大口径KDP晶体加工相位扰动与三次谐波转换

根据神光Ⅱ三次谐波转换中的各种现象,分析了晶体中高频周期相位调制的影响。目前国内大口径KDP晶体在中高频段存在强烈周期性相位调制,相位调制周期约20mm,调制幅度约35nm,导致三次谐波近、远场产生明显的强度调制,实验测得三倍频的近场周期条纹对比度在0.1～0.3之间,周期约12mm,理论分析该周期相位调制导致光束下游元件产生自聚焦风险明显增大,并且会引起三倍频远场畸变分裂,可聚焦能力下降。中高频段的周期调制可能来自于晶体加工过程中真空吸附,需要进一步实验判断并在加工中消除周期性的相位扰动。     

相位畸变在三次谐波转换中对聚焦光斑形态的影响

采用均方根（RMS）梯度表征的随机相位屏捕述光束的低频相位噪声；用随机相位扰动描述中、高频相位噪声，建立了波前相位畸变模型。以ⅠⅡ类角度失谐KDP晶体的高强度三次谐波转换为例，详细研究了三次谐渡转换过程中，基频光和三倍频光的波前相位畸变之间的定量变化关系，分析了三次谐波转换过程对聚焦光斑形态的影响，研究结果表明，三倍频光的焦斑半径随着基频光低频相位畸变的均方根梯度增大而明显增大，且在均方根梯度较大时，三倍频光的焦斑半径几乎与基频光相近。     

三阶非线性效应对高强度三次谐波转换的影响

研究在高功率条件下I／Ⅱ类角度失谐倍频方案中，KDP晶体的三阶非线性效应对三次谐波转换效率和光束质量的影响。研究结果表明，三阶非线性效应不仅使三次谐波转换效率明显下降，而且还会降低三倍频光的光束质量。     

位相扰动对三次谐波转换的影响

采用Ⅰ /Ⅱ角度失谐的三倍频方案 ,以超高斯光束作为入射基频光场 ,建立了位相扰动光束三次谐波转换的理论模型 ,并作数值模拟计算。结果表明 ,位相扰动不仅影响二、三倍频光的转换效率 ,还对各谐波光束质量产生影响。     

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。     

利用晶体串接实现宽带三次谐波转换

从耦合波方程出发,分别在小信号、高功率密度(1.5 GW/cm2)条件下研究了晶体串接三次谐波(THG)转换方案,并利用实验验证了该方案。实验观察到这种方案可以有效提高宽带激光三次谐波转换效率,但混频晶体之间的距离对宽带三次谐波转换效率影响明显。在1.5 GW/cm2平均功率密度下,实验中最佳距离25 mm处,对带宽3.5 nm的啁啾脉冲取得了19.75%的三倍频效率,这对于高功率激光宽带三次谐波转换的解决很有意义。     

窄带三次谐波转换的逆问题

以分步离散傅里叶变换和四阶R-K法为基础,给出了解决激光三次谐波转换逆问题(即已知输出三倍频光场分布以及三次谐波转换器参数的情况下,求解输入基频光场分布)的方法,对三次谐波转换的逆问题进行了数值计算和分析,并讨论了逆算的初始光场条件对迭代计算次数及计算精度的影响。结果表明,对于设定的输出三倍频光场分布,可通过逆解三次谐波转换过程及数值迭代方法,求得相应的输入基频光场分布。     

光子晶体中二阶非线性过程产生三次谐波的研究

运用非线性耦合波理论,分析了在非线性光子晶体中,通过二阶过程产生三次谐波的准相位匹配条件。数值模拟结果表明,在入射光中引入倍频光信号,能够极大地改变三次谐波的转换效率。当入射光中倍频光与基频光强度比以及两者复振幅的初相角满足一定的条件时,可在宽的入射光强范围内获得很高的三次谐波转换效率。     

两端支撑夹持结构参数对三倍频转换效率的影响

在高功率固体激光器的终端光学组件中,为了提升三倍频转换效率,对大口径薄型KDP晶体采取两侧支撑的夹持方法,并利用有限元分析软件建立了夹持系统的仿真模型。在此基础上,计算分析了晶体以不同倾斜角度放置时,支撑条数目和长度等夹持系统结构参数对晶体附加面形、相位匹配角及三倍频转换效率的影响。研究结果表明:晶体两侧支撑条总数为4时,大口径薄型KDP晶体附加面形的峰谷值和均方根值、晶轴变化的平均值和三倍频转换效率随支撑条长度的变化不大,且可获得理想的三倍频转换效率。解决了反复调试KDP晶体面形质量的问题而缩短了工程装校时间。     

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.     

