大转换效率为 4 %。还分析了脉冲重复频率的变化 ( <10Hz)对倍频转换效率的影响。实验结果发现抑制倍频转换效率的主要因素为晶体的光学质量、激光脉冲低功率密度的拖尾以及激光脉冲的不稳定。特别由于脉冲附带长的拖尾加剧了热透镜效应 ,使得脉冲重复频率的增加引起转换效率的降低。     

周期极化钽酸锂倍频窄谱线全光纤连续激光放大器特性

通过准相位匹配技术,采用1μm波段高功率窄谱线连续光纤激光放大器抽运高二次谐波转换效率周期性极化晶体,是实现高光束质量、小型化、高功率连续绿光激光器的一个非常有前途的方向。实验自主研发了高效率主振荡功率放大(MOPA)全光纤保偏放大模块,获得中心波长为1064.25nm,线宽为0.035nm的30 W连续线偏振激光,并以此作为基频光抽运国产周期极化钽酸锂(PPSLT)晶体进行了外腔单通倍频实验。保持PPSLT晶体的控制温度为145.6℃,在抽运光功率为21.5W时得到了2.1W的绿光输出。实验分析了温度、基频光功率密度和Boyd-Kleinman聚焦因子对倍频光转换效率的影响。实验过程中没有出现饱和现象,进一步提高抽运功率有望获得更高功率的绿光。     

掺镱双包层光纤激光器内腔倍频绿光实验研究(英文)

提出了一种内腔形式的双包层光纤激光器倍频绿光的结构,利用腔内极高的抽运光功率密度,理论上能获得高转换效率的倍频绿光输出,结合双包层光纤激光器结构紧凑的优点,容易实现激光器一体化。根据高斯光束透镜变换定律计算了透镜与系统的相对位置,当高斯光束聚焦参数等于倍频晶体长度两倍且束腰处于晶体输出端面时,系统处于最佳聚焦。实验输出10.5mW绿光,系统倍频效率为0.35%。验证了激光在腔内形成振荡,表明该结构能实现高效的连续绿光输出。     

增强腔外倍频效率的研究

本文介绍在腔外倍频中,加反射腔,使经过倍频后剩余的基频光,被反射腔多次反射叠加在原基频光上,增加了基频光功率,从而提高了倍频效率。介绍了两种光路,在我们现有条件下,效率各提高了２．２６和２．９倍。