位相畸变三次谐波转换

研究了KDP晶体TypeⅠ /TypeⅡ角度匹配的三倍频方案中 ,离散效应和基波位相畸变对三次谐波的影响。重点考虑了位相畸变所带来的在光束全口径上e光折射率以及相位失配等的变化 ,分析了功率密度分布为超高斯型且具有Zernike多项式表述的各阶像差的光束的三次谐波转换过程 ,得到了不同像差对三次谐波横向光功率密度分布的影响以及转换效率变化曲线。     

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。     

大口径快速生长KDP晶体三倍频性能研究

主要研究大口径KDP晶体的高强度三倍频性能。采用正交偏振干涉法测量了晶体的光轴均匀性分布,并在神光III原型装置上利用快速生长二倍频晶体开展了高强度三倍频实验,验证了折射率均匀性分布对三倍频效率和近场的影响。实验结果表明,大口径快速生长KDP晶体的三倍频性能基本上满足神光III装置的要求,但快速生长晶体的受激拉曼散射增益系数和激光损伤阈值等性能仍有待进一步考核。     

惯性约束核聚变驱动器高强度三倍频系统输出能力分析

以惯性约束核聚变(ICF)驱动器———原型装置(TIL)的研制为背景,针对原型装置首束达标的要求,采用理论模拟指导实验,实验结果考核程序的方法,对影响惯性约束核聚变驱动器大口径高强度三倍频(THG)效率的多种因素进行了详细的分析和研究,并对惯性约束核聚变驱动器高强度三倍频系统的输出能力进行了详细的分析。结果表明,当I1ω(基频光功率密度)为2.7 GW/cm2左右时,实测效率为50%~55%,而理论计算值为60%左右,理论结果和实验结果符合得很好,为原型装置的八束达标和功率平衡提供了相应的实验依据和计算工具。     

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.     

常温条件下KTP晶体应用于1319nm激光三倍频相位匹配角的测量

针对常温工作条件下利用磷酸氧钛钾(KTP)晶体对钇铝石榴石(Nd…YAG)晶体1319nm激光三倍频产生440nm蓝色激光的实验,对三倍频KTP晶体的相位匹配角进行了理论计算和实验研究。通过多组色散方程得到KTP晶体的相位匹配角,并计算出相应的有效非线性系数。选取一组结果(θ=84.6°,φ=0°)对KTP晶体切割,利用一台1319nm激光器,将晶体放入腔中,采用旋转晶体偏角和调节温度的方法寻找出三倍频KTP晶体最佳匹配角度(θ=85.04°,φ=0°)。该晶体经过重新切割,440nm蓝色激光输出的光束强度有了明显的提高,最佳工作温度为18℃。     

啁啾补偿飞秒脉冲高效三次谐波产生

中心波长为800 nm、脉宽为60 fs、重复频率为10 Hz的飞秒激光分为强弱两束,能量较强一束经I类相位匹配的BBO晶体倍频,之后与另一束光非共线和频得到三次谐波输出.实验得出基频和倍频光能量达到最佳配比时,三次谐波的转换效率最大;系统输出激光携带一定负啁啾可以补偿色散,提高三次谐波的转换效率.最终,当基频和倍频光的能量分别为2.38 mJ和0.588 mJ,系统输出激光带有9.66×10<'3> fs<'2>的负啁啾时,得到了中心波长为267 nm、单脉冲能量为230μJ的三次谐波输出,其转换效率高达19%